RTDS教學講義-上海交通大學電氣工程中心

1、力系統(tǒng)綜合實驗時 數(shù) 字 仿 真 系 統(tǒng) （ RTDS）教學講義上海交通大學電氣工程系2009. 07第一節(jié) 電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真器概述3第二節(jié) RTDS 軟硬件介紹42.1 硬件.42.2 軟件.42.2.1 什么是PSCAD？ 42.2.2 如何啟動PSCAD？ 5第三節(jié) PSCAD 基本操作 73.1 鼠標 . .73.2 熟悉文件管理器. .73.2.1 如何創(chuàng)建項目（PROJEC）或例子（ TCASE） 93.3 用 DRAFT 繪制模型圖.103.3.1 熟悉 DRAFT 界面 .103.3.2 搭建模型的基本操作.123.4 用 RUNTIME 模塊進行仿真143.4.1 熟悉

2、RUNTIME 界面 143.4.2 RUNTIME 基本操作 .15第四節(jié) 實 驗 .1826RTDS 教學講義第一節(jié) 電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真器概述目前對于電力系統(tǒng)的仿真研究方法主要有兩類：一為動態(tài)模擬，二為數(shù)值仿真。這兩種方法各有特點和局限性。動態(tài)模擬已經(jīng)介紹，下面我們主要介紹數(shù)值仿真的特點。伴隨著數(shù)字計算機和數(shù)值技術的發(fā)展，數(shù)值仿真技術日漸成熟。這使得人們能夠更加深入地研究和分析電機及電力系統(tǒng)的暫、穩(wěn)態(tài)過程。目前， 國內(nèi)外的研究采用高級語言編程或己開發(fā)出的一些比較成熟的數(shù)值仿真軟件如：EMTP 、 EMTDC 、 PSPICE、以及MATLAB 等，對電機和電力系統(tǒng)的各種運行情況進行深入地

3、研究。對于電力系統(tǒng)，目前已經(jīng)能夠進行復雜電力系統(tǒng)的仿真研究。這種復雜電力系統(tǒng)的仿真基于發(fā)電機機組、升壓變壓器、直流輸電及交流輸電中各個電氣元件準確的數(shù)學模型，定量地分析不同運行方式(正常、故障)、穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下的系統(tǒng)各種電磁物理量(包括諧波)的變化情況。數(shù)值仿真具有不受被研究對象規(guī)模和復雜性的限制；保證被研究系統(tǒng)的安全性、系統(tǒng)實驗的經(jīng)濟性、以及可用于對未來系統(tǒng)發(fā)展的預測等優(yōu)點。但是， 以上數(shù)值仿真軟件與動模仿真相比存在著一個共同的缺陷，那就是它們只能對系統(tǒng)進行計算分析，而不能對實際的控制裝置和保護設備進行測試實驗。實時數(shù)字仿真器RTDS( Real-time Digital Simulato

4、r)是由加拿大曼巴托尼HVDC 研究中心開發(fā)，RTDS 公司制造，是為實時電磁暫態(tài)現(xiàn)象研究而開發(fā)的特殊用途計算機 。 RTDS 不僅具有數(shù)值仿真的準確性，還能仿真較大規(guī)模的電力系統(tǒng)。而且 RTDS 還能將網(wǎng)絡狀態(tài)方程的解通過 D/A 轉換以物理量輸出，進而與實際設備接駁構筑起靈活方便的數(shù)字物理實驗回路。這樣它又能像動模實驗一樣對實際的物理裝置進行測試試驗，這也是單純的數(shù)值仿真軟件所無法辦到的。所以，RTDS 同時具有了兩種仿真手段的優(yōu)點，是一種非常方便的仿真試驗工具。在原理上，RTDS 的軟件 PSCAD 是基于目前已得到國際上普遍承認的電磁暫態(tài)仿真程序EMTDC ， 包含了大量的精確電力系統(tǒng)

5、模型。其算法采用H.W.Dommel 于 1969 年創(chuàng)建的經(jīng)典電磁暫態(tài)計算理論。Dommel 經(jīng)典理論的主要思想是：對于任何復雜的電網(wǎng)，經(jīng)過等值都可以變?yōu)橹话娏髟春碗娮栊栽陌殡S等值計算網(wǎng)絡。這樣系統(tǒng)在電磁暫態(tài)模式下可通過代數(shù)節(jié)點方程進行完整的描述。所以對于研究的系統(tǒng)可以先列出描述各元件和全系統(tǒng)暫態(tài)過程的微分方程，然后用應用數(shù)值方法進行求解。RTDS 在硬件上是采用高速DSP 芯片和并行處理結構以完成連續(xù)實時運行所需的快速運算?；?DSP 的強大計算能力，RTDS 能夠實時計算電力系統(tǒng)狀態(tài)并輸出到工作站或外部裝置。在運行于工作站上的PSCAD 軟件中，用戶可以使用元件庫中的各種電力系

6、統(tǒng)元件模型，方便快速地搭建電力系統(tǒng)模型，編譯后下載到DSP 中計算，在模擬系統(tǒng)運行過程中能夠通過工作站對所模擬的電力系統(tǒng)進行控制。RTDS 提供數(shù)字、模擬信號的輸入輸出接口，可進行控制器和保護裝置的實時測試。目前 RTDS 的頻率響應最高能達到1GHz 以上， 一個簡單電力系統(tǒng)的仿真步長在50s 左右， 含有 HVDC 或 FACTS 裝置的系統(tǒng)，仿真步長通常在60s 至 80s之間，能夠滿足交流系統(tǒng)各暫態(tài)現(xiàn)象研究的要求。相比傳統(tǒng)的物理模擬方法，RTDS 具有建模周期短、靈活性強、安全性好、結果直觀等特點，其計算精度和模型的合理性已通過國內(nèi)外多年的運行實踐證實是可以信賴的。目前 RTDS 主要

7、應用以下幾個方面：1) 教學與培訓2) 電力系統(tǒng)分析研究3) 測試控制設備4) 測試保護設備第二節(jié) RTDS 軟硬件介紹2.1 硬件CubicRACK圖 1.RTDS 外觀整個 RTDS 系統(tǒng)在硬件上包括工作站、機柜 （ cubic） 、 RACKs 、 各種處理器卡（ TPC、 3PC、GPC） 、 I/O 接口卡、RACK 間通訊卡（IRC） ，工作站通訊卡（WIF ） ,光隔系卡（OIC） ， MUX處理器卡（Processor Card） ，從 TPC 卡到 3PC卡到 RPC 卡到 GPC 卡處理能力一代比一GPC 卡的運算速度達到G 兆。處理器卡是RTDS 仿真裝置的WIC （ W

8、orkstation Interface Card ）卡，工作站接口插卡是以M68020 為基礎的處理器卡，RTDS 仿真裝置和工作站之間的數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)在已被新一代產(chǎn)品WIF 卡IRC （ Inter-Rack Communications Card ）卡， RACK 間通信卡，主要負責處理RACK 與RACK 之間的數(shù)據(jù)交換。OIC（Optical Isolation System） 卡 ，光隔離系統(tǒng)卡，提供了16 個模擬量輸入輸出通道和32RTDS 與外界量的交換必須要通過光隔系統(tǒng)。OIC 需要電源供電才RTDS 前端面板上有一個獨立的電源開關。2.2 軟件2.2.1 什么是 PSCAD

9、？PSCAD 是個軟件包，提供給用戶一個十分方便的實時仿真電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程的工具。DRAFT 模塊DRAFT 模塊的主要功能是用來繪制被仿真的電力系統(tǒng)的電路圖。在相應的元件庫中選中然后用鼠標拖到畫布上，各元件之間可以用母線進行連接。用戶在設計好系統(tǒng)模COMPILE ）系統(tǒng).一旦通過編譯下一步仿真需要的文件將T LINE 模塊T LINE 模塊是專門用于輸電線路的建模。該模塊能夠處理一些復雜的計算，以便生成RTDS 仿真所需要的輸電線路行波參數(shù)。T LINE 程序中輸電線路常采用貝杰龍模型，參數(shù)都編譯形成線路模型所需的全部DRAFT 模塊獲取。電纜（CABLE ）模塊與之類似，只不過電纜模塊

10、只RUNTIME 模塊RUNTIME 模塊的主要功能是使用戶能對正在仿真的系統(tǒng)進行監(jiān)測和操作。使用圖標化的MULTIPLOT 模塊MULTIPLOT 模塊主要用于波形的分析。MULTIPLOT 模塊可以直接分析由RUNTIME 模UNIPLOT 模塊與之類似，它只是處2.2.2 如何啟動PSCAD ？啟動 PSCAD 可以從基于WINDOWS 操作系統(tǒng)的普通計算機上啟動PSCAD。 下列圖形是PSCAD 的詳細過程：i. 在桌面上雙擊RSCAD 圖標。ii. PSCAD 啟動成功，彈出下圖所示界面。啟動 PSCAD 建立新的系統(tǒng)模型并進行仿真和分析結果，大致分為以下幾步：i. 啟動 PSCAD

11、;ii. 在 RSCAD 中創(chuàng)建新的項目（project）或例（case）子；iii. 使用DRAFT 模塊生成電路示意圖，并編譯；iv. 如果在模型中使用到傳輸線，則還需要使用T LINE 創(chuàng)建傳輸線模型；v. 使用RUNTIME 模塊對已建好的模型進行運行和仿真；vi. 必要時啟動MULTIPLOT 對仿真波形進行分析。第三節(jié) PSCAD 基本操作3.1 鼠標、右在 UNIX 環(huán)境下鼠標有三個鍵如下圖示，默認狀態(tài)下分別為：左鍵、中間鍵（滾輪）鍵。與 WINDOWS 下鼠標稍有區(qū)別，用戶在使用時應留意。2 鼠標示意圖有關鼠標的主要操作如下：? 單擊： 按下再松開鼠標左鍵，但不移動鼠標。單擊的

12、作用：選擇窗口或圖標，使它被激活或選中。? 雙擊：連續(xù)兩次快速按下再松開鼠標左鍵，但不移動鼠標。雙擊的作用：恢復/關閉窗口或啟動關閉一個程序? 拖拽：按下左鍵托拽松開拖拽的作用是：移動窗口或圖標或拖動滾動窗口中的滑塊3.2 熟悉文件管理器成功啟動PSCAD 后，首先出現(xiàn)的是RSCAD 窗口界面如下圖所示。整個文件管理器界面窗口分為三個區(qū)域：工作區(qū)、菜單區(qū)、應用程序區(qū)。3 文件管理器界面菜單區(qū)：File ， Edit ， View， Tools ， Help工作區(qū)用戶的操作對象項目（PROJEC）或例子（TCASE）的顯示區(qū)域。用戶可以按照自己的方式排列工作區(qū)中的圖標。工作區(qū)中的圖標顯示了文件夾

13、的性質和文件夾名。應用程序區(qū)在這一區(qū)域主要包含: DRAFT 、 T LINE 、 CABLE 、 RUNTIME 、 MULTIPLOT 、 UNIPLOT六個模塊。用鼠標單擊就可以啟動這些模塊程序。正在運行的模塊程序，點擊ICON 選項，會最小化成圖標顯示在PROCESS ICONS 一欄的下方。最小化和最大化快捷鍵按鈕，在文件管理器窗口的右上角，作用同文件管理器窗口菜單里面的 Minimize/ Maxmize 選項，這里主要是方便用戶操作。3.2.1 如何創(chuàng)建項目（PROJEC）或例子（TCASE）創(chuàng)建項目（PROJEC）或例子（TCASE）的操作是PSCAD軟件的基本操作，步驟也非常

14、簡單，主要分為以下幾步：1. 在文件管理器窗口菜單區(qū)中找到Draft；2. 單擊 Draft，會彈出下面這個對話框3. 在彈出的對話框中，找到New File 一欄 ,選中后，點擊OK。這樣就建立了一個新的Draft 環(huán)境了。3.3 用 DRAFT 繪制模型圖創(chuàng)建完用戶項目和例子之后，用戶就可以進入例子數(shù)據(jù)庫界面，單擊啟動DRAFT 模塊，繪制仿真模型圖。也可以直接在文件管理器窗口界面啟動DRAFT, 然后把生成的模型圖保存到指定的 CASE 里面。3.3.1 熟悉 DRAFT 界面DRAFT 界面窗口如下圖所示，主要包括菜單欄、畫布和元件庫區(qū),鳥瞰區(qū)等。菜單欄在 DRAFT 界面的上方是菜單

15、欄，菜單欄的上方部分顯示的是一些功能，以下是一些常用的功能New Circuit ： 新建任務。Open Circuit ：開打歷史項目。Save Circuit ：保存Compile: 編譯。模型圖畫好之后，通過編譯才能仿真，而且每修改一次都要編譯一次。Refresh: 刷新 .View： 當編譯出現(xiàn)錯誤時，查看錯誤日志。或查看節(jié)點分配（MAP）文件等畫布和元件庫區(qū)在菜單欄的下方是畫布和元件庫區(qū)。用戶在窗口右邊的元件庫區(qū)域選中需要的元件，再復制到畫布上來組織電路圖搭建仿真模型。在畫布和元件庫區(qū)的下方有一白色滑桿鈕，用戶可以左右移動滑桿調節(jié)畫布和元件庫區(qū)之間的大小位置。其他在 DRAFT 窗口

16、的左下角是畫布鳥瞰區(qū)，在這個區(qū)域可以鳥瞰整個模型圖及其在畫布上的位置。用鼠標點擊鳥瞰區(qū)某一區(qū)域，則這一區(qū)域將在畫布上顯示。在 DRAFT 窗口的右下角是元件庫的鳥瞰區(qū)，作用和畫布鳥瞰區(qū)類似。3.3.2 搭建模型的基本操作了解完 DRAFT 窗口，下面我們就進入搭建模型的基本操作環(huán)節(jié)吧！只有學好了基本操作才能隨心所欲搭建自己想要的模型哦。?1. 移動畫布把鼠標放在畫布或元件庫畫布的空位置上，往下按住滾輪不放移動鼠標，這時畫布將隨著鼠標一起移動。2. 復制元件到畫布上如何復制元件到畫布上呢？第一步 在元件庫中用鼠標左鍵單擊元件，此時被選中的元件周圍出現(xiàn)黑色框框。在彈出的下拉菜單中選擇COPY 選項

17、然后松開鼠標，注意此過程中不要松開鼠標直到最后才松開哦。多嘗試就熟練了。第二步 這時選中的元件就乖乖的跟在鼠標后面呈虛線狀，在畫布上給它找個合適的位置安家吧，點擊左鍵就可以把它放到畫布上。此時會彈出元件參數(shù)對話框。3. 移動元件如果發(fā)現(xiàn)元件位置不對，就單擊元件在下拉菜單中選擇MOVE 選項，松開鼠標。這時元件呈虛線狀隨鼠標一起移動。當移動到目標位置時，單擊鼠標左鍵即可。4. 元件鏡像和旋轉單擊元件，在下拉菜單中選擇鏡像（ MIRROR ） ， 鏡像后的元件與原元件呈手性對稱。單擊元件選擇Rotate，此時元件以順時針方向旋轉90 度，并且每點一下，就旋轉一下。5. 元件組合選擇多個元件后，在下

18、拉菜單選擇組合（GROUP） ，這樣就把多個元件圖標組合成一個圖標了。6. 母線的延長把鼠標放置在母線上，在下拉菜單中選Stretch 欲延長方向上移動，母線將隨之延長。7. 元件參數(shù)的輸入雙擊所選中的元件，在彈出的菜單中輸入元件各種參數(shù)。8. 建立子系統(tǒng)（Sub-System）如下圖所示在DRAFT 菜單欄下面SS#1 所在那一欄，點擊右鍵，出現(xiàn)一個對話框選擇 Add Subsystem, 這樣就能生成一個子系統(tǒng)SS#2了。3.4 用 RUNTIME 模塊進行仿真模型建成后通過保存編譯后就可以啟動RUNTIME 模塊進行仿真。3.4.1 熟悉 RUNTIME 界面RUNTIME 模塊的主要功

19、能是使用戶能對正在仿真的系統(tǒng)進行監(jiān)測和操作。仿真模型經(jīng)編譯后就可以生成RUNTIME 可以處理的編譯文件（ .sib） ， 此編譯文件名和模型名相同。在剛啟動進的RSCAD 界面上（Draft 右邊）單擊啟動RUNTIME 模塊選項，會彈出下圖所示界面。成了下面的一個對話框，如下圖所示：選擇中間那個Open Existing File, 找到之前已經(jīng)編譯通過的模型的存放路徑下，系統(tǒng)自動產(chǎn)生的一個sib 文件（編譯通過的Draft ，在其目錄下會自動生成一個sib 文件） ，點擊OK，就生其基本菜單和Draft 的基本差不多，功能欄里常用的如下幾個不同：啟動（ START ） ： 啟動 RTDS

20、 進行仿真，點擊后立即變成STOP，以便停止仿真。更新（ UPDATE ） :更新仿真數(shù)據(jù)。仿真沒有啟動時該項呈灰色，處于不活動狀態(tài)。關于 CREATE 選項，用戶可以創(chuàng)建的監(jiān)測選項如右圖示：PLOT ： 生成波形圖 SLIDER ：生成滑桿 METER ： 生成表 LIGHT ：生成狀態(tài)指示燈3 PHASERMS ：生成有效值 DIAL ：生成可手動選擇的撥盤 SWITCH ： 生成開關 BUTTON ： 生成按鈕 GROUP ： 生成組窗口的中間是工作區(qū)，生成的各元件都將在這里顯示。最右邊是RACK 狀態(tài)信息欄，顯示當前各RACK 的工作狀態(tài)。3.4.2RUNTIME 基本操作1. 生成波

21、形圖這是 RUNTIME 最常用的操作。選擇CREATE PLOT, 在彈出的對話框中選擇在DRAFT 中已經(jīng)定義的信號名，如下圖示，如CT 的電流等。點擊確定PROCEED 后，一個空的 PLOT 將出現(xiàn)在工作區(qū)，仿真時該信號的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)波形將實時顯示在這張圖上。選擇信號的順序一般是系統(tǒng)名（假如有多個子系統(tǒng)）類別名元件名信號名，有時級數(shù)更多。在可拖動區(qū)域可以按住鼠標左鍵左右移動，以方便用戶選擇信號。在一張 PLOT 上可以同時存在多個波形信號，不同的信號顏色不同，以方便區(qū)分。點擊確定后，將在 RUNTIME 工作區(qū)顯示空白的信號圖，如下左圖所示。在 PLOT 圖形左上方是最小化圖形按鈕，點擊

22、該按鈕則圖形就變成右圖所示圖標。再點擊就可以恢復。2. 生成滑桿選擇 CREATE SLIDER, 在彈出的對話框中選擇在DRAFT 中已經(jīng)定義的滑桿名。再輸入相應選項后點擊確定。圖中NAME 處用戶可以另外命名滑桿名。3. 生成表選擇CREATE >METER, 在彈出的對話框中選擇在DRAFT 中已經(jīng)定義的信號名，凡PLOT 顯示的信號都可以用METER 來顯示。4. 生成開關選擇CREATE >SWITCH, 在彈出的對話框中選擇在DRAFT 中已經(jīng)定義的開關名，5. 生成按鈕。按鈕主要用來產(chǎn)生一個故障或沖擊信號。選擇CREATE > PUSH BUTTON 在彈出的對

23、話框選擇在DRAFT 中已經(jīng)定義的按鈕信號注意： 在 RUNTIME 中， 所有生成的元件名與該元件所監(jiān)測的信號名是兩個不同的概 念?？梢韵嗤部梢圆煌?。第四節(jié)實 驗實驗目的通過實際上機操作，學會PSCAD仿真軟件的基本操作，加深對電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真裝置的了解，通過與動模的對比，進一步了解動模與數(shù)值仿真的相同與不同之處，同時鍛煉同學們的動手能力。實驗內(nèi)容如下圖所示，建立三繞組變壓器的仿真模型，并仿真該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時變壓器高，中，低壓側及無窮大電源出口處的電流波形。時間充足的話可以仿真一下系統(tǒng)發(fā)生時故障的波形。實驗步驟1. 啟動PSCAD, 創(chuàng)建以自己姓名漢語拼音命名的項目（PROJRCT） 。2

24、. 進入自己創(chuàng)建的項目數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建一個CASE 。3. 進入該 CASE ，啟動 DRAFT, 搭建上圖所示的模型，搭建完了以后注意保存編譯。4. 圖標化 (ICON)DRAFT 后，啟動T-LINE 模塊。操作步驟如下：第一步 選擇 OPTION >CONSTANTS 。第二步 在彈出的對話框中LINE CONSTANTS OPTIONS >BERGEON ； INPUTOPTIONS >RLC Data Enter； FREQUENCY DATA >Low Frequency >50Hz ，確定。第三步 選擇 RLC第四步 在彈出的對話框中修改參數(shù)，比如可將Line Length >50km， 改完后點擊OK。第五步選擇Compile >save ,自己定義一個名稱，如下圖示，5. 啟動 RUNTIME 模塊進行仿真，并注意用拷屏的方式保存下波形。附錄 1 各元件參數(shù)1. 發(fā)電機PARAMETER >CONFIGURATIONPARAMETER >GENERATOR FORMATPARAME