电力系统自动化设备仿真系统的研究及其应用

一、引言

　　电力系统对电力自动化设备的技术指标和产品质量的要求已越来越高，各科研单位和制造厂家在科研上的投入也越来越多，其样机的技术指标很高，但批量生产后很多产品的运行并不理想，这主要是在生产过程中调试、试验和检验设备不够全面所至。

　　不管是早期的晶体管，集成电路，还是现在的微机保护装置，其传统的生产模式和调试方法基本上是一致的，一般采用包干制，从单板到整机调试在同一工位完成，这既影响产品质量的一致性，又难于批量生产，效率低，而整屏的出厂检验大都采用对单屏进行人工对线而不是对构成的保护系统进行模拟运行环境下的各种试验。

　　南瑞继保电气有限公司在生产质量控制手段方面做了深入的工作，为确保批量产品质量的一致性，减少人为误差因素，提高生产效率建立了高技术的全自动生产线。所有产品按模块分解，形成流水作业，首先进行单模块的自动测试，然后对整机进行自动试验，这种全微机化单板测试仪和全自动微机整机试验仪的研制成功并投入使用，不但大大提高劳动效率，而且从根本上改变了继电保护生产调试的理念，杜绝了由人为因素引起的产品质量问题。但是，采用这种方法只能对单个设备进行检验，确保单一装置的产品质量。

　　然而，电力系统是一个系统工程，其自动化产品需经组屏使用，对整屏仅仅采用人工对线是不够的，为了提高整屏质量，要求所有整屏在出厂前完成在运行环境下的各种试验。当然，这种试验可以通过建立各种物理动态模拟试验室来加以实现，但是，建造各种动态模拟试验室投资大、占地多、周期长、接线方式更改困难，而且也不能满足对大批量产品进行试验的要求。因此，研究一种投资少，体积小，接线方式更改方便，并能方便操作的实用化仿真系统显得非常重要。

　　本文在认真分析南瑞继保电气公司生产的电力自动化设备和各仿真技术的基础上，提出可以通过解算简化的数学模型和采用波形回放技术来实现提供相应的电力自动化设备测试用的仿真系统，完成各种电力自动化设备批量产品的出厂检验。

　　二、电力系统仿真系统

　　数字仿真是一门集计算机科学、计算数学、控制技术及相关专业应用的综合学科。数字仿真是用描述真实系统/对象的数学模型来代替真实系统/对象进行试验和研究的一种专门的技术。系统数字仿真具有独特的灵活性、试验的可控制和准确的可重复性及系统试验的安全性和经济性等诸多优点使得这门交叉学科在许多领域中得到广泛的应用。

　　（一）电力系统数字仿真

　　电力系统数字仿真是将数字仿真技术应用到电力系统领域的分析、研究和试验中，是系统仿真的一个重要分支。电力系统数字仿真在电力系统已得到广泛的应用，按其功能分主要有两种：一是用来对运行人员进行培训的培训仿真系统，培训仿真系统主要分为：电网调度员培训仿真系统、大型火电厂运行人员培训仿真系统、变电站培训仿真系统及教学用简易培训仿真系统。二是用来对各种电力自动化设备进行仿真试验的实时仿真系统。

　　（二）电力系统实时数字仿真系统

　　电力系统实时数字仿真系统不但可以用以电力系统的仿真分析研究，它还可以提供电力系统一次设备，各类控制系统，各种电力系统自动化设备实时数字仿真试验的闭环试验环境。这类电力系统数字仿真器对它的实时仿真能力要求很高。它是由高速计算机及信号输入输出通道，结合被仿真系统的数学模型，实时仿真算法、良好的人机接口，并配以性能优良的电压/电流等功率放大部件的综合组成。

　　文献介绍的由加拿大RTDS技术公司研制的实时数字仿真器的实现。文献[8]介绍了由加拿大IREQ研究所和TEQSIM公司开发的实时数字仿真器的实现。这两种仿真器均拥有比较全面和详细的电力系统元件模型，虽然具有通用性，但价格昂贵，操作复杂，不利于针对某种特定用途的使用。

　　三、一种新型电力系统自动化设备数字仿真系统

　　由于电力自动化产品对电力系统安全起着至关重要的作用，因此，总希望电力自动化产品在投入电力系统运行前在真正电力系统环境中进行各种考验，在以前，这必须建立以真实物理原型的动态模拟试验室，这些物理模型如发电机、变压器、线路、断路器等，体积大，价格昂贵，功率大，特别是真实的断路器，寿命短，控制回路复杂，在实验室，更改主接线困难，况且，一般来讲只能建立单一的电网，而不能建立完全的变电站，因此这种动模试验室一般用作新产品的开发阶段的各种试验，以验证产品是否满足设计要求，而无法用做大规模产品的出厂试验。

　　为了完善电力自动化产品出厂前的各种试验，依靠动模试验室和传统的试验装置是不行的，这就促使开发研制电力系统专用实时仿真系统。这种电力系统仿真可方便地构造系统结构，设置参数，实时仿真被仿的电力系统在各种运行工况及故障情况下的动态行为。

　　（一）新型电力系统自动化设备数字仿真系统框图

　　电力系统自动化设备数字仿真系统主要面向工程应用、其仿真设备较多，为了便于操作使用，尽量减少外围设备和硬件构件，充分利用微机技术和大规模集成芯片来完成仿真系统的设计。

　　（二）后台控制系统

　　后台控制系统由PC机组成，主要为人机对话界面，包括仿真系统的模型、运行方式、各种操作、参数选择、波形显示及被试设备的动作信息等主要功能。后台控制系统通过并行接口与前台控制系统进行数据信息的交换，并控制前台系统的仿真运行。

　　（三）前台控制系统

　　前台控制系统是仿真系统的核心部分，它接收后台控制系统的数据、操作指令来控制仿真试验。通过光电回路接收被试设备的控制命令以及接收仿真系统断路器、刀闸等一次设备的状态命令，根据后台控制系统中的各种仿真数字信号，通过D/A变换将仿真系统的模拟波形送至功率放大器带动被试验设备，并根据后台控制系统的操作命令来完成各种仿真试验。

　　（四）功率放大器

　　功率放大器接收由前台控制系统送来的模拟信号，通过功率放大输出至被试设备及系统，它必须具有良好的线性度、稳定性以及高性能的频率特性。

　　（五）模拟断路器

　　模拟断路器必须能模拟实际断路器的所有功能，它的动作行为及主要功能要完成符合实际断路器的情况，它根据仿真系统的操作命令或者根据被试设备及系统的动作命令来实现断路的分合，并根据断路器的位置状态来改变仿真系统的拓扑结构。

　　四、电力系统自动化设备数字仿真系统一般设计过程

　　为了实现仿真系统的最终目的，需要对仿真系统输出的波形、开关量信号进行识别，以及对输入的数据和各种信号进行适当的处理。根据仿真系统的用途，完成各功能模块和良好的人机界面的实现，因此，要得到最佳的仿真系统，第一步就是要确定系统的性能指标和信号处理要求。

　　第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟，也称作算法模拟，这种算法模拟主要是验证算法的可行性。

　　第三步是设计实时仿真系统，实时仿真系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的微处理器芯片及外围电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的微处理器芯片编写相应的程序，一般后台系统采用高级语言编程。应用这种方法，既可缩短软件开发的周期，提高程序的可读性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。

　　第四步是硬件和软件的调试。

　　第五步是系统集成。

　　五、故障波形回放技术

　　由于仿真系统的开发目的主要是面向工程应用，主要是完成南瑞继保电气公司电力自动化产品出厂试验，因此为了节约开发资源，对有些仿真系统，没有建立大型的数学模型，而是采用了另一种比较直接的方法，即从动模实验室中直接录取仿真系统所需的各种波形，然后在后台系统中对数据进行插值、平滑、同步等数据处理，通过前台实时回放，功率放大等再现原仿真系统的试验环境。

　　由于要确保仿真波形与动模采集波形的一致，因此在仿真数据的处理上尽可能地将非实时性要求的数据，作数据预处理，以提高系统的实时性能。

　　在故障波形的回放中