RTDS的用戶自定義建模方法及其應用

李佳曼

（廣東電網汕頭澄海供電局，廣東 汕頭 515800）

RTDS的用戶自定義建模方法及其應用

李佳曼

（廣東電網汕頭澄海供電局，廣東 汕頭 515800）

基于電力系統實時數字仿真系統RTDS提供的自定義建模環境CBuilder，本文提出了電力系統元件的自定義模型設計方法，開發了C語言描述的算法、可視化的圖形外觀、組件化的功能的自定義元件模型，通過編譯和封裝，生成與RTDS自帶模型相同執行效率的動態鏈接庫。本文以IEEE型EXST1靜止勵磁系統為例建立起自定義模型，并通過搭建特定的電網場景對自定義元件和RTDS自帶的模型分別進行閉環測試，測試結果表明系統在初始化過程、機端電壓參考值階躍過程、系統在大擾動情況等條件下兩者外特性基本一致，驗證了本文方法的正確性。

電力系統實時數字仿真系統；自定義建模；控制元件；閉環測試

近年來，隨著我國電力系統迅速發展，規模不斷擴大，新型元件及系統控制技術不斷在系統中得到應用。包括新型調節和保護裝置、新型高壓輸變電設備、發電機控制系統等設備的不斷開發并投入運行，要求電力系統仿真技術能夠靈活提供各種系統裝置的模型[1]。仿真軟件中的電力系統元件模型根據特定算法進行代碼編寫并封裝起來，用戶無法對其改動[2]。因此，當軟件元件庫中現有元件無法滿足用戶對新型一次、二次設備以及調控策略的實際仿真需要時，仿真軟件有必要為用戶提供一個統一的元件自定義建模平臺，使其豐富仿真軟件的模型，提高仿真能力和效率。文獻[3]以某實際直流輸電工程的線路行波保護為原型，提出了基于EMTDC/PSCAD的自定義建模方法及其在直流線路保護仿真中的應用。文獻[4]針對大規模交直流電力系統機電暫態仿真時采用程序缺省的直流輸電模型不能有效描述實際直流輸電特性的問題，提出了基于PSASP的直流系統用戶自定義建模。文獻[5]提出了PSS/E常規動態仿真和擴展動態仿真兩種方式的用戶自定義建模的方法和步驟，并對勵磁系統進行了自定義建模。

在各種電力系統仿真軟件中，RTDS是國際上研制和投入商業化應用最早，使用最多、最廣泛、可信度最高的電力系統實時數字仿真裝置，其自定義建模功能模塊CBuilder實現了用戶對特定模型的需求。文獻[6-7]基于RTDS分別開發了機電暫態仿真模塊和空心線圈電子式電流互感器實時仿真模型。為更加高效、準確地在RTDS中進行自定義建模，本文對CBuilder的建模原理和過程進行了分析和介紹，并以此為基礎建立自定義元件仿真模型。

1 RTDS-CBuilder自定義建模開發環境

CBuilder以類C語言為程序代碼實現自定義元件功能。CBuilder平臺自動與RTDS仿真程序以及用戶模型庫接口，用戶自定義的類C代碼通過元件直接嵌入RTDS主程序之中，無需對外部子程序進行編譯及頻繁的調用[8]。

CBuilder自定義建模平臺主要包括繪圖（Graphics）、參數（Parameters）、輸入輸出（IO Points）和代碼編輯（C File Associations）等編輯環境。這些環境對自定義元件的外觀、功能參數、輸入輸出和數學模型進行定義。其中在C FILE Associations 編輯環境所編寫的model.c文件程序代碼是自定義元件的核心所在，文件中STATIC、RAM、CODE等區域的代碼定義并計算實現元件的相關計算。該文件編譯成功后會自動生成執行文件，供用戶調用。

2 RTDS-CBuilder自定義建模方法

根據CBuilder自定義建模平臺編輯環境的特點，為簡潔、規范地建立自定義元件，本文設計RTDSCBuilder的用戶自定義元件開發流程如圖1所示。

圖1 基于RTDS-CBuilder自定義元件開發流程

CBuilder功能模塊可建立電力系統元件和控制元件兩類模型。在大部分仿真試驗場景中，RTDS元件庫中現有的電力系統元件已基本可以滿足試驗要求。而隨著新型控制設備的快速發展，在RTDS系統中對控制元件進行自定義建模的需求也逐漸增加。較之電力系統元件，控制元件的程序代碼較為簡單，且無需參與網絡求解，對仿真的實時性影響較小。因此，本文以發電機控制元件IEEE型EXST1靜止勵磁系統為例，介紹RTDS自定義建模的基本方法。

2.1 元件模型外觀設計

IEEE型EXST1靜止勵磁系統的邏輯框圖如圖2所示。

圖2 IEEE型EXST1靜止勵磁系統邏輯框圖

由圖2可知，該勵磁系統有發電機母線電壓標幺值Vpu、PSS輸入Vs、勵磁電流If等3個輸入變量，以及一個輸出變量勵磁電勢Ef。根據試驗需要可以條件選擇是否需要PSS輸入變量。依據RTDS元件庫中勵磁系統的外觀樣式，在CBuilder的Graphics編輯環境中，本文設計IEEE型EXST1靜止勵磁系統的外觀如圖3所示。

圖3 IEEE型EXST1靜止勵磁系統外觀設計

2.2 元件參數設計

勵磁系統主要包括電壓測量與調差單元、放大單元、幅值限制單元等組成部分。由圖2可知，IEEE型EXST1靜止勵磁系統內部的主要參數包括：濾波器時間常數Tr；發電機機端參考運行電壓Vref；系統內部最大電壓Vimax；系統內部最小電壓Vimin；系統增益倍數Ka；放大器時間常數Ta；穩定回路時間常數Tb、Tc、Tf；穩定回路增益倍數Kf；換相電抗整流器負載因子Kc；輸出最大限幅Vrmax輸出最小限幅Vrmin。

由于發電機機端參考電壓Vref為可調參量，需要根據電網不同的運行方式進行改變，因此，需要在C File Associations編輯環境中設置一個滑塊控制變量Vref，使其可以在RTDS的用戶實時操作監控界面RUNTIME中進行調用和設置。同時，將上述除Vref之外的內部參數在CBuilder的Parameters編輯環境中進行設定。另外，根據試驗需求有必要設置系統名稱、PSS選擇變量、監視內部變量、處理器板卡資源分配等參數，具體如圖4所示。

圖4 IEEE型EXST1靜止勵磁系統參數設計

在上述參數設計并保存完后，參數會自動存儲在該自定義元件的C File Associations編輯環境中，供model.c文件和model.h文件編輯和調用。

2.3 元件程序代碼設計

由圖2可知，IEEE型EXST1靜止勵磁系統內部主要包括限幅單元、慣性環節傳遞函數、實際微分環節傳遞函數以及加減單元等。其中兩類傳遞函數在數學模型上表現為微分方程和代數方程的聯立，而微分方程的解法對于元件程序的執行效率尤為重要。對于計算步長為微秒級的仿真來講，采用顯式求解方法既能保持數值的穩定性，也不必求解方程，減少計算量。因此，本文以慣性環節1/(1+sT)為例，分別利用歐拉法、改進歐拉法和EMTDC的梯形解法等三種顯示求解方法對其進行編程，三種微分方程解法見表1，其中R、C分別為函數的輸入與輸出，T為時間常數，Δt為仿真步長。

根據以上3種方法的求解公式，本節分別建立慣性環節1/(1+sT)的自定義元件模型，并在RTDS/ Draft文件中分別對RTDS元件庫自帶模型和3個自定義元件模型輸入頻率為50Hz，幅值為0.8p.u.的三角波，各元件模型的時間常數統一設置為2s，仿真步長設為50μs，相對仿真時間為4s。對仿真時間在4s附近各模型的輸出數據進行對比分析，見表2。

表1 慣性環節1/(1+sT)的微分方程解法

表2 各慣性環節模型3.998～4s仿真結果

從表2中可以看出，在仿真步長設置為50μs，仿真時間為4s時，3種算法所得的仿真結果前4位有效數字相同，仿真結果較為接近。相對而言，基于EMTDC算法的自定義元件，相比于采用改進歐拉法和歐拉法的自定義元件更接近于RTDS自帶的傳遞函數模塊的仿真結果。因此，本文采用EMTDC所提供的微分方程解法對IEEE型EXST1靜止勵磁系統所包含的3類傳遞函數進行求解，求解公式見表3，其中R、C分別為方程的輸入與輸出，T為時間常數，Δt為仿真步長。

另外，限幅單元和加減單元的編程方法較為簡單，不再贅述。依據model.c文件格式要求，分別在STATIC、RAM、CODE等區域編寫代碼。由于CODE中的代碼是在RTDS中實時執行的，所編寫的程序語言應盡可能高效。例如無需重復計算的參數可在RAM區進行計算、CODE區應盡量避免除法、僅在CODE區應用的變量無需在STATIC區聲明等。元件通過編譯后即可在RTDS元件庫中調用。

表3 EMTDC采用的微分方程解法

3 RTDS-CBuilder自定義模型測試

RTDS中現有的IEEE型EXST1靜止勵磁系統是已經過工程校驗，符合工程實際的應用需求，用自定義模型與RTDS自帶的模型進行對比測試，可驗證本文自定義建模方法的正確性。而自定義元件和RTDS自帶的模型在微分方程算法選擇、各環節編程處理方式等方面存在差別。而從元件庫中現有元件的源代碼無法得知具體差別，因此本文主要從兩者外部性能的差異進行比對。通過搭建特定的電網場景對自定義元件和RTDS的自帶模型進行閉環測試，校驗其外部特性是否一致。

本文利用DL/T 871—2004電力系統繼電保護產品動模試驗標準中500kV自耦變壓器典型接線方式電力系統作為閉環測試系統。系統共有6個節點，包括發電機MACH1、無窮大電源SCR1、無窮大電源SCR2、500kV機端母線BUS1、主變高壓側母線BUS2、主變中壓側母線BUS3、主變低壓側母線BUS4，500kV機端母線BUS1和主變高壓側母線BUS2通過200km單回線路TL1連接。閉環測試系統網絡拓撲圖如圖5所示。

圖5 500kV自耦變壓器典型接線方式

發電機MACH1的勵磁系統IEEE型EXST1的典型參數見表4。

表4 IEEE型EXST1靜止勵磁系統典型參數(p.u.)

勵磁系統的主要功能是為發電機提供勵磁電源、穩定機端電壓、發電機甩負荷時進行減磁、系統擾動時快速強行勵磁、發電機內部故障時自動滅磁、發電機無功出力控制等。基于此本文從電壓初始化和系統大擾動兩種情況對自定義元件和Module進行閉環測試，測試的主要參量包括發電機機端電壓Vpu、勵磁電壓Ef、發電機無功出力QMACH1等。

1）電壓初始化過程

發電機從初始化結束到進入穩態的過程中，需要檢驗勵磁電壓的建立、機端電壓的穩定過程等。試驗錄波數據圖6所示為勵磁電壓，圖7所示為機端電壓，錄波時間為20s。各圖中虛線曲線為對自定義元件進行測試的結果，實線曲線為對Module組件進行測試的結果。

圖6 初始化過程中勵磁電壓比較

圖7 初始化過程中機端電壓比較

如圖6、圖7所示，自定義元件和Module組件的勵磁電壓、機端電壓兩個參量的變化趨勢基本相同。

2）系統大擾動

系統發生故障時，系統電壓受到沖擊，容易出現電壓穩定問題。在發電機附近交流系統發生故障時，發電機端母線電壓也受到擾動，該擾動信號作為勵磁系統的輸入量，使勵磁系統進行動態調節，穩定系統電壓。

本文設計如下試驗場景：在系統進入穩定后，使得線路TL1主變側的K1點發生故障持續時間為0.1s的三相故障，系統隨即產生大擾動。試驗錄波數據圖10為勵磁電壓、圖11為機端電壓，錄波時間為5s。各圖中虛線曲線為對自定義元件進行測試的結果，實線曲線為對Module組件進行測試的結果。

如圖8、圖9所示，自定義元件和Module組件的勵磁電壓、機端電壓兩個參量的變化趨勢基本相同。

圖8 大擾動情況下勵磁電壓比較

圖9 大擾動情況下機端電壓比較

3）仿真測試結果分析

本節對IEEE型EXST1靜止勵磁系統自定義元件和Module組件分別進行了外特性的閉環測試。在系統在初始化過程、機端電壓參考值階躍過程、系統在大擾動情況等條件下兩者發電機機端電壓Vpu、勵磁電壓Ef、發電機無功出力QMACH1等參量的變化過程基本相同。考慮到兩者的傳遞函數算法選擇、邏輯單元處理等差異，誤差應在可接受范圍內。因此，IEEE型EXST1靜止勵磁系統自定義元件基本滿足勵磁控制系統的試驗要求。

4 結論

本文詳細介紹了電力系統實時仿真軟件RTDS的自定義建模模塊CBuilder的建模方法和應用。依據電力系統控制元件的外觀、輸入輸出和元件參數對其進行自定義設計。同時按照系統邏輯框圖，對其內部傳遞函數和邏輯單元等利用類C語言代碼進行編輯，從而得到該元件的自定義模型，并以IEEE型EXST1靜止勵磁系統為例進行了閉環仿真校驗。試驗結果表明，基于方法搭建的控制元件模型，能很好地實現模型的控制功能，滿足用戶對于特定模型的仿真需求。同時，該自定義建模模塊具有良好的人機交互界面，所搭建的自定義元件模型具有易擴展、簡潔、高效等優點。

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The User Define Component (UDC) Technology of RTDS and its Application

Li Jiaman
(Shantou Chenghai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid, Shantou, Guangdong 515800)

Based on the user define modeling environment CBuilder that power system real-time digital simulation system RTDS provides, this paper puts forward the method to design the user defined component. This paper develops the user defined component model which has the algorithm described by C language, visual graphics appearance, and the componential function, through the compilation and packaging, it generates the dynamic link library which has the same efficiency in the implementation of the own model of RTDS. This paper takes the IEEE type EXST1 static excitation system for example to build the User Define Component, and builds some specific grid scenes to test the user define component and the original component respectively. By comparison, the test results show that the external characteristics of the user define component and the original component are basically the same in the system initialization process, the terminal voltage reference value step process and in the conditions of the large disturbance. it verified the correctness of use defined control component based on CBuilder.

real time digital simulator; user define component; control componet; closed-loop test

李佳曼（1989-），女，碩士研究生，從事電力系統保護、控制與自動化研究工作。