仿真單元

簡(jiǎn)要描述：GTFPGA仿真單元是一個(gè)可以安裝在機(jī)柜上的機(jī)箱（設(shè)備外觀如圖 3-12所示），機(jī)箱內(nèi)部包含一塊Xilinx Virtex®-7 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）板卡，通過光纖連接到NovaCor機(jī)箱后方的光口上。GTFPGA仿真單元作為RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的拓展硬件設(shè)備，為RTDS仿真系統(tǒng)提供了更強(qiáng)大的仿真計(jì)算能力。通過安裝激活不同的固件協(xié)議，GTFPGA仿真單元可以適應(yīng)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，

產(chǎn)品型號(hào)： GTFPGA

所屬分類：電力仿真

更新時(shí)間：2024-05-07

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隨著電力技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的建設(shè)和電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的擴(kuò)大對(duì)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的要求逐漸提高。電力系統(tǒng)物理動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)是根據(jù)相似原理，按比例縮減實(shí)際電力系統(tǒng)中的元件來建立電力系統(tǒng)模型，確保在模型上所反應(yīng)的過程和實(shí)際系統(tǒng)中的過程相似，并且具有相同的電氣特性。動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)初期需要花費(fèi)大量的時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)總體規(guī)模和元件模型進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，例如設(shè)備的規(guī)模、模擬元件的參數(shù)、模擬元件多樣性、控制水平、組模水平等方面。根據(jù)不同的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)需求，對(duì)動(dòng)模設(shè)備的要求與種類逐漸多樣化，在開展試驗(yàn)前期需要進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，包括根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)計(jì)選擇系統(tǒng)模型的具體參數(shù)，模擬元件模型之間的連接組合和動(dòng)模系統(tǒng)的集成。因此，隨著數(shù)字仿真和離線計(jì)算軟件的日益成熟，全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真逐漸成為對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的試驗(yàn)研究、測(cè)試與驗(yàn)證的重要手段之一。
電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真最常見的解決方案是Dommel算法。該算法中使用梯形積分法則將根據(jù)電力系統(tǒng)分析得到的積分方程離散化為代數(shù)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(jì)算，而不是連續(xù)時(shí)刻的解。兩次計(jì)算方程解的離散時(shí)刻之間的時(shí)間間隔被稱為步長(zhǎng)，表示為△t。所有表示電力系統(tǒng)模型的方程必須在每個(gè)步長(zhǎng)中進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于包含電力電子的大規(guī)模復(fù)雜電力系統(tǒng)模型，即使使用現(xiàn)代*計(jì)算機(jī)，每個(gè)步長(zhǎng)的計(jì)算也需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間才能完成，所花費(fèi)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為“非實(shí)時(shí)"或“離線"運(yùn)行模式。然而，如果計(jì)算機(jī)能夠連續(xù)執(zhí)行并完成每個(gè)步長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)所需的計(jì)算，所用時(shí)間小于或等于一個(gè)仿真步長(zhǎng)，那么這種情況下的仿真可以稱為實(shí)時(shí)仿真。如果系統(tǒng)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(tǒng)的仿真步長(zhǎng)）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這種實(shí)時(shí)仿真可稱為“硬實(shí)時(shí)"。
基于PC計(jì)算機(jī)的電磁暫態(tài)（非實(shí)時(shí)）仿真軟件一直廣泛運(yùn)用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的分析研究，例如PSCAD、EMTP、ATP等。數(shù)字仿真軟件利用數(shù)學(xué)模型來表示各種電力系統(tǒng)元件，用戶能自由組合和連接這些模型來搭建詳細(xì)的電力系統(tǒng)模型案例，模擬各種系統(tǒng)運(yùn)行工況和故障，滿足各種系統(tǒng)情況下暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的分析研究。隨著現(xiàn)代電力技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)控制保護(hù)裝置和新型電氣設(shè)備的基本原理和性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究成為了實(shí)驗(yàn)室的主要研究方向。綜合物理動(dòng)模和全數(shù)字仿真的特點(diǎn)，基于物理和數(shù)字仿真模型的混合式仿真系統(tǒng)成為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)新的發(fā)展趨勢(shì)。

RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器是一個(gè)全數(shù)字化系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)并連續(xù)地運(yùn)行，并通過Dommel算法對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)模擬。通過配套軟件和定制化硬件相結(jié)合的方式，RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器可以實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)從1.5微秒至50微秒的多速率系統(tǒng)仿真。RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的操作系統(tǒng)是按照實(shí)時(shí)要求設(shè)計(jì)研發(fā)的，保證了仿真過程中的“硬實(shí)時(shí)"，也就是說，仿真過程中不允許任何的計(jì)算超時(shí)發(fā)生。

RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的硬件設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模隨時(shí)擴(kuò)展RTDS仿真系統(tǒng)的計(jì)算能力以及I/O接口數(shù)量。實(shí)驗(yàn)室的RTDS仿真系統(tǒng)規(guī)模增加可以通過兩種方式：一是增加更多的NovaCor授權(quán)核的許可證（每個(gè)RTDS仿真機(jī)箱中最多可以激活10個(gè)授權(quán)核），二是增加更多的RTDS NovaCor仿真機(jī)箱（chassis）。結(jié)合目前的硬件設(shè)計(jì)，RTDS仿真系統(tǒng)可以支持包含多達(dá)144個(gè)仿真機(jī)箱的聯(lián)合仿真。用于輸入輸出的I/O板卡（具體介紹參見下文3.2——外設(shè)板卡和硬件設(shè)備）可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室仿真系統(tǒng)建設(shè)需要，相應(yīng)增加RTDS仿真系統(tǒng)輸入輸出的I/O接口數(shù)量。

用戶通過RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器配套軟件RSCAD來控制系統(tǒng)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)圖形用戶界面（GUI），可以幫助用戶更加直觀的操作使用RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器，其中包括仿真系統(tǒng)的建立、系統(tǒng)的運(yùn)行操作和控制、在仿真過程中系統(tǒng)參數(shù)的修改、數(shù)據(jù)采集和結(jié)果分析等。另外，RSCAD軟件中包含大量的元件模型可以用來搭建詳細(xì)的仿真案例，例如電力系統(tǒng)和電力電子元件模型、控制系統(tǒng)以及保護(hù)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(tuán)隊(duì)開發(fā)和測(cè)試，在教學(xué)、研發(fā)、測(cè)試和實(shí)際工程中廣泛運(yùn)用并加以驗(yàn)證。同時(shí)，根據(jù)RTDS的廣大客戶在日常工作使用中得出的經(jīng)驗(yàn)與建議，對(duì)RSCAD軟件不斷地進(jìn)行改進(jìn)和完善。
RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器是一個(gè)集設(shè)計(jì)、研究和測(cè)試于一體的理想工具，通常用于對(duì)物理裝置的保護(hù)和控制方案的測(cè)試和驗(yàn)證。RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器具備大量的數(shù)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(hù)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(tǒng)之間的相互作用。
RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器可以在對(duì)操作運(yùn)行人員、工程師、研究人員和學(xué)生的培訓(xùn)中發(fā)揮多種多樣的作用。事實(shí)上，RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器為與電力行業(yè)相關(guān)系統(tǒng)的模擬和測(cè)試提供了新的方法和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因?yàn)镽TDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器是實(shí)時(shí)且連續(xù)運(yùn)行的，它能夠很大程度的模擬真實(shí)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式與系統(tǒng)響應(yīng)特征。RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器為測(cè)量設(shè)備、保護(hù)繼電器和控制器等設(shè)備提供了一個(gè)模擬的且接近真實(shí)電力系統(tǒng)的環(huán)境。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，用戶可以配置、操作和運(yùn)行各種電力系統(tǒng)模型，研究被測(cè)硬件裝置與仿真電路之間的相互作用。相比傳統(tǒng)的物理動(dòng)態(tài)模擬方法，基于RTDS的數(shù)字仿真方法具有建模周期短、靈活性強(qiáng)、安全性好、結(jié)果直觀等特點(diǎn)。經(jīng)過大量實(shí)踐驗(yàn)證的電磁暫態(tài)模型，保證了其數(shù)學(xué)模型的計(jì)算精度和合理性，加上經(jīng)典Dommel算法的精確性和穩(wěn)定性以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)備的強(qiáng)大計(jì)算處理能力，為數(shù)模混合式仿真和全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真提供基礎(chǔ)條件，成為高性價(jià)比的電力系統(tǒng)模擬試驗(yàn)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(jù)IEC 61850-9-2LE/IEC 61869-9標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采樣、電力電子通用求解器（GPES）和針對(duì)行波保護(hù)測(cè)試應(yīng)用的模型建模、小步長(zhǎng)頻率相關(guān)的傳輸線模型和電纜模型的應(yīng)用以及FT3通信接口協(xié)議。通過使用GTFPGA網(wǎng)表協(xié)議（netlist），F(xiàn)PGA板卡還可以作為RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的通用接口。本小節(jié)將根據(jù)GTFPGA仿真單元的不同固件協(xié)議，針對(duì)不同應(yīng)用所提供的仿真能力拓展進(jìn)行詳細(xì)的介紹與說明。GTFPGA-MMC仿真單元
針對(duì)MMC-HVDC系統(tǒng)，系統(tǒng)模型的運(yùn)算處理工作分為兩部分：交流系統(tǒng)及高層控制系統(tǒng)部分的運(yùn)算工作由現(xiàn)有RTDS實(shí)時(shí)仿真器NovaCor承擔(dān)，MMC換流器部分的運(yùn)算工作由GTFPGA仿真單元承擔(dān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于MMC-HVDC系統(tǒng)的閥控和系統(tǒng)控制策略的仿真模擬。對(duì)系統(tǒng)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(cè)試。GTFPGA-MMC仿真單元可以將仿真過程中的開關(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(jiān)視界面。MMC-HVDC實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)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(cè)試等工作的開展，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(shù)字仿真器支持兩種主要類型的MMC換流器模型：基于NovaCor處理器的MMC模型（在NovaCor機(jī)箱內(nèi)的授權(quán)核中進(jìn)行計(jì)算仿真）和基于FPGA硬件的模型（在GTFPGA-MMC仿真單元上實(shí)現(xiàn)模擬）。下文中將對(duì)基于FPGA硬件的MMC換流器模型進(jìn)行詳細(xì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shù)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(yùn)行。
• 子模塊參數(shù)可統(tǒng)一由用戶自定義設(shè)置。也支持對(duì)同一橋臂中所有子模塊單獨(dú)設(shè)置元件參數(shù)，通過設(shè)置不同的參數(shù)可用于模擬子模塊參數(shù)的分散性。
• 支持模擬子模塊通信中斷（光纖斷線）、子模塊直通（上下IGBT同時(shí)開通）、同一閥段中相鄰子模塊的短路、MMC直流側(cè)正極/負(fù)極母線對(duì)地短路、MMC直流側(cè)正負(fù)極母線間短路、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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(nèi)部對(duì)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(shù)字仿真器提供16個(gè)通道的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流基于IEC 61850-9-2LE或者IEC 61869-9標(biāo)準(zhǔn)在不同頻率下采樣，樣本間的抖動(dòng)小于1μs。
當(dāng)基于IEC 61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)采樣時(shí)，GTFPGA仿真單元支持16個(gè)通道的數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，GTFPGA仿真單元支持最多為16個(gè)通道的數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流可以包含24路SV采樣數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流可以包含9路SV采樣數(shù)據(jù)，采樣頻率為256個(gè)采樣點(diǎn)/周期（8 ASDU）或者14400Hz（6 ASDU）。當(dāng)GTFPGA仿真單元在IEC61869-9模式中時(shí)，采樣數(shù)據(jù)可以由用戶自定義，包括電壓、電流和時(shí)延信號(hào)。根據(jù)中國(guó)國(guó)標(biāo)，時(shí)延信號(hào)為合并單元SV采樣數(shù)據(jù)中的第一個(gè)通道。
GTFPGA-SV仿真單元需要使用GTSYNC時(shí)鐘同步卡來同步SV采樣值的時(shí)標(biāo)信號(hào)。
GTFPGA-HDLC仿真單元
GTFPGA-HDLC仿真單元可以作為RTDS仿真器和外部設(shè)備之間的接口，數(shù)據(jù)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(duì)ST光纖接口。與PB5板卡連接使用時(shí)，每一對(duì)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(duì)可以分別發(fā)送和接收最多3組，每組可包含16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。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模塊將從用戶控制器接收到的數(shù)據(jù)包解包并傳輸?shù)絉TDS仿真器中，或者將RTDS仿真器接受到的數(shù)據(jù)打包到HDLC協(xié)議中，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送至用戶控制器。通信接口支持2.5M、5M、10M和20M不同速率自定義。數(shù)據(jù)發(fā)送周期或者數(shù)據(jù)采樣頻率可以由用戶自定義。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(shù)字仿真器提供更強(qiáng)大的電力電子實(shí)時(shí)建模仿真能力。GPES的開發(fā)初衷是為了提供一個(gè)高度靈活的仿真運(yùn)算平臺(tái)致力于電力電子的仿真應(yīng)用?；谶@個(gè)仿真拓展平臺(tái)，用戶可以使用獨(dú)立元器件搭建自定義的電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。GPES在專用的FPGA硬件（GTFPGA仿真單元）上運(yùn)行，能夠與RTDS仿真器硬件并行仿真并運(yùn)行高密度計(jì)算，因此，用戶可以使用更短的仿真步長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)對(duì)自定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)和256條支路。GPES支持的仿真步長(zhǎng)最小為235納秒，實(shí)際系統(tǒng)中所需的最小仿真步長(zhǎng)由電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度決定。
GPES中使用一種等效LC的開關(guān)建模方式。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，表示為電容與電阻串聯(lián)；當(dāng)開關(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關(guān)損耗，隨著開關(guān)頻率的增加，開關(guān)損耗也隨之增加。這種LC建模方式最初在2005年開始運(yùn)用于RTDS實(shí)時(shí)仿真器的處理器中的小步長(zhǎng)建模環(huán)境，在硬件計(jì)算資源有限的情況下，可以對(duì)電力電子應(yīng)用中的高頻開關(guān)動(dòng)作進(jìn)行有效仿真模擬，并且保證仿真過程中的“硬實(shí)時(shí)"。為了提高開關(guān)頻率，并且保證開關(guān)模型引入的損耗不致過高，其中最直觀的解決方式是使用更小的仿真步長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)。GTFPGA-TWRT仿真單元
GTFPGA-TWRT仿真單元支持仿真高精度的輸電系統(tǒng)，其中包括頻依特性的傳輸線相域模型（FD Line）。GTFPGA-TWRT仿真單元主要用于精確測(cè)試基于行波保護(hù)原理的繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)行波測(cè)距和保護(hù)裝置之間的閉環(huán)測(cè)試的仿真模擬。GTFPGA-TWRT仿真單元在RSCAD軟件中使用獨(dú)立的元件庫(kù)，其中包括傳輸線、電纜、串聯(lián)補(bǔ)償、故障、斷路器、無源支路和可控電壓源等，仿真步長(zhǎng)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(hù)繼電器測(cè)試的TWRT固件外，還可以通過TLINE固件用于多達(dá)12個(gè)頻依特性的小步長(zhǎng)傳輸線模型或者電纜導(dǎo)體模型的系統(tǒng)建模。GTFPGA-TLINE仿真單元支持的最小實(shí)時(shí)仿真步長(zhǎng)為3.3微秒。當(dāng)使用GTFPGA-TLINE仿真單元時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)中其他組成環(huán)節(jié)將在RTDS仿真器的處理器中運(yùn)行，傳輸電路或者電纜模型將使用FPGA硬件平臺(tái)進(jìn)行并行計(jì)算處理。