仿真單元

簡要描述：GTFPGA仿真單元是一個可以安裝在機柜上的機箱（設(shè)備外觀如圖 3-12所示），機箱內(nèi)部包含一塊Xilinx Virtex®-7 現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）板卡，通過光纖連接到NovaCor機箱后方的光口上。GTFPGA仿真單元作為RTDS實時數(shù)字仿真器的拓展硬件設(shè)備，為RTDS仿真系統(tǒng)提供了更強大的仿真計算能力。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)用場景，

產(chǎn)品型號： GTFPGA

所屬分類：電力仿真

更新時間：2024-12-17

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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)模的擴大對動模實驗室的要求逐漸提高。電力系統(tǒng)物理動態(tài)模擬試驗是根據(jù)相似原理，按比例縮減實際電力系統(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)的過程和實際系統(tǒng)中的過程相似，并且具有相同的電氣特性。動模實驗室的建設(shè)初期需要花費大量的時間，對系統(tǒng)總體規(guī)模和元件模型進行設(shè)計規(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)不同的動態(tài)模擬試驗需求，對動模設(shè)備的要求與種類逐漸多樣化，在開展試驗前期需要進行大量的準(zhǔn)備工作，包括根據(jù)試驗需要設(shè)計選擇系統(tǒng)模型的具體參數(shù)，模擬元件模型之間的連接組合和動模系統(tǒng)的集成。因此，隨著數(shù)字仿真和離線計算軟件的日益成熟，全數(shù)字實時仿真逐漸成為對現(xiàn)代電力系統(tǒng)的試驗研究、測試與驗證的重要手段之一。
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候，方程的解只在離散時刻進行計算，而不是連續(xù)時刻的解。兩次計算方程解的離散時刻之間的時間間隔被稱為步長，表示為△t。所有表示電力系統(tǒng)模型的方程必須在每個步長中進行計算。對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*計算機，每個步長的計算也需要花費很長時間才能完成，所花費的時間可能是幾秒，幾十秒甚至幾分鐘。這種情況的仿真被稱為“非實時"或“離線"運行模式。然而，如果計算機能夠連續(xù)執(zhí)行并完成每個步長時間內(nèi)所需的計算，所用時間小于或等于一個仿真步長，那么這種情況下的仿真可以稱為實時仿真。如果系統(tǒng)能夠進行實時仿真，并且與外部世界在固定的時間間隔（時間間隔等于系統(tǒng)的仿真步長）進行數(shù)據(jù)交換，這種實時仿真可稱為“硬實時"。
基于PC計算機的電磁暫態(tài)（非實時）仿真軟件一直廣泛運用于電力系統(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的電力系統(tǒng)模型案例，模擬各種系統(tǒng)運行工況和故障，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，對電力系統(tǒng)控制保護裝置和新型電氣設(shè)備的基本原理和性能指標(biāo)進行試驗研究成為了實驗室的主要研究方向。綜合物理動模和全數(shù)字仿真的特點，基于物理和數(shù)字仿真模型的混合式仿真系統(tǒng)成為實驗室建設(shè)新的發(fā)展趨勢。

RTDS實時數(shù)字仿真器是一個全數(shù)字化系統(tǒng)，能夠?qū)崟r并連續(xù)地運行，并通過Dommel算法對電力系統(tǒng)進行電磁暫態(tài)模擬。通過配套軟件和定制化硬件相結(jié)合的方式，RTDS實時數(shù)字仿真器可以實現(xiàn)步長從1.5微秒至50微秒的多速率系統(tǒng)仿真。RTDS實時數(shù)字仿真器的操作系統(tǒng)是按照實時要求設(shè)計研發(fā)的，保證了仿真過程中的“硬實時"，也就是說，仿真過程中不允許任何的計算超時發(fā)生。

RTDS實時數(shù)字仿真器的硬件設(shè)備采用模塊化設(shè)計，用戶可以根據(jù)實驗室規(guī)模隨時擴展RTDS仿真系統(tǒng)的計算能力以及I/O接口數(shù)量。實驗室的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RTDS仿真機箱中最多可以激活10個授權(quán)核），二是增加更多的RTDS NovaCor仿真機箱（chassis）。結(jié)合目前的硬件設(shè)計，RTDS仿真系統(tǒng)可以支持包含多達144個仿真機箱的聯(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)實驗室仿真系統(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實時數(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單、高效。RSCAD軟件提供了一個圖形用戶界面（GUI），可以幫助用戶更加直觀的操作使用RTDS實時數(shù)字仿真器，其中包括仿真系統(tǒng)的建立、系統(tǒng)的運行操作和控制、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)以及保護和自動化元件模型。這些模型均由RTDS技術(shù)公司的研發(fā)團隊開發(fā)和測試，在教學(xué)、研發(fā)、測試和實際工程中廣泛運用并加以驗證。同時，根據(jù)RTDS的廣大客戶在日常工作使用中得出的經(jīng)驗與建議，對RSCAD軟件不斷地進行改進和完善。
RTDS實時數(shù)字仿真器是一個集設(shè)計、研究和測試于一體的理想工具，通常用于對物理裝置的保護和控制方案的測試和驗證。RTDS實時數(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，可以與物理的保護和控制裝置進行閉環(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實時數(shù)字仿真器可以在對操作運行人員、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。事實上，RTDS實時數(shù)字仿真器為與電力行業(yè)相關(guān)系統(tǒng)的模擬和測試提供了新的方法和技術(shù)優(yōu)勢。因為RTDS實時數(shù)字仿真器是實時且連續(xù)運行的，它能夠很大程度的模擬真實電力系統(tǒng)的運行方式與系統(tǒng)響應(yīng)特征。RTDS實時數(shù)字仿真器為測量設(shè)備、保護繼電器和控制器等設(shè)備提供了一個模擬的且接近真實電力系統(tǒng)的環(huán)境。在這個實驗平臺中，用戶可以配置、操作和運行各種電力系統(tǒng)模型，研究被測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、安全性好、結(jié)果直觀等特點。經(jīng)過大量實踐驗證的電磁暫態(tài)模型，保證了其數(shù)學(xué)模型的計算精度和合理性，加上經(jīng)典Dommel算法的精確性和穩(wěn)定性以及現(xiàn)代計算機設(shè)備的強大計算處理能力，為數(shù)?；旌鲜椒抡婧腿珨?shù)字實時仿真提供基礎(chǔ)條件，成為高性價比的電力系統(tǒng)模擬試驗選擇。基于模塊化多電平換流器（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）和針對行波保護測試應(yīng)用的模型建模、小步長頻率相關(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實時數(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，針對不同應(yīng)用所提供的仿真能力拓展進行詳細的介紹與說明。GTFPGA-MMC仿真單元
針對MMC-HVDC系統(tǒng)，系統(tǒng)模型的運算處理工作分為兩部分：交流系統(tǒng)及高層控制系統(tǒng)部分的運算工作由現(xiàn)有RTDS實時仿真器NovaCor承擔(dān)，MMC換流器部分的運算工作由GTFPGA仿真單元承擔(dān)，可以實現(xiàn)對于MMC-HVDC系統(tǒng)的閥控和系統(tǒng)控制策略的仿真模擬。對系統(tǒng)中MMC換流器的仿真模擬時，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)議接入實際的控制器進行閉環(huán)測試。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實時仿真系統(tǒng)模型的成功建模有利于工程可行性論證、技術(shù)重難點解決和物理控制器測試等工作的開展，為實際工程的順利投產(chǎn)提供技術(shù)保障。
RTDS實時數(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機箱內(nèi)的授權(quán)核中進行計算仿真）和基于FPGA硬件的模型（在GTFPGA-MMC仿真單元上實現(xiàn)模擬）。下文中將對基于FPGA硬件的MMC換流器模型進行詳細介紹。
Generic Model （GM）模型：
• 每個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
• 每個橋臂的MMC閥模型最大支持768個子模塊，支持的子模塊拓撲結(jié)構(gòu)包括半橋、全橋、混合橋、改進的CDSM和阻尼子模塊。
• 若每條橋臂子模塊數(shù)量小于128個，單個GTFPGA仿真單元支持最懂為6條橋臂的MMC閥模型同時運行。
• 子模塊參數(shù)可統(tǒng)一由用戶自定義設(shè)置。也支持對同一橋臂中所有子模塊單獨設(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同時開通）、同一閥段中相鄰子模塊的短路、MMC直流側(cè)正極/負極母線對地短路、MMC直流側(cè)正負極母線間短路、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。
• 每個橋臂的MMC閥模型最大支持512個子模塊，支持的子模塊拓撲結(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實時數(shù)字仿真器提供16個通道的數(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，樣本間的抖動小于1μs。
當(dāng)基于IEC 61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)采樣時，GTFPGA仿真單元支持16個通道的數(shù)據(jù)流，每個數(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個采樣點/周期（1 ASDU）或者256個采樣點/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個通道的數(shù)據(jù)流，每個數(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個采樣點/周期（1 ASDU）、96個采樣點/周期（1 ASDU）或者4800Hz（2 ASDU）?；蛘?，GTFPGA仿真單元可以支持最多為16個通道的數(shù)據(jù)流，每個數(shù)據(jù)流可以包含9路SV采樣數(shù)據(jù)，采樣頻率為256個采樣點/周期（8 ASDU）或者14400Hz（6 ASDU）。當(dāng)GTFPGA仿真單元在IEC61869-9模式中時，采樣數(shù)據(jù)可以由用戶自定義，包括電壓、電流和時延信號。根據(jù)中國國標(biāo)，時延信號為合并單元SV采樣數(shù)據(jù)中的第一個通道。
GTFPGA-SV仿真單元需要使用GTSYNC時鐘同步卡來同步SV采樣值的時標(biāo)信號。
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ST光纖接口。與PB5板卡連接使用時，每一對可以分別發(fā)送和接收4個32位的控制字。與NovaCor chassis連接使用時，每一對可以分別發(fā)送和接收最多3組，每組可包含16個字節(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，可以為RTDS實時數(shù)字仿真器提供更強大的電力電子實時建模仿真能力。GPES的開發(fā)初衷是為了提供一個高度靈活的仿真運算平臺致力于電力電子的仿真應(yīng)用。基于這個仿真拓展平臺，用戶可以使用獨立元器件搭建自定義的電力電子拓撲結(jié)構(gòu)。GPES在專用的FPGA硬件（GTFPGA仿真單元）上運行，能夠與RTDS仿真器硬件并行仿真并運行高密度計算，因此，用戶可以使用更短的仿真步長并實現(xiàn)對自定義拓撲結(jié)構(gòu)的實時仿真。GTFPGA-GPES仿真單元上最多可以支持仿真128個節(jié)點和256條支路。GPES支持的仿真步長最小為235納秒，實際系統(tǒng)中所需的最小仿真步長由電路結(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，表示為電容與電阻串聯(lián)；當(dāng)開關(guān)閉合時，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年開始運用于RTDS實時仿真器的處理器中的小步長建模環(huán)境，在硬件計算資源有限的情況下，可以對電力電子應(yīng)用中的高頻開關(guān)動作進行有效仿真模擬，并且保證仿真過程中的“硬實時"。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來實現(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試基于行波保護原理的繼電器，實現(xiàn)對行波測距和保護裝置之間的閉環(huán)測試的仿真模擬。GTFPGA-TWRT仿真單元在RSCAD軟件中使用獨立的元件庫，其中包括傳輸線、電纜、串聯(lián)補償、故障、斷路器、無源支路和可控電壓源等，仿真步長范圍為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繼電器測試的TWRT固件外，還可以通過TLINE固件用于多達12個頻依特性的小步長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時仿真步長為3.3微秒。當(dāng)使用GTFPGA-TLINE仿真單元時，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行，傳輸電路或者電纜模型將使用FPGA硬件平臺進行并行計算處理。