Источник: International Conference on Power Systems Transients (IPST2009) in Kyoto, Japan June 3–6, 2009
Эта работа представляет EMTP–RT, инструментарий, разработанный для применения с EMTP–RV — приложения для моделирования и анализа электромагнитных переходных процессов.
EMTP–RT позволяет пользователям совместно использовать единый, уникальный графический интерфейс пользователя (ГИП) для аппаратно–программного (АП) моделирования переходных процессов как в режиме on–line, так и off–line.
Возрастающая потребность в проведении АП моделирования в реальном времени ставит новые задачи перед пользователями классических офлайновых моделирований переходных процессов. Эти задачи включают требование для моделей,
чтобы они были автономными и распределенными между многими процессорами для достижения эффекта, требуемого для моделирования в реальном времени, причем дополнительные инструменты должны быть добавлены для визуализации
и синхронизации данных, а интерфейс так проектируется,
чтобы содержать HIL–интерфейс для связи моделей с фактическими аналоговыми и цифровыми сигналами.
Ключевые слова: в реальном времени, EMTP–RV, Графический интерфейс пользователя, EMTP-RT
I ВВЕДЕНИЕ
На рынке существует множество программных средств моделирования энергосистем, которые можно использовать при различных видах исследований, включая исследования потокораспределения нагрузки,
короткое замыкание, устойчивость, и переходные процессы.
Другие программные средства моделирования применяются для решения уравнений цепи в реальном времени и для того, чтобы соединять цифровые и аналоговые вводы / выводы
с физическим управляющим устройством, таким образом, обеспечивая точное моделирование FACTS, HVDC, фотогальванических систем или двигателей. Хотя большинство программных средств моделирования использует подобные модели и принципы моделирования,
каждое из них использует различные пользовательские интерфейсы моделирования и собственные форматы данных. Следовательно, это может создать множество задержек для пользователей, которые хотят использовать больше чем один инструмент, чтобы выполнять
различные виды исследований. Переход от одного инструмента к другому, как правило, требует тщательного ручного перевода данных. Кроме того, так как у каждого интерфейса есть свои собственные функциональные возможности, инженер будет вынужден тратить дополнительное время,
приспосабливаясь к новому оборудованию и изучая его.
Эта работа представляет программные средства, использующиеся в реальном времени, которые комбинируют два средства моделирования в одоном ГИП. Программные средства, использующиеся в реальном времени, позволяют пользователям EMTP–RV [1]
выполнить АП моделирование в реальном времени с моделями, ранее построенными только для офлайнового моделирования переходных процессов. Программные средства, использующиеся в реальном времени, — не просто переводчик данных, а они еще позволяют работать в реальном времени в ГИП EMTP–RV.
Следовательно, пользователи могут выполнить офлайновое и онлайновое исследование переходных процессов, используя уникальный интерфейс моделирования, без необходимости приспособления к новому программному обеспечению.
Моделирование в реальном времени требует платформы, которая позволяет параллельную работу по выполнению задач многих микропроцессоров, а также учет условий ввода / вывода. Платформой тренажера реального времени,
для работы с которой эти программные средства разработаны для работы, является eMEGAsim от Opal-RT Technologies [2] [3] [4]. eMEGAsim построен полностью из готовых (COTS) комплектующих аппаратного и программного обеспечения. Он использует QNX в качестве операционной системы в реальном времени, и исполнительный ПК,
построенный на двух процессорах Intel Quad–Core, производя вычисления мощностью восьмиядерного центрального процессора(CPU). Simulink [5], приложение для многодоменного моделирования и проект, моделирующий динамические и встроенные системы, а также связанная с ним библиотека SimPowerSystems [5],
используются для моделирования энергосистемы и управляющих устройств.
Платформа программного обеспечения RT–LAB позволяет распределенное моделирование в реальном времени моделей Simulink на 8ми ядрах процессора.
II ФАЙЛ С ОБЩИМИ ДАННЫМИ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ГИП EMTP–RV, EMTPWorks, полностью отделен от вычислительной машины. Определенные пользователем данные моделирования передаются на решающую программу EMTP–RV через текстовый файл, называющийся таблицой соединений.
Вычислительная машина EMTP–RV считывает и обрабатывает данные моделирования, составляет и решает уравнения моделирования и в установившемся и во временном интервале. Результаты моделирования потом выводятся в бинарный файл (см. Рис. 1 для общего обзора всего процесса).
Вычислительная машина EMTP–RV может также проводить исследования потокораспределения и частотных характеристик.
Рис. 1 — Главные компоненты программы EMTP–RV
Рис. 1 иллюстрирует основную архитектуру EMTP–RV. Другие функции, не показанные здесь, позволяют извлечение и замену объектов из EMTPWorks.
Также есть возможность передать сообщения от вычислительной машины в EMTPWorks.
Файл данных содержит все данные, требуемые вычислительной машине; параметры опций моделирования, а также подробности по проектируемым устройствам,
включая их тип, параметры и схему соединения. Файл данных EMTP–RV использует простой пользовательский формат, который приводит к быстрому записыванию и считыванию. Процесс формирования файла проходит очень быстро;
меньше чем за секунду, даже для больших моделей энергосистем с различными вспомогательными цепями. Файл данных не закодирован. Поэтому, он может быть прочитан и распознан внешними приложениями. Каждый компонент, присутствующий в конструкции
(блок моделирования), записан в текстовом файле, используя символьные строки с запятой, точкой с запятой и/или знаком равенства в качестве разделителей. Формат основан на идентификации объекта и разработан для быстрой дешифровки. Он включает иерархическое форматирование
для представления многоуровневых и скрытых ответвлений.
Рис. 2 — Новая таблица данных для интерфейса в реальном времени
EMTPWorks — пакет программ открытой архитектуры, который позволяет пользователям изменить формат и данные, содержащиеся в файле данных исследуемой конструкции. Это достигается с помощью специального скриптового языка, Report Script Language.
При использовании скриптового языка никакой компиляции не требуется, позволяя любому пользователю высокого уровня получить доступ к файлу, содержащему правила создания таблицы данных в EMTPWorks и отредактировать его, чтобы определить любой желаемый формат файла. Оригинал
содержит очень большое количество команд и предлагает свободу проектирования самых сложных форматов таблицы данных. EMTP–RT использует это свойство для создания общих данных файлов обмена, содержащих все данные о структуре EMTPWorks, которые потом передаются в моделирующее в
реальном времени устройство. Так как стандартный файл таблицы данных EMTP-RV содержит только данные, требуемые вычислительной машине EMTP–RV, несколько параметров должно быть добавлено предварительно до вывода данных на интерфейс реального времени EMTP–RT. Они включают данные про внешний вид устройства,
такие как положение, размер, и ориентация. Такие данные могут быть просто введены от объектов EMTPWorks. Получающийся общий файл таблицы данных между EMTP–RV и eMEGAsim напоминает стандартный файл таблицы данных, за исключением дополнительных данных, заданных для выполнения в реальном времени. Успех этого подхода
создает возможность использовать этот формат данных, чтобы позволить EMTP-RV использовать данные совместно с третьими лицами, предоставляя инженеру большую гибкость в выборе среды моделирования.
Рис. 2 показывает, как модель рассмотрения конкретного случая, разработанная в EMTPWorks, может соединяться с платформой реального времени. Та же самая модель может использоваться для того, чтобы провести офлайновые моделирования переходных процессов с EMTP-RV или исследования в реальном времени с eMEGAsim.
III МОДИФИКАЦИИ В ГИП ДЛЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
В дополнение к обработке результатов таблицы данных, к ним необходимо добавить определенные функциональные средства и библиотеки к EMTPWorks, чтобы проводить исследования в реальном времени. Это может быть сделано на пользовательском уровне без необходимости каких–либо значительных изменений.
A. Модель разделения и использования линий ARTEMiS
Модели реального времени работают в реальном времени с помощью распределения моделей через цели многопроцессорных исполнителей. Прежде, чем моделировать в реальном времени, модели больших энергосистем разделяются на различные подсистемы. Каждая подсистема решается одним процессором.
После первого разделения подсистемы параметры сигнала передаются с помощью совместно используемой памяти в том же самом исполнителе реального времени или через линии связи для сгруппированных исполнителей. Модель разделения вводит задержку передачи данных между эквивалентами подсистем, по крайней мере,
на один временной шаг. Например, величина напряжения, регистрируемая во время t в подсистеме #1,
будет доступна в подсистеме #2 во время t +Δt, где Δt – временной шаг моделирования. Чтобы сохранить точность и стабильность моделирования, модель энергосистемы не может быть разделена наугад.
В некоторых случаях правила разделения легко прослеживаются, в других случаях — нет. Это зависит от природы моделируемой сети.
При моделировании в реальном времени энергосистем обычно точкой разделения выбирают линию передачи, так как она вводит задержку распространения. Инструментарий в реальном времени использует элементы разъединения, предоставленные ARTEMiS, решатель в реальном времени для использования в среде Simulink/SimPowerSystems [6] [7].
Эта библиотека содержит существенные элементы разъединения для параллельного распределенного решения системы уравнений через многоядерные процессоры. Инструментарий в реальном времени позволяет пользователям щелкать правой кнопкой мыши на любой линии передачи в системе для определения точки разделения. Когда точка разделения выбрана,
программа автоматически разделяет модель энергосистемы и идентифицирует отдельные подсистемы, присваивая каждой определенный цвет и имя. Рис. 3 иллюстрирует, как каждая подсистема представляется определенным цветом в EMTPWorks. В процессе разделения инструментарий в реальном времени заменяет линии передачи EMTP-RV линиями разъединения ARTEMiS.
Естественно разъединение сделано с распределенными параметрами моделей линии и их свойственными задержками распространения.
Рис. 3 — Разделение схемы EMTP–RV на два процессора
Изученная сеть может быть также отделена на стороне управляющего блока логики. Естественные контрольные точки разделения — устройства, которые создают задержку между входом и выходом. В случаях, где модель не содержит линии передач или управляющего блока для разделения, пользователь может все еще отделить
модель по признаку. Однако эта операция автоматически введет задержку в сети, и, следовательно, ошибку в системе, или даже неустойчивость моделирования.
Существуют несколько исключений. Разделение модели может быть выполнена вручную путем замены индуктивности или шунта трансформатора и параллельных или последовательных конденсаторов распределенной моделью. Это позволяет решать уравнения параллельно. Однако такой подход, как правило, требует, чтобы у инженера
были большой опыт моделирования и экспертные знания. Воздействие каждой неестественной задержкой должно быть оценено пользователем. Сеть может быть разделена не только на высшем уровне проектирования, но также и в любой другой вспомогательной цепи.
B. Мониторинг и вход/выход
Инструментарий реального времени добавляет новые библиотеки в EMTPWorks, предназначенные для моделирования в реальном времени. Библиотека ввода / вывода RT- LAB содержит блоки, которые позволяют модели взаимодействовать с реальными аналоговыми или цифровыми сигналами, которые могут поступить из внешних аппаратных
устройств. В настоящее время поддерживаются карты ввода / вывода серии Opal–RT OP5110 FPGA. Свойства карт ввода / вывода на основе Opal–RT OP5110 FPGA: 10–наносекундные цифровые вводы / выводы, 1–микросекундные конвертеры и 2–микросекундный аналого–цифрвые конвертеры.
Другая библиотека под названием RT- LAB была добавлена, чтобы разрешить стандартные операции в реальном времени в EMTPWorks включая:
- запись данных в файл во время моделирования
- получение и накопление данных в реальном времени
- мониторинг переменных в реальном времени (включая эффективный временной шаг и число перегрузок).
C. Начальные условия
Начальные системные условия, включая контроль состояний и скоростей машины, могут быть предварительно вычислены в EMTP–RV и переданы на имитатор в реальном времени. Исследования установившегося режима и потокораспределения выполнены
с использованием решающего устройства EMTP–RV. EMTP–RV выводит найденные значения потокораспределения
(P, Q, V, θ) для каждой шины через файл HTML. EMTP–RT считывает данные и вычисляет параметры инициализации, требуемые для синхронных машин SimPowerSystems.
D. RT–СОБЫТИЯ
RT–СОБЫТИЯ [8], также разработанные Opal–RT, являются библиотекой Simulink, которая позволяет моделирование основанных на событии систем. Этот инструментарий решает проблему неточного моделирования в реальном времени с алгоритмами
фиксированного шага при использовании методов интерполяции чтобы скомпенсировать влияние событий, которые происходят между двумя временными шагами моделирования. Библиотека содержит 2х–уровневые и 3х–уровневые мосты IGBT(биполярный транзистор с изолированным затвором),
которые позволяют выполнять точное моделирование с большой частотой переключений при моделировании в реальном времени. Будучи запущен, инструментарий реального времени добавляет блоки библиотеки RT–Событий к EMTPWorks. Пользователи потом могут перетащить и оставить любой блок
RT–Событий в свой проект EMTPWorks. В настоящее время функциональность компенсации событий RT–Событий используется только при моделировании в реальном времени. Когда пользователь проводит офлайновое моделирование с EMTP–RV, блоки RT–Событий автоматически заменяются эквивалентными управляющими блоками EMTP–RV.
IV ИМПОРТИРОВАНИЕ ДАННЫХ EMTP–RV В СРЕДУ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Сначала из EMTPWorks EMTP-RV данные о сети должны быть импортированы в среду Simulink (см. Рис. 4). Соответственно, у каждого устройства EMTP-RV должен быть эквивалент в SimPowerSystems или в пределах других управляющих блоков Simulink.
Большинство блоков может находиться в обоих инструментах моделирования. Прежде, чем преобразовать модель исследования, EMTPWorks оценивает текущую схему и предупреждает пользователя, в случае необходимости, о любых существующих неподдерживаемых типов блоков или параметров.
Потом программа читает произведенный файл таблицы данных и находит эквивалент для каждого блока. Возможность синтаксического анализа таблицы данных EMTPWork включает алгоритмы, которые принимают во внимание рекурсивный аспект расчетной схемы, разрешая пользователям развить
модели на различных слоях (подсхемах). В случае необходимости, для каждого устройства EMTP–RT применяет преобразование, чтобы сделать подгонку данных модели из одного интерфейса в другой.
Наконец, одна модель сети Simulink/SimPowerSystems автоматически сгенерирована через определенную подсистему (центральный процессор). Модели готовы к моделированию в реальном времени, то есть: они содержат блоки ARTEMiS и соответствующий формат, требуемый платформой моделирования в реальном времени RT–LAB.
Рис. 4 — От модели EMTP-RV до моделирования в реальном времени
V ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ПРИМЕР
Демонстрационный пример — 23х–шинная сеть линий передачи на 500 кВ, которая в настоящее функционирует в Азии. Система состоит из семи генераторов по 1000 МВА, питающих 17 нагрузок по более чем 45 ЛЕП (см. Рис. 6).
Чтобы сделать сравнение результатов между EMTP-RV и тренажером в реальном времени, в этом демонстрационном примере не подключались никакие реальные аппаратные средства. Модель построена в EMTPWorks и разделена на
4 подсистемы. Каждая подсистема была назначена на один узел процессора.
Инструментарий реального времени EMTP–RT запущен, и сеть автоматически преобразована в 4 эквивалентных подсистемы Simulink/SimPowerSystems. Потом система была сведена в одну и загружена на исполнитель реального времени, используя RT-LAB. Система начала работать
в реальном времени с временным шагом 60 мкс.
A. Работа в реальном времени
Временной шаг 60 мкс — величина, определенная пользователем. Из EMTPWorks блок от библиотеки RT–LAB, под названием OpMotoring, был добавлен в каждую подсистему. Этот блок может контролировать различные параметры моделирования в реальном времени.
Это используется, чтобы контролировать фактический временной шаг, требуемый тренажером в реальном времени eMEGAsim для решения каждой подсистемы. Так, в этом примере, подсистема CPU1 связывается с другими ядрами процессора и решает за 15 мкс. Потом ядро процессора ожидает,
пока не пройдет остаток от определенного пользователем временного шага (еще 45 мкс). Этот определенный пользователем временной шаг включает коммуникационное время для обмена данными между процессорами.
ТАБЛИЦА I показывает результаты работы, полученные для каждого процессора. Оказывается, что некоторые процессоры используются больше чем другие. Если размер временного шага моделирования в реальном времени — существенная проблема, то есть две возможности для сокращения величины временного шага:
– разместить части Подсистем 1 и 3 на CPU1, сохраняя 4 CPU;
– разместить сеть на дополнительных CPU, так как на тренажере в реальном времени доступно 8 CPU.
B. Сравнение EMTP–RV офлайновых результатов и результатов в реальном времени
И офлайновая и он-лайновая модели одной и той же сети при работе используют EMTP–RT(используя ARTEMiS). Результаты сравниваются, совмещением измерений, проведенные в двух средах моделирования.
ТАБЛИЦА I
Рис. 5 — Шины B10, B11, и B12, представленные в EMTPWorks
Рис. 6 — Демонстрационный пример сети
Рис. 7 — Преобразование из EMTPWorks в Simulink
Во-первых, исследования потокораспределения и установившегося режима выполняются. Эти исследования выполняются, чтобы инициализировать переменные состояния модели и синхронных генераторов.
Данные о потокораспределении переданы в переведенную модель Simulink, автоматически инициализирующую генераторы SimPowerSystems. Для тестов по сравнению временного интервала на линии между шинами B10 и B11 реализовали трехфазное короткое замыкание (см. Рис. 6).
КЗ действовало 50 миллисекунд, пока напряжение на шине B11 упало до нуля. Визуализация при масштабировании для шин B10, B11 и B12 в EMTPWorks показана на Рис. 5. Соответствующая Simulink/SimPowerSystems (переведенная) сеть изображена на Рис. 7. Этот перевод является автоматическим.
Измерения мощности и напряжения сравнены по шине B11, когда происходит переходный процесс. Результаты представлены на Рис. 8, и Рис. 9. Результаты демонстрируют точность двух инструментов моделирования и выполнение преобразователя данных инструментария реального времени.
Рис. 8 — Измеренная во время процесса активная мощность на шинеB11
Рис. 9 — Измеренное напряжение во время переходного процесса в фазе А на шине B11
VI ВЫВОДЫ
Эта статья должна рассматриваться как эксперимент с возможностью переноса данных, использующий открытые понятия архитектуры для создания общего графического интерфейса пользователя как для офлайновых, так и для методов моделирования в реальном времени.
Такая концепция оказывает динамическое воздействие, экономящее время, для того, чтобы проводить усовершенствованные исследования, поэтому из такого же проекта возможно создать и выполнить моделирования в режиме реального времени.
Ключевые аспекты разработки программного обеспечения были идентифицированы и использованы для представленного развития. Это, главным образом, открытая архитектура, методы планирования для генерирования данных, методы планирования для автоматического размещения
и заполнения объектов при получении программного обеспечения, и методов для автоматического выполнения правил другой среды моделирования. Замечено, что в этой демонстрации также было возможно обновить полную диаграмму сети в получении приложения, которое является предельно возможным.