汝雁飛，張振軍，孫軍

(1．國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司， 南京 211000；2．智能電網(wǎng)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(fā)現(xiàn)，一些保護裝置能通過常規(guī)功能測試，但進行系統(tǒng)級數(shù)字仿真閉環(huán)測試(如RTDS(real-time digital simulator)，ADPSS(advanced digital power system simulator))時會發(fā)現(xiàn)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(guān)鍵，對繼電保護設(shè)備測試結(jié)果有直接影響。傳輸線模型分為分布參數(shù)模型和集中參數(shù)模型兩種，模擬短線路時，兩者結(jié)果比較接近，隨著線路長度增加，使用分布參數(shù)線路模型的仿真結(jié)果更加精確。這表明很多智能二次設(shè)備需要數(shù)字仿真技術(shù)進行系統(tǒng)級的全面考核，才能真正滿足變電站復(fù)雜狀態(tài)下動作要求。因此研究適合現(xiàn)場的便攜式變電站仿真測試系統(tǒng)，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(xiàn)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(fù)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(xiàn)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(tǒng)(仿真系統(tǒng))構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)模擬智能變電站運行時出現(xiàn)的故障狀態(tài)使IED動作來跳開或合上斷路器。仿真算法正是根據(jù)斷路器的狀態(tài)得到系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)從而進行計算模型的實時解算工作。仿真過程邊算邊送數(shù)據(jù)，IED接收數(shù)據(jù)與時間T同步，這種快速實時解算及真正閉環(huán)的試驗過程符合實際系統(tǒng)動態(tài)特性。

仿真測試由仿真計算、計算數(shù)據(jù)打包、采樣值數(shù)據(jù)發(fā)送、GOOSE報文接收、GOOSE報文解析等多個環(huán)節(jié)構(gòu)成，與被測裝置一起構(gòu)成完整閉環(huán)系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。

圖1 仿真測試系統(tǒng)原理框圖

智能變電站各種裝置和環(huán)境都可以建立各種數(shù)學(xué)模型，根據(jù)其對測試系統(tǒng)的重要性或簡或繁，但最終都會生成描述系統(tǒng)動態(tài)過程的微分方程組和描述網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的代數(shù)方程組。因此實時仿真過程就是在時間間隔Δt(仿真步長)內(nèi)，完成對所有微分方程和代數(shù)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(guī)的仿真測試系統(tǒng)中得到大量驗證和實際應(yīng)用，具有很好精度和穩(wěn)定性，能真實地反映實際變電站運行時暫態(tài)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(jié)點，由tn的函數(shù)值計算tn+1的函數(shù)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(shù)據(jù)和時間t來計算下一步數(shù)據(jù)。具體如下：

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置形成全網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)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(shù)方程。利用數(shù)值計算來計算下一步變量值。

這些代數(shù)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(shù)矩陣；En-1為tn-1時刻變量組成的常數(shù)向量。當然在這個基礎(chǔ)上還可繼續(xù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時，矩陣參數(shù)C、D是定值，E也是一個固定的向量函數(shù)，由Yn-1推算出Yn的計算量并不大，但當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變時(如發(fā)生故障，斷路器動作)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變，必須修改其導(dǎo)納矩陣及微分方程，參數(shù)必須重新計算[7]，甚至?xí)龅骄仃嚽竽娴群臅r工作，計算量很大。在實際變電站中，發(fā)生故障或開關(guān)操作都會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而這些改變都在一瞬間發(fā)生，這就要求這些計算必須在一個Δt時間內(nèi)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(tǒng)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(tài)特性的變電站仿真中，會失去很多動態(tài)信息，使測試系統(tǒng)不能完全模擬實際系統(tǒng)的動態(tài)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(wěn)定結(jié)構(gòu)中，數(shù)學(xué)模型代數(shù)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(tài)；但當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變時，計算量會突然變大，又要求在一個Δt時間內(nèi)完成。這相當于在一個n×Δt的時間段中，如果發(fā)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變，只要n數(shù)目符合要求，整個計算量能在這n×Δt時間內(nèi)完成，可以看成是時間分配問題。

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變的時延。

在變電站仿真中，當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，會有一定提前量。系統(tǒng)故障或狀態(tài)改變是用戶預(yù)先設(shè)置，因此何時何處發(fā)生何種故障是可知的，可以提前預(yù)判；斷路器的動作則和被測IED動作特性有關(guān)，具有不確定性，但斷路器動作卻有一定延時性，即開關(guān)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(tǒng)接收到斷路器改變到修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣參數(shù)，也就是變步長時間計算方式。例如在tn時刻知道tn+50后發(fā)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(shù)矩陣C、D，在tn+50時刻使用新的代數(shù)方程組。這樣就把原先要在一個Δt時間段內(nèi)計算的新系數(shù)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(nèi)，完成對所有微分方程和代數(shù)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(yīng)該時刻特性的數(shù)據(jù)。

2 基于X86/X64平臺仿真算法改進

實時仿真系統(tǒng)模型復(fù)雜，對系統(tǒng)硬件要求高。例如長線路短路計算時(見圖2)，當線路發(fā)生短路時，系統(tǒng)會出現(xiàn)無窮級數(shù)的自由分量，實時計算量巨大。

圖2 長線路短路計算網(wǎng)絡(luò)圖

RTDS等仿真系統(tǒng)使用DSP或?qū)Ｓ眯酒B加方式，用高成本和大體積解決實時計算仿真模型。解決現(xiàn)場便攜式系統(tǒng)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(fù)雜、性能高，但由于應(yīng)用面巨大，Windows系統(tǒng)開發(fā)成本低，性價比高；其最大問題是實時處理，基于Windows系統(tǒng)的X86/X64平臺不是實時系統(tǒng)，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(tǒng)的X86/X64平臺其強大計算能力、海量內(nèi)存可以運行非常復(fù)雜的仿真變電站模型。雖然是多任務(wù)系統(tǒng)，不能滿足苛刻的實時要求，但在實際測試過程中，發(fā)現(xiàn)了連續(xù)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(tǒng)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(xiàn)場開發(fā)的便攜式測試平臺上，Δt設(shè)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(shù)據(jù)通信完全獨立運行的結(jié)構(gòu)方式，如圖3所示。

圖3 基于X86/X64智能變電站實時計算和數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)的仿真計算采用“準實時”方式實現(xiàn)實時輸出。系統(tǒng)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(shù)據(jù)總線通信，采用1 ms一次中斷并交換數(shù)據(jù)；通信部分把仿真計算部分的SMV和GOOSE數(shù)據(jù)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(fù)雜的模型計算生成一組模擬量、開關(guān)量，并打包生成符合IEC 61850協(xié)議[8-9]的通信數(shù)據(jù)；而實時仿真計算部分發(fā)送給各個通信部分的數(shù)據(jù)是打上時標的一組數(shù)據(jù)流。通信部分根據(jù)其數(shù)據(jù)流的時標來定時輸出數(shù)據(jù)，這樣實現(xiàn)了和被測智能變電站IED裝置的實時通信。仿真系統(tǒng)常規(guī)計算方式如圖4所示。

圖4 常規(guī)計算方式仿真程序輸出圖

常規(guī)計算方式仿真程序會定時發(fā)送這一時刻數(shù)據(jù)。Tn是具體時刻，Yn為數(shù)據(jù)，直接和物理時刻一致。在一般數(shù)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(xiàn)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(fā)生計算超時現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(tǒng)接收到跳合信號或系統(tǒng)將要到設(shè)置的故障狀態(tài)時，計算量突然改變時，系統(tǒng)可以在5個物理時間步長內(nèi)計算。當然實際計算時根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)時延來設(shè)置幾個一組，例如開關(guān)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(shù)據(jù)。

這樣就可以發(fā)現(xiàn)在一般仿真計算方式中，系統(tǒng)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?yōu)橐粋€仿真時間步長加n個計算空余時間。

根據(jù)以上獨立結(jié)構(gòu)方式，還有一個優(yōu)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(jù)要求改變輸出精度。

3 基于IEC 61850協(xié)議測試仿真應(yīng)用

根據(jù)以上研究成果，文中研究和開發(fā)了基于IEC 61850[11]協(xié)議便攜式測試仿真系統(tǒng)，測試系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)分為三大塊：計算機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以及被測試系統(tǒng)[12]。

計算機控制系統(tǒng)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(shù)變化，以及保護測控設(shè)備的動作行為；

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要負責(zé)與被測裝置的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時交換，包括生成MU(merging unit)的實時數(shù)據(jù)流SMV信息和解析被測裝置的GOOSE信息；

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

在便攜式測試仿真系統(tǒng)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(tǒng)平臺檢驗結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shù)據(jù)變?yōu)?)，運行1 s就會發(fā)生丟數(shù)據(jù)(丟點)現(xiàn)象，保護裝置液晶顯示發(fā)生劇烈跳變。而改善后的計算方式(即每組交換數(shù)據(jù)變?yōu)?0)，液晶顯示穩(wěn)定，連續(xù)測試4小時沒有發(fā)現(xiàn)丟數(shù)據(jù)現(xiàn)象。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改善后的測試數(shù)據(jù)

3.2 變電站實時仿真測試

文中以江西省泰和數(shù)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(xiàn)場情況，主要對220 kV側(cè)保護進行測試，因而220 kV側(cè)數(shù)據(jù)模型比較詳細。例如萬安、文山進線根據(jù)現(xiàn)場實際參數(shù)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(shè)備，其模型比較重要，在測試中采用實際參數(shù)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(shù)為設(shè)計運營數(shù)據(jù)。故障點設(shè)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(tài)，測試保護動作特性。其中故障設(shè)置在線路10%處，故障類型設(shè)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(tǒng)輸出波形在故障發(fā)生后相對復(fù)雜，有一定諧波，符合現(xiàn)場實際狀態(tài)，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(xiàn)便攜式變電站仿真測試系統(tǒng)，而且測試波形更接近現(xiàn)場實際故障波形，相比常規(guī)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(jié)束語

文中研究了基于X86/X64平臺的智能變電站實時數(shù)字仿真測試系統(tǒng)，并利用其系統(tǒng)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(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的實時性、抗干擾性?？梢詫崿F(xiàn)智能變電站二次設(shè)備整體測試，其效果是普通常規(guī)測試方式所達不到的，該智能變電站中便攜式數(shù)字仿真測試系統(tǒng)，在現(xiàn)場既能進行常規(guī)性能檢測，也能提供實時仿真技術(shù)，對智能變電站二次設(shè)備進行復(fù)雜動態(tài)測試，為智能變電站自動化設(shè)備研究、開發(fā)、測試和調(diào)試提供了新手段。