RTDS教学讲义-上海交通大学电气工程中心

1、力系统综合实验时 数 字 仿 真 系 统 （ RTDS）教学讲义上海交通大学电气工程系2009. 07第一节 电力系统实时数字仿真器概述3第二节 RTDS 软硬件介绍42.1 硬件.42.2 软件.42.2.1 什么是PSCAD？ 42.2.2 如何启动PSCAD？ 5第三节 PSCAD 基本操作 73.1 鼠标 . .73.2 熟悉文件管理器. .73.2.1 如何创建项目（PROJEC）或例子（ TCASE） 93.3 用 DRAFT 绘制模型图.103.3.1 熟悉 DRAFT 界面 .103.3.2 搭建模型的基本操作.123.4 用 RUNTIME 模块进行仿真143.4.1 熟悉

2、RUNTIME 界面 143.4.2 RUNTIME 基本操作 .15第四节 实 验 .1826RTDS 教学讲义第一节 电力系统实时数字仿真器概述目前对于电力系统的仿真研究方法主要有两类：一为动态模拟，二为数值仿真。这两种方法各有特点和局限性。动态模拟已经介绍，下面我们主要介绍数值仿真的特点。伴随着数字计算机和数值技术的发展，数值仿真技术日渐成熟。这使得人们能够更加深入地研究和分析电机及电力系统的暂、稳态过程。目前， 国内外的研究采用高级语言编程或己开发出的一些比较成熟的数值仿真软件如：EMTP 、 EMTDC 、 PSPICE、以及MATLAB 等，对电机和电力系统的各种运行情况进行深入地

3、研究。对于电力系统，目前已经能够进行复杂电力系统的仿真研究。这种复杂电力系统的仿真基于发电机机组、升压变压器、直流输电及交流输电中各个电气元件准确的数学模型，定量地分析不同运行方式(正常、故障)、稳态和暂态情况下的系统各种电磁物理量(包括谐波)的变化情况。数值仿真具有不受被研究对象规模和复杂性的限制；保证被研究系统的安全性、系统实验的经济性、以及可用于对未来系统发展的预测等优点。但是， 以上数值仿真软件与动模仿真相比存在着一个共同的缺陷，那就是它们只能对系统进行计算分析，而不能对实际的控制装置和保护设备进行测试实验。实时数字仿真器RTDS( Real-time Digital Simulato

4、r)是由加拿大曼巴托尼HVDC 研究中心开发，RTDS 公司制造，是为实时电磁暂态现象研究而开发的特殊用途计算机 。 RTDS 不仅具有数值仿真的准确性，还能仿真较大规模的电力系统。而且 RTDS 还能将网络状态方程的解通过 D/A 转换以物理量输出，进而与实际设备接驳构筑起灵活方便的数字物理实验回路。这样它又能像动模实验一样对实际的物理装置进行测试试验，这也是单纯的数值仿真软件所无法办到的。所以，RTDS 同时具有了两种仿真手段的优点，是一种非常方便的仿真试验工具。在原理上，RTDS 的软件 PSCAD 是基于目前已得到国际上普遍承认的电磁暂态仿真程序EMTDC ， 包含了大量的精确电力系统

5、模型。其算法采用H.W.Dommel 于 1969 年创建的经典电磁暂态计算理论。Dommel 经典理论的主要思想是：对于任何复杂的电网，经过等值都可以变为只包含电流源和电阻性元件的伴随等值计算网络。这样系统在电磁暂态模式下可通过代数节点方程进行完整的描述。所以对于研究的系统可以先列出描述各元件和全系统暂态过程的微分方程，然后用应用数值方法进行求解。RTDS 在硬件上是采用高速DSP 芯片和并行处理结构以完成连续实时运行所需的快速运算。基于 DSP 的强大计算能力，RTDS 能够实时计算电力系统状态并输出到工作站或外部装置。在运行于工作站上的PSCAD 软件中，用户可以使用元件库中的各种电力系

6、统元件模型，方便快速地搭建电力系统模型，编译后下载到DSP 中计算，在模拟系统运行过程中能够通过工作站对所模拟的电力系统进行控制。RTDS 提供数字、模拟信号的输入输出接口，可进行控制器和保护装置的实时测试。目前 RTDS 的频率响应最高能达到1GHz 以上， 一个简单电力系统的仿真步长在50s 左右， 含有 HVDC 或 FACTS 装置的系统，仿真步长通常在60s 至 80s之间，能够满足交流系统各暂态现象研究的要求。相比传统的物理模拟方法，RTDS 具有建模周期短、灵活性强、安全性好、结果直观等特点，其计算精度和模型的合理性已通过国内外多年的运行实践证实是可以信赖的。目前 RTDS 主要

7、应用以下几个方面：1) 教学与培训2) 电力系统分析研究3) 测试控制设备4) 测试保护设备第二节 RTDS 软硬件介绍2.1 硬件CubicRACK图 1.RTDS 外观整个 RTDS 系统在硬件上包括工作站、机柜 （ cubic） 、 RACKs 、 各种处理器卡（ TPC、 3PC、GPC） 、 I/O 接口卡、RACK 间通讯卡（IRC） ，工作站通讯卡（WIF ） ,光隔系卡（OIC） ， MUX处理器卡（Processor Card） ，从 TPC 卡到 3PC卡到 RPC 卡到 GPC 卡处理能力一代比一GPC 卡的运算速度达到G 兆。处理器卡是RTDS 仿真装置的WIC （ W

8、orkstation Interface Card ）卡，工作站接口插卡是以M68020 为基础的处理器卡，RTDS 仿真装置和工作站之间的数据交换。现在已被新一代产品WIF 卡IRC （ Inter-Rack Communications Card ）卡， RACK 间通信卡，主要负责处理RACK 与RACK 之间的数据交换。OIC（Optical Isolation System） 卡 ，光隔离系统卡，提供了16 个模拟量输入输出通道和32RTDS 与外界量的交换必须要通过光隔系统。OIC 需要电源供电才RTDS 前端面板上有一个独立的电源开关。2.2 软件2.2.1 什么是 PSCAD

9、？PSCAD 是个软件包，提供给用户一个十分方便的实时仿真电力系统电磁暂态过程的工具。DRAFT 模块DRAFT 模块的主要功能是用来绘制被仿真的电力系统的电路图。在相应的元件库中选中然后用鼠标拖到画布上，各元件之间可以用母线进行连接。用户在设计好系统模COMPILE ）系统.一旦通过编译下一步仿真需要的文件将T LINE 模块T LINE 模块是专门用于输电线路的建模。该模块能够处理一些复杂的计算，以便生成RTDS 仿真所需要的输电线路行波参数。T LINE 程序中输电线路常采用贝杰龙模型，参数都编译形成线路模型所需的全部DRAFT 模块获取。电缆（CABLE ）模块与之类似，只不过电缆模块

10、只RUNTIME 模块RUNTIME 模块的主要功能是使用户能对正在仿真的系统进行监测和操作。使用图标化的MULTIPLOT 模块MULTIPLOT 模块主要用于波形的分析。MULTIPLOT 模块可以直接分析由RUNTIME 模UNIPLOT 模块与之类似，它只是处2.2.2 如何启动PSCAD ？启动 PSCAD 可以从基于WINDOWS 操作系统的普通计算机上启动PSCAD。 下列图形是PSCAD 的详细过程：i. 在桌面上双击RSCAD 图标。ii. PSCAD 启动成功，弹出下图所示界面。启动 PSCAD 建立新的系统模型并进行仿真和分析结果，大致分为以下几步：i. 启动 PSCAD

11、;ii. 在 RSCAD 中创建新的项目（project）或例（case）子；iii. 使用DRAFT 模块生成电路示意图，并编译；iv. 如果在模型中使用到传输线，则还需要使用T LINE 创建传输线模型；v. 使用RUNTIME 模块对已建好的模型进行运行和仿真；vi. 必要时启动MULTIPLOT 对仿真波形进行分析。第三节 PSCAD 基本操作3.1 鼠标、右在 UNIX 环境下鼠标有三个键如下图示，默认状态下分别为：左键、中间键（滚轮）键。与 WINDOWS 下鼠标稍有区别，用户在使用时应留意。2 鼠标示意图有关鼠标的主要操作如下：? 单击： 按下再松开鼠标左键，但不移动鼠标。单击的

12、作用：选择窗口或图标，使它被激活或选中。? 双击：连续两次快速按下再松开鼠标左键，但不移动鼠标。双击的作用：恢复/关闭窗口或启动关闭一个程序? 拖拽：按下左键托拽松开拖拽的作用是：移动窗口或图标或拖动滚动窗口中的滑块3.2 熟悉文件管理器成功启动PSCAD 后，首先出现的是RSCAD 窗口界面如下图所示。整个文件管理器界面窗口分为三个区域：工作区、菜单区、应用程序区。3 文件管理器界面菜单区：File ， Edit ， View， Tools ， Help工作区用户的操作对象项目（PROJEC）或例子（TCASE）的显示区域。用户可以按照自己的方式排列工作区中的图标。工作区中的图标显示了文件夹

13、的性质和文件夹名。应用程序区在这一区域主要包含: DRAFT 、 T LINE 、 CABLE 、 RUNTIME 、 MULTIPLOT 、 UNIPLOT六个模块。用鼠标单击就可以启动这些模块程序。正在运行的模块程序，点击ICON 选项，会最小化成图标显示在PROCESS ICONS 一栏的下方。最小化和最大化快捷键按钮，在文件管理器窗口的右上角，作用同文件管理器窗口菜单里面的 Minimize/ Maxmize 选项，这里主要是方便用户操作。3.2.1 如何创建项目（PROJEC）或例子（TCASE）创建项目（PROJEC）或例子（TCASE）的操作是PSCAD软件的基本操作，步骤也非常

14、简单，主要分为以下几步：1. 在文件管理器窗口菜单区中找到Draft；2. 单击 Draft，会弹出下面这个对话框3. 在弹出的对话框中，找到New File 一栏 ,选中后，点击OK。这样就建立了一个新的Draft 环境了。3.3 用 DRAFT 绘制模型图创建完用户项目和例子之后，用户就可以进入例子数据库界面，单击启动DRAFT 模块，绘制仿真模型图。也可以直接在文件管理器窗口界面启动DRAFT, 然后把生成的模型图保存到指定的 CASE 里面。3.3.1 熟悉 DRAFT 界面DRAFT 界面窗口如下图所示，主要包括菜单栏、画布和元件库区,鸟瞰区等。菜单栏在 DRAFT 界面的上方是菜单

15、栏，菜单栏的上方部分显示的是一些功能，以下是一些常用的功能New Circuit ： 新建任务。Open Circuit ：开打历史项目。Save Circuit ：保存Compile: 编译。模型图画好之后，通过编译才能仿真，而且每修改一次都要编译一次。Refresh: 刷新 .View： 当编译出现错误时，查看错误日志。或查看节点分配（MAP）文件等画布和元件库区在菜单栏的下方是画布和元件库区。用户在窗口右边的元件库区域选中需要的元件，再复制到画布上来组织电路图搭建仿真模型。在画布和元件库区的下方有一白色滑杆钮，用户可以左右移动滑杆调节画布和元件库区之间的大小位置。其他在 DRAFT 窗口

16、的左下角是画布鸟瞰区，在这个区域可以鸟瞰整个模型图及其在画布上的位置。用鼠标点击鸟瞰区某一区域，则这一区域将在画布上显示。在 DRAFT 窗口的右下角是元件库的鸟瞰区，作用和画布鸟瞰区类似。3.3.2 搭建模型的基本操作了解完 DRAFT 窗口，下面我们就进入搭建模型的基本操作环节吧！只有学好了基本操作才能随心所欲搭建自己想要的模型哦。?1. 移动画布把鼠标放在画布或元件库画布的空位置上，往下按住滚轮不放移动鼠标，这时画布将随着鼠标一起移动。2. 复制元件到画布上如何复制元件到画布上呢？第一步 在元件库中用鼠标左键单击元件，此时被选中的元件周围出现黑色框框。在弹出的下拉菜单中选择COPY 选项

17、然后松开鼠标，注意此过程中不要松开鼠标直到最后才松开哦。多尝试就熟练了。第二步 这时选中的元件就乖乖的跟在鼠标后面呈虚线状，在画布上给它找个合适的位置安家吧，点击左键就可以把它放到画布上。此时会弹出元件参数对话框。3. 移动元件如果发现元件位置不对，就单击元件在下拉菜单中选择MOVE 选项，松开鼠标。这时元件呈虚线状随鼠标一起移动。当移动到目标位置时，单击鼠标左键即可。4. 元件镜像和旋转单击元件，在下拉菜单中选择镜像（ MIRROR ） ， 镜像后的元件与原元件呈手性对称。单击元件选择Rotate，此时元件以顺时针方向旋转90 度，并且每点一下，就旋转一下。5. 元件组合选择多个元件后，在下

18、拉菜单选择组合（GROUP） ，这样就把多个元件图标组合成一个图标了。6. 母线的延长把鼠标放置在母线上，在下拉菜单中选Stretch 欲延长方向上移动，母线将随之延长。7. 元件参数的输入双击所选中的元件，在弹出的菜单中输入元件各种参数。8. 建立子系统（Sub-System）如下图所示在DRAFT 菜单栏下面SS#1 所在那一栏，点击右键，出现一个对话框选择 Add Subsystem, 这样就能生成一个子系统SS#2了。3.4 用 RUNTIME 模块进行仿真模型建成后通过保存编译后就可以启动RUNTIME 模块进行仿真。3.4.1 熟悉 RUNTIME 界面RUNTIME 模块的主要功

19、能是使用户能对正在仿真的系统进行监测和操作。仿真模型经编译后就可以生成RUNTIME 可以处理的编译文件（ .sib） ， 此编译文件名和模型名相同。在刚启动进的RSCAD 界面上（Draft 右边）单击启动RUNTIME 模块选项，会弹出下图所示界面。成了下面的一个对话框，如下图所示：选择中间那个Open Existing File, 找到之前已经编译通过的模型的存放路径下，系统自动产生的一个sib 文件（编译通过的Draft ，在其目录下会自动生成一个sib 文件） ，点击OK，就生其基本菜单和Draft 的基本差不多，功能栏里常用的如下几个不同：启动（ START ） ： 启动 RTDS

20、 进行仿真，点击后立即变成STOP，以便停止仿真。更新（ UPDATE ） :更新仿真数据。仿真没有启动时该项呈灰色，处于不活动状态。关于 CREATE 选项，用户可以创建的监测选项如右图示：PLOT ： 生成波形图 SLIDER ：生成滑杆 METER ： 生成表 LIGHT ：生成状态指示灯3 PHASERMS ：生成有效值 DIAL ：生成可手动选择的拨盘 SWITCH ： 生成开关 BUTTON ： 生成按钮 GROUP ： 生成组窗口的中间是工作区，生成的各元件都将在这里显示。最右边是RACK 状态信息栏，显示当前各RACK 的工作状态。3.4.2RUNTIME 基本操作1. 生成波

21、形图这是 RUNTIME 最常用的操作。选择CREATE PLOT, 在弹出的对话框中选择在DRAFT 中已经定义的信号名，如下图示，如CT 的电流等。点击确定PROCEED 后，一个空的 PLOT 将出现在工作区，仿真时该信号的稳态和暂态波形将实时显示在这张图上。选择信号的顺序一般是系统名（假如有多个子系统）类别名元件名信号名，有时级数更多。在可拖动区域可以按住鼠标左键左右移动，以方便用户选择信号。在一张 PLOT 上可以同时存在多个波形信号，不同的信号颜色不同，以方便区分。点击确定后，将在 RUNTIME 工作区显示空白的信号图，如下左图所示。在 PLOT 图形左上方是最小化图形按钮，点击

22、该按钮则图形就变成右图所示图标。再点击就可以恢复。2. 生成滑杆选择 CREATE SLIDER, 在弹出的对话框中选择在DRAFT 中已经定义的滑杆名。再输入相应选项后点击确定。图中NAME 处用户可以另外命名滑杆名。3. 生成表选择CREATE >METER, 在弹出的对话框中选择在DRAFT 中已经定义的信号名，凡PLOT 显示的信号都可以用METER 来显示。4. 生成开关选择CREATE >SWITCH, 在弹出的对话框中选择在DRAFT 中已经定义的开关名，5. 生成按钮。按钮主要用来产生一个故障或冲击信号。选择CREATE > PUSH BUTTON 在弹出的对

23、话框选择在DRAFT 中已经定义的按钮信号注意： 在 RUNTIME 中， 所有生成的元件名与该元件所监测的信号名是两个不同的概 念。可以相同也可以不同。第四节实 验实验目的通过实际上机操作，学会PSCAD仿真软件的基本操作，加深对电力系统实时数字仿真装置的了解，通过与动模的对比，进一步了解动模与数值仿真的相同与不同之处，同时锻炼同学们的动手能力。实验内容如下图所示，建立三绕组变压器的仿真模型，并仿真该系统稳态时变压器高，中，低压侧及无穷大电源出口处的电流波形。时间充足的话可以仿真一下系统发生时故障的波形。实验步骤1. 启动PSCAD, 创建以自己姓名汉语拼音命名的项目（PROJRCT） 。2

24、. 进入自己创建的项目数据库，创建一个CASE 。3. 进入该 CASE ，启动 DRAFT, 搭建上图所示的模型，搭建完了以后注意保存编译。4. 图标化 (ICON)DRAFT 后，启动T-LINE 模块。操作步骤如下：第一步 选择 OPTION >CONSTANTS 。第二步 在弹出的对话框中LINE CONSTANTS OPTIONS >BERGEON ； INPUTOPTIONS >RLC Data Enter； FREQUENCY DATA >Low Frequency >50Hz ，确定。第三步 选择 RLC第四步 在弹出的对话框中修改参数，比如可将Line Length >50km， 改完后点击OK。第五步选择Compile >save ,自己定义一个名称，如下图示，5. 启动 RUNTIME 模块进行仿真，并注意用拷屏的方式保存下波形。附录 1 各元件参数1. 发电机PARAMETER >CONFIGURATIONPARAMETER >GENERATOR FORMATPARAME