一、引言 電力系統(tǒng)對電力自動化設(shè)備的技術(shù)指標和產(chǎn)品質(zhì)量的要求已越來越高，各科研單位和制造廠家在科研上的投入也越來越多，其樣機的技術(shù)指標很高，但批量生產(chǎn)后很多產(chǎn)品的運行并不理想，這主要是在生產(chǎn)過程中調(diào)試、試驗和檢驗設(shè)備不夠全面所至。 不管是早期的晶體管，集成電路，還是現(xiàn)在的微機保護裝置，其傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式和調(diào)試方法基本上是一致的，一般采用包干制，從單板到整機調(diào)試在同一工位完成，這既影響產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，又難于批量生產(chǎn)，效率低，而整屏的出廠檢驗大都采用對單屏進行人工對線而不是對構(gòu)成的保護系統(tǒng)進行模擬運行環(huán)境下的各種試驗。 南瑞繼保電氣有限公司在生產(chǎn)質(zhì)量控制手段方面做了深入的工作，為確保批量產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，減少人為誤差因素，提高生產(chǎn)效率建立了高技術(shù)的全自動生產(chǎn)線。所有產(chǎn)品按模塊分解，形成流水作業(yè)，首先進行單模塊的自動測試，然后對整機進行自動試驗，這種全微機化單板測試儀和全自動微機整機試驗儀的研制成功并投入使用，不但大大提高勞動效率，而且從根本上改變了繼電保護生產(chǎn)調(diào)試的理念，杜絕了由人為因素引起的產(chǎn)品質(zhì)量問題。但是，采用這種方法只能對單個設(shè)備進行檢驗，確保單一裝置的產(chǎn)品質(zhì)量。 然而，電力系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，其自動化產(chǎn)品需經(jīng)組屏使用，對整屏僅僅采用人工對線是不夠的，為了提高整屏質(zhì)量，要求所有整屏在出廠前完成在運行環(huán)境下的各種試驗。當然，這種試驗可以通過建立各種物理動態(tài)模擬試驗室來加以實現(xiàn)，但是，建造各種動態(tài)模擬試驗室投資大、占地多、周期長、接線方式更改困難，而且也不能滿足對大批量產(chǎn)品進行試驗的要求。因此，研究一種投資少，體積小，接線方式更改方便，并能方便操作的實用化仿真系統(tǒng)顯得非常重要。 本文在認真分析南瑞繼保電氣公司生產(chǎn)的電力自動化設(shè)備和各仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出可以通過解算簡化的數(shù)學模型和采用波形回放技術(shù)來實現(xiàn)提供相應(yīng)的電力自動化設(shè)備測試用的仿真系統(tǒng)，完成各種電力自動化設(shè)備批量產(chǎn)品的出廠檢驗。 二、電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng) 數(shù)字仿真是一門集計算機科學、計算數(shù)學、控制技術(shù)及相關(guān)專業(yè)應(yīng)用的綜合學科。數(shù)字仿真是用描述真實系統(tǒng)/對象的數(shù)學模型來代替真實系統(tǒng)/對象進行試驗和研究的一種專門的技術(shù)。系統(tǒng)數(shù)字仿真具有獨特的靈活性、試驗的可控制和準確的可重復(fù)性及系統(tǒng)試驗的安全性和經(jīng)濟性等諸多優(yōu)點使得這門交叉學科在許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 1、電力系統(tǒng)數(shù)字仿真 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真是將數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)領(lǐng)域的分析、研究和試驗中，是系統(tǒng)仿真的一個重要分支。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真在電力系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用，按其功能分主要有兩種：一是用來對運行人員進行培訓的培訓仿真系統(tǒng)，培訓仿真系統(tǒng)主要分為：電網(wǎng)調(diào)度員培訓仿真系統(tǒng)、大型火電廠運行人員培訓仿真系統(tǒng)、變電站培訓仿真系統(tǒng)及教學用簡易培訓仿真系統(tǒng)。二是用來對各種電力自動化設(shè)備進行仿真試驗的實時仿真系統(tǒng)。 2、電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng) 電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真系統(tǒng)不但可以用以電力系統(tǒng)的仿真分析研究，它還可以提供電力系統(tǒng)一次設(shè)備，各類控制系統(tǒng)，各種電力系統(tǒng)自動化設(shè)備實時數(shù)字仿真試驗的閉環(huán)試驗環(huán)境。這類電力系統(tǒng)數(shù)字仿真器對它的實時仿真能力要求很高。它是由高速計算機及信號輸入輸出通道，結(jié)合被仿真系統(tǒng)的數(shù)學模型，實時仿真算法、良好的人機接口，并配以性能優(yōu)良的電壓/電流等功率放大部件的綜合組成。 文獻介紹的由加拿大RTDS技術(shù)公司研制的實時數(shù)字仿真器的實現(xiàn)。文獻[8]介紹了由加拿大IREQ研究所和TEQSIM公司開發(fā)的實時數(shù)字仿真器的實現(xiàn)。這兩種仿真器均擁有比較全面和詳細的電力系統(tǒng)元件模型，雖然具有通用性，但價格昂貴，操作復(fù)雜，不利于針對某種特定用途的使用。 三、一種新型電力系統(tǒng)自動化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng) 由于電力自動化產(chǎn)品對電力系統(tǒng)安全起著至關(guān)重要的作用，因此，總希望電力自動化產(chǎn)品在投入電力系統(tǒng)運行前在真正電力系統(tǒng)環(huán)境中進行各種考驗，在以前，這必須建立以真實物理原型的動態(tài)模擬試驗室，這些物理模型如發(fā)電機、變壓器、線路、斷路器等，體積大，價格昂貴，功率大，特別是真實的斷路器，壽命短，控制回路復(fù)雜，在實驗室，更改主接線困難，況且，一般來講只能建立單一的電網(wǎng)，而不能建立完全的變電站，因此這種動模試驗室一般用作新產(chǎn)品的開發(fā)階段的各種試驗，以驗證產(chǎn)品是否滿足設(shè)計要求，而無法用做大規(guī)模產(chǎn)品的出廠試驗。 為了完善電力自動化產(chǎn)品出廠前的各種試驗，依靠動模試驗室和傳統(tǒng)的試驗裝置是不行的，這就促使開發(fā)研制電力系統(tǒng)專用實時仿真系統(tǒng)。這種電力系統(tǒng)仿真可方便地構(gòu)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置參數(shù)，實時仿真被仿的電力系統(tǒng)在各種運行工況及故障情況下的動態(tài)行為。 1、新型電力系統(tǒng)自動化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)框圖 電力系統(tǒng)自動化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)主要面向工程應(yīng)用、其仿真設(shè)備較多，為了便于操作使用，盡量減少外圍設(shè)備和硬件構(gòu)件，充分利用微機技術(shù)和大規(guī)模集成芯片來完成仿真系統(tǒng)的設(shè)計。 2、后臺控制系統(tǒng) 后臺控制系統(tǒng)由PC機組成，主要為人機對話界面，包括仿真系統(tǒng)的模型、運行方式、各種操作、參數(shù)選擇、波形顯示及被試設(shè)備的動作信息等主要功能。后臺控制系統(tǒng)通過并行接口與前臺控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息的交換，并控制前臺系統(tǒng)的仿真運行。 3、前臺控制系統(tǒng) 前臺控制系統(tǒng)是仿真系統(tǒng)的核心部分，它接收后臺控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、操作指令來控制仿真試驗。通過光電回路接收被試設(shè)備的控制命令以及接收仿真系統(tǒng)斷路器、刀閘等一次設(shè)備的狀態(tài)命令，根據(jù)后臺控制系統(tǒng)中的各種仿真數(shù)字信號，通過D/A變換將仿真系統(tǒng)的模擬波形送至功率放大器帶動被試驗設(shè)備，并根據(jù)后臺控制系統(tǒng)的操作命令來完成各種仿真試驗。 4、功率放大器 功率放大器接收由前臺控制系統(tǒng)送來的模擬信號，通過功率放大輸出至被試設(shè)備及系統(tǒng)，它必須具有良好的線性度、穩(wěn)定性以及高性能的頻率特性。 5、模擬斷路器 模擬斷路器必須能模擬實際斷路器的所有功能，它的動作行為及主要功能要完成符合實際斷路器的情況，它根據(jù)仿真系統(tǒng)的操作命令或者根據(jù)被試設(shè)備及系統(tǒng)的動作命令來實現(xiàn)斷路的分合，并根據(jù)斷路器的位置狀態(tài)來改變仿真系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。 四、電力系統(tǒng)自動化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)一般設(shè)計過程 為了實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的最終目的，需要對仿真系統(tǒng)輸出的波形、開關(guān)量信號進行識別，以及對輸入的數(shù)據(jù)和各種信號進行適當?shù)奶幚?。根?jù)仿真系統(tǒng)的用途，完成各功能模塊和良好的人機界面的實現(xiàn)，因此，要得到最佳的仿真系統(tǒng)，第一步就是要確定系統(tǒng)的性能指標和信號處理要求。 第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進行高級語言的模擬，也稱作算法模擬，這種算法模擬主要是驗證算法的可行性。 第三步是設(shè)計實時仿真系統(tǒng)，實時仿真系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面。硬件設(shè)計首先要根據(jù)系統(tǒng)運算量的大小、對運算精度的要求、系統(tǒng)成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的微處理器芯片及外圍電路。軟件設(shè)計和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的微處理器芯片編寫相應(yīng)的程序，一般后臺系統(tǒng)采用高級語言編程。應(yīng)用這種方法，既可縮短軟件開發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實時運算的要求。 第四步是硬件和軟件的調(diào)試。 第五步是系統(tǒng)集成。 五、故障波形回放技術(shù) 由于仿真系統(tǒng)的開發(fā)目的主要是面向工程應(yīng)用，主要是完成南瑞繼保電氣公司電力自動化產(chǎn)品出廠試驗，因此為了節(jié)約開發(fā)資源，對有些仿真系統(tǒng)，沒有建立大型的數(shù)學模型，而是采用了另一種比較直接的方法，即從動模實驗室中直接錄取仿真系統(tǒng)所需的各種波形，然后在后臺系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)進行插值、平滑、同步等數(shù)據(jù)處理，通過前臺實時回放，功率放大等再現(xiàn)原仿真系統(tǒng)的試驗環(huán)境。 由于要確保仿真波形與動模采集波形的一致，因此在仿真數(shù)據(jù)的處理上盡可能地將非實時性要求的數(shù)據(jù)，作數(shù)據(jù)預(yù)處理，以提高系統(tǒng)的實時性能。 在故障波形的回放中，對故障錄波數(shù)據(jù)，根據(jù)錄波數(shù)據(jù)的特點和條件，有時需作各通道數(shù)據(jù)的同步處理，以保證回放時各通道數(shù)據(jù)在時步上的一致性，另外根據(jù)錄波數(shù)據(jù)的密度，以及回放時的采樣速率的差別，對于較低采樣速率的錄波數(shù)據(jù)，采用適當?shù)牟逯捣椒ǎ詼p少實時回放數(shù)據(jù)的計算要求。 六、幾種新型電力系統(tǒng)自動化設(shè)備數(shù)字仿真系統(tǒng)簡介 1、線路實時仿真系統(tǒng) 線路實時仿真系統(tǒng)是用簡化的精確數(shù)字模型來代替真實的物理原型，在建立系統(tǒng)模型時，考慮到只需要檢測線路保護，因此，將二端發(fā)電機模型用不同容量的三相電源代替，采用理想的匝比系數(shù)和漏抗的變壓器為△/Y接法，中性點接地；三相輸電線路用集中參數(shù)描述。這種仿真系統(tǒng)是利用高速并行處理系統(tǒng)，來解算方程式，經(jīng)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生負荷電流電壓和故障電流、電壓。 2、變壓器實時仿真系統(tǒng)　　 變壓器實時仿真系統(tǒng)是從動模實驗室直接錄取仿真系統(tǒng)所需的變壓器的各種波形，然后在計算機中對數(shù)據(jù)進行插值，平滑等處理，然后經(jīng)D/A變換來產(chǎn)生電壓和電流。 本公司還完成了母線保護、發(fā)電機保護、變電站仿真系統(tǒng)，這些仿真系統(tǒng)對本公司電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的試驗，取得了良好的效果 七、結(jié)束語 本文提出通過解算簡化的數(shù)學模型和采用波形回放技術(shù)來實現(xiàn)相應(yīng)的電力自動化設(shè)備的仿真系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、編程靈活、硬件及功能擴展方便等優(yōu)點，在工程化的應(yīng)用已起著非常重要的作用，但仍存在一些問題沒有得到很好的解決，例如如何產(chǎn)生較大短路電流（比如100安培），今后需進一步研究。