用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件及构建方法

摘要

本发明公开了一种能够准确模拟实际安稳监控系统物理性质的用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件及其构建方法。该集成式元件借由一套RTDS内部程序实现全部模块的仿真功能，使结构复杂、部件繁多的安稳监控系统在RTDS仿真平台上集成为一个简单元件。元件可作为通用元件以文件WENKONG.def植入RTDS公共元件库RSCAD/Ulib中，便于建模者一例多用，使RTDS仿真规模能够涵盖从一台小型稳控装置到特大型电网安稳监控系统的宽广范围。本发明的集成式元件具有灵活的参数设置和输出信号定义功能，适用于任意规模安稳监控系统RTDS仿真，有效解决了大电网安稳运行动态试验问题。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统仿真实验技术领域，尤其涉及一种用于大电网安稳监控系统RTDS 仿真的集成式元件及构建方法。

背景技术

实时数字仿真系统RTDS(Real-Time Digital Simulator)是一种在我国电力科研和 工程领域得到广泛应用的数字化动态模拟实验系统，因其元件参数的精确性和仿真过程的 实时性逐渐取代了传统的物理动模实验装置和离线软件计算工具。

RTDS至今主要用于电力系统控制保护装置的闭环测试，尚未用于大电网安全稳定策略 的评估和验证。究其原因有两点：一是不可能将整个电网的安稳监控设备实物成套接入 RTDS仿真模型，无法形成大规模数字-物理闭环仿真实验系统；二是用RTDS标准元件库 (RSCAD/Master)中现有元件搭建大型安稳监控系统模型既费时费力又不能保证所建模型 的准确性和普遍适用性，难以形成大电网多工况动态运行的全数字仿真实验系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元 件及构建方法，以便于准确模拟实际安稳监控系统物理性质，实现任意规模安稳监控系统 RTDS仿真，从而满足大电网安稳运行动态试验的需求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：用于大电网安稳监控系统RTDS仿 真的集成式元件，由基本单元构成，每个基本单元包括电流计算模块、功率计算模块、动 作逻辑判断模块、动作信号延时模块和动作信号脉冲处理模块等，各功能模块顺序连接； 其中，电流计算模块的输入为三相电流瞬时值，功率计算模块的输入为三相电流和三相电 压瞬时值，动作逻辑判断模块输出为0/1逻辑信号，动作信号延时模块输出为0/1脉冲序 列的第一个‘1’逻辑脉冲，动作信号脉冲处理模块输出为0/1脉冲序列‘1’逻辑脉冲的 间距时间。

上述用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件，由1～6个基本单元构成，每 个基本单元的动作信号输出端口数目有1～3个。

电流计算模块根据输入的三相电流瞬时值，基于梯形积分法并以工频周期作为积分时 间常数分别计算三相电流有效值，输出三相电流有效值中的最大值；

功率计算模块根据输入的三相电流和三相电压瞬时值，基于实时步进累加法并以工频 周期作为区间常数计算有功功率平均值，输出该功率平均值；

动作逻辑判断模块将最大电流有效值和功率平均值与相应的负荷过载动作整定值比 较，根据比较结果输出0或1逻辑；

动作信号延时模块在动作逻辑由0变1时启动倒计时功能并监测动作逻辑状态，倒计 时结束时根据负荷过载与否输出1或0逻辑；

动作信号脉冲处理模块根据延时动作后过载信号‘1’逻辑的持续状态将动作信号处 理为等间距的‘1’逻辑脉冲序列。

上述用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件的构建方法，首先，用RTDS的 CBuilder编辑器创建WENKONG.def、wenkong.h和wenkong.c三个程序文件；其次，依序 编写三个程序文件的程序代码，其中文件WENKONG.def定义元件名称及其人机交互界面风 格，包括元件的RTDS界面图标和元件参数设置对话框；文件wenkong.h定义变量和参数 的数据类型，包括输入变量、输出变量、中间变量和设置参数的类型定义；文件wenkong.c 为程序执行代码文件，包括实现元件仿真功能的数值和逻辑运算执行代码。

针对现有RTDS元件库所存在的缺陷，发明人基于电力系统仿真技术结合CBuilder自 定义编程技术，构建了一种能够准确模拟实际安稳监控系统物理性质的用于大电网安稳监 控系统RTDS仿真的集成式元件，它借由一套RTDS内部程序实现全部模块的仿真功能，使 结构复杂、部件繁多的安稳监控系统在RTDS仿真平台上集成为一个简单元件。元件可作 为通用元件以文件WENKONG.def植入RTDS公共元件库RSCAD/Ulib中，与RTDS的所有通 用元件一样，在一个仿真实例中可同时调用多个该元件，便于建模者一例多用，使RTDS 仿真规模能够涵盖从一台小型稳控装置到特大型电网安稳监控系统的宽广范围。本发明的 集成式元件具有灵活的参数设置和输出信号定义功能，适用于任意规模安稳监控系统RTDS 仿真，有效解决了大电网安稳运行动态试验问题。

附图说明

图1是本发明用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件中一个基本单元及其 输入输出信号示意图。

图2是本发明用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件基本参数设置对话框 示意图。

图3是本发明用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件整定值和时间参数设 置对话框示意图。

图4是本发明用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件中间变量名称设置对 话框示意图。

图5是应用本发明的实例效果示意图。

具体实施方式

实施例用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件的构建

首先，用RTDS的CBuilder编辑器创建WENKONG.def、wenkong.h和wenkong.c三个 程序文件；其次，依序编写三个程序文件的程序代码，其中文件WENKONG.def定义元件名 称及其人机交互界面风格，包括元件的RTDS界面图标和元件参数设置对话框；文件 wenkong.h定义变量和参数的数据类型，包括输入变量、输出变量、中间变量和设置参数 的类型定义；文件wenkong.c为程序执行代码文件，包括实现元件仿真功能的数值和逻辑 运算执行代码。

按前述方法构建的集成式元件，由基本单元构成，每个基本单元包括电流计算模块、 功率计算模块、动作逻辑判断模块、动作信号延时模块和动作信号脉冲处理模块等，各功 能模块顺序连接；其中，电流计算模块的输入为三相电流瞬时值，功率计算模块的输入为 三相电流和三相电压瞬时值，动作逻辑判断模块输出为0/1逻辑信号，动作信号延时模块 输出为0/1脉冲序列的第一个‘1’逻辑脉冲，动作信号脉冲处理模块输出为0/1脉冲序 列‘1’逻辑脉冲的间距时间。其中，

该集成式元件，由1～6个基本单元构成，每个基本单元的动作信号输出端口数目有1～ 3个。基本单元数量的可选性和输出端口数目的可选性解决了不同安稳监控系统RTDS仿真 的通用性问题。

电流计算模块根据输入的三相电流瞬时值，基于梯形积分法并以工频周期作为积分时 间常数分别计算三相电流有效值，输出三相电流有效值中的最大值；模块的数值差分计算 式为：

$I_{\mathrm{RMS}}=\max \left(\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\Delta t}}{2T_b}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\sqrt{{\mathrm{IA}}_i^2}\\ \frac{\mathrm{\Delta t}}{2T_b}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\sqrt{{\mathrm{IB}}_i^2}\\ \frac{\mathrm{\Delta t}}{2T_b}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\sqrt{{\mathrm{IC}}_i^2}\end{array}\right)$      式(1)

式(1)中，Δt为时间离散步长、T_b＝N×Δt为工频周期。

功率计算模块根据输入的三相电流和三相电压瞬时值，基于实时步进累加法并以工频 周期作为区间常数计算有功功率平均值，输出该功率平均值；模块的数值差分计算式为：

$P_{\mathrm{av}}=\frac{\mathrm{\Delta t}}{T_b}\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}({\mathrm{VA}}_i\times {\mathrm{IA}}_i+{\mathrm{VB}}_i\times {\mathrm{IB}}_i+{\mathrm{VC}}_i\times {\mathrm{IC}}_i)$     式(2)

动作逻辑判断模块和动作信号延时模块共同构成元件输出‘1’逻辑，其中动作逻辑 判断模块将最大电流有效值I_RMS和功率平均值P_av分别与相应的负荷过载动作整定值Iset 和Pset进行比较并在满足条件时启动倒计时器T_js，而动作信号延时模块则设置倒计时起 始参数T_js0＝Tdelay并在倒计时期间将元件输出锁定为‘0’逻辑，这样元件输出过载动作 信号‘1’逻辑的判据为同时满足下列三个条件：

1)   I_RMS>Iset；

2)   Pav>Pset；

3)   T_js＝0。

动作信号脉冲处理模块根据延时动作后过载信号‘1’逻辑的持续状态将动作信号处 理为等间距的‘1’逻辑脉冲序列，脉冲间距时间为Tmono。其中脉冲序列中的每一个脉冲 都可用于控制一组开关的分断动作(控制一轮切除发电机或切除负载操作)。通常情况下， 一个单元的过载出口动作不超过三轮，只需3路输出脉冲序列的第一个脉冲即可构成三轮 动作，脉冲间隔时间无关紧要；但在某些特殊情况下，一个单元可能需要大于三轮的过载 出口动作，这可以通过元件每路出口动作脉冲序列的间距时间参数Tmono来设置三轮以后 的各轮动作延迟时间。

应用例

如图1所示，针对电网中某一输配电设备(额定相电压100kV、额定电流1kA、额定 功率300MW)监测其三相电压VA、VB、VC和三相电流IA、IB、IC；从RTDS公共元件库 RSCAD/Ulib中调用实施例的WENKONG.def元件作为该输配电设备的安稳监控系统模型，并 在下述的基本参数设置对话框中将元件的基本单元数设置为1。

如图2所示，集成式元件基本参数包括电网工作频率、单元数和中间变量监测使能。 本例中电网工作频率设置为50Hz、基本单元数设置为1、中间变量设置为可监测量。

如图3所示，集成式元件整定值和时间参数包括电流过流动作整定值、功率过载动作 整定值、输出端口数、每路输出控制信号的动作延迟时间和脉冲间隔时间。本例中设置过 载50％为动作整定值，即电流整定值为Iset1＝1.5kA、功率整定值为Pset1＝450MW；输出端 口数目设置为3；1-3路输出控制信号的动作延迟时间分别设置为

Tdelay1＝Tdelay11＝0.2秒

Tdelay2＝Tdelay11+Tdelay12＝(0.2+0.3)秒

Tdelay3＝Tdelay11+Tdelay12+Tdelay13＝(0.2+0.3+0.4)秒

1-3路输出控制信号的脉冲间距时间Tmono均设置为0.9秒。

如图4所示，该对话框只有在中间变量设置为可监测量的条件下才有效，中间变量名 称指的是内部程序根据输入的三相电压、电流瞬时值实时计算出的工频周期电流有效值和 工频周期功率平均值的变量名。本例将中间变量电流有效值和功率平均值分别取名I1和 P1，用于仿真运行时状态监测。

如图5所示，当电网中输变电设备的运行工况因突发故障从正常额定状态变为过载 100％状态且一直持续这种过载状态时，集成式元件监测量I1和P1分别反映了电流和功率 超过动作整定值(Iset1和Pset1)的时间点，3路输出控制脉冲序列也都精准地符合动作 延迟时间和脉冲间距时间设置。

本发明的用于大电网安稳监控系统RTDS仿真的集成式元件主要用于模拟电网中安稳 监控系统对输配电设备过载故障现象的自动响应。验证实验充分证明了本发明的集成式元 件具有如下突出优点：1.与实际安稳监控系统具有相同的物理时空效应；2.元件简单易用， 能够大幅度提高电网安稳运行RTDS仿真实验的建模效率；3.元件具有通用性和公共性， 使安稳监控系统的仿真规模能够涵盖到特大型电网的范围。