电力系统动模数字化实验平台简介
基于RTDS平台的AVC装置动模试验研究的开题报告
基于RTDS平台的AVC装置动模试验研究的开题报告一、研究背景随着电力系统规模的不断扩大和复杂程度的增加，系统的稳定性问题变得越来越重要。
而高速自动电压控制（AVC）装置能够在发生故障时，对电压和频率进行快速响应和控制，提高系统稳定性。
因此，AVC装置的设计和应用已成为电力系统调度和运行的关键技术之一。
目前，基于实验室仿真平台进行高速AVC装置动模试验已成为研究该技术的重要手段之一。
RTDS（Real-Time Digital Simulator）是一种高精度、高可靠的数字模拟仿真平台，可以实现实时仿真电力系统大规模系统，并支持各种控制策略的实时测试和验证。
因此，本文旨在通过基于RTDS平台进行AVC装置动模试验，研究该装置实时响应性能，验证其效果和可行性，并探究优化AVC装置控制策略的方法。
二、研究内容与目标本文将以动模试验为基础，以某电力系统为研究对象，探究以下研究内容：1.针对AVC装置特性，选定合适的控制策略，并建立AVC装置模型；2.利用RTDS平台构建电力系统模型，对AVC装置的实时响应性能进行测试和验证，以确定其效果和可行性；3.分析AVC装置控制策略在不同故障模式下的效果，并探究优化方法；本文旨在实现以下目标：1.实验数据能够准确反映AVC装置实时响应性能，验证所选控制策略的有效性；2.揭示AVC装置控制策略在不同故障模式下的优缺点，并提出优化方法；3.为AVC装置的设计和应用提供参考和指导。
三、研究方法本文的主要研究方法如下：1.文献调研，理论分析和总结AVC装置的设计原理、控制策略等相关知识点；2.建立AVC装置模型，选取合适的控制策略进行仿真实验，并收集相应数据；3.基于RTDS平台，构建电力系统模型，通过对AVC装置模型的仿真实验，研究其实时响应性能，并总结分析数据；4.通过对控制策略在不同情况下的仿真分析，探究优化控制策略的方法。
四、研究预期成果本文通过基于RTDS平台进行AVC装置动模试验研究，预期达到以下成果：1.建立AVC装置模型，探究其控制策略及实时响应性能；2.基于RTDS平台构建电力系统模型，验证AVC装置控制策略的应用效果和可行性；3.分析不同故障模拟下AVC装置的控制效果，探究优化其控制策略的方法；4.为电力系统AVC装置的应用和优化提供参考和指导。
第一章电力系统仿真软件介绍
第1章 概 述
电力电子子库中含有二极管、简化/复杂晶闸管、GTO、 开关、MOSFET、IGBT和通用桥式电路模型。
第1章 概 述
附加子库中包含内容较多，主要和系统离散化、控制、计算 和测量有关，包括RMS测量、有效和无功功率计算、傅里 叶分析、HVDC 控制、轴系变换、三相V-I测量、三相脉冲 和信号发生、三相序列分析、三相 PLL 和连续/离散同步 6/12脉冲发生器等。
第1章 概 述
(3) 德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC (Network Torsion Machine Control)；
德国西门子公司在上个世纪70年代开发的电力系统分析 软件，经过多年的发展，该软件不断完善，功能日益强大， 具有良好的开放性，可嵌入用户自行编制的 FORTRAN语言 子程序、数学表达式等，用户遍及世界各地。
第1章 概 述
此外，SimPowerSystems 4.0 中还含有一个功能强大的图形 用户分析工具Powergui和一个 废弃的“相量子库”(Phasor Elements)。这些模块可以与标 准的SIMULINK模块一起，建 立包含电气系统和控制回路的 模型，并且可以用附加的测量 模块对电路进行信号提取、傅 里叶分析和三相序分析。
以上各个电力系统仿真软件的结构和功能不同，它们各 自的应用领域也有所侧重。 EMTP主要用来进行电磁暂态过 程数字仿真，PSCAD/EMTDC、NETOMAC主要用来进行电 磁暂态和控制环节的仿真，BPA、PSASP主要用来进行潮流 和机电暂态数字仿真。
第1章 概 述
近年来，MATLAB由于其完整的专业体系和先进的设 计开发思路，在多个领域都有广泛的应用。
第1章 概 述
第1章 概 述
电力行业大数据平台简介
管理与监控跟踪作业状态和性能报告以及趋势信息的各项指标
迁移与同步可以在多种数据库、企业应用、 主机遗留旧文件、文本、XML、 消息队列以及其它源之间，进 行数据的迁移和同步.
17
A BETTER WAY
ETL概述
数 据 源
输 出
数据库 结构化数据 其它数据
机构内部数据
社会数据
互联网数据
数据安全
数据审计
数据标准
元数据管理
主数据管理
数据质量管理
数据治理流程
元数据
基于大数据的应用体系大数据检索 大数据关联
大数据分析
大数据预测
信信 息息
数数 据据
知知识 识
应 用
3
A BETTER WAY
电力大数据概述
发电
输电
配电
售电
特性一：不可存储能源
电力是不可存储的能源， 一旦生产则必须耗用， 这就注定了电力生产、 使用、销售的独特性。
远程输电时段地域成本论证用电调度能效评估输电建设资源预测系统
变电站覆盖区域负荷分析重点工业园区用电支撑调度 平台
统一电价及电力营销行为分 析电力巡检模型分析大型活动临时配电调度管理变电站故障及处理平台智能巡检机器人数据管理
用电量与环保关联性分析电量GDP关联分析用电区域分布引导管理
错峰用电定价指导分析异常灾害电力负载应急管理电价舆情分析
A BETTER WAY
电力大数据——城市耗电量分析
通过收集不同气候、不同时段期间以及其他关联 的用电量情况，助力“智慧城市”应用的同时， 有效预测用电需求，协助电力相关单位应对用电 高峰期的电力调度和资源确保能力。
电力系统动态模拟仿真试验与检测平台PDSP
电力系统动态模拟仿真试验与检测平台PDSP电力系统动态模拟仿真试验与检测平台PDSP能够模拟110kV及以下多个电压等级的含多种分布式电源的配电网，平台系统网架可灵活改变，并能模拟配电网中各种类型故障和运行工况。
配电网物理模拟实验室的建设采用总体规划、分期实施的原则，为新能源研究留有接口。
平台一次设备可模拟10kV电压等级的多条输配电电缆和架空线路、模拟10kV等级变压器、故障模拟系统、模拟无穷大电源系统、模拟静止负荷和旋转电机负荷等，系统特性与原型一致，大小与原型成模拟比例，相互之间功率匹配。
一、产品功能电力系统动态模拟仿真试验与检测平台PDSP满足配电自动化等稳定控制试验（#字型供电），架空线、电缆、短路/各种自愈满足主动式配电网各种运行方式满足国标电能质量所有试验满足故障指示器各种检测满足各种继电保护试验各种二次设备、自动化装置入网检测，电能质量，新能源一次设备系统检验全网录波，可以分析主动式配电网各种工况（包括故障）行为智能微电网、交直流混合系统运行控制与能量管理试验二、典型应用1）满足电力行业实验标准，是可再生能源及微电网新技术、新设备的试验平台，为电力新技术的发展提供技术支撑；2）实用、新型的电力系统动态模拟实验室，是技术创新和集成创新的研究基地，可作为人才培养的教学和实训基地；3）建设成为可视化、数字化、标准化、控制测量系统自动化的现代化电力系统动模实验室，为电力自动化发展作贡献；4）为分布式能源和微电网协调控制器、保护和安全稳定控制以及自动化装置提供可靠的试验手段和验证环境。
北京群菱能源电力系统动态模拟仿真试验与检测平台PDSP的建设可以满足可再生能源与微电网发展需要的前沿技术布局，为客户相关前沿技术的研发试验提供全方位的支撑。
平台可拓展为相关装置产品检验检测平台，为客户在智能电网各前沿技术领域发展建立试验测试平台，更好地服务于电力公司、高等院校及科研机构战略发展方向。
本文来源：北京群菱能源科技有限公司，清晰产品资料请联系群菱获取。
RTDS仿真平台介绍
RTDS仿真实例
4
RTDS 简介
➢ 加拿大 Manitoba 高压直流(HVDC)研究中心开发的专门用于实时研究电力系统的数字动模系统。 ➢ RTDS 实质上是为实现实时数字仿真系统暂态过程而专门开发的并行计算机系统。 ➢ RTDS 硬件上基于 DSP(数字信号处理器)，并采用并行处理方式，仿真步长能达到50μs 级别 ➢ 一个循环周期的数值计算和各个模块的数据通信必须在50μs 内完成，可以将其计算结果通过D/A 转换以模拟量输出，与
环、手合带故障线路等人工操作下的动作特性，
➢ 闭环测试：断路器控制系统必须能够实时响应继电保护等设备所发出的动作信号，从而构成一个完整的闭环试验
➢ 故障设置与仿真
➢ 特殊工况仿真：应包括：系统功率振荡、励磁涌流、互感器饱和、电子式互感器传变特性的模拟等方面
3
目录
继电保护测试需求 RTDS简介 RTDS硬件 RTDS软件 RTDS模型
/
方式A：混合仿真
RTDS 典型应用方式
方式 B：完全数字仿真
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目录
继电保护测试需求 RTDS简介 RTDS硬件 RTDS软件 RTDS模型
电力系统动态模拟仿真综合性实验教学研究
很 难 形 成 系统 性 。 导致 学生 对 动 模 实 验 的 重 视程 度 不 够 ， 实 验 过 程 中 只 是 机 械 地 听 从 教 师 的 指 示 进 行 操 作 ，对 实 验 的 内 容 比较 模 糊 ，动 模 实 验 本 应 具有 的直 观 性 等优 点 未 能充 分 体现 。 继 电 保 护 、 自动 装 黄 等 电 力 专业 课 程 都 有 相 应 的 实验 课 程 ，但 这些 实验 丰要 针 对 该 课 程 的 内容 ， 知
该课程 的 实验课 “ 电力系 统动 模实验 ”在 加 强学 生的 直 观 理解 、培 养动 手 能 力方 面起 着重 要的作 用 。
一
识 面 较 窄 ，初 学 者 易于 将 其 局 限 于 某 一课 程 ，较 难 以
将知识点融合 ，形成 系统的 电力知识。而动模实验既
包含了发电 （ 原动 机 和 励 磁 调 节 等 ）、输 电等 一 次 系 统 内容 ， 又包 含 了保 护 、并 网控 制 等 二次 系 统 知 识 ， 是 最 易 实现 电 力诸 多知 识 点 融 合 的 实验 课 程 。而 且 ， 当 前 课程 的交 叉 性 越 来 越 强 ，实验 课程 也 需 相 应 地 进 行 整 合 ， 而综 合 性 实 验 是 最 有 前途 的路 径 之 一 ，这 有 利 于 克 服传 统 实验 只 停 留在 分 散 的验 证 某 个 概 念 、理 论 、 方 法 的较 低 水 平 上 。通 过 综 合 性 实验 ，改 变 学 生 从 原 来 的验 证 性 实验 到 综 合 性 实验 的 思路 和 方 法 ，引 导 学生 把 实验 的重 点放 在 展 示知 识 的 内在 联 系上 。
VISSIM简介
制作： 连 宇
北京运通恒昌驱动技术有限公司
目 录
VISSIM公司简介
VISSIM主要功能 VISSIM主要特点 VISSIM典型应用
VSI公司简介
美国VSI（Visual Solutions Incorporated ）公司成立于1989年。其总部设立在美国马萨诸 塞州的韦斯特福德。VISSIM软件是VSI公司旗下一 款基于数学建模，仿真和模型的嵌入式开发平台 ，简单的说就是一个视觉语言的创建者。 VSI是最早开发基于Windows的动态系统建模 与仿真软件的先驱之一，他们的宗旨是为最终用 户和设备制造商提供简单易用、功能强大的建模 仿真软件以及系统控制的设计软件。
VISSIM主要功能
嵌入式控制开发平台
VisSim/Embedded ControlsDeveloper软件同时提供16位以及32 为数字电机控制模块，包括PID，3相PWM驱动器，空间矢量波形发生 器，Park以及Clarke变换，伏特至赫兹转换资源，无传感器磁通与转 子速度估计，和基于速度计算器的正交编码器。 VisSim/Embedded ControlsDeveloper软件中对PMSM和交流感应 电机中带传感器及不带传感器的矢量控制提供了样品图。 离线仿真：在最初的控制器以及连接设备的仿真中，用户可确认 、调试以及调整控制算法，并可在图形浏览器中查看结果。这使得用 户在仿真过程中可以与系统进行交互，评价控制器及连接设备的运行 状态。 代码自动生成：一旦模型被确认，用户可为控制器自动生成代码 并将此代码下载到目标MCU中。生成的代码已被优化，以提高运行速 度并减小内存占用。在VisSim中根据用户植入的模型执行生成的代码 ，以确认从模型已成功转换至代码。
配电系统物理仿真平台--北京丹华昊博电力科技有限公司
配电系统物理仿真平台一、概述由于电力系统暂态及稳态的复杂性，在进行理论研究的同时也必须进行试验研究，二者缺一不可。
电力系统的试验可以在原型上进行，也可以在模型上进行，电力系统的物理模拟试验是电力系统研究的重要方法。
目前配网自动化全面建设，无论是理论还是实际运行，都存在许多问题，各种配网自动化设备都需要试验、检测，配电系统物理仿真平台就是解决这些问题的重要方法。
北京丹华昊博电力科技有限公司结合杨以涵教授30年小电流接地选线研究心得，率先与华北电力大学合作，建成国家重点试验室——“1:1 10kV高压物理模拟试验室”，又与中国电力科学研究院合作，建成配电系统物理仿真平台——动模测试系统（原型测试系统PRS）。
目前两套系统在配电系统物理仿真平台建设和配电网接地故障模拟试验领域，均处于领先水平。
二、配电系统物理仿真平台配电系统物理仿真平台能够真实再现电力系统的各种运行工况、能够真实模拟电力系统设备和线路的运行情况，为电力用户提供全方位的培训、仿真、研发平台，为配网自动化设备的检测提供了全新的解决方案。
配电系统物理仿真平台具备的功能主要包括：配电系统参数模拟、配电系统运行数据模拟、配电系统故障模拟、配网自动化设备测试、状态监视、数据采集、图形显示、事件告警、数据统计、录波分析等。
目前，仿真平台主要有3类，分别为380V配电系统物理仿真平台、10kV配电系统物理仿真平台和RTDS数字仿真平台，三种平台的对比如表 1所示。
表 1仿真平台对比表三、380V配电系统物理仿真平台1.系统规模1)实验室要求：长10m，宽4m,面积40m2；2)实验室分配：独立使用；3)模拟35kV/10kV变电站1座、主变1台、10kV线路6条，系统如图 1所示；4)户内柜体式，配置6面柜体，配置后台监控系统，按变电站规范设计，所有操作分远方和就地，设备布置如图 2所示。
图 1380V配电系统物理仿真平台系统图2.系统参数1)系统供电电源：三相、380V、100A、50Hz；2)系统电压：380V；3)系统满负荷工作电流：10A；4)线路短路电流（多匝线圈）：800、1600A；5)系统容流：10A；6)PT二次电压：100V；7)CT二次电流：<=5A；8)正常状态测量精度0.2级，故障状态测量精度1.0级，具备故障录波功能；9)系统中性点接地方式：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻接地。
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1 电力系统动模数字化实验平台简介
1.1 电力系统动态模拟实验室基本情况
电力系统动态模拟实验室（简称为动模实
验室）自1958年筹建以来，经过40多年的不
断建设、改造和几代人的艰苦努力，已经从单
一的交流系统的物理模拟发展到具有交直流混
合系统的物理模拟及数字仿真、数模混合等的
综合大型模拟实验室。
现在，动态模拟实验室
是电力系统国家重点实验室的最重要分室。
实验室现有5台发电机、2台无穷大系统、
6组负荷（具有电阻、电感、电机及整流型等
负荷）、24组模拟线路（可模拟10kV、110kV、220kV、330kV、500kV线路）、全数字非线性励磁控制器、微机调速器、直流输电模拟系统、可控硅串联补偿器（TCSC）系统、静止无功补偿器（ASVG）及统一潮流控制器（UPFC）等电气设备。
由这些电气设备可组成不同拓扑结构的电力系统，可逼真模拟实际电力系统的动态过程。
电力系统实验课是在该动模实验室完成，每届上课的本科生约120人，实验课每组5人，每届实验持续时间约500小时。
1.2电力系统动模大型数字化实验平台简介
最初建成的动模实验室是一个纯物理的模拟实验室。
随着电力系统规模的扩大和数字化，原有的纯物理的动模实验平台已经无法满足现代电力系统实验的要求。
从2001年开始，对物理动模实验室进行了数字化改造。
经过近2年的刻苦攻关，2003年3月建成了自主知识产权的电力系统动模大型数字化实验平台，实现了物理动模从稳态到暂态的数字化、可视化和自动化，实验能力和效率发生了质的飞跃。
自主研制成功的电力系统动模大型数字化实验平台是一项庞大的系统工程，属于国际首创，工作量大且挑战性强。
为了增强对该成果的感性认识，现采用图文结合的方式加以扼要介绍。
1.2.1物理动模从设备级到系统级的完整的数字监控系统
（1）总体结构
图1是物理动模数字监控系统的结构示意图，系统基于全网络式和分布式设计和开发，网络式RTU（远方终端单元）和主站之间的通信规约遵循了国际标准。
图1 物理动模数字监控系统结构示意图
（2）物理动模
图1中的物理动模系统的主要设备见图2，是根据相似原理建立起来的物理模拟系统，它可以逼真地反映实际电力系统的动态过程。
物理动模系统是实验室原有设备。
（发电机） （变压器）
（输电线路）
（负荷）
图2 物理动态模拟系统
（3）设备级数字监控
针对动模发电机，研制成功了不同控制方式的微机励磁和调速控制系统，图3给出了设备外观。
图3 动模机组的微机励磁和调速控制系统
图4给出了已建成的四机动模系统监控的开关、CT 和PT 配置图。
F2K5
CT1CT3CT2
CT4CT5
CT10CT6
CT7CT8CT9CT11CT13CT18
图4 开关、电流互感器（CT ）和电压互感器（PT ）配置
建成了发电机、变压器、输电线和负荷等各类电力设备的网络式RTU ，建成的RTU 共23台，实现了发输用各类电力设备的全数字式远程监控功能。
RTU 的配置见图5。
图5 网络式RTU 配置
（4）系统级数字监控
在系统级别上，摈弃了多年来一直使用的模拟监控盘台。
数字化前学生利用监控盘台做实验（见图6）；数字化后，学生在控制中心，利用计算机可视化的人机界面（MMI）做实验（图7），由计算机来自动记录电网全局动态。
在图7中，计算机之前是两台大屏幕投影。
图6 数字化前采用监控盘台做实验 图7 数字化后采用计算机和大屏幕做实验
图8给出了控制中心计算机网络结构和配置，通过双前置机和双以太网与网络式RTU
设备端
图8 控制中心计算机网络结构和配置
该系统不但实现了遥信、遥测、摇调和遥控等SCADA 功能，还实现了先进的网络拓扑分析、状态估计和在线潮流等能量管理系统（EMS）高级应用功能，在功能和性能上与现代电网调度控制中心几乎完全一致。
（5）可视化画面
为了满足教学实验对本系统的实时性、灵活性、人机交互的方便和高效性的要求，建成了上百幅可视化人机交互画面，开发了适用于实验的各种遥控和遥调模块，开发了适用于实验的报表子系统，可自定义的灵活的采样曲线，可视化的实时数字仪表和灵活
的组态功能等。
发电机有功无功调节、发电机同期并网、负荷调节、开关分合、故障设置、变压器分头调节均在可视化画面上进行。
图9 组态元件图
图9给出了电网组态元件图，通过计算机画面上的组态操作，可以组织出不同的电网结构，满足不同电力系统实验的用途，十分灵活和方便。
图10给出了若干典型的可视化人机界面。
（上百幅可视化画面列表）（发电机实时遥测表）
（四机系统潮流监控图）（发电机变压器组监控图）
（负荷监控图）（无穷大系统监控图）
（用户自定义的数字化仪表）（用户自定义的棒图）
（用户自定义的动态曲线）（故障设置界面）
图10 数字监控系统的若干典型可视化人机界面
1.2.2 大规模实际电力系统的全数字化“影子系统”
为了进行现代大规模电力系统的各种教学实验，我们建成了电力系统全数字仿真系统，可以实时逼真地模拟电力大系统的稳态、机电暂态和由此引发的保护和自动装置的动作过程。
该数字仿真系统可24小时连续运转，是实际电力大系统的“影子系统”，可模拟负荷变化、出力变化，故障前后电网的动态变化，可完成拓扑分析、潮流控制、调频、故障分析、稳定分析和控制、保护和自动装置配置等实验。
图11给出了已建成的我国吉林省电力大系统的数字化“影子系统”，将大规模复杂电力系统用特高阶微分代数方程组来描述，对物理系统的运动轨迹实施实时数字跟踪仿真。
图12是故障发生后，利用影子系统仿真出来的发电机功角摇摆的动态曲线。
图13给出了若干典型人机界面。
图11 大规模吉林电力系统的数字化“影子系统”
（稳定情形） （失稳情形）
图12 故障发生后发电机功角摇摆的动态曲线
（故障设置界面） （继电保护设置界面）
图13 若干典型人机界面
1.2.3物理动模的广域相量测量系统（WAMS）
在物理动模的5机无穷大系统上，我们研制成功了功能完善的WAMS。
(1) 总体结构
图14是物理动模WAMS 的结构示意图，系统基于全网络式和分布式设计和开发， PMU （相量测量单元）和主站之间实现了实时高速通信，可在50ms 内实时地完成电力系统机电暂态量的实时同步监控。
图16 PMU 外观
图14 物理动模WAMS 结构示意图
（2）设备级相量监控（PMU）
图15 相量测量原理示意图
图15给出了相量测量原理示意图，PMU 基于卫星全球定位系统（GPS）技术，实现了实时对时和同步功能：GPS 接收器能够提供理论精度为110ns 的对时时钟，由于PMU 采用硬件进行时钟同步和信号调制，保证不同装置之间同步采样精度即为GPS 对时精度，实测对时精度优于200ns ；暂态量的实时同步采集和计算功能：PMU 能够实现10路电流和电压的同步采样，采样频率为10kHZ 。
最快能每5毫秒计算出电压和电流的幅值和相角，正序负序和零序分量，根据发电机的参数可计算出发电机的正序功角，实际测试结果装置的测量误差为幅值±0.5％,相位±0.1º；高速通信功能：功角测量装置采用高度集成的双TCP/IP 网络实现高速网络通信功能，采用100M 网络，实际测试最快每隔5毫秒发送一批数据能够保证可靠传输；PMU 能够测量16路数字信号输入量，并具有16路数字信号输出量，完成实时遥控遥调功能。
图16给出了所研制的PMU 装置的外观。
（3）系统级相量监控
图17给出了已建成的WAMS 主站系统计算机网络结构和配置。
站
发电厂
图17 WAMS 主站系统计算机网络结构
图18给出了WAMS 主站系统的典型画面：实测的动模发电机的功角曲线。
图18 实测的动模发电机功角曲线
1.3 国家重点实验室评估现场
在2003年3月份的国家三部委组织
的国家重点实验室评估中，已建成的数字
化实验平台受到了评估专家组的一致好
评，为“电力系统国家重点实验室”在2003
年评估中获得清华大学唯一的A 级作出
了基础性贡献。
图19是当时的专家评估
现场，专家们在本数字化实验平台前认真
参观了近一个小时。
图19 国家重点实验室评估现场
1.4 实验平台推广应用
电力系统动模数字化实验平台已经在广西大学、东北电力学院等单位推广应用。
下
表为实验平台推广应用的基本情况。
表1 实验平台推广情况
序号 推广大学 清华获经费（万） 验收时间
1 广西大学 30.0 2003.9
2 东北电力学院 206.8 2004.2
3 湖南大学 140.
4 2004.8
4 武汉大学 190.0 2005.12
11。