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（1.國家電網(wǎng)有限公司技術學院分公司，山東 濟南 250002；2.國網(wǎng)西藏電力建設有限公司，西藏 拉薩 850000）

0 引言

電網(wǎng)電磁暫態(tài)過程能夠最快反映電網(wǎng)的故障運行狀態(tài)， 最能直接體現(xiàn)不良暫態(tài)過程的物理變化規(guī)律。 目前電網(wǎng)中利用高頻故障信息的監(jiān)測和保護設備逐步得到推廣， 主要應用在基于電磁暫態(tài)的輸電線路故障檢測與快速識別、繼電保護與故障定位、雷擊及閃絡辨識等領域。利用高頻故障信息的監(jiān)測、保護設備大規(guī)模入網(wǎng)， 可顯著提高變電運行與調(diào)度運行控制水平，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量和可靠性。目前電網(wǎng)中缺少對此類設備的培訓和測試系統(tǒng)， 本文基于此而展開。

1 基于模型數(shù)據(jù)庫的電磁暫態(tài)仿真平臺

1.1 仿真平臺搭建

本文搭建了一套電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真分析平臺，該仿真平臺以完全圖形化的用戶操作方式，能夠設置多重故障條件， 以ATP （Alternative Transients Program，簡稱為ATP）和 Simulink 為工具自動遍歷仿真故障模型， 校驗濾波算法、 保護原理和測距算法，實現(xiàn)暫態(tài)數(shù)據(jù)的諧波分析、序分量分析、有效值計算等多種功能。 通過搭建包含常見線路結構的模型數(shù)據(jù)庫，仿真過程中可根據(jù)實際情況，對數(shù)據(jù)庫中的模型進行快速直接調(diào)用， 并在此基礎上可對其進行更改參數(shù)設置、修改故障類型、設置故障條件等操作。該數(shù)據(jù)庫極大簡化了模型搭建過程，顯著提高仿真效率。

ATP 的運行機制是平臺運行的基礎， 利用圖形化界面程序ATPDraw 搭建系統(tǒng)模型， 設置模塊參數(shù)， 按照特定規(guī)則對系統(tǒng)模型進行節(jié)點編號和數(shù)據(jù)卡編寫，生成一個結構嚴格的仿真腳本項目文件（二進制文件.atp）；ATP 自帶的Tpbig 程序?qū)υ撃_本項目文件進行仿真，生成的時域變量存儲在.pl4 文件中。ATP 集成化自動操作機制見圖1 所示。

圖1 ATP 集成化自動操作機制

基于ATP－EMTP 仿真軟件的模型數(shù)據(jù)庫，結合仿真軟件優(yōu)勢， 開發(fā)圖形化的用戶操作界面，將ATP－EMTP 數(shù)據(jù)庫嵌入主操作界面， 并能夠?qū)崿F(xiàn)ATP－EMTP 程序的后臺調(diào)用［1］。 同時，該模塊設計了輔助模塊，實現(xiàn)對濾波算法、保護原理和測距算法的仿真校驗。 該平臺實現(xiàn)了高速運算和圖形化用戶操作界面的有機結合，并實現(xiàn)仿真結果的集中化處理，達到仿真自動化與數(shù)據(jù)處理高效率結合， 促進復雜模型仿真及參數(shù)修正的靈活性， 提升大容量的電磁暫態(tài)計算整體運行效率。

1.2 仿真分析模塊

ATP 集成化自動操作機制的建立， 可實現(xiàn)大量電磁暫態(tài)仿真的自動化運行， 可靠性和操作效率得到提升， 但面對海量仿真數(shù)據(jù)， 其處理速度仍是瓶頸。 本文采用MATLAB 并行計算技術處理大量仿真以縮短運行時間，進一步提升平臺效率。平臺數(shù)據(jù)結構的獨立性和設計的模塊化使得各個功能模塊相互獨立，每次仿真僅需要讀取設置信息，多次仿真可同時運行，不同仿真進程間沒有數(shù)據(jù)通信，這為并行處理提供可行基礎。

為進一步簡化平臺的運行機制， 本文利用并行循環(huán)方式提高仿真效率， 并行循環(huán)同時支持單機多核或多處理器和計算機集群。隨著仿真次數(shù)的增加，單機的處理速度將成為效率提升的瓶頸， 而集群處理方式下數(shù)據(jù)通信耗費的時間遠小于仿真時間，此時計算機網(wǎng)絡和集群機并行處理更具備效率優(yōu)勢。圖2 直觀地展示了本仿真系統(tǒng)輸出的U 相接地故障高頻暫態(tài)電壓、電流信號［2-5］。

圖2 U 相接地故障高頻暫態(tài)電壓與電流信號

2 高頻信號采樣系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)采用嵌入式硬件裝置， 包含嵌入式模塊化CPU、32 位浮點數(shù)字信號處理器（DSP）、高速大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?（FPGA）、 分層分布式多CPU 并行技術。 該采集系統(tǒng)功能合理分散、 結構緊湊、易于擴展、充分保證裝置具有強大的數(shù)據(jù)吞吐及處理能力，實現(xiàn)了高性能、高可靠性、低能耗的整機一體化工業(yè)級設計。 該系統(tǒng)具備16 位精度和5 MB／s 速度的高速A/D 采樣能力；高速記錄和轉(zhuǎn)存具備數(shù)百兆工作時鐘， 保證高頻信息的準確提取和存儲；配置大容量數(shù)據(jù)緩存，可連續(xù)記錄10 次高頻暫態(tài)信息。

為保證采集系統(tǒng)有準確的時間標尺， 滿足高速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步性， 本硬件系統(tǒng)采用鎖相GPS同步時鐘的方法，直接接收GPS 天線對時信號，或通過B 碼實現(xiàn)對時。GPS 取得同步后精度達100 ns，穩(wěn)定度40 ns 之內(nèi)， 并可同時接收GPS 與北斗衛(wèi)星信號與 2 路 IRIG-B 碼。

3 高速模擬輸出及高頻運放平臺開發(fā)

該模塊技術框圖如圖3 所示，采用ARM+FPGA架構的數(shù)字信號處理系統(tǒng)， 采用256 MB 的DDRII SDRAM 作為數(shù)據(jù)緩存，16 位高速D/A 進行數(shù)模轉(zhuǎn)換； 超大高速的DDRII 緩存使裝置可以具備高速長過程回放能力，10 MHz 頻率可輸出 3 s，100 kHz 可以輸出 300 s，10 kHz 可以輸出 3 000 s。

圖3 高速模擬輸出及高頻運放平臺技術框圖

該模塊后臺軟件具備3 路電流和3 路電壓輸出通道，可模擬輸出完整的三相線路故障信息；信號輸出可進行通道選擇，波形提取及顯示，實現(xiàn)現(xiàn)場錄波文件的回放還原；可支持.txt 等文本格式數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)ATP/EMTP 仿真數(shù)據(jù)信號輸出，模擬故障信號。該模塊具備16 位輸出精度和1 MB／s 輸出速度， 并具備與北斗、GPS 衛(wèi)星對時和B 碼對時的功能，且對時誤差不高于100 ns。

高性能的電流和電壓線性放大器， 滿足電力系統(tǒng)高頻電磁暫態(tài)頻段信息的有效輸出，其中電流通道的最大輸出電流不低于10 A， 并可將至少400 kHz的電流高頻信息不失真輸出， 電壓通道最大輸出電壓不低于100 V， 并可將至少10 kHz 的高頻電壓信息有效輸出。同時，電流通道和電壓通道可組成多通道測試系統(tǒng)，具備大電流輸出的能力，且瞬間電流不低于30 A。

4 結束語

本文針對電力系統(tǒng)中的高頻暫態(tài)信息， 開發(fā)了一套可實現(xiàn)電磁暫態(tài)高頻計算和模擬輸出的混合仿真系統(tǒng)。 利用此仿真測試系統(tǒng)開展基于高頻故障信息設備的入網(wǎng)測試， 可顯著提高此類設備的入網(wǎng)水平。 借助該系統(tǒng)開展了基于高頻故障信息的設備故障分析培訓， 顯著增強了現(xiàn)場運維人員對現(xiàn)場設備的監(jiān)控能力，具有巨大的現(xiàn)實意義。