RTDS教学讲义-上海交通大学电气工程中心

电电力力系系统统综综合合实实验验实实时时数数字字仿仿真真系系统统（（RRTTDDSS））教教学学讲讲义义上上海海交交通通大大学学电电气气工工程程系系22000099..00772目录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（PROJECT）或例子（CASE）………………….....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RUNTIME界面………………………………………………143.4.2RUNTIME基本操作……………………………………………….15第四节实验………………………………………………………………………...183RTDS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-timeDigitalSimulator）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50μs左右，含有HVDC或FACTS装置的系统，仿真步长通常在60μs至80μs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4第二节RTDS软硬件介绍2.1硬件图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卡。处理器卡（ProcessorCard），从TPC卡到3PC卡到RPC卡到GPC卡处理能力一代比一代强，性能也越来越优越。其中GPC卡的运算速度达到G兆。处理器卡是RTDS仿真装置的最关键的硬件。WIC（WorkstationInterfaceCard）卡，工作站接口插卡是以M68020为基础的处理器卡，其基本的功能是处理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卡代替。IRC（Inter-RackCommunicationsCard）卡，RACK间通信卡，主要负责处理RACK与RACK之间的数据交换。OIC(OpticalIsolationSystem)卡，光隔离系统卡，提供了16个模拟量输入输出通道和32位的数字量输入输出通道。RTDS与外界量的交换必须要通过光隔系统。OIC需要电源供电才能使用，在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？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。主要包含以下几个模块：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需要的元件，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型并确定元件参数之后，需要编译（COMPILE）系统.一旦通过编译下一步仿真需要的文件将自动生成。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，参数都工作站RACKCubic5是一般参数，如：导线的高度、半径及分裂导线数等，然后编译形成线路模型所需的全部数据，由DRAFT模块获取。电缆（CABLE）模块与之类似，只不过电缆模块只处理电缆模型。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。使用图标化的表计、滑杆、按钮以及平面坐标图来显示系统模型中的各个参数或变量。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模块生成的平面坐标波形。并提能对波形进行傅立叶分析。UNIPLOT模块与之类似，它只是处理单条波形。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。下列图形是从普通计算机上启动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;双击双击6ii.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）、右键。与WINDOWS下鼠标稍有区别，用户在使用时应留意。图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。图3文件管理器界面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。7菜单区：File，Edit，View，Tools，Help工作区用户的操作对象项目（PROJECT）或例子（CASE）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PROCESSICONS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（PROJECT）或例子（CASE）创建项目（PROJECT）或例子（CASE）的操作是PSCAD软件的基本操作，步骤也非常简单，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NewFile一栏,选中后，点击OK。这样就建立了一个新的Draft环境了。83.3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NewCircuit：新建任务。OpenCircuit：开打历史项目。SaveCircuit：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