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仿真单元

仿真单元

简要描述:GTFPGA仿真单元是一个可以安装在机柜上的机箱(设备外观如图 3-12所示),机箱内部包含一块Xilinx Virtex®-7 现场可编程逻辑门阵列(FPGA)板卡,通过光纤连接到NovaCor机箱后方的光口上。GTFPGA仿真单元作为RTDS实时数字仿真器的拓展硬件设备,为RTDS仿真系统提供了更强大的仿真计算能力。通过安装激活不同的固件协议,GTFPGA仿真单元可以适应于不同的应用场景,

产品型号: GTFPGA

所属分类:电力仿真

更新时间:2024-01-10

详细说明:

随着电力技术的发展,电力系统的建设和电网互联规模的扩大对动模实验室的要求逐渐提高。电力系统物理动态模拟试验是根据相似原理,按比例缩减实际电力系统中的元件来建立电力系统模型,确保在模型上所反应的过程和实际系统中的过程相似,并且具有相同的电气特性。动模实验室的建设初期需要花费大量的时间,对系统总体规模和元件模型进行设计规划,例如设备的规模、模拟元件的参数、模拟元件多样性、控制水平、组模水平等方面。根据不同的动态模拟试验需求,对动模设备的要求与种类逐渐多样化,在开展试验前期需要进行大量的准备工作,包括根据试验需要设计选择系统模型的具体参数,模拟元件模型之间的连接组合和动模系统的集成。因此,随着数字仿真和离线计算软件的日益成熟,全数字实时仿真逐渐成为对现代电力系统的试验研究、测试与验证的重要手段之一。
电力系统电磁暂态仿真最常见的解决方案是Dommel算法。该算法中使用梯形积分法则将根据电力系统分析得到的积分方程离散化为代数方程。使用梯形积分法则的时候,方程的解只在离散时刻进行计算,而不是连续时刻的解。两次计算方程解的离散时刻之间的时间间隔被称为步长,表示为△t。所有表示电力系统模型的方程必须在每个步长中进行计算。对于包含电力电子的大规模复杂电力系统模型,即使使用现代先进的计算机,每个步长的计算也需要花费很长时间才能完成,所花费的时间可能是几秒,几十秒甚至几分钟。这种情况的仿真被称为“非实时"或“离线"运行模式。然而,如果计算机能够连续执行并完成每个步长时间内所需的计算,所用时间小于或等于一个仿真步长,那么这种情况下的仿真可以称为实时仿真。如果系统能够进行实时仿真,并且与外部世界在固定的时间间隔(时间间隔等于系统的仿真步长)进行数据交换,这种实时仿真可称为“硬实时"。
基于PC计算机的电磁暂态(非实时)仿真软件一直广泛运用于电力系统电磁暂态和稳态的分析研究,例如PSCAD、EMTP、ATP等。数字仿真软件利用数学模型来表示各种电力系统元件,用户能自由组合和连接这些模型来搭建详细的电力系统模型案例,模拟各种系统运行工况和故障,满足各种系统情况下暂态和稳态的分析研究。随着现代电力技术和设备的发展,对电力系统控制保护装置和新型电气设备的基本原理和性能指标进行试验研究成为了实验室的主要研究方向。综合物理动模和全数字仿真的特点,基于物理和数字仿真模型的混合式仿真系统成为实验室建设新的发展趋势。

RTDS实时数字仿真器是一个全数字化系统,能够实时并连续地运行,并通过Dommel算法对电力系统进行电磁暂态模拟。通过配套软件和定制化硬件相结合的方式,RTDS实时数字仿真器可以实现步长从1.5微秒至50微秒的多速率系统仿真。RTDS实时数字仿真器的操作系统是按照实时要求设计研发的,保证了仿真过程中的“硬实时",也就是说,仿真过程中不允许任何的计算超时发生。

RTDS实时数字仿真器的硬件设备采用模块化设计,用户可以根据实验室规模随时扩展RTDS仿真系统的计算能力以及I/O接口数量。实验室的RTDS仿真系统规模增加可以通过两种方式:一是增加更多的NovaCor授权核的许可证(每个RTDS仿真机箱中最多可以激活10个授权核),二是增加更多的RTDS NovaCor仿真机箱(chassis)。结合目前的硬件设计,RTDS仿真系统可以支持包含多达144个仿真机箱的联合仿真。用于输入输出的I/O板卡(具体介绍参见下文3.2——外设板卡和硬件设备)可以根据实验室仿真系统建设需要,相应增加RTDS仿真系统输入输出的I/O接口数量。

用户通过RTDS实时数字仿真器配套软件RSCAD来控制系统仿真,使RTDS仿真器的操作和使用变得更加简单、高效。RSCAD软件提供了一个图形用户界面(GUI),可以帮助用户更加直观的操作使用RTDS实时数字仿真器,其中包括仿真系统的建立、系统的运行操作和控制、在仿真过程中系统参数的修改、数据采集和结果分析等。另外,RSCAD软件中包含大量的元件模型可以用来搭建详细的仿真案例,例如电力系统和电力电子元件模型、控制系统以及保护和自动化元件模型。这些模型均由RTDS技术公司的研发团队开发和测试,在教学、研发、测试和实际工程中广泛运用并加以验证。同时,根据RTDS的广大客户在日常工作使用中得出的经验与建议,对RSCAD软件不断地进行改进和完善。
RTDS实时数字仿真器是一个集设计、研究和测试于一体的理想工具,通常用于对物理装置的保护和控制方案的测试和验证。RTDS实时数字仿真器具备大量的数字、模拟和以太网的输入/输出(I/O)功能,可以与物理的保护和控制装置进行闭环连接,用于研究控保装置与仿真的电力系统之间的相互作用。
RTDS实时数字仿真器可以在对操作运行人员、工程师、研究人员和学生的培训中发挥多种多样的作用。事实上,RTDS实时数字仿真器为与电力行业相关系统的模拟和测试提供了新的方法和技术优势。因为RTDS实时数字仿真器是实时且连续运行的,它能够很大程度的模拟真实电力系统的运行方式与系统响应特征。RTDS实时数字仿真器为测量设备、保护继电器和控制器等设备提供了一个模拟的且接近真实电力系统的环境。在这个实验平台中,用户可以配置、操作和运行各种电力系统模型,研究被测硬件装置与仿真电路之间的相互作用。相比传统的物理动态模拟方法,基于RTDS的数字仿真方法具有建模周期短、灵活性强、安全性好、结果直观等特点。经过大量实践验证的电磁暂态模型,保证了其数学模型的计算精度和合理性,加上经典Dommel算法的精确性和稳定性以及现代计算机设备的强大计算处理能力,为数模混合式仿真和全数字实时仿真提供基础条件,成为高性价比的电力系统模拟试验选择。基于模块化多电平换流器(MMC)的阀模型建模、基于MMC电容电压均压和触发脉冲的控制模型仿真、根据IEC 61850-9-2LE/IEC 61869-9标准的数据采样、电力电子通用求解器(GPES)和针对行波保护测试应用的模型建模、小步长频率相关的传输线模型和电缆模型的应用以及FT3通信接口协议。通过使用GTFPGA网表协议(netlist),FPGA板卡还可以作为RTDS实时数字仿真器的通用接口。本小节将根据GTFPGA仿真单元的不同固件协议,针对不同应用所提供的仿真能力拓展进行详细的介绍与说明。GTFPGA-MMC仿真单元
针对MMC-HVDC系统,系统模型的运算处理工作分为两部分:交流系统及高层控制系统部分的运算工作由现有RTDS实时仿真器NovaCor承担,MMC换流器部分的运算工作由GTFPGA仿真单元承担,可以实现对于MMC-HVDC系统的阀控和系统控制策略的仿真模拟。对系统中MMC换流器的仿真模拟时,可以使用GTFPGA仿真单元的MMC换流器阀模型与自带典型阀控程序,也可通过IO接口或者Aurora协议接入实际的控制器进行闭环测试。GTFPGA-MMC仿真单元可以将仿真过程中的开关状态、电压和电流等状态量和电气量上传至外部阀控装置和波形监视界面。MMC-HVDC实时仿真系统模型的成功建模有利于工程可行性论证、技术重难点解决和物理控制器测试等工作的开展,为实际工程的顺利投产提供技术保障。
RTDS实时数字仿真器支持两种主要类型的MMC换流器模型:基于NovaCor处理器的MMC模型(在NovaCor机箱内的授权核中进行计算仿真)和基于FPGA硬件的模型(在GTFPGA-MMC仿真单元上实现模拟)。下文中将对基于FPGA硬件的MMC换流器模型进行详细介绍。
Generic Model (GM)模型:
• 每个GTFPGA-MMC仿真单元可以支持仿真含有最多为两条桥臂的MMC换流器阀模型
• 每个桥臂的MMC阀模型最大支持768个子模块,支持的子模块拓扑结构包括半桥、全桥、混合桥、改进的CDSM和阻尼子模块。
• 若每条桥臂子模块数量小于128个,单个GTFPGA仿真单元支持最懂为6条桥臂的MMC阀模型同时运行。
• 子模块参数可统一由用户自定义设置。也支持对同一桥臂中所有子模块单独设置元件参数,通过设置不同的参数可用于模拟子模块参数的分散性。
• 支持模拟子模块通信中断(光纤断线)、子模块直通(上下IGBT同时开通)、同一阀段中相邻子模块的短路、MMC直流侧正极/负极母线对地短路、MMC直流侧正负极母线间短路、换流器不同桥臂间短路等功能。
Unified Model (U5)模型:
• 每个GTFPGA-MMC仿真单元能够支持仿真含有最多为六条桥臂的MMC换流器阀模型。
• 每个桥臂的MMC阀模型最大支持512个子模块,支持的子模块拓扑结构包括半桥或者全桥。
• 支持子模块不同的投入状态,例如:旁路、正向投入、反向投入和闭锁。
• 支持模拟阀组内部对地故障和阻尼子模块。

GTFPGA-SV仿真单元
GTFPGA-SV仿真单元可以为RTDS实时数字仿真器提供16个通道的数据流,数据流基于IEC 61850-9-2LE或者IEC 61869-9标准在不同频率下采样,样本间的抖动小于1μs。
当基于IEC 61850-9-2LE标准采样时,GTFPGA仿真单元支持16个通道的数据流,每个数据流可以包含4路电流和4路电压SV采样值,采样频率为80个采样点/周期(1 ASDU)或者256个采样点/周期(8 ASDU)。
若使用IEC 61869-9采样标准,GTFPGA仿真单元支持最多为16个通道的数据流,每个数据流可以包含24路SV采样数据,采样频率可以选择为80个采样点/周期(1 ASDU)、96个采样点/周期(1 ASDU)或者4800Hz(2 ASDU)。或者,GTFPGA仿真单元可以支持最多为16个通道的数据流,每个数据流可以包含9路SV采样数据,采样频率为256个采样点/周期(8 ASDU)或者14400Hz(6 ASDU)。当GTFPGA仿真单元在IEC61869-9模式中时,采样数据可以由用户自定义,包括电压、电流和时延信号。根据中国国标,时延信号为合并单元SV采样数据中的第一个通道。
GTFPGA-SV仿真单元需要使用GTSYNC时钟同步卡来同步SV采样值的时标信号。
GTFPGA-HDLC仿真单元
GTFPGA-HDLC仿真单元可以作为RTDS仿真器和外部设备之间的接口,数据传输为FT3的通信格式。如图 3-13中所示,GTHDLC仿真单元提供12对ST光纤接口。与PB5板卡连接使用时,每一对可以分别发送和接收4个32位的控制字。与NovaCor chassis连接使用时,每一对可以分别发送和接收最多3组,每组可包含16个字节的数据。GTHDLC仿真单元中的接口模块允许GTHDLC仿真单元与RTDS仿真器进行通信。HDLC模块将从用户控制器接收到的数据包解包并传输到RTDS仿真器中,或者将RTDS仿真器接受到的数据打包到HDLC协议中,并将数据包发送至用户控制器。通信接口支持2.5M、5M、10M和20M不同速率自定义。数据发送周期或者数据采样频率可以由用户自定义。GTFPGA-GPES仿真单元
GTFPGA仿真单元作为通用电力电子求解器(GPES)时,可以为RTDS实时数字仿真器提供更强大的电力电子实时建模仿真能力。GPES的开发初衷是为了提供一个高度灵活的仿真运算平台致力于电力电子的仿真应用。基于这个仿真拓展平台,用户可以使用独立元器件搭建自定义的电力电子拓扑结构。GPES在专用的FPGA硬件(GTFPGA仿真单元)上运行,能够与RTDS仿真器硬件并行仿真并运行高密度计算,因此,用户可以使用更短的仿真步长并实现对自定义拓扑结构的实时仿真。GTFPGA-GPES仿真单元上最多可以支持仿真128个节点和256条支路。GPES支持的仿真步长最小为235纳秒,实际系统中所需的最小仿真步长由电路结构的复杂程度决定。
GPES中使用一种等效LC的开关建模方式。当开关断开时,表示为电容与电阻串联;当开关闭合时,表示为电感。这种建模方式由于模型中使用等效的电感和电容,将人为引入一部分开关损耗,随着开关频率的增加,开关损耗也随之增加。这种LC建模方式最初在2005年开始运用于RTDS实时仿真器的处理器中的小步长建模环境,在硬件计算资源有限的情况下,可以对电力电子应用中的高频开关动作进行有效仿真模拟,并且保证仿真过程中的“硬实时"。为了提高开关频率,并且保证开关模型引入的损耗不致过高,其中最直观的解决方式是使用更小的仿真步长来实现。GTFPGA-TWRT仿真单元
GTFPGA-TWRT仿真单元支持仿真高精度的输电系统,其中包括频依特性的传输线相域模型(FD Line)。GTFPGA-TWRT仿真单元主要用于精确测试基于行波保护原理的继电器,实现对行波测距和保护装置之间的闭环测试的仿真模拟。GTFPGA-TWRT仿真单元在RSCAD软件中使用独立的元件库,其中包括传输线、电缆、串联补偿、故障、断路器、无源支路和可控电压源等,仿真步长范围为1微秒至3微秒。
GTFPGA-TLINE仿真单元
GTFPGA仿真单元除了用于行波保护继电器测试的TWRT固件外,还可以通过TLINE固件用于多达12个频依特性的小步长传输线模型或者电缆导体模型的系统建模。GTFPGA-TLINE仿真单元支持的最小实时仿真步长为3.3微秒。当使用GTFPGA-TLINE仿真单元时,电网系统中其他组成环节将在RTDS仿真器的处理器中运行,传输电路或者电缆模型将使用FPGA硬件平台进行并行计算处理。

 

 



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