實(shí)時(shí)仿真是研究電力系統(tǒng)電磁和機(jī)電暫態(tài)過程、優(yōu)化系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行的重要手段。電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展過程：第一代模擬分析系統(tǒng);第二代模擬/數(shù)字混合仿真系統(tǒng);第三代全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

一種基于并行計(jì)算技術(shù)、采用模塊化設(shè)計(jì)的全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真軟件。具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1)既可以對(duì)電力系統(tǒng)機(jī)電和電磁暫態(tài)分別進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，同時(shí)也可以對(duì)機(jī)電和電磁暫態(tài)混合系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

　　2)仿真精度高; 實(shí)時(shí)仿真結(jié)果與公認(rèn)的離線分析軟件EMTP-RV的仿真結(jié)果吻合。

　　3)良好的升級(jí)和擴(kuò)充性; 硬件采用基于PC Cluster的計(jì)算機(jī)集群，當(dāng)仿真的系統(tǒng)規(guī)模增大時(shí)，只需增加CPU數(shù)目和增大內(nèi)存容量即可。
 

系統(tǒng)組成

　　實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)包括兩部分：主機(jī)和目標(biāo)機(jī)。

　　主機(jī)為運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的普通PC機(jī)，其主要功能如下：

　　模型開發(fā)

　　離線仿真

　　模型分隔和代碼的自動(dòng)生成

　　仿真過程的控制

　　人機(jī)交互

　　目標(biāo)機(jī)是模型實(shí)時(shí)運(yùn)行的平臺(tái)。主機(jī)上開發(fā)好的電力系統(tǒng)模型通過以太網(wǎng)下載到目標(biāo)機(jī)上，目標(biāo)機(jī)包括各種IO板卡，通過IO板卡和功放設(shè)備與實(shí)際的電力設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
 

目標(biāo)機(jī)的特點(diǎn)如下：

　　采用多CPU以及多core技術(shù)的高性能硬件平臺(tái)

　　QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　仿真模型在多個(gè)CPU(或多個(gè)core)上并行執(zhí)行

　　基于FPGA的高精度IO模塊，F(xiàn)PGA的工作頻率100MHz

　　所有IO板卡均帶有信號(hào)調(diào)理模塊

　　實(shí)時(shí)與超時(shí)仿真模式

　　基于PMSM永磁電機(jī)有限元模型的實(shí)時(shí)仿真

　　電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真存在的問題:

　　建模的問題

　　仿真的實(shí)時(shí)性問題

　　開關(guān)器件的實(shí)時(shí)仿真問題

　　仿真精度和數(shù)值穩(wěn)定性的問題

解決方法

建模的問題：

　　模型開發(fā)工具采用MATLAB/Simulink和SimPowerSystem軟件包。此外， 還提供了改進(jìn)的專門針對(duì)實(shí)時(shí)仿真的電力元件模型庫(kù)，以此做為對(duì)SimPowerSystem元件庫(kù)的補(bǔ)充。

　　 提供的模型庫(kù)包括：

　　帶時(shí)間戳的整流電路模型庫(kù)(包括半橋、全橋、多電平橋等);

　　帶時(shí)間戳的逆變器模塊庫(kù)(包括半橋、全橋、多電平橋等);

　　改進(jìn)的電力電子元器件庫(kù)，包含了常用的電力電子設(shè)備元件，如：IGBT、GTO等;

　　實(shí)時(shí)邏輯處理模塊庫(kù);

　　事件信號(hào)產(chǎn)生模塊庫(kù)等。
 

仿真的實(shí)時(shí)性問題：

1. 并行算法

輸電線路互聯(lián)的電站組成電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，各電站信號(hào)以光速在輸電線路中傳播。然而信號(hào)具有傳輸延遲，并且這種延遲隨線路長(zhǎng)度而變化。因此當(dāng)仿真步長(zhǎng)小于傳輸延遲時(shí)，對(duì)電站和線路并行仿真是可行的。電站包括無源器件、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)等。大多數(shù)控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于仿真步長(zhǎng)，因此這些控制系統(tǒng)可獨(dú)立仿真，與電站節(jié)點(diǎn)方程并行處理，整體準(zhǔn)確性不受影響。 將傳輸線路、電站、控制系統(tǒng)分解為并行子任務(wù)，這些子任務(wù)分配到不同的CPU上計(jì)算。每一仿真時(shí)步開始，分別計(jì)算每一子任務(wù);仿真時(shí)步結(jié)束，各子任務(wù)相互交換信息。

2. 解耦元件

多節(jié)點(diǎn)、密集結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)往往具有以下特點(diǎn)：

　　1) 近距離：不像陸地電力系統(tǒng)，不同的電站或設(shè)備之間動(dòng)輒幾十、幾百、甚至上千公里;密集結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)的電站與設(shè)備之間的距離最多一百多米;

　　2) 節(jié)點(diǎn)數(shù)密集;與近距離相適應(yīng)，密集結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)全集中在一起，一個(gè)區(qū)域通常大約有幾十個(gè)電力器件。

　　對(duì)于此類多節(jié)點(diǎn)、密集結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)，現(xiàn)有的所有仿真軟件均無法解決實(shí)時(shí)仿真問題。

的處理方法，是在系統(tǒng)中加入專門開發(fā)的解耦元件。通過解耦元件可以將一個(gè)大的電力系統(tǒng)模型分解成幾個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，通過將不同的子系統(tǒng)分別放在多個(gè)CPU上運(yùn)算，達(dá)到降低每個(gè)CPU的計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的目的。
 

開關(guān)器件的實(shí)時(shí)仿真問題:

隨著高頻電力開關(guān)器件越來越多的應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，如何在實(shí)時(shí)仿真的過程中準(zhǔn)確的模擬高頻開關(guān)設(shè)備的工作情況，是電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真必須解決的問題。為此，軟件提供了兩個(gè)軟件包ARTEMIS和RT-Events來解決這些問題。

ARTEMIS是一個(gè)專門的算法求解器。該求解器專門用于對(duì)電力系統(tǒng)中的高頻開關(guān)元件進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。此外，ARTEMIS求解器還具有開關(guān)狀態(tài)預(yù)計(jì)算功能，通過在實(shí)時(shí)仿真前，預(yù)先計(jì)算出系統(tǒng)中不同電力器件開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的矩陣，并將矩陣的計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。仿真時(shí)，當(dāng)電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，CPU直接調(diào)用計(jì)算結(jié)果，從而節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間，使模型能夠用于實(shí)時(shí)仿真。

隨著高頻電力開關(guān)器件越來越多的應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，如何在實(shí)時(shí)仿真的過程中準(zhǔn)確的模擬高頻開關(guān)設(shè)備的工作情況，是電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真必須解決的問題。為此， 軟件提供了兩個(gè)軟件包ARTEMIS和RT-Events來解決這些問題。

ARTEMIS是一個(gè)專門的算法求解器。該求解器專門用于對(duì)電力系統(tǒng)中的高頻開關(guān)元件進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。此外，ARTEMIS求解器還具有開關(guān)狀態(tài)預(yù)計(jì)算功能，通過在實(shí)時(shí)仿真前，預(yù)先計(jì)算出系統(tǒng)中不同電力器件開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的矩陣，并將矩陣的計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。仿真時(shí)，當(dāng)電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，CPU直接調(diào)用計(jì)算結(jié)果，從而節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間，使模型能夠用于實(shí)時(shí)仿真。

仿真精度和數(shù)值穩(wěn)定性的問題 

傳統(tǒng)上，電力系統(tǒng)的仿真通常采用梯形積分法，針對(duì)梯形積分法的缺點(diǎn)， 提供了三種改進(jìn)的求解算法：art5、art3、art3hd，專門用于對(duì)包含開關(guān)元件的電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
 

基于FPGA的實(shí)時(shí)仿真

對(duì)于那些需要更短仿真步長(zhǎng)(納秒級(jí))的用戶，利用 XSG軟件包可以將電力系統(tǒng)模型編譯成能夠在FPGA卡上運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼，利用FPGA的高速并行處理能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真。

此外， 還提供了針對(duì)FPGA卡的電力器件庫(kù)，用戶可以直接利用模型庫(kù)中的元件搭建自己的仿真系統(tǒng)。
 

仿真系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展問題

硬件平臺(tái)采用基于PC Cluster的計(jì)算機(jī)集群，當(dāng)被仿真的電網(wǎng)規(guī)模增大時(shí)，只需增加CPU數(shù)目和增大內(nèi)存容量即可。另外，軟件制造商加拿大OPAL-RT科技公司一直從事電力電子、電力系統(tǒng)的仿真研究，有豐富的實(shí)時(shí)仿真經(jīng)驗(yàn)，能夠?yàn)榭蛻籼峁?qiáng)有力的技術(shù)支持。
 

硬件平臺(tái)介紹

整個(gè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)采用基于PC Cluster的計(jì)算機(jī)集群，不同計(jì)算機(jī)之間通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊，從而保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的步長(zhǎng)最小可以達(dá)到us級(jí)。

IO 模塊的配置如下：

　　AD, 16ch, 16-bits, 1us, +-1V to +-100V;

　　DA, 16ch, 16-bits, 2us, +-1V to +-16V;

　　Static DI, 16ch, 100-nanos Opto coupler, 5 to 30V, 2 mA;

　　Static DO, 16ch, 100-nanos Opto coupler, 5 to 30V, 100mA;

　　帶時(shí)間戳TSDI, 16ch, 10-nanos-timer, Opto coupler, 5 - 30V;

　　帶時(shí)間戳TSDO, 16ch, 10-nanos-timer, Opto coupler, 5 - 30V;

　　帶時(shí)間戳的DIO主要用于PWM信號(hào)/事件信號(hào)/編碼信號(hào)的產(chǎn)生和捕獲功能。
 

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