电网数字仿真与教学试验系统

一、电网数字仿真与教学实验系统背景

本产品是针对全国各高校和电力专科学校的电气实验中心的建设要求而设计开发的，为全数字化的电网数字仿真与教学实验系统。

系统以北京殷图仿真技术有限公司和清华大学电机系研制的电网数字动态实时仿真系统（DDRTS）为基础构建而成。DDRTS是利用现代高速计算机实时模拟电网运行状态，主要是电网的机电暂态过程和电磁暂态过程的新型数字仿真与试验装置，是现代大型电网设计、研究、自动装置试验、调度运行以及教学培训的有力工具。

全数字化的电网数字仿真与教学试验系统主要实现以下两方面的目标：一是满足学生的专题或综合实验课及毕业设计的需要；二是作为教师和研究生科研课题研究、技术产品开发的仿真平台和试验工具。

二、 电网数字仿真与教学实验系统结构

2.1 总体结构

系统的总体结构如图1所示。系统的核心是由双处理器仿真主机、高速通信和信号转换系统组成的电网数字动态实时仿真装置—DDRTS。DDRTS通过功率放大器输出外部实际装置试验所需的电压、电流模拟信号，可进行装置的闭环试验。局域网上的若干终端微机与DDRTS的仿真主机相连，通过仿真主机的License验证后，可以执行仿真程序和实时监测仿真进程。DDRTS还可根据要求外接大型显示屏，以利于教师的实验示范和讲解。

                           

图1 电网数字仿真与教学实验系统结构图

 

在本系统中，DDRTS仿真主机采用双CPU的并行机，主要目的是增强实验培训的效果。一个CPU负责前台的交互控制，操作人员在仿真过程中可以随时通过图形化界面在线设置各种故障和操作，实时观察系统运行状况的动态变化过程，营造身临其境的感觉，加深印象，提高培训质量。另一个CPU负责后台的仿真计算，并与通信与信号转换系统进行通信和数据交互。

2.2 电网数字动态实时仿真装置结构

DDRTS（Digital Dynamic Real Time Simulator）是一个软硬件结合的电力系统数字仿真与试验装置。DDRTS由大型电网仿真软件和高速通信系统、信号转换及输入输出系统等硬件设备组成。利用电磁暂态仿真软件可建立全数字的仿真系统模型，对电力系统进行实时仿真模拟，将继电保护装置和安全自动装置试验所需的电压、电流等信号经通讯卡输出，通过数模转换和电压、电流放大器送入需要试验的继电保护装置和安全自动装置中以进行装置的实时试验。同时继电保护装置和安全自动装置的响应信号可实时反馈回计算机形成闭环试验。图2是DDRTS实现闭环试验的原理图。

 

图2 DDRTS闭环试验原理图

 

电网数字动态实时仿真装置的硬件设备主要包括：

  ·  仿真主机和显示器；

  ·  仿真操作台；

·  基于数字信号处理器（DSP）和PCI总线技术的高速通讯系统，用于数据转换和数据通信；

  ·  信号转换和输入输出系统：开关量输入输出，用于装置同外部装置开关量的交换；模拟量输入输出，用于将仿真结果转换成电压、电流模拟量送入功率。

电网数字动态实时仿真装置已在国内几十家电网运行、科研和培训单位成功投入运行。图3为电网数字动态实时仿真装置在电力培训中心的运行情况。电网数字动态实时仿真装置与培训中心的继电保护屏柜相结合，构成了一个高规格数字动模实验室，对培训中心的教学和科研起到了很好的推动作用。

 

                        图3   DDRTS在电力培训中心

 

三、 电网数字仿真与教学实验系统功能

3.1 电网数字仿真

DDRTS是用于电力系统仿真计算的高级应用软件系统，具有全中文化友好图形界面，能够运行在Windows 2000和XP平台上。DDRTS系统的软件主界面如图4所示。

图形化建模系统可方便迅速地建立数字仿真系统的拓扑连接关系和输入系统元件参数，进行系统的仿真计算，分析系统的稳态、暂态及动态行为。DDRTS提供了各种常用电力系统元件模型，包括发电机、变压器、输电线、电动机、电源、断路器、CT、PT、CVT等，以及与发电机控制相关的IEEE标准的励磁调节器、调速器和电力系统稳定器（PSS）。DDRTS还提供了电压源、电流源、变导纳元件等控制元件，用户可以灵活地自定义控制器以实现控制系统的仿真。

                                

图4、DDRTS系统的软件主界面图

潮流计算是系统稳态分析的重要手段，利用DDRTS不仅可输出单线图的三相潮流，而且可通过电流相量的方式输出三相不对称时的分相潮流。

DDRTS是一个可完整模拟电机、网络以及控制系统的大型电力系统电磁暂态仿真程序。电磁暂态仿真采用瞬时值进行计算，电机用经典派克方程描述，网络用微分方程描述，可计算电力系统所有的机电和电磁暂态问题，包括不对称和非线性的情况。在电磁暂态仿真中，可模拟系统任意组合下的运行和干扰状况，包括各种短路故障和断线故障，以及多重故障等。

为准确模拟输电线的暂态过程，DDRTS采用基于行波原理的完全分布特性的线路模型以提高暂态仿真的准确度。DDRTS系统中的断路器元件可模拟断路器的三相和分相操作，并可灵活设定断路器的动作时间。断路器元件可有两种控制方式：一种是按照预先设定的时间进行动作；另一种是外部控制，通过开关量输入输出卡接收外部被测装置发出的动作信号以控制断路器的开合。在DDRTS系统中，可方便地实现各种故障设置，可任意指定故障发生的时刻、类型和位置，极大地提高了系统仿真研究的效率。

利用DDRTS系统控制模块库中丰富的控制模块可创建各种开环和闭环控制器，进行控制系统的仿真研究。这些控制器包括发电机的励磁调节器、PSS和调速器、电压源、电流源、变阻抗以及变负荷控制器等。所有取自电网和电机的变量都可作为控制器的输入。另外，其它控制器的信号量也可作为控制器的输入。同时这些控制器的输出以电压、电流、阻抗和功率的形式作用于系统。所有控制模块的输入信号量及输出信号量都可绘制出来。

 

 

3.2 闭环试验研究

DDRTS通过高速通信系统与信号转换及输入输出系统同外部设备相连，可进行继电保护装置、安全自动装置以及测量与控制装置的实时闭环试验。目前利用仿真软件将仿真结果事先存储下来，然后通过信号转换器和功率放大器将信号送入待测设备进行回放测试的做法比较常见。由于开环测试过程中被测装置的响应信号无法实时反馈回计算机，从而观察不到动态交互的效果，无法进行自动重合闸装置的试验研究，无法研究几个自动装置在系统中相互影响、共同作用于系统的情况。在DDRTS这个实时闭环试验系统中完全可以实现这些功能，其相对于开环测试系统的优势是显而易见的。

3.3 实时交互培训

为增强实验培训的效果，加深学生的实验印象，系统采用双CPU仿真主机实现实时交互培训功能。

系统界面的监控图页上，可摆放各种仪表和控制，学生可在任何时候改变图中的仪表和控制，无论是仿真前还是实时仿真过程中。

仪表用于实时显示系统参量，包括电压、电流、支路开断状态和故障状态等。控制部分有以下几种类型：

1、触发按钮—用来触发一个事件或是一个事件序列；2、状态按钮—切换开关或其它元件的状态；3、卷滚条—连续平滑的改变元件的参数。

图5为交互培训的监控图页界面图。

                              

图5 交互控制监控图页界面图

 

 

3.4 其它辅助功能

系统的辅助功能主要包括静态继电器测试、自定义谐波测试和实时回放测试等。静态继电器测试模块主要完成各类继电器及相关特性测试。本模块提供一个幅值、相位和频率均可调的三相电压源、电流源，用于各类继电器的静态测试。测试的继电器类型包括电压继电器、电流继电器、阻抗继电器、频率继电器、差动继电器等。

用户可应用DDRTS系统中的信号发生与谐波测试模块自定义各种波形的电压、电流信号。自定义的信号波形可以是含有谐波的，还可以是不对称的，可以有直流分量，并可以设置直流分量和各次谐波分量的衰减时间常数。通过高速通信系统和信号转换及输入输出系统送至待测装置，可进行装置谐波分析及测试。

实时回放功能主要应用于以下两种情况：一是对现场录波器保存的实际系统的录波文件（COMTRADE格式）进行分析和回放，验证装置动作的情况，并可根据录波文件进行事故分析和重演。二是计算机无法进行大系统的实时仿真时，可先利用DDRTS建立系统，进行离线仿真，并将装置测试所需的电压、电流等信号记录下来形成实时回放文件，送入待测装置进行回放测试。

四、 系统电力元件与控制模型库

4.1 元件模型库

系统包括电力系统仿真常用的所有元件模型：

    ·      固定频率电源

    ·      发电机（带励磁、调速）

    ·      考虑轴系多质块模型的发电机

    ·      电动机

    ·      单相双绕组变压器

    ·      三相双绕组变压器

    ·      三相三绕组变压器

    ·      单回集中参数输电线

    ·      单回分布参数输电线

    ·      单回带故障集中参数输电线（可在线路任一位置设置故障）

    ·      单回带故障分布参数输电线（可在线路任一位置设置故障）

    ·      同杆并架双回集中参数输电线

    ·      同杆并架双回分布参数输电线

    ·      单回结构参数输电线

    ·      串补元件（带氧化锌避雷器或放电间隙保护以及旁路开关）

    ·      负荷

    ·      电弧炉

    ·      电阻，电感，电容

    ·      串联RL，并联RL，串联RC，并联RC，串联RLC，并联RLC

    ·      电抗器，接地电抗器，阻抗元件，饱和电抗器

    ·      避雷器

    ·      放电间隙

    ·      断路器（包括程序内部控制和外部保护控制）

    ·      故障

    ·      电压源，电流源

    ·      变阻抗元件

    ·      变功率元件

    ·      电磁式电压互感器（PT）

    ·      电容式电压互感器（CVT）

    ·      电流互感器（CT）

    ·      测量仪表（电压、电流、功率等）

4.2 控制模型库

系统控制模型库中的基本模块共分六大类，如下表所示。

 

五、系统的教学实验应用

5.1 教学实验系统构成

由于本系统具有开放的图形化建模系统，完全可以根据教学需要灵活建立，并不断加以修改和完善。一方面，可以建立如图6所示的比较典型的教学实验系统（双回线和环网的自由切换和组合）。另一方面，也可参照真实电网建立仿真系统，输入系统的结构和参数，分析系统现象，进行课程设计，培养学生的综合实验能力。

                          

图6 典型实验系统

5.2 教学实验课程分类概述

本系统可以承担的实验分两大类：一类是离线的仿真分析实验，涉及课程包括电力系统基础、电力系统故障分析和电力系统稳定控制；另一类是闭环实验，主要课程为电力系统继电保护。下面就各课程的实验内容进行简要说明。

5.2.1 电力系统基础

    1、电力系统运行方式及潮流分析实验

利用典型实验系统，在数字仿真的监控图页改变发电机出力、开关状态和负荷参数，可以改变系统的运行方式及潮流分布。将控制条件和潮流结果进行对比分析，让学生了解影响系统潮流的主要因素以及影响趋势。同时，可以建立几个IEEE典型的大系统，用于大系统运行方式和潮流的演示和学习，培养学生的大系统观念。

    2、电力系统网损分析实验

利用典型实验系统，在数字仿真的监控图页改变发电机出力、开关状态和负荷参数，包括改变负荷的功率因数，数字仿真可计算各级电压等级电网的网损。通过将控制条件和网损结果对比分析，让学生了解影响网损的主要因素以及影响趋势。如可以设计一个电容就地无功补偿的实验，来说明无功不在线路上传输的情况下，有功损耗即网损就会下降，加深学生对无功和网损关系的理解。

    3、电力系统潮流计算上机实验

学生自行建立教师指定的系统，并输入系统参数，在教师的指导下，调整参数直至系统稳定运行。同时改变发电机、负荷等各种参数，观察潮流分布和流向的变化。

4、电力系统课程设计

学生自行建立实验系统，并输入参数，在教师的指导下，调整参数直至系统稳定运行，然后在该系统中进行一系列需要的实验。

课程设计的题目可包括电力网接线方案的技术论证及经济比较、发电厂、变电所主接线选择以及网络潮流计算和电压计算等多个题目。

5.2.2 电力系统故障分析

    1、电力系统电磁暂态过程分析实验

系统的电磁暂态过程重点了解以下内容：1、电磁暂态过程计算的电压、电流输出结果与机电暂态计算的区别（瞬时值与基波相量有效值的区别）；2、系统故障时电压、电流的暂态变化过程，例如不对称、谐波、畸变以及衰减过程；3、变压器、PT、CT、CVT等元件的饱和特性对系统暂态过程的影响，包括空载合闸励磁涌流、CT饱和、CVT暂态特性等。

    2、电力系统横向故障分析实验

在典型实验系统上可设置各种短路故障（单相、两相相间、三相相间、两相接地和三相接地）和复合故障。一方面，可以设置各种故障条件、改变故障位置以及改变运行方式，观察系统短路电流的分布情况。另一方面，在数字仿真的监控视图上利用触发按钮触发一个故障或一个故障序列，了解各种横向故障下的系统各种电压和电流变化过程。在故障过程中，不仅可让学生认识到短路电流的大小，而且让学生对故障的暂态过程有所掌握，对电流暂态过程中的谐波、不对称等有所认识。

    3、电力系统非全相运行（纵向故障）分析实验

在典型实验系统上利用断路器的开合可设置各种断线故障（单相、两相和三相）和复合断线故障。

在系统的监控视图用触发按钮触发故障或故障序列，了解各种纵向故障下的系统各序电压和电流的分布及变化情况，让学生了解纵向故障对系统的危害。

5.2.3 电力系统稳定控制

    1、电力系统功率特性分析实验

利用典型实验系统，改变运行方式，绘制功角特性曲线，让学生建立电力系统稳定性的概念，认识电力系统功角特性的作用，观察认识电力系统稳定运行、失稳现象。同时让学生了解失步振荡是电压、电流变化过程（即正弦波形的幅值剧烈变化的过程）。

    2、电力系统静态稳定分析实验

利用典型实验系统，在数字仿真的监控图页改变发电机出力，计算、显示相应的输出功率，直至静稳定破坏，分析、对比结果，可以让学生了解静态稳定的主要含义以及影响静态稳定的因素。

    3、电力系统暂态稳定分析实验

利用典型实验系统，在数字仿真的监控图页改变发电机出力，同时设置系统故障的开始和切除时间，计算、显示相应的输出功率，直至暂态稳定破坏，分析、对比结果，可以让学生了解暂态稳定的主要含义以及影响暂态稳定的因素。

数字仿真可以计算故障的极限切除时间，分析比较各故障切除时间对系统稳定的危害，加深学生对等面积法则的理解。

5.2.4 电力系统继电保护

    1、三段电流保护实验

利用典型实验系统，建立闭环实验系统，让学生熟悉继电器及其接线的同时，掌握三段电流保护的基本工作原理。在单侧电源线路系统中，模拟各种位置和类型的故障，观察过电流保护与电流速段保护互相配合的工作情况。同时了解故障下的电压和电流波形，通过对故障电压和电流的定量分析以及保护出口和断路器的状态判断继电器的动作是否正确。

    2、微机保护装置实验

利用典型实验系统，建立闭环实验系统，让学生了解微机保护装置的原理、接线、定值整定以及成组实验的意义。

在实验系统中设置各种简单故障和复杂故障，如区内和区外故障，发展性和转换性故障，或者在数字仿真的监控图页用触发按钮触发故障或故障序列，观察各种故障下的电压和电流波形，通过对故障电压和电流的定量分析以及继电保护出口和断路器的状态判断装置的动作是否正确。

        3、各种成套保护装置的调试与分析

利用众多典型的实验系统，对各类保护装置进行闭环试验，让学生对线路保护和元件保护的原理及工作特性有更为深入的认识。本系统在大量保护实验中积累了许多典型实验系统。测试对象包括线路保护、母线保护和变压器保护。在实验系统中设置各种简单故障和复杂故障，或者在数字仿真的监控图页用触发按钮触发故障或故障序列，观察各种故障下的电压和电流波形，通过对故障电压和电流的定量分析以及各类继电保护装置出口和断路器的状态判断装置的动作是否正确。包括在串补电容条件下，保护动作的特殊性认识。

5.2.5 高电压工程

在高电压工程课程中主要进行操作过电压的实验。

利用系统的输电线路行波分布参数模型，在电磁暂态仿真平台上建立实验系统，设置各种实验条件，可让学生了解和认识以下各种操作过电压的现象和过程：1、输电线路的充电和重合闸；2、感性和容性电路的操作；3、故障发生和故障清除；4、断路器两端的恢复电压；5、中性点小电抗器对故障切除的作用等。

六、关于License的说明

服务器(DDRTS仿真主机)以Windows网络邻居共享方式将DDRTS应用程序目录共享。所有局域网上的终端微机（微机客户端）可以将服务器的共享目录映射为一个网络驱动器。这样当微机客户端进行仿真计算时，从映射的网络驱动器中启动DDRTS程序即可。

此方案的特点如下：

1、维护方便。客户端无需安装任何软件，只需要在服务器维护一份DDRTS拷贝即可。升级程序只需在服务器端进行更新，客户端无需任何操作。

2、充分利用客户端计算资源，降低服务器成本。此方式下，仿真计算任务都在微机客户端完成，不占用服务器CPU，客户端的数量可以任意扩充。若将计算任务放在服务器端，则随着并发客户端数量的增加，服务器的配置成本也将大幅增加。有一定的用户权限控制。通过Windows的用户权限控制，可以控制共享目录的访问权限。

3、由于客户端数量多，为每个客户端配软件狗的方式显然不合适。本系统采用License Server的方式，通过控制并发客户端数量来限制未经授权的拷贝使用。即通过服务器端的DDRTS License Server程序，配置最大并发用户数。客户端运行程序时，程序自动向服务器申请License，服务器检验是否达到最大并发用户数。客户端程序在获得License后，可进入仿真程序操作界面，否则仿真程序自动退出。

电网数字实时仿真试验具有安全、经济、方便灵活的优点，已为人们所认同，是现代仿真与试验系统的重要发展方向，并逐渐替代物理模拟装置，成为电力系统仿真、试验和教学实验和培训的主流选择。

 

七、电网数字仿真与教学实验系统优势

电网数字实时仿真试验具有安全、经济、方便灵活的优点，已为人们所认同，是现代仿真与试验系统的重要发展方向，并在很大程度上替代物理模拟装置，成为电力系统仿真、试验、教学实验以及培训的主流选择。

全数字化的电网数字仿真与教学实验系统是一个综合性很强的电力教学和科研平台。系统对于学生深入了解电力系统的结构和运行方式、电力元件的特性和模型均有一定的帮助，尤其是交互培训可增强学生对电网运行的直观感受。

系统实验安全，学生动手和自我设计发挥自由度大，能够开展一些创新性实验，非常有利于培养学生的分析和创新能力，是学生进行课题设计和系统实习的理想平台。

电网数字仿真与教学实验系统的开放性、可扩展性好，不仅可接入外部实际装置进行试验研究，而且学生可自己建模，对电力系统进行分析，完成课程设计。教师在此平台上可开发各种多媒体教学课件，开展互动教学。

同时，本系统也是教师和研究生开展课题研究和技术开发的理想的仿真和试验平台。