RTDS的用户自定义建模方法及其应用

李佳曼

（广东电网汕头澄海供电局，广东 汕头 515800）

RTDS的用户自定义建模方法及其应用

李佳曼

（广东电网汕头澄海供电局，广东 汕头 515800）

基于电力系统实时数字仿真系统RTDS提供的自定义建模环境CBuilder，本文提出了电力系统元件的自定义模型设计方法，开发了C语言描述的算法、可视化的图形外观、组件化的功能的自定义元件模型，通过编译和封装，生成与RTDS自带模型相同执行效率的动态链接库。本文以IEEE型EXST1静止励磁系统为例建立起自定义模型，并通过搭建特定的电网场景对自定义元件和RTDS自带的模型分别进行闭环测试，测试结果表明系统在初始化过程、机端电压参考值阶跃过程、系统在大扰动情况等条件下两者外特性基本一致，验证了本文方法的正确性。

电力系统实时数字仿真系统；自定义建模；控制元件；闭环测试

近年来，随着我国电力系统迅速发展，规模不断扩大，新型元件及系统控制技术不断在系统中得到应用。包括新型调节和保护装置、新型高压输变电设备、发电机控制系统等设备的不断开发并投入运行，要求电力系统仿真技术能够灵活提供各种系统装置的模型[1]。仿真软件中的电力系统元件模型根据特定算法进行代码编写并封装起来，用户无法对其改动[2]。因此，当软件元件库中现有元件无法满足用户对新型一次、二次设备以及调控策略的实际仿真需要时，仿真软件有必要为用户提供一个统一的元件自定义建模平台，使其丰富仿真软件的模型，提高仿真能力和效率。文献[3]以某实际直流输电工程的线路行波保护为原型，提出了基于EMTDC/PSCAD的自定义建模方法及其在直流线路保护仿真中的应用。文献[4]针对大规模交直流电力系统机电暂态仿真时采用程序缺省的直流输电模型不能有效描述实际直流输电特性的问题，提出了基于PSASP的直流系统用户自定义建模。文献[5]提出了PSS/E常规动态仿真和扩展动态仿真两种方式的用户自定义建模的方法和步骤，并对励磁系统进行了自定义建模。

在各种电力系统仿真软件中，RTDS是国际上研制和投入商业化应用最早，使用最多、最广泛、可信度最高的电力系统实时数字仿真装置，其自定义建模功能模块CBuilder实现了用户对特定模型的需求。文献[6-7]基于RTDS分别开发了机电暂态仿真模块和空心线圈电子式电流互感器实时仿真模型。为更加高效、准确地在RTDS中进行自定义建模，本文对CBuilder的建模原理和过程进行了分析和介绍，并以此为基础建立自定义元件仿真模型。

1 RTDS-CBuilder自定义建模开发环境

CBuilder以类C语言为程序代码实现自定义元件功能。CBuilder平台自动与RTDS仿真程序以及用户模型库接口，用户自定义的类C代码通过元件直接嵌入RTDS主程序之中，无需对外部子程序进行编译及频繁的调用[8]。

CBuilder自定义建模平台主要包括绘图（Graphics）、参数（Parameters）、输入输出（IO Points）和代码编辑（C File Associations）等编辑环境。这些环境对自定义元件的外观、功能参数、输入输出和数学模型进行定义。其中在C FILE Associations 编辑环境所编写的model.c文件程序代码是自定义元件的核心所在，文件中STATIC、RAM、CODE等区域的代码定义并计算实现元件的相关计算。该文件编译成功后会自动生成执行文件，供用户调用。

2 RTDS-CBuilder自定义建模方法

根据CBuilder自定义建模平台编辑环境的特点，为简洁、规范地建立自定义元件，本文设计RTDSCBuilder的用户自定义元件开发流程如图1所示。

图1 基于RTDS-CBuilder自定义元件开发流程

CBuilder功能模块可建立电力系统元件和控制元件两类模型。在大部分仿真试验场景中，RTDS元件库中现有的电力系统元件已基本可以满足试验要求。而随着新型控制设备的快速发展，在RTDS系统中对控制元件进行自定义建模的需求也逐渐增加。较之电力系统元件，控制元件的程序代码较为简单，且无需参与网络求解，对仿真的实时性影响较小。因此，本文以发电机控制元件IEEE型EXST1静止励磁系统为例，介绍RTDS自定义建模的基本方法。

2.1 元件模型外观设计

IEEE型EXST1静止励磁系统的逻辑框图如图2所示。

图2 IEEE型EXST1静止励磁系统逻辑框图

由图2可知，该励磁系统有发电机母线电压标幺值Vpu、PSS输入Vs、励磁电流If等3个输入变量，以及一个输出变量励磁电势Ef。根据试验需要可以条件选择是否需要PSS输入变量。依据RTDS元件库中励磁系统的外观样式，在CBuilder的Graphics编辑环境中，本文设计IEEE型EXST1静止励磁系统的外观如图3所示。

图3 IEEE型EXST1静止励磁系统外观设计

2.2 元件参数设计

励磁系统主要包括电压测量与调差单元、放大单元、幅值限制单元等组成部分。由图2可知，IEEE型EXST1静止励磁系统内部的主要参数包括：滤波器时间常数Tr；发电机机端参考运行电压Vref；系统内部最大电压Vimax；系统内部最小电压Vimin；系统增益倍数Ka；放大器时间常数Ta；稳定回路时间常数Tb、Tc、Tf；稳定回路增益倍数Kf；换相电抗整流器负载因子Kc；输出最大限幅Vrmax输出最小限幅Vrmin。

由于发电机机端参考电压Vref为可调参量，需要根据电网不同的运行方式进行改变，因此，需要在C File Associations编辑环境中设置一个滑块控制变量Vref，使其可以在RTDS的用户实时操作监控界面RUNTIME中进行调用和设置。同时，将上述除Vref之外的内部参数在CBuilder的Parameters编辑环境中进行设定。另外，根据试验需求有必要设置系统名称、PSS选择变量、监视内部变量、处理器板卡资源分配等参数，具体如图4所示。

图4 IEEE型EXST1静止励磁系统参数设计

在上述参数设计并保存完后，参数会自动存储在该自定义元件的C File Associations编辑环境中，供model.c文件和model.h文件编辑和调用。

2.3 元件程序代码设计

由图2可知，IEEE型EXST1静止励磁系统内部主要包括限幅单元、惯性环节传递函数、实际微分环节传递函数以及加减单元等。其中两类传递函数在数学模型上表现为微分方程和代数方程的联立，而微分方程的解法对于元件程序的执行效率尤为重要。对于计算步长为微秒级的仿真来讲，采用显式求解方法既能保持数值的稳定性，也不必求解方程，减少计算量。因此，本文以惯性环节1/(1+sT)为例，分别利用欧拉法、改进欧拉法和EMTDC的梯形解法等三种显示求解方法对其进行编程，三种微分方程解法见表1，其中R、C分别为函数的输入与输出，T为时间常数，Δt为仿真步长。

根据以上3种方法的求解公式，本节分别建立惯性环节1/(1+sT)的自定义元件模型，并在RTDS/ Draft文件中分别对RTDS元件库自带模型和3个自定义元件模型输入频率为50Hz，幅值为0.8p.u.的三角波，各元件模型的时间常数统一设置为2s，仿真步长设为50μs，相对仿真时间为4s。对仿真时间在4s附近各模型的输出数据进行对比分析，见表2。

表1 惯性环节1/(1+sT)的微分方程解法

表2 各惯性环节模型3.998～4s仿真结果

从表2中可以看出，在仿真步长设置为50μs，仿真时间为4s时，3种算法所得的仿真结果前4位有效数字相同，仿真结果较为接近。相对而言，基于EMTDC算法的自定义元件，相比于采用改进欧拉法和欧拉法的自定义元件更接近于RTDS自带的传递函数模块的仿真结果。因此，本文采用EMTDC所提供的微分方程解法对IEEE型EXST1静止励磁系统所包含的3类传递函数进行求解，求解公式见表3，其中R、C分别为方程的输入与输出，T为时间常数，Δt为仿真步长。

另外，限幅单元和加减单元的编程方法较为简单，不再赘述。依据model.c文件格式要求，分别在STATIC、RAM、CODE等区域编写代码。由于CODE中的代码是在RTDS中实时执行的，所编写的程序语言应尽可能高效。例如无需重复计算的参数可在RAM区进行计算、CODE区应尽量避免除法、仅在CODE区应用的变量无需在STATIC区声明等。元件通过编译后即可在RTDS元件库中调用。

表3 EMTDC采用的微分方程解法

3 RTDS-CBuilder自定义模型测试

RTDS中现有的IEEE型EXST1静止励磁系统是已经过工程校验，符合工程实际的应用需求，用自定义模型与RTDS自带的模型进行对比测试，可验证本文自定义建模方法的正确性。而自定义元件和RTDS自带的模型在微分方程算法选择、各环节编程处理方式等方面存在差别。而从元件库中现有元件的源代码无法得知具体差别，因此本文主要从两者外部性能的差异进行比对。通过搭建特定的电网场景对自定义元件和RTDS的自带模型进行闭环测试，校验其外部特性是否一致。

本文利用DL/T 871—2004电力系统继电保护产品动模试验标准中500kV自耦变压器典型接线方式电力系统作为闭环测试系统。系统共有6个节点，包括发电机MACH1、无穷大电源SCR1、无穷大电源SCR2、500kV机端母线BUS1、主变高压侧母线BUS2、主变中压侧母线BUS3、主变低压侧母线BUS4，500kV机端母线BUS1和主变高压侧母线BUS2通过200km单回线路TL1连接。闭环测试系统网络拓扑图如图5所示。

图5 500kV自耦变压器典型接线方式

发电机MACH1的励磁系统IEEE型EXST1的典型参数见表4。

表4 IEEE型EXST1静止励磁系统典型参数(p.u.)

励磁系统的主要功能是为发电机提供励磁电源、稳定机端电压、发电机甩负荷时进行减磁、系统扰动时快速强行励磁、发电机内部故障时自动灭磁、发电机无功出力控制等。基于此本文从电压初始化和系统大扰动两种情况对自定义元件和Module进行闭环测试，测试的主要参量包括发电机机端电压Vpu、励磁电压Ef、发电机无功出力QMACH1等。

1）电压初始化过程

发电机从初始化结束到进入稳态的过程中，需要检验励磁电压的建立、机端电压的稳定过程等。试验录波数据图6所示为励磁电压，图7所示为机端电压，录波时间为20s。各图中虚线曲线为对自定义元件进行测试的结果，实线曲线为对Module组件进行测试的结果。

图6 初始化过程中励磁电压比较

图7 初始化过程中机端电压比较

如图6、图7所示，自定义元件和Module组件的励磁电压、机端电压两个参量的变化趋势基本相同。

2）系统大扰动

系统发生故障时，系统电压受到冲击，容易出现电压稳定问题。在发电机附近交流系统发生故障时，发电机端母线电压也受到扰动，该扰动信号作为励磁系统的输入量，使励磁系统进行动态调节，稳定系统电压。

本文设计如下试验场景：在系统进入稳定后，使得线路TL1主变侧的K1点发生故障持续时间为0.1s的三相故障，系统随即产生大扰动。试验录波数据图10为励磁电压、图11为机端电压，录波时间为5s。各图中虚线曲线为对自定义元件进行测试的结果，实线曲线为对Module组件进行测试的结果。

如图8、图9所示，自定义元件和Module组件的励磁电压、机端电压两个参量的变化趋势基本相同。

图8 大扰动情况下励磁电压比较

图9 大扰动情况下机端电压比较

3）仿真测试结果分析

本节对IEEE型EXST1静止励磁系统自定义元件和Module组件分别进行了外特性的闭环测试。在系统在初始化过程、机端电压参考值阶跃过程、系统在大扰动情况等条件下两者发电机机端电压Vpu、励磁电压Ef、发电机无功出力QMACH1等参量的变化过程基本相同。考虑到两者的传递函数算法选择、逻辑单元处理等差异，误差应在可接受范围内。因此，IEEE型EXST1静止励磁系统自定义元件基本满足励磁控制系统的试验要求。

4 结论

本文详细介绍了电力系统实时仿真软件RTDS的自定义建模模块CBuilder的建模方法和应用。依据电力系统控制元件的外观、输入输出和元件参数对其进行自定义设计。同时按照系统逻辑框图，对其内部传递函数和逻辑单元等利用类C语言代码进行编辑，从而得到该元件的自定义模型，并以IEEE型EXST1静止励磁系统为例进行了闭环仿真校验。试验结果表明，基于方法搭建的控制元件模型，能很好地实现模型的控制功能，满足用户对于特定模型的仿真需求。同时，该自定义建模模块具有良好的人机交互界面，所搭建的自定义元件模型具有易扩展、简洁、高效等优点。

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The User Define Component (UDC) Technology of RTDS and its Application

Li Jiaman
(Shantou Chenghai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid, Shantou, Guangdong 515800)

Based on the user define modeling environment CBuilder that power system real-time digital simulation system RTDS provides, this paper puts forward the method to design the user defined component. This paper develops the user defined component model which has the algorithm described by C language, visual graphics appearance, and the componential function, through the compilation and packaging, it generates the dynamic link library which has the same efficiency in the implementation of the own model of RTDS. This paper takes the IEEE type EXST1 static excitation system for example to build the User Define Component, and builds some specific grid scenes to test the user define component and the original component respectively. By comparison, the test results show that the external characteristics of the user define component and the original component are basically the same in the system initialization process, the terminal voltage reference value step process and in the conditions of the large disturbance. it verified the correctness of use defined control component based on CBuilder.

real time digital simulator; user define component; control componet; closed-loop test

李佳曼（1989-），女，硕士研究生，从事电力系统保护、控制与自动化研究工作。