仿真單元

簡(jiǎn)要描述：GTFPGA仿真單元是一個(gè)可以安裝在機柜上的機箱（設備外觀(guān)如圖 3-12所示），機箱內部包含一塊Xilinx Virtex®-7 現場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）板卡，通過(guò)光纖連接到NovaCor機箱后方的光口上。GTFPGA仿真單元作為RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器的拓展硬件設備，為RTDS仿真系統提供了更強大的仿真計算能力。通過(guò)安裝激活不同的固件協(xié)議，GTFPGA仿真單元可以適應于不同的應用場(chǎng)景，

產(chǎn)品型號： GTFPGA

所屬分類(lèi)：電力仿真

更新時(shí)間：2024-12-17

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隨著(zhù)電力技術(shù)的發(fā)展，電力系統的建設和電網(wǎng)互聯(lián)規模的擴大對動(dòng)模實(shí)驗室的要求逐漸提高。電力系統物理動(dòng)態(tài)模擬試驗是根據相似原理，按比例縮減實(shí)際電力系統中的元件來(lái)建立電力系統模型，確保在模型上所反應的過(guò)程和實(shí)際系統中的過(guò)程相似，并且具有相同的電氣特性。動(dòng)模實(shí)驗室的建設初期需要花費大量的時(shí)間，對系統總體規模和元件模型進(jìn)行設計規劃，例如設備的規模、模擬元件的參數、模擬元件多樣性、控制水平、組模水平等方面。根據不同的動(dòng)態(tài)模擬試驗需求，對動(dòng)模設備的要求與種類(lèi)逐漸多樣化，在開(kāi)展試驗前期需要進(jìn)行大量的準備工作，包括根據試驗需要設計選擇系統模型的具體參數，模擬元件模型之間的連接組合和動(dòng)模系統的集成。因此，隨著(zhù)數字仿真和離線(xiàn)計算軟件的日益成熟，全數字實(shí)時(shí)仿真逐漸成為對現代電力系統的試驗研究、測試與驗證的重要手段之一。
電力系統電磁暫態(tài)仿真最常見(jiàn)的解決方案是Dommel算法。該算法中使用梯形積分法則將根據電力系統分析得到的積分方程離散化為代數方程。使用梯形積分法則的時(shí)候，方程的解只在離散時(shí)刻進(jìn)行計算，而不是連續時(shí)刻的解。兩次計算方程解的離散時(shí)刻之間的時(shí)間間隔被稱(chēng)為步長(cháng)，表示為△t。所有表示電力系統模型的方程必須在每個(gè)步長(cháng)中進(jìn)行計算。對于包含電力電子的大規模復雜電力系統模型，即使使用現代*計算機，每個(gè)步長(cháng)的計算也需要花費很長(cháng)時(shí)間才能完成，所花費的時(shí)間可能是幾秒，幾十秒甚至幾分鐘。這種情況的仿真被稱(chēng)為“非實(shí)時(shí)"或“離線(xiàn)"運行模式。然而，如果計算機能夠連續執行并完成每個(gè)步長(cháng)時(shí)間內所需的計算，所用時(shí)間小于或等于一個(gè)仿真步長(cháng)，那么這種情況下的仿真可以稱(chēng)為實(shí)時(shí)仿真。如果系統能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，并且與外部世界在固定的時(shí)間間隔（時(shí)間間隔等于系統的仿真步長(cháng)）進(jìn)行數據交換，這種實(shí)時(shí)仿真可稱(chēng)為“硬實(shí)時(shí)"。
基于PC計算機的電磁暫態(tài)（非實(shí)時(shí)）仿真軟件一直廣泛運用于電力系統電磁暫態(tài)和穩態(tài)的分析研究，例如PSCAD、EMTP、ATP等。數字仿真軟件利用數學(xué)模型來(lái)表示各種電力系統元件，用戶(hù)能自由組合和連接這些模型來(lái)搭建詳細的電力系統模型案例，模擬各種系統運行工況和故障，滿(mǎn)足各種系統情況下暫態(tài)和穩態(tài)的分析研究。隨著(zhù)現代電力技術(shù)和設備的發(fā)展，對電力系統控制保護裝置和新型電氣設備的基本原理和性能指標進(jìn)行試驗研究成為了實(shí)驗室的主要研究方向。綜合物理動(dòng)模和全數字仿真的特點(diǎn)，基于物理和數字仿真模型的混合式仿真系統成為實(shí)驗室建設新的發(fā)展趨勢。

RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器是一個(gè)全數字化系統，能夠實(shí)時(shí)并連續地運行，并通過(guò)Dommel算法對電力系統進(jìn)行電磁暫態(tài)模擬。通過(guò)配套軟件和定制化硬件相結合的方式，RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器可以實(shí)現步長(cháng)從1.5微秒至50微秒的多速率系統仿真。RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器的操作系統是按照實(shí)時(shí)要求設計研發(fā)的，保證了仿真過(guò)程中的“硬實(shí)時(shí)"，也就是說(shuō)，仿真過(guò)程中不允許任何的計算超時(shí)發(fā)生。

RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器的硬件設備采用模塊化設計，用戶(hù)可以根據實(shí)驗室規模隨時(shí)擴展RTDS仿真系統的計算能力以及I/O接口數量。實(shí)驗室的RTDS仿真系統規模增加可以通過(guò)兩種方式：一是增加更多的NovaCor授權核的許可證（每個(gè)RTDS仿真機箱中最多可以激活10個(gè)授權核），二是增加更多的RTDS NovaCor仿真機箱（chassis）。結合目前的硬件設計，RTDS仿真系統可以支持包含多達144個(gè)仿真機箱的聯(lián)合仿真。用于輸入輸出的I/O板卡（具體介紹參見(jiàn)下文3.2——外設板卡和硬件設備）可以根據實(shí)驗室仿真系統建設需要，相應增加RTDS仿真系統輸入輸出的I/O接口數量。

用戶(hù)通過(guò)RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器配套軟件RSCAD來(lái)控制系統仿真，使RTDS仿真器的操作和使用變得更加簡(jiǎn)單、高效。RSCAD軟件提供了一個(gè)圖形用戶(hù)界面（GUI），可以幫助用戶(hù)更加直觀(guān)的操作使用RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器，其中包括仿真系統的建立、系統的運行操作和控制、在仿真過(guò)程中系統參數的修改、數據采集和結果分析等。另外，RSCAD軟件中包含大量的元件模型可以用來(lái)搭建詳細的仿真案例，例如電力系統和電力電子元件模型、控制系統以及保護和自動(dòng)化元件模型。這些模型均由RTDS技術(shù)公司的研發(fā)團隊開(kāi)發(fā)和測試，在教學(xué)、研發(fā)、測試和實(shí)際工程中廣泛運用并加以驗證。同時(shí)，根據RTDS的廣大客戶(hù)在日常工作使用中得出的經(jīng)驗與建議，對RSCAD軟件不斷地進(jìn)行改進(jìn)和完善。
RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器是一個(gè)集設計、研究和測試于一體的理想工具，通常用于對物理裝置的保護和控制方案的測試和驗證。RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器具備大量的數字、模擬和以太網(wǎng)的輸入/輸出（I/O）功能，可以與物理的保護和控制裝置進(jìn)行閉環(huán)連接，用于研究控保裝置與仿真的電力系統之間的相互作用。
RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器可以在對操作運行人員、工程師、研究人員和學(xué)生的培訓中發(fā)揮多種多樣的作用。事實(shí)上，RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器為與電力行業(yè)相關(guān)系統的模擬和測試提供了新的方法和技術(shù)優(yōu)勢。因為RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器是實(shí)時(shí)且連續運行的，它能夠很大程度的模擬真實(shí)電力系統的運行方式與系統響應特征。RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器為測量設備、保護繼電器和控制器等設備提供了一個(gè)模擬的且接近真實(shí)電力系統的環(huán)境。在這個(gè)實(shí)驗平臺中，用戶(hù)可以配置、操作和運行各種電力系統模型，研究被測硬件裝置與仿真電路之間的相互作用。相比傳統的物理動(dòng)態(tài)模擬方法，基于RTDS的數字仿真方法具有建模周期短、靈活性強、安全性好、結果直觀(guān)等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐驗證的電磁暫態(tài)模型，保證了其數學(xué)模型的計算精度和合理性，加上經(jīng)典Dommel算法的精確性和穩定性以及現代計算機設備的強大計算處理能力，為數?；旌鲜椒抡婧腿珨底謱?shí)時(shí)仿真提供基礎條件，成為高性?xún)r(jià)比的電力系統模擬試驗選擇?；谀K化多電平換流器（MMC）的閥模型建模、基于MMC電容電壓均壓和觸發(fā)脈沖的控制模型仿真、根據IEC 61850-9-2LE/IEC 61869-9標準的數據采樣、電力電子通用求解器（GPES）和針對行波保護測試應用的模型建模、小步長(cháng)頻率相關(guān)的傳輸線(xiàn)模型和電纜模型的應用以及FT3通信接口協(xié)議。通過(guò)使用GTFPGA網(wǎng)表協(xié)議（netlist），FPGA板卡還可以作為RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器的通用接口。本小節將根據GTFPGA仿真單元的不同固件協(xié)議，針對不同應用所提供的仿真能力拓展進(jìn)行詳細的介紹與說(shuō)明。GTFPGA-MMC仿真單元
針對MMC-HVDC系統，系統模型的運算處理工作分為兩部分：交流系統及高層控制系統部分的運算工作由現有RTDS實(shí)時(shí)仿真器NovaCor承擔，MMC換流器部分的運算工作由GTFPGA仿真單元承擔，可以實(shí)現對于MMC-HVDC系統的閥控和系統控制策略的仿真模擬。對系統中MMC換流器的仿真模擬時(shí)，可以使用GTFPGA仿真單元的MMC換流器閥模型與自帶典型閥控程序，也可通過(guò)IO接口或者Aurora協(xié)議接入實(shí)際的控制器進(jìn)行閉環(huán)測試。GTFPGA-MMC仿真單元可以將仿真過(guò)程中的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電壓和電流等狀態(tài)量和電氣量上傳至外部閥控裝置和波形監視界面。MMC-HVDC實(shí)時(shí)仿真系統模型的成功建模有利于工程可行性論證、技術(shù)重難點(diǎn)解決和物理控制器測試等工作的開(kāi)展，為實(shí)際工程的順利投產(chǎn)提供技術(shù)保障。
RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器支持兩種主要類(lèi)型的MMC換流器模型：基于NovaCor處理器的MMC模型（在NovaCor機箱內的授權核中進(jìn)行計算仿真）和基于FPGA硬件的模型（在GTFPGA-MMC仿真單元上實(shí)現模擬）。下文中將對基于FPGA硬件的MMC換流器模型進(jìn)行詳細介紹。
Generic Model （GM）模型：
• 每個(gè)GTFPGA-MMC仿真單元可以支持仿真含有最多為兩條橋臂的MMC換流器閥模型
• 每個(gè)橋臂的MMC閥模型最大支持768個(gè)子模塊，支持的子模塊拓撲結構包括半橋、全橋、混合橋、改進(jìn)的CDSM和阻尼子模塊。
• 若每條橋臂子模塊數量小于128個(gè)，單個(gè)GTFPGA仿真單元支持最懂為6條橋臂的MMC閥模型同時(shí)運行。
• 子模塊參數可統一由用戶(hù)自定義設置。也支持對同一橋臂中所有子模塊單獨設置元件參數，通過(guò)設置不同的參數可用于模擬子模塊參數的分散性。
• 支持模擬子模塊通信中斷（光纖斷線(xiàn)）、子模塊直通（上下IGBT同時(shí)開(kāi)通）、同一閥段中相鄰子模塊的短路、MMC直流側正極/負極母線(xiàn)對地短路、MMC直流側正負極母線(xiàn)間短路、換流器不同橋臂間短路等功能。
Unified Model （U5）模型：
• 每個(gè)GTFPGA-MMC仿真單元能夠支持仿真含有最多為六條橋臂的MMC換流器閥模型。
• 每個(gè)橋臂的MMC閥模型最大支持512個(gè)子模塊，支持的子模塊拓撲結構包括半橋或者全橋。
• 支持子模塊不同的投入狀態(tài)，例如：旁路、正向投入、反向投入和閉鎖。
• 支持模擬閥組內部對地故障和阻尼子模塊。

GTFPGA-SV仿真單元
GTFPGA-SV仿真單元可以為RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器提供16個(gè)通道的數據流，數據流基于IEC 61850-9-2LE或者IEC 61869-9標準在不同頻率下采樣，樣本間的抖動(dòng)小于1μs。
當基于IEC 61850-9-2LE標準采樣時(shí)，GTFPGA仿真單元支持16個(gè)通道的數據流，每個(gè)數據流可以包含4路電流和4路電壓SV采樣值，采樣頻率為80個(gè)采樣點(diǎn)/周期（1 ASDU）或者256個(gè)采樣點(diǎn)/周期（8 ASDU）。
若使用IEC 61869-9采樣標準，GTFPGA仿真單元支持最多為16個(gè)通道的數據流，每個(gè)數據流可以包含24路SV采樣數據，采樣頻率可以選擇為80個(gè)采樣點(diǎn)/周期（1 ASDU）、96個(gè)采樣點(diǎn)/周期（1 ASDU）或者4800Hz（2 ASDU）?；蛘?，GTFPGA仿真單元可以支持最多為16個(gè)通道的數據流，每個(gè)數據流可以包含9路SV采樣數據，采樣頻率為256個(gè)采樣點(diǎn)/周期（8 ASDU）或者14400Hz（6 ASDU）。當GTFPGA仿真單元在IEC61869-9模式中時(shí)，采樣數據可以由用戶(hù)自定義，包括電壓、電流和時(shí)延信號。根據中國國標，時(shí)延信號為合并單元SV采樣數據中的第一個(gè)通道。
GTFPGA-SV仿真單元需要使用GTSYNC時(shí)鐘同步卡來(lái)同步SV采樣值的時(shí)標信號。
GTFPGA-HDLC仿真單元
GTFPGA-HDLC仿真單元可以作為RTDS仿真器和外部設備之間的接口，數據傳輸為FT3的通信格式。如圖 3-13中所示，GTHDLC仿真單元提供12對ST光纖接口。與PB5板卡連接使用時(shí)，每一對可以分別發(fā)送和接收4個(gè)32位的控制字。與NovaCor chassis連接使用時(shí)，每一對可以分別發(fā)送和接收最多3組，每組可包含16個(gè)字節的數據。GTHDLC仿真單元中的接口模塊允許GTHDLC仿真單元與RTDS仿真器進(jìn)行通信。HDLC模塊將從用戶(hù)控制器接收到的數據包解包并傳輸到RTDS仿真器中，或者將RTDS仿真器接受到的數據打包到HDLC協(xié)議中，并將數據包發(fā)送至用戶(hù)控制器。通信接口支持2.5M、5M、10M和20M不同速率自定義。數據發(fā)送周期或者數據采樣頻率可以由用戶(hù)自定義。GTFPGA-GPES仿真單元
GTFPGA仿真單元作為通用電力電子求解器（GPES）時(shí)，可以為RTDS實(shí)時(shí)數字仿真器提供更強大的電力電子實(shí)時(shí)建模仿真能力。GPES的開(kāi)發(fā)初衷是為了提供一個(gè)高度靈活的仿真運算平臺致力于電力電子的仿真應用?；谶@個(gè)仿真拓展平臺，用戶(hù)可以使用獨立元器件搭建自定義的電力電子拓撲結構。GPES在專(zhuān)用的FPGA硬件（GTFPGA仿真單元）上運行，能夠與RTDS仿真器硬件并行仿真并運行高密度計算，因此，用戶(hù)可以使用更短的仿真步長(cháng)并實(shí)現對自定義拓撲結構的實(shí)時(shí)仿真。GTFPGA-GPES仿真單元上最多可以支持仿真128個(gè)節點(diǎn)和256條支路。GPES支持的仿真步長(cháng)最小為235納秒，實(shí)際系統中所需的最小仿真步長(cháng)由電路結構的復雜程度決定。
GPES中使用一種等效LC的開(kāi)關(guān)建模方式。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，表示為電容與電阻串聯(lián)；當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，表示為電感。這種建模方式由于模型中使用等效的電感和電容，將人為引入一部分開(kāi)關(guān)損耗，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的增加，開(kāi)關(guān)損耗也隨之增加。這種LC建模方式最初在2005年開(kāi)始運用于RTDS實(shí)時(shí)仿真器的處理器中的小步長(cháng)建模環(huán)境，在硬件計算資源有限的情況下，可以對電力電子應用中的高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作進(jìn)行有效仿真模擬，并且保證仿真過(guò)程中的“硬實(shí)時(shí)"。為了提高開(kāi)關(guān)頻率，并且保證開(kāi)關(guān)模型引入的損耗不致過(guò)高，其中最直觀(guān)的解決方式是使用更小的仿真步長(cháng)來(lái)實(shí)現。GTFPGA-TWRT仿真單元
GTFPGA-TWRT仿真單元支持仿真高精度的輸電系統，其中包括頻依特性的傳輸線(xiàn)相域模型（FD Line）。GTFPGA-TWRT仿真單元主要用于精確測試基于行波保護原理的繼電器，實(shí)現對行波測距和保護裝置之間的閉環(huán)測試的仿真模擬。GTFPGA-TWRT仿真單元在RSCAD軟件中使用獨立的元件庫，其中包括傳輸線(xiàn)、電纜、串聯(lián)補償、故障、斷路器、無(wú)源支路和可控電壓源等，仿真步長(cháng)范圍為1微秒至3微秒。
GTFPGA-TLINE仿真單元
GTFPGA仿真單元除了用于行波保護繼電器測試的TWRT固件外，還可以通過(guò)TLINE固件用于多達12個(gè)頻依特性的小步長(cháng)傳輸線(xiàn)模型或者電纜導體模型的系統建模。GTFPGA-TLINE仿真單元支持的最小實(shí)時(shí)仿真步長(cháng)為3.3微秒。當使用GTFPGA-TLINE仿真單元時(shí)，電網(wǎng)系統中其他組成環(huán)節將在RTDS仿真器的處理器中運行，傳輸電路或者電纜模型將使用FPGA硬件平臺進(jìn)行并行計算處理。