Я.В. Законьшек
ЗАО «ЭнЛАБ», г. Чебоксары, Россия
А.Л. Славутский
ЭсПП ЧГУ, г. Чебоксары, Россия
Современные энергосистемы становятся всё более сложными, что вызывает существенные затруднения при их проектировании, эксплуатации и проверке с помощью стандартных, традиционных инструментальных средств. Внедрение электростанций на возобновляемых источниках энергии, связанных с силовой электроникой, например ветряных и фотоэлектрических электростанций, обуславливает проблемы с обеспечением стабильности энергосистемы. Переходные процессы в комбинированных энергосистемах с линиями электропередач высокого напряжения на постоянном и переменном токе сложны, их влияние на релейную защиту и автоматику невозможно точно прогнозировать при помощи простых математических моделей. Алгоритмы, применяемые для управления силовыми генераторами, системами силовой электроники и другими устройствами FACTS (гибкая система передачи переменного тока), также постоянно усложняются, и их следует тщательно проверять, прежде чем реализовывать в реальных проектах. Проверка и опытная эксплуатация новых систем и устройств в реальных энергосистемах представляет собой весьма трудоемкий и затратный процесс.
Цифровое моделирование энергосистемы в реальном времени с физическим подключением вторичного оборудования к модели, на сегодняшний день является надежным, эффективным и проверенным методом, применяемым для разработки, тестирования, оптимизации вторичного электрооборудования, а также обучения персонала различных специальностей сектора электроэнергетики.
Устройство цифрового моделирования энергосистемы в режиме реального времени (Real Time Digital Simulator – RTDS®) – симулятор энергосистемы, разработанный в Исследовательском центре силовых систем постоянного тока провинции Манитоба (Виннипег, Канада) в конце 80-х годов прошлого столетия. В 1994 г. ответственность за симулятор RTDS была передана компании RTDS Technologies, где с тех пор программное и аппаратное обеспечение устройства многократно дорабатывалось. Система обеспечивает непрерывное моделирование электромагнитных переходных процессов в режиме жёсткого реального времени.
1. ПРИМЕНЕНИЯ
1.1. Тестирование в режиме реального времени системы управления в замкнутом цикле
Симулятор широко применялся для тестирования в замкнутом цикле контроллеров для силовых систем постоянного тока (HVDC), устройств статической компенсации реактивной мощности (SVC), продольной компенсации с тиристорным управлением (TCSC) и устройств FACTS. В действительности, все производители систем силовой электроники используют симулятор для разработки алгоритмов и исследования динамических характеристик, а также заводских эксплуатационных испытаний своих устройств и систем управления. Комплекс дает ряд важных преимуществ, которых не было ранее:
a. выполнение независимого тестирования новых контроллеров;
b. тщательное изучение влияния новых установок на сеть, принимая во внимание обратную связь модели с системой управления;
c. обучение персонала работе с установками и системами управления без риска негативного воздействия на фактическую работу сети;
d. проверки возможных изменений в управлении сетью или обновлений конфигурации сети до начала её работы.
Для обеспечения точного моделирования силовых электронных схем, упомянутых выше, симулятор должен реагировать быстрее, чем это позволяет временной шаг 50 мкс. Стандартный временной шаг, порядка 50 мкс, используется для моделирования крупной энергосистемы, тогда как небольшой временной шаг, порядка 1–3 мкс, используется для представления модели быстродействующих силовых полупроводниковых комплексов. Две модели элементов, рассчитываемых с разным временным шагом, численно связаны в общей модели при по- мощи метода, аналогичного тому, который при- меняется для объединения моделей переменных состояния (например, модель синхронной машины d-q) для моделирования во временной области.
Симулятор RTDS может также применяться для проверки блоков управления генераторами, например возбудителей, стабилизаторов энергетической системы, а также управляющих устройств.
1.2. Тестирование системы защиты в зам- кнутом цикле в режиме реального времени
Симулятор RTDS представляет собой наиболее универсальное средство тестирования релейной защиты. Выполняется как тестирование в разомкнутом цикле (т.е. считывание в формате COMTRADE, или моделирование без обратной связи), так и тестирование в замкнутом цикле (с обратной связью) (рис. 1), однако, последнее предполагает ряд важных преимуществ. Во-первых, поскольку тестирование в замкнутом цикле должно проводиться и проводится в реальном времени, для выполнения последовательности тестов требуется меньше времени по сравнению с о считыванием в формате COMTRADE. Во-вторых, режим работы в реальном времени позволяет многочисленным устройствам защиты взаимодействовать с моделируемой сетью одновременно. Следовательно, это единственный способ полной проверки и наблюдения за взаимодействием нескольких реле (например, защита двухконцевой двухцепной линии предполагает взаимодействие четырёх реле) и соответствующего оборудования управления.
При проведении тестирования релейной за- щиты или любого другого вторичного оборудования в замкнутом цикле симулятор RTDS полностью эмитирует энергосистему в части взаимодействия с указанным оборудованием. Симулятор обеспечивает аналоговые выходы низкого уровня (±10 В), заводимые непосредственно в тестируемое устройство или, как обычно бывает при тестировании реле, через усилители напряжения и тока. Такие сигналы пропорциональны мгновенному значению отображаемого сигнала (например, напряжения, тока и т.д.). Для замыкания цикла тестирования выходные контакты реле подключаются к симулятору для подачи сигналов отключения и, если возможно, сигналов повторного включения.
Поскольку работа производится с моделью энергосистемы, различные КЗ, включая развивающиеся и двойные замыкания на землю, могут моделироваться многократно в различных условиях сети для оценки эксплуатационных характеристик энергосистемы. Симулятор RTDS имеет функцию выполнения сценария, реализующую автоматическое проведение последовательности тестов. Симулятор RTDS может обеспечивать связь по протоколу МЭК
61850 для проверки устройств, совместимых с новым международным протоколом передачи данных. Множество схем противоаварийной автоматики основано на использовании данных, полученных устройствами измерения углов (PMU), описываемых стандартом IEEE C37.118. Модель PMU для симулятора RTDS была разработана на базе этого стандарта, поэтому новые схемы противоаварийной автоматики могут быть тщательно проверены в реальных условиях сети.
1.3. Моделирование больших энергосистем в режиме реального времени
Масштабное моделирование в реальном времени может оказаться чрезвычайно полезным для электроэнергетических компаний благодаря более подробному представлению работы сети, чем при стандартном моделировании устойчивости во время переходных процессах [6]. Модели энергообъектов, применяемые в комплексе, имеют гораздо более точную частотную характеристику (в диапазоне 0–3 кГц) по сравнению с традиционными моделями. Кроме того, моделирование электромагнитных переходных процессов в реальном времени обеспечивает более подробные представления установок силовой электроники (по сравнению с приближениями номинальной частоты), обратную связь в реальном времени, а также возможность взаимосвязи с физическими устройствами. Симулятор RTDS используется даже компаниями для обучения операторов [4]
Универсальные симуляторы реального времени используются для изучения работы энергосистемы при использовании активно-адаптивных сетей (ААС) и электростанций на возобновляемых источниках энергии.
2. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ RTDS
Аппаратное обеспечение симулятора RTDS основано на архитектуре параллельной обработки, предназначенной специально для реализации алгоритма моделирования электромагнитных переходных процессов, разработанного доктором Г. Дом- мелем (Hermann Dommel) [1]. В данном алгоритме используется интегрирование по формуле трапеций для преобразования интегральных уравнений в систему линейных алгебраических уравнений.
Благодаря модульному исполнению возможно моделирование различных по размеру энергосистем за счет добавления к симулятору модулей, именуемых кассетами. Каждая аппаратная кассета включает в себя как платы связи, так и платы процессора, которые связаны общей платой связи. Если сеть превышает возможности одной кассеты, её можно разделить на несколько частей путём разбиения сети на подсистемы. Каждая кассета отвечает за вычисления одной подсистемы.
В настоящее время максимальный размер сетевого решения составляет 72 однофазных узла. На од- ной кассете может быть смоделировано два сетевых решения. Если сеть имеет больше 72 узлов, её необходимо разделить на подсистемы; кроме того, если требуется два сетевых решения, моделирование должно быть распределено на разные кассеты. Каждая кассета имеет одну плату высокоскоростного интерфейса передачи данных между рабочими станциями (GTWIF), которая включает в себя каналы передачи данных между кассетами (IRC) . Каналы IRС представляют со- бой выделенные каналы связи 2 Гбод, которые обеспечивают обмен информацией между кассетами.
В дополнение к передаче данных в реальном времени по IRC каналам и часам синхронизации временного шага плата GTWIF также обеспечивает связь по Ethernet с компьютером пользователя, что дает возможность связи с графическим интерфейсом пользователя (GUI). Связь по LAN позволяет графическому интерфейсу пользователя воздействовать на смоделированную сеть (например, менять уставки, воздействовать на выключатель, инициировать КЗ и др.) и получать результаты во время моделирования в реальном времени.
Новые симуляторы RTDS основаны исключительно на платах процессора PB5, представляющих собой последнее поколение плат процессора, разработанных для целей моделирования. Платы PB5 также полностью совместимы с платами процессора прежнего поколения GPC. Каждая плата PB5 имеет два процессора PowerPC RISC, работающего с тактовой частотой 1.7 ГГц.
С самого начала комплекс разрабатывался с учётом необходимости физического подключения вторичного оборудования к модели, поэтому его компоновка как нельзя лучше подходит для решения подобных задач. Особое внимание уделялось обеспечению возможности обмена большим количеством сигналов без существенного повышения временного шага моделирования.
Платы GTIO принадлежат семейству плат ввода/вывода, разработанному для процессорных плат GPC и PB5. Платы GTIO подключаются к платам процессора посредством оптических каналов связи 2 Гбод и обеспечивают полную оптическую изоляцию от симулятора. Платы GTIO включают в себя аналоговый вход и выход с 16-битовыми преобразователями данных, а также цифровой вход и выход.
Для обеспечения высокой степени точности при моделировании быстродействующей электрон- ной аппаратуры, для которой требуется время от- клика порядка 1 мкс, было разработано специальное аппаратное обеспечение, алгоритмы и методы.
3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ RTDS
Программное обеспечение RTDS имеет несколько уровней. Нижний уровень представлен моделями компонентов (например, линии, трансформаторы, генераторы и т.д.), оптимизированных к режиму работы в реальном времени. За годы работы была создана и усовершенствована обширная библиотека компонентов энергетической системы и систем управления.
Высокий уровень программного обеспечения представлен графическим интерфейсом пользователя, так называемым RSCAD, который позволяет создавать, запускать, эксплуатировать схемы моделирования, а также фиксировать и документировать результаты.
Модуль RSCAD Draft позволяет создавать имитационные модели графически, путем копирования и соединения графических изображений компонентов из библиотеки. Параметры конкретного компонента могут вводиться посредством меню данных. После создания компоновки сети она компилируется для формирования имитационного кода, необходимого для работы симулятора. Сразу по завершении компиляции процесс имитационного моделирования может запускаться посредством блока RSCAD RunTime.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Цифровой симулятор энергосистемы в реальном времени производства RTDS Technologies претерпел значительные усовершенствования за последние десять лет и в настоящее время широко применяется в промышленности. С распространением и принятием технологии цифрового моделирования в реальном времени всё больше производителей, энергопредприятий и институтов используют RTDS для тестирования в замкнутом цикле систем защиты и управления, а также для масштабного моделирования в реальном масштабе времени.
В дополнение к традиционным вариантам применения существенная польза от RTDS есть и при исследовании новых направлений, таких как активно-адаптивные сети, возобновляемые источники энергии.
