电力系统半实物试验仿真平台

1.1 监控|软件概述

监控|软件可与电气实时仿真器进行数据交换。监控系统汇集了数据采集、发送、控制、实时数据和图形显示等多功能于一体，由系统整体接线图及其控制部分和MMC控制部分两部分组成，允许系统逻辑及参数根据工程实际进行搭建。可以实现包括柔性配电网的各种电网形态正常运行状态下的实时仿真，并可以做一系列的倒闸操作，可以适用于柔性配电网日常教学任务以及进行多种实验。监控|软件界面示例如下图所示。

电能质量分析

图1 系统整体接线图及其控制部分

图2 MMC控制部分

1.2 监控|软件数据采集

数据采集模块接受的数据均为电气信息实时仿真器发出的实时仿真数据，由于系统根据工程实际搭建，所以数据采集模块得到的仿真数据具有实时性和工程背景。

1.3 监控|软件数据发送

数据发送模块可以将用户的操作通过发送模块发送给电气信息实时仿真器端。用户发送的数字量/模拟量数据在电气信息实时仿真器接收到之后进行数据处理，labview监控端没有数据处理权限，也就是说在labview端进行倒闸操作后由电气信息实时仿真器仿真后台判断能否进行倒闸操作，如果后台软件没有启动，那么labview端的一切操作将无效。

如果系统工作在IEC61850控制状态下，那么一切用户操作权限将归属于控制软件，labview中将无法进行用户手动的数据发送工作。

1.4 监控|软件人机互动

以有源配电网为例，监控|软件可实现常规人机互动，模拟量数据操作包含：

² 用户可以对风速、光照强度、MMC相位、MMC幅值进行用户手动操作。

² 在主线路部分中，风机图标下方拉动滚动条，向上可以增大风速，向下可以减小风速，风速数据将通过数据发送模块传入仿真器进行处理。

² 在主线路部分中，直流微网中的光伏电池下方拉动滚动条可以调节光照强度，向上可以增大光照强度，向下可以减小光照强度。

² 在MMC控制部分中，拉动MMC相位、幅值可以调节相应MMC的控制量。

图5 MMC控制

² 在主线路控制部分中，用户可以按下退出系统按键退出系统。

² 在MMC控制部分中，按下IEC61850控制按钮可以切换系统的控制模式。

2基于Windows的客户端软件技术方案

2.1 IEC 61850服务器软件设计

实时仿真器与监控系统满足IEC61850通信标准，基于MMS与IEC 61850的相关原理对适用于实时仿真器的IEC 61850服务器软件进行定制化设计。

2.2 模型建立

EC 61850标准的指导下，服务器软件中模型的生成也采用面向对象的分层建模方法，自上而下进行信息模型的建立：装有多个实时仿真器的实时仿真平台对应为服务器Server，每个用于仿真与数据交互的仿真器对应一个逻辑设备Logical Device，每个逻辑设备下有多个概况功能的逻辑节点Logical Node，每个逻辑节点下有多个描述数据对象的数据Data，每个数据Data下有多个数据属性Data Attribute，数据属性中又包含值属性、时间属性等。同时，MMS模型也采用面向对象的分层建模方法进行了虚拟制造设备、域、有名变量的建立，其中VMD中包含对象object、服务service、行为behavior等。因此IEC 61850标准直接将ACSI信息模型映射到MMS模型上，从而直接建立两者对象模型之间的映射关系，表1选取了部分对象信息表现它们之间的映射关系。

2.2 通信与映射构建

MMS通信采用客户端/服务器（C/S）模式，可以使用TCP/IP、TCP/IP或其他OSI通信协议集，通过区分客户端与服务器，使每一个客户端实例都可以向一个服务器发出请求，资源整合快，通信效率高。考虑到服务器与客户端之间连接的稳定性，选择将MMS协议置于可靠的TCP/IP通信栈上运行。由于实时仿真器在模拟大规模电网系统时采用TCP/IP与以太网结合的通信方式对外进行数据交互，故搭建基于“MMS+TCP/IP+TCP/IP+以太网”的通信架构以实现实时仿真器、IEC 61850服务器软件与IEC 61850客户端或设备的通信。

3 基于linux的客户端软件技术方案

3.1 软件架构

基于linux的客户端软件技术架构如图所示，支持用户多核并行计算。以用户4核电脑为例阐述客户端软件实现方案：CPU0负责控制进程，用于协调启动网络、处理和计算进程；CPU1负责网络进程，用于初始化Socket和等待网络计算数据，并计算结果发送出去；CPU2负责计算进程，用于客户大规模计算程序的执行，并将结果交付网络进程；CPU3负责处理进程，用于监视网口状态，及时将网络数据与各个进程实时交互。

3.2仿真器基础参数

满足实验教学中心设备远端监测与控制的应用要求。监测与控制对象可根据实验需要进行灵活配置，具有良好的可扩展性，软件采用组态软件。

★（1）图形界面能够对应物理动模系统组网方式的变化而灵活改变，

即采用组态软件。只有当图形界面与物理动模组网完全一致时才可以开

始试验；监控主站软件具有防误操作功能。

★（2）操作界面具有在图形画面上操作，有利学生对操作对象的理

解。

★（3）监控的实时数据库为开放式，系统建模及组网软件可对用户

开放，便于建立模型以及动态模拟系统和数字模拟系统接口。

（4）监控|软件，256 路输入输出通道，支持模拟量输入，模拟量

输出，开关量输入，开关量输出。

★（5）支持 MATLAB/simulink 建模，可在 MATLAB/simulink 环境

下搭建用户模型，与 MATLAB/simulink 无缝连接

  （6）故障录波功能

4、仿真器软件参数

4.1 监控|软件参数：监控系统可与仿真进行实时数据交互，具有不少于256路输入输出通道，支持模拟量输入18路，模拟量输出128路，开关量输入64路，开关量输出64路。监控|软件通道数可根据用户需求扩展。具有录波回放功能。

4.2  基于Windows的客户端软件参数：客户端可与仿真器进行实时数据交互，支持IEC61850规约；具有基于IEC61850规约的“四遥”功能。

4.3 基于linux的客户端软件参数：提供linux软件开发环境，支持分核与核心绑定编程模式，并与仿真器实时交互，交互带宽不低于500Mbs，可构成闭环系统实时运行。

4.4 建模软件环境：支持MATLAB/simulink建模，可在MATLAB/simulink环境下搭建用户模型，与MATLAB/simulink无缝连接。

4.5实时仿真器处理器具有4核心，处理器主频不低于3.2GHz，具有 6MB三级缓存，采用22纳米制作工艺，zui高TDP为77W。处理器支持双通道DDR3 1600内存。

4.6  实时仿真器接口板卡，模拟量输入18路；电压型信号输入，范围-10V-10V;模拟量输出18路,电压型信号输出，范围-10V-10V;；数字量输入64路，TTL电平；数字量输出64路，TTL电平。

4.7 实时仿真器通信卡，带宽要求1000Mbit/s，支持以太网通信规约

4.8实时仿真通信模板，模拟量输入18路；模拟量输出18路；数字量输入64路；数字量输出64路

5、软件具有的特殊功能

5.1具有21电平至513电平的模块化多电平换流器（MMC）模型,用户可进行子模块电容均压自定义编程和验证；多机并行计算模式下可支持3072个子模块的柔性直流输电仿真；

5.2具有直驱风机实时仿真模型，可进行风机启动、并网与控制的自定义编程和验证；

5.3 换流器模型具有常规控制模式和虚拟同步机控制模式；

5.4具有交流充电桩模型，用户可进行充电模式与控制的自定义编程和验证；

5.5具有直流充电桩模型，用户可进行充电模式与控制的自定义编程和验证；

5.6具有光伏发电模型，用户可进行zui大功率追踪与控制的自定义编程和验证；

5.7具有储能模型，用户可进行充放电控制的自定义编程和验证；

5.8具有交流微电网协调控制模型，可供用户参考并支持用户自行开发程序与编程；

5.9具有直流微电网协调控制模型，可供用户参考并支持用户自行开发程序与编程；

5.10具有柔性配电网完整案例，并提供协调控制模型，柔性配电网应包括至少4端MMC，包括交流微电网和直流微电网，包括风机、光伏、储能及充电桩等元件，可供用户参考。案例仿真系统可长期不间断运行（至少连续运行7天以上保持数值稳定），支持用户自行开发控制程序与编程验证。

主要技术指标：

实时仿真控制器型号  HBUREP100

1、额定数据

1） 额定电源电压: AC220V

2） 额定交流电压：相电压100/V

3） 额定交流电流：5A

4） 额定频率：50Hz

5） 半周波： 100In

6）实时仿真器机箱，仿真处理器具有4核心，处理器主频不低于3.2GHz，具有 6MB三级缓存，采用22纳米制作工艺，zui高TDP为77W。处理器支持双通道DDR3 1600内存。

2、装置功耗

1) 交流电压回路：  每相不大于1VA；

2) 交流电流回路：  In=5A时每相不大于1VA；In=1A时每相不大于0.5VA；

3) 零序电流回路:   1A；

4) 保护电源回路：  正常工作时,不大于12W；保护动作时,不大于15W。

5）实时仿真器接口板卡，模拟量输入18路；电压型信号输入，范围-10V-10V;模拟量输出18路,电压型信号输出，范围-10V-10V;；数字量输入64路，TTL电平；数字量输出64路，TTL电平。

6)实时仿真器通信卡，带宽要求1000Mbit/s，支持以太网通信规约

7)实时仿真通信模板，模拟量输入18路；模拟量输出18路；数字量输入64路；数字量输出64路

★3、可完成自动控制原理实验项目

实验一  典型环节及其阶跃响应实验

实验二  二阶系统的阶跃响应实验

实验三  控制系统的稳定性分析实验

实验四  系统频率特性测量实验

实验五  连续系统串联校正实验

实验六  数字PID控制实验

实验七  状态反馈与状态观测器实验

实验八  解耦控制实验

实验九  采样定理验证实验

实验十  非线性环节实验

实验十一 相轨迹实验

实验十二 离散系统稳定性分析

实验十三 系统根轨迹特性测量

  ★4、可开展的电力系统分析实验研究项目

实验一  电力系统潮流分析与调节实时仿真实验

实验二  电力系统对称短路实时仿真实验

实验三  电力系统不对称短路实时仿真实验

实验四  电力系统一次调频实时仿真实验

实验五  电力系统二次调频实时仿真实验

实验六  发电机调压实验实时仿真

实验七  无功补偿及调压实时仿真实验

实验八  电力系统暂态稳定实时仿真实验

实验九   电力系统稳定控制实时仿真实验

实验十  电力系统电压稳定实时仿真实验

实验十一 电力系统调度自动化实时仿真实验

实验十二 配电自动化实时仿真实验

★5、可完成的电力电子实验项目

实验一  单相可控整流半实物仿真实验

实验二  三相可控整流半实物仿真实验

实验三  单相有源逆变半实物仿真实验

实验四  三相有源逆变半实物仿真实验

实验五  无源逆变半实物仿真实验

实验六  交交变频半实物仿真实验

实验七  直流斩波半实物仿真实验

实验八  12脉波变流器半实物仿真试验

实验九 直流输电半实物仿真试验

实验十  晶闸管无功补偿装置半实物仿真试验

实验十一 模块化变流器（MMC）半实物仿真试验

★6、电力系统微机保护课程半实物仿真实验

实验一  电流保护半实物仿真实验

实验二  距离保护半实物仿真实验

实验三  纵联保护半实物仿真实验

实验四  自动重合闸半实物仿真实验

实验五  微机保护数字滤波实验

实验六  微机保护算法比较实验

实验七  变压器保护实验

实验八  发电机保护实验

★7、跨课程仿真实验

综合实验项目一： 《电力系统分析》与《自动控制原理》综合实验

综合实验项目二： 《电力系统分析》与《电力电子技术》综合实验

综合实验项目三： 《电力电子技术》与《自动控制原理》综合实验

综合实验项目四： 《电机学》与《自动控制原理》综合实验

综合实验项目五： 《电力系统分析》与《微机保护》综合实验

★可创新设计项目：

项目1：柔性配电网综合设计项目

包括的设计内容有：①光伏发电控制器设计；②充电桩控制策略设计；③交流微电网协调控制器设计；④直流微电网协调控制器设计⑤配电网潮流优化控制策略设计。

项目2：输电网潮流调节研究及关键装备设计

包括的设计内容有：①晶闸管型潮流调节装置拓扑设计；②潮流调节控制策略设计；③沿线变电站无功功率协调控制；④潮流优化算法研究与创新设计；⑤输电线路保护与控制系统设计。

项目3：混合直流输电工程及关键装备设计

包括的设计内容有：①模块化多电平变流器(MMC)建模与仿真；②晶闸管型换流器建模与仿真；③ 柔性直流阀控系统设计与仿真；④柔性直流极控/站控系统设计与仿真；⑤混合直流输电保护与控制系统设计.