电力系统实时数字仿真器RTDS

叶林1 杨仁刚1 杨明皓1 Rick Kuffel2 林华谘2

(1 中国农业大学电力系 100083 2 RTDS Technologies Inc.)

摘要电力系统实时数字仿真器RTDS(Real Time Digital Simulators)是实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置，采用与EMTP仿真程序相同的算法，但由于其具有很强的硬件计算能力，进行系统研究时速度要快得多。另外,RTDS仿真系统的频率特性包括了一个很大的频率范围(从直流到4kHz)，在此频率范围内,RTDS仿真系统是全面分析电力系统各种问题的理想工具。RTDS仿真系统可以用于电力系统分析研究、测试保护系统、控制系统的测试及其教育培训。

关键词电力系统实时数字仿真电磁暂态程序

1 引言

随着电力系统规模的不断扩大，电网的电气连接更加紧密，同时各种新型电力系统元件(如FAC TS 装置)的不断出现，给电力系统的规划设计、运行及故障的分析处理等带来了新的挑战。通常，在电力系统的规划和设计阶段主要是依靠功能强大的非实时的离线(off line)计算机仿真软件，如EMTP/ EMTPVie w、ATP/ATPDra w、EM

TDC/PSC AD等[1,2]。但是完整的项目实施还需要在投入运行之前对电网、电气设备及继电保护装置等进行实时测试，以验证设备、保护及其控制系统能否满足实际电网运行的要求。实时数字仿真器RTDS (Real Time Digital Simulators)是实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置，它的出现为电力系统的设计、运行及研究提供了新的解决方案[3,4]。

经过多年的硬件和软件设计,1993年第一台商业化的RTDS装置在加拿大Manitoba高压直流研究中心(HVDC)开发成功。RTDS技术公司(RTDS Technologies Inc.)随后于1994年2月在加拿大的Manitoba HVDC研究中心成立。公司的主要任务是制造、销售、技术服务和对实时数字模拟装置(RTDS)的开发。RTDS技术公司的成立极大地推进了电力系统实时仿真器这项新技术，并提供仿真的解决方法以及制造仿真系统。在公司成立的第一个五年内，就有超过130台R TDS仿真装置分别被安装在14个国家。许多世界上最著名的电力设备制造商(如GE、ABB)、电力公司、研究机构、大学和设计院都采用RTDS技术公司提供的高质量的电力系统实时仿真设备来完成其科研、生产和开发任务。

RTDS技术公司提供电力系统仿真技术用于复杂的高压交直流网络的快速、可靠、精确和经济的研究。实时数字仿真技术代替以模拟量仿真为基础的老一代网络分析系统。RTDS模拟装置的开发没有先例，运用的先进的硬件和软件技术是专门为电力系统的实时仿真所创造的。RTDS仿真装置使电力专家有可能确定网络的结构同时对运行年限的各个方面进行实时试验。系统的问题能更快地被发现，解决的办法也能立即进行设计和试验。使用RTDS 仿真装置，电力系统新设备和网络的设计或改进能厦门大学门

够被评价和准确地试验。现在人们能用数字技术建立电力系统更详细和更广泛的模型。使用RTDS在实时的条件下，也就是如同在实际的网络运行状态下，设备能被试验、运转和优选；意外事故能被设计和模拟；元件间的互相影响能被更好地分析和理解。

2 RTDS仿真系统的特点

实时数字仿真器R TDS是一个全数字化的电力系统电磁暂态(E MTP)模拟装置。RTDS硬件基于DSP(数字信号处理器)和并行计算，计算速度可达到实时输出的目的。RTDS的基本组成部分分为RAC K，多个RAC K之间通过总线和工作站接口卡WI F(Workstation Interface)相连,RAC K的数量视仿真系统的规模而定。每个RACK包括多个RPC(Risc

电力电气!电工技术杂志∀2004年第7期

Processor Card)卡或3PC(Triple Processor C ard)卡，每个3PC卡包括3个SH ARC AD21062数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)，速度更快，功能更强。一个或多个DSP可仿真一个电力系统的基本元件，如母线、线路、开关、电压互感器(PT)、电流互感器(C T)、发电机、励磁系统等。RTDS通过这些基本元件构成系统。构成的系统运行于其上层工作站的PSC AD(电力系统计算机辅助设计)软

件。PSC AD是RTDS专用的图形界面，可供用户完成构成系统、运行监控、分析结果等工作。RTDS的核心软件为EMTDC软件，该软件是可以进行直流研究的电磁暂态计算程序。RTDS通过以太网与工作站相连。在工作站上，可以通过PSCAD对RTDS完成各种操作。RTDS最重要的特性是它能维持实时条件下的连续运行，也就是说，它能足够快地求解电力系统的方程并连续地产生输出，这些输出真实地代表了实际网络的状态。由于计算结果的实时性，仿真系统能直接连到电力系统控制和保护设备上进行闭环试验。这种试验方法可在多种故障条件下对设备进行测试，其中许多测试条件是无法用其他办法或不允许在实际系统中实现的。因此,RTDS仿真系统可用来做保护系统的闭环试验并且大大优于其他试验方法，还能校验保护设备的性能及设置。放大器常被接入回路以使继电保护能用其在运行中所使用的工作电压和电流来测试。

RTDS仿真系统是先进的计算机硬件和大量的计算机软件的综合体。电力系统的模型是通过从任意数目的用户自定义的电力系统元件库中取出元件模型构造而成，同时显示在计算机屏幕上。软件是与RTDS仿真系统硬件联系的主要界面。它的设计允许用户完成所有必需的步骤，包括准备和进行仿真工作，分析输出结果等。硬件是完全模块化的，允许用户随时扩展设备以适应最复杂和详细的系统模型。

3 RTDS仿真系统的应用

RTDS仿真装置是一个全数字化的电力系统电磁暂态(E MTP)模拟装置。它用于进行控制和保护设备的闭环试验，完成系统分析研究，培训运行人员、工程师和学生。它是一种取代暂态网络分析仪和模拟式或数模混合式模拟装置的经济而高效的方案。RTDS仿真装置使用户有可能研究扰动对电力系统设备和网络的影响，以防止故障或停运，其应用

示意如图所示。

图 RTDS应用示意

3 1 电力系统分析研究

电力系统的仿真研究可以包括几乎所有的网络结构，从单电源的负载这类非常小的研究直到能代表一个完整的电力公司网络的基本动态特性的研究。特别是RTDS仿真系统提供的结果比传统的稳定和潮流程序深刻得多，这是因为RTDS仿真系统代表的系统特性包含了一个很大的频率范围(直流到4kHz)。在这个频率范围内,RTDS仿真系统是精确分析电力系统现象的理想工具。

3 2 测试保护及控制设备

对于保护和控制系统的试验,RTDS仿真系统逼真地模拟实际电力系统的状态。由于被试的设备直接连接到仿真系统，因而它将像在实际系统中运行一样。这种试验方法使设备能在大量系统可能发生的情况下进行试验，而这些试验是用别的方法不能做到或在实际的系统中不允许进行的。闭环试验提供了一种方法不仅能用来评价保护和控制设备的运行，而且也能用来评估网络对设备正常运行或误动作的反应。同时，由于RTDS仿真系统中具有充足且易于使用的信号输入和输出通道，这使得测试复杂控制器所需要的大量信号传输变得更加容易。

3 3 教学与培训中的仿真

RTDS仿真系统是一个理想的演示和教育工具，用来详细说明仿真技术、电力系统动态特性及其运行的状态。一些大学和培训机构已将RTDS仿真系统用于他们的教学研究与开发项目中。学生能够有效地亲身体验一个由仿真系统模拟的运行中的电力

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系统。RTDS仿真系统给学生提供了一个案头的工具来帮助他们将理论和电力系统的实际运行联系起来。

4 RTDS仿真系统的功能

RTDS采用并行DSP进行数字仿真，每1~3个DSP仿真一个电力系统元件，仿真步长可达50 s，因而具备一切数字仿真的特点，如精度高、响应时间短、修改参数方便、建立模型简单、模拟事故不会引起设备损坏等优点。除此之外，图形操作界面不仅可以直观方便地建立模拟系统并分配给RTDS进行实时计算，也可作为E MTDC等软件的用户界面。从应用实例来看，随着RTDS的推广应用，其应用于电力系统的各种仿真和测试也越来越多,RTDS主要有以下几个方面的功能。

(1)交流电网实时暂态分析计算和交直流联网系统的运行研究。RTDS仿真系统可研究电力系统暂态过

程中，各种快速响应装置的相互影响，如FAC TS装置(SVC、STATCOM、TCSC、UPFC)、高速继电保护装置、断路器、自动重合闸、变压器的饱和特性/励磁涌流等。还可研究电网互联的运行问题。

(2)高压直流输电(HVDC)系统及其控制系统的研究。RTDS可模拟HVDC的换流器、线路、电抗器及控制系统、交流系统、高压输电线路、发电机等，还可与实际HVDC控制系统相连组成实时闭环系统。

(3)研究电力系统暂态过程中稳定性及对电网的影响问题。RTDS可以用来研究扰动对电力系统暂态稳定性的影响，以及暂态过程对电网的影响，后者主要包括发电机轴系扭振问题，以及对电力系统稳定器、自动调压器、保护系统的影响。研究变压器饱和效应及其他非线性影响、自动重合闸。当电力系统受到干扰时，模拟电网的振荡，以及新型快速控制及开关设备的相互影响。

(4)开发测试电力系统新装置。RTDS用于开发和研究电力系统新装置及其控制系统。此外,RTDS 还可以对继电保护系统进行实时闭环测试。

(5)进行事故分析和仿真计算。从RTDS的功能特点和应用范围来看，和同类仿真器相比，其大电网模拟和闭环测试功能最具特点，因此，可以考虑用RTDS作为电网规划设计、运行及其故障分析的工具。5 RTDS成套设备

RTDS仿真装置包括硬件和软件。

5 1 硬件

为方便用户使用和扩展,RTDS的硬件结构都是采用小型模块化设计，并采用并行处理方式。当计算大型的仿真系统时，可以将其作为一个整体或若干部分运行。一个RTDS模拟器是一个或多个计算机硬件单元，这些单元被称为机柜(RACK)，它们安装在机架中。最小的机架有1个机柜，中等的机架有1~2个机柜，全尺寸机架室有1个、2个或3个机柜。机架中还有一些必要的辅助设备，如电源和冷却风扇以及可选硬件如接口设备。R TDS仿真装置硬件的一个机柜包含最多18个处理器和2个通信卡。现在，可以用两种处理卡即纵排处理器卡(RPC)和新型的三处理器卡(3PC)。为进行仿真工作有2种类型的通信卡是必需的，它们是工作站接口卡(WIC)和机柜间通信卡(IRC)。WIC在RTDS模拟装置和工作站之间进行通信。I RC则在RTDS仿真装置硬件机柜之间通信。根据RTDS模拟装置模块的性质，为了增加模拟器的计算能力，只要多加硬件机柜即可。

5 2 软件

RTDS软件可以归为以下几类:

(1)图形用户界面所有用户和RTDS模拟装置之间的交互作用都通过采用复杂的图型驱动用户接口程序即R TDS的PSCAD程序而执行。PSCAD 代表了一组由单个模块组成的软件，这些模块被用于在模拟器的整个运行过程中完成不同的任务。这个软件是用户和RTDS硬件的主要接口，它允许用户执行所

有必需的步骤去准备和运行仿真以及分析仿真输出。井冈山师范学院

(2)编译程序位于图形用户界面软件和运行于RTDS模拟装置中的DSP代码之间的一个重要链接是专门设计的编译系统。RTDS模拟装置的编译程序从DRAFT取得电路图和参数，并生成数字信号处理器所需的并行运行码。另外，在仿真过程中，编译程序基于所需电路图和有效的R TDS硬件自动给每个DSP分配任务。

(3)模块库为了产生DSP代码，编译程序要访问预定义和预装配电力系统元件以及控制功能模块库。为在设计和交接试验阶段中高效的测试驱动

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马甲文化设备，可以采用自动批处理运行方式。由于这些软件模型的长度直接影响可得到的最小仿真时间步长(例如，如果可执行代码很长，时间步长就长)，在创建有效码时需要很小心。电力系统组件模型库包括:

# TPC模型

无源组件：电阻器，感应器，电容器，滤波器分支，非线性电感器

多导体输电线路：行波的，频率相关的,PI部件，电缆

变压器：饱和和磁滞现象的2线卷或3线卷变压器

电源和电机：同步电机，感应电机，等效电源

高压直流:Graetz桥六脉动阀组，点对点或背对背

SVC：晶闸管控制电感器，晶闸管控制电容器

开关：断路器，故障切换(L-G,L-L)，二极管，晶闸管，可切换滤波器，无功功率控制器

测量传感器：电流互感器，电容性电压互感器，感应电压互感器

电力系统计测：有功/无功功率，三相RMS电压，电流，频率，相位差

控制器：电力系统稳定装置，自动电压校准器，调速器，涡轮机(最大值,7块),HVDC控制器,SVC 控制器

通信系统：采样，继电器功能

手机umd阅读器其他：具有MOV和旁路切换系列电容器，具有一般控制的静态无功补偿，晶闸管控制电阻器# 3PC模型

FAC TS：基于GTO的电压型转换器，统一电力潮流控制器，具有改良点火和内部故障的晶闸管控制的串联补偿电容器

多导体输电线路：互耦的12导线线路行波模型，单或双回路的PI部件

高压直流：具有改良点火和内部故障的Graetz 桥转换器模型

变压器:2线卷或3线卷变压器带装载分接头

SVC：具有改良点火的扩大的SVC模型

测量传感器

实时网络解决方案

RTDS仿真系统可以快速、灵活、连续地实现数据输入、仿真运行和结果分析，并且可以快速、方便地改变电力系统的拓扑结构、系统参数。因此，它可以实时进行电力系统电磁暂态计算、电力系统机械暂态过程计算、电力系统稳态计算(含潮流计算)。与离线仿真软件相比，计算结果更为精确。中国热加工网

参考文献天地欣

1 M Scott,W Liu.Al ternative transien t program(ATP) rule book.

Canadian/American EMTP User Group,1995

2E MTDC/PSCAD-The electromagnetic transients&controls sim ulation engine.Manitoba HVDC Research Center,Feb.2002

3 RTDS-A fully digital power system simulator operating in real

time.Proceedings of ICDS-95,College Station TX,USA.April 1995

Real Time Digital Simulator

and its Applications

Ye Lin

(China Agricul tural University)

Abstract Real Time Digital Simulators(RTDS)performs fully dig ital Electromagnetic Transient Power System Si mulation in real ti me utilizing the Dommel Algorithm similar to non real time E MTP type programs.In addi tion,RTDS Si mulator provides greater depth of analysis than traditional stability and load flow programs because the RTDS Si mulator represents the system performance over a large fre quency range(DC to approxi mately4kHz).With this frequency range,RTDS Simulati on is an ideal tool for thoroughly analysin g power systems phenomena.RTDS Simulator can be used for per forming analytical power system si mulation,testing protective relay systems,testing control systems,education and trai ning. Keywords power systems Real Time Digital Simulator(RTDS) Electromagnetic Transien t Program(E MTP)

收稿日期:20040216

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