基于X86/X64平臺的智能變電站現場實時數字仿真的研究與應用*

汝雁飛，張振軍，孫軍

(1．國網電力科學研究院有限公司， 南京 211000；2．智能電網保護和運行控制國家重點實驗室， 南京 211000)

0 引 言

在實驗室對智能變電站二次裝置的測試過程中往往發現，一些保護裝置能通過常規功能測試，但進行系統級數字仿真閉環測試(如RTDS(real-time digital simulator)，ADPSS(advanced digital power system simulator))時會發現很多潛在問題。例如對繼電保護測試而言，線路模型的準確性非常關鍵，對繼電保護設備測試結果有直接影響。傳輸線模型分為分布參數模型和集中參數模型兩種，模擬短線路時，兩者結果比較接近，隨著線路長度增加，使用分布參數線路模型的仿真結果更加精確。這表明很多智能二次設備需要數字仿真技術進行系統級的全面考核，才能真正滿足變電站復雜狀態下動作要求。因此研究適合現場的便攜式變電站仿真測試系統，真正考核IED裝置的動作特性，很有必要。

在智能變電站中，動模試驗研究[1]、RTDS等仿真測試研究[2]進行得很多。但這些測試裝置體積巨大，測試成本很高，不符合變電站現場實際要求；而小型化仿真測試裝置相對較弱的計算能力和仿真模型的復雜性就形成了一個矛盾。文中對此進行了深入研究和分析，并提出了基于X86/X64平臺上的實時仿真及其算法，解決變電站現場仿真測試難題。

1 基于X86/X64平臺的實時仿真及其算法

1.1 實時仿真與算法

智能變電站實時仿真測試實際上就是被測IED裝置與所模擬的智能變電站系統(仿真系統)構成閉環系統，仿真系統模擬智能變電站運行時出現的故障狀態使IED動作來跳開或合上斷路器。仿真算法正是根據斷路器的狀態得到系統的拓撲結構從而進行計算模型的實時解算工作。仿真過程邊算邊送數據，IED接收數據與時間T同步，這種快速實時解算及真正閉環的試驗過程符合實際系統動態特性。

仿真測試由仿真計算、計算數據打包、采樣值數據發送、GOOSE報文接收、GOOSE報文解析等多個環節構成，與被測裝置一起構成完整閉環系統，其原理框圖如圖1所示。

圖1 仿真測試系統原理框圖

智能變電站各種裝置和環境都可以建立各種數學模型，根據其對測試系統的重要性或簡或繁，但最終都會生成描述系統動態過程的微分方程組和描述網絡狀態的代數方程組。因此實時仿真過程就是在時間間隔Δt(仿真步長)內，完成對所有微分方程和代數方程的解算[3]。

實時仿真算法的微分方程解法采用四階龍格-庫塔法[4- 5]，這種微分解法在以前常規的仿真測試系統中得到大量驗證和實際應用，具有很好精度和穩定性，能真實地反映實際變電站運行時暫態特性[6]。具體分析計算如下：

一階微分方程式為:

y′=f(t,y)

(1)

四階龍格-庫塔法計算公式為：

其中：

K1=Δt×f(tn,yn)

K4=Δt×f(tn+1,yn+K3)

龍格-庫塔法是一種單步計算法，利用tn和tn+1作為插值節點，由tn的函數值計算tn+1的函數值，可以從突變點開始計算，具有自啟動能力。

1.2 實時仿真算法的進一步研究

由上面分析可以得知仿真計算實際上是由變量y當前數據和時間t來計算下一步數據。具體如下：

根據系統設置形成全網節點導納矩陣和微分方程組。先利用龍格-庫塔法把微分方程組用一組差分方程代替，成為代數方程。利用數值計算來計算下一步變量值。

這些代數方程往往可以組合成類似如下矩陣：

CXn=DVn+E(n-1)

(2)

Xn和Vn為tn時刻變量向量；C、D為系數矩陣；En-1為tn-1時刻變量組成的常數向量。當然在這個基礎上還可繼續化簡，最終生成：

Yn=f(Yn-1)

(3)

式中Yn向量為Xn和Vn的綜合。

可以看出當系統結構穩定時，矩陣參數C、D是定值，E也是一個固定的向量函數，由Yn-1推算出Yn的計算量并不大，但當系統結構發生突變時(如發生故障，斷路器動作)，網絡結構改變，必須修改其導納矩陣及微分方程，參數必須重新計算[7]，甚至會碰到矩陣求逆等耗時工作，計算量很大。在實際變電站中，發生故障或開關操作都會使系統結構發生改變，而這些改變都在一瞬間發生，這就要求這些計算必須在一個Δt時間內完成，從而對實時計算帶來很大問題，因此很多實時仿真系統不得不采用放大步長Δt或簡化計算模型的方式來解決問題，但這就減小了計算精度，特別是要求暫態特性的變電站仿真中，會失去很多動態信息，使測試系統不能完全模擬實際系統的動態特性，這樣就失去了測試仿真的意義。

1.3 變電站實時算法問題與特點

在測試變電站實時仿真有兩個特點：

(1)計算時間的分配。

在一個穩定結構中，數學模型代數化并解耦后，其計算量并不大，而且計算時間大體固定，也就是每一步計算中很多時間是處于空閑狀態；但當系統結構改變時，計算量會突然變大，又要求在一個Δt時間內完成。這相當于在一個n×Δt的時間段中，如果發生系統結構改變，只要n數目符合要求，整個計算量能在這n×Δt時間內完成，可以看成是時間分配問題。

(2)系統結構改變的時延。

在變電站仿真中，當系統結構發生改變，會有一定提前量。系統故障或狀態改變是用戶預先設置，因此何時何處發生何種故障是可知的，可以提前預判；斷路器的動作則和被測IED動作特性有關，具有不確定性，但斷路器動作卻有一定延時性，即開關跳閘、合閘是有時間的，一般在10 ms左右，最快也不會低于1 ms。這表示當仿真系統接收到斷路器改變到修改系統結構參數有1 ms以上的提前時間。相對于仿真中默認步長20 μs,最少也有50個步長間隔。

基于以上兩個特點，因此可以采取在提前知道系統結構將如何改變時，立即并行處理當前輸出值和計算將要改變的系統結構矩陣參數，也就是變步長時間計算方式。例如在tn時刻知道tn+50后發生某一線路將要跳A相斷路器，則在tn至tn+50這時間段中同時計算Yn、Yn+1、……、Yn+50和新系數矩陣C、D，在tn+50時刻使用新的代數方程組。這樣就把原先要在一個Δt時間段內計算的新系數矩陣C、D分散到50個Δt時間段中，保證了實時仿真的運行。即仿真算法不要求在Δt(仿真步長)內，完成對所有微分方程和代數方程的解算，而是保證在具體的T時刻能準時輸出正確反應該時刻特性的數據。

2 基于X86/X64平臺仿真算法改進

實時仿真系統模型復雜，對系統硬件要求高。例如長線路短路計算時(見圖2)，當線路發生短路時，系統會出現無窮級數的自由分量，實時計算量巨大。

圖2 長線路短路計算網絡圖

RTDS等仿真系統使用DSP或專用芯片疊加方式，用高成本和大體積解決實時計算仿真模型。解決現場便攜式系統仿真測試問題，其實主要是解決小型化帶來的硬件計算能力降低、實時性要求帶來的高成本問題。而商用X86/X64平臺遠比專用芯片復雜、性能高，但由于應用面巨大，Windows系統開發成本低，性價比高；其最大問題是實時處理，基于Windows系統的X86/X64平臺不是實時系統，必須改善仿真算法滿足仿真計算的實時性要求。

基于Windows系統的X86/X64平臺其強大計算能力、海量內存可以運行非常復雜的仿真變電站模型。雖然是多任務系統，不能滿足苛刻的實時要求，但在實際測試過程中，發現了連續24小時運行，可以滿足ms級的實時中斷請求。這也說明在Windows系統中，如果實時仿真計算步長Δt≥1 ms，X86/X64平臺也能滿足實時要求。但在智能變電站實時仿真測試中，需要計算步長Δt往往是μs級，例如在文中為現場開發的便攜式測試平臺上，Δt設定為20 μs，每工頻輸出1 000點。

為解決X86/X64平臺和智能變電站實時仿真的矛盾要求，文中采用了仿真模型計算和數據通信完全獨立運行的結構方式，如圖3所示。

圖3 基于X86/X64智能變電站實時計算和數據通信

系統的仿真計算采用“準實時”方式實現實時輸出。系統主要分為兩部分：一是仿真計算部分，運行在X86/X64平臺上；另一是通信部分，實時輸出SMV和GOOSE。兩個部分通過高速數據總線通信，采用1 ms一次中斷并交換數據；通信部分把仿真計算部分的SMV和GOOSE數據分批按μs級實時輸出。這充分利用X86/X64平臺無比強大的計算能力，同時又避免了實時性弱的問題。具體就是仿真計算部分在X86/X64平臺上通過復雜的模型計算生成一組模擬量、開關量，并打包生成符合IEC 61850協議[8-9]的通信數據；而實時仿真計算部分發送給各個通信部分的數據是打上時標的一組數據流。通信部分根據其數據流的時標來定時輸出數據，這樣實現了和被測智能變電站IED裝置的實時通信。仿真系統常規計算方式如圖4所示。

圖4 常規計算方式仿真程序輸出圖

常規計算方式仿真程序會定時發送這一時刻數據。Tn是具體時刻，Yn為數據，直接和物理時刻一致。在一般數字仿真中也采用這種方式，必須在同一個物理時間步長中實現全部計算，如并行處理時也要求每一個進程必須同步，否則會發生計算超時現象，必須終止仿真計算[10]。在新計算方法中，采取以下方式(見圖5)。

圖5 新的計算方法仿真程序輸出圖

圖5中Tn是具體時刻，Yn為打上時標(Tn)的數據流。其中時標n是指要輸出的具體時刻。仿真計算部分先計算出Yn，并按5個一組送給通信部分。通信部分接收到數據，會按時標定時輸出。因此X86/X64平臺計算的時間間隔是5個物理時間步長，即使仿真系統接收到跳合信號或系統將要到設置的故障狀態時，計算量突然改變時，系統可以在5個物理時間步長內計算。當然實際計算時根據仿真結構時延來設置幾個一組，例如開關時延是10 ms，SMV輸出是每秒4 000點，計算時可以采用每10 ms交換一次40組數據。

這樣就可以發現在一般仿真計算方式中，系統變化時的巨大計算量必須在一個仿真時間步長中完成；采用新的計算方式后，計算量相同，但可用的計算時間大大增加了，變為一個仿真時間步長加n個計算空余時間。

根據以上獨立結構方式，還有一個優點，由于實際IED的采樣頻率也不完全一致。這樣就可以使仿真計算步長完全獨立于通信部分中SMV的采樣頻率，接口程序就非常靈活。仿真程序也能根據要求改變輸出精度。

3 基于IEC 61850協議測試仿真應用

根據以上研究成果，文中研究和開發了基于IEC 61850[11]協議便攜式測試仿真系統，測試系統原理結構分為三大塊：計算機控制系統、數據通信系統以及被測試系統[12]。

計算機控制系統主要完成被模擬變電站的線路、母線、變壓器各支路在故障前、故障中和故障后的電壓、電流等參數變化，以及保護測控設備的動作行為；

數據通信系統主要負責與被測裝置的網絡數據實時交換，包括生成MU(merging unit)的實時數據流SMV信息和解析被測裝置的GOOSE信息；

被測試系統主要指為該系統提供工程測試環境的對象，主要是變電站各種IED[13]。

在便攜式測試仿真系統平臺上，文中將原先實時算法和改進的變步長時間進行比較，其檢驗原理見圖6。

圖6 仿真系統平臺檢驗結構圖

3.1 實時仿真對比測試

文中首先進行兩組算法對比測試。便攜式測試系統接上被測保護裝置(PSL601U)，逐漸改變計算步長，對比其實時性。當采用原先計算方式(即每組交換數據變為1)，運行1 s就會發生丟數據(丟點)現象，保護裝置液晶顯示發生劇烈跳變。而改善后的計算方式(即每組交換數據變為10)，液晶顯示穩定，連續測試4小時沒有發現丟數據現象。數據如表1所示。

表1 改善后的測試數據

3.2 變電站實時仿真測試

文中以江西省泰和數字化變電站(見圖7)為例，變電站共有三個電壓等級： 220 kV、110 kV、10 kV。由于現場情況，主要對220 kV側保護進行測試，因而220 kV側數據模型比較詳細。例如萬安、文山進線根據現場實際參數進行配置，其線路也采用了同桿雙回線模型，主要考慮線路相互影響；變壓器是變電站主要設備，其模型比較重要，在測試中采用實際參數進行配置；110 kV和10 kV由于不是測試重點，模型對其進行了簡化，將110 kV和10 kV的進線均作為負載，其負載參數為設計運營數據。故障點設置為萬安-澄江線路同桿雙回線的II線，萬澄II線的保護裝置為某公司的PSL601U和某公司的CSC101B兩種套保護。

圖7 泰和變仿真模型圖

測試中建立各種故障狀態，測試保護動作特性。其中故障設置在線路10%處，故障類型設置為瞬時，A相接地短路，測試保護PSL601U的動作特性，錄波波形如圖8所示。從圖8中可以看出與一般測試儀相比，仿真系統輸出波形在故障發生后相對復雜，有一定諧波，符合現場實際狀態，而PSL601U保護有分相出口，動作正確，準確判斷了A相故障。

這表明在X86/X64平臺上采用新計算方式完全能實現便攜式變電站仿真測試系統，而且測試波形更接近現場實際故障波形，相比常規測試儀器能更準確檢驗出智能裝備的特性。

圖8 萬澄II線 故障(10%-瞬時-A相接地)圖

4 結束語

文中研究了基于X86/X64平臺的智能變電站實時數字仿真測試系統，并利用其系統特性提出了新變輸出時間步長的實時計算算法，提高了測試仿真系統輸出數據的實時性、抗干擾性。可以實現智能變電站二次設備整體測試，其效果是普通常規測試方式所達不到的，該智能變電站中便攜式數字仿真測試系統，在現場既能進行常規性能檢測，也能提供實時仿真技術，對智能變電站二次設備進行復雜動態測試，為智能變電站自動化設備研究、開發、測試和調試提供了新手段。