一、引言 電力系統對電力自動化設備的技術指標和產品質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，其樣機的技術指標很高，但批量生產后很多產品的運行并不理想，這主要是在生產過程中調試、試驗和檢驗設備不夠全面所至。 不管是早期的晶體管，集成電路，還是現在的微機保護裝置，其傳統的生產模式和調試方法基本上是一致的，一般采用包干制，從單板到整機調試在同一工位完成，這既影響產品質量的一致性，又難于批量生產，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成的保護系統進行模擬運行環境下的各種試驗。 南瑞繼保電氣有限公司在生產質量控制手段方面做了深入的工作，為確保批量產品質量的一致性，減少人為誤差因素，提高生產效率建立了高技術的全自動生產線。所有產品按模塊分解，形成流水作業，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調試的理念，杜絕了由人為因素引起的產品質量問題。但是，采用這種方法只能對單個設備進行檢驗，確保單一裝置的產品質量。 然而，電力系統是一個系統工程，其自動化產品需經組屏使用，對整屏僅僅采用人工對線是不夠的，為了提高整屏質量，要求所有整屏在出廠前完成在運行環境下的各種試驗。當然，這種試驗可以通過建立各種物理動態模擬試驗室來加以實現，但是，建造各種動態模擬試驗室投資大、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顯得非常重要。 本文在認真分析南瑞繼保電氣公司生產的電力自動化設備和各仿真技術的基礎上，提出可以通過解算簡化的數學模型和采用波形回放技術來實現提供相應的電力自動化設備測試用的仿真系統，完成各種電力自動化設備批量產品的出廠檢驗。 二、電力系統仿真系統 數字仿真是一門集計算機科學、計算數學、控制技術及相關專業應用的綜合學科。數字仿真是用描述真實系統/對象的數學模型來代替真實系統/對象進行試驗和研究的一種專門的技術。系統數字仿真具有獨特的靈活性、試驗的可控制和準確的可重復性及系統試驗的安全性和經濟性等諸多優點使得這門交叉學科在許多領域中得到廣泛的應用。 1、電力系統數字仿真 電力系統數字仿真是將數字仿真技術應用到電力系統領域的分析、研究和試驗中，是系統仿真的一個重要分支。電力系統數字仿真在電力系統已得到廣泛的應用，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，培訓仿真系統主要分為：電網調度員培訓仿真系統、大型火電廠運行人員培訓仿真系統、變電站培訓仿真系統及教學用簡易培訓仿真系統。二是用來對各種電力自動化設備進行仿真試驗的實時仿真系統。 2、電力系統實時數字仿真系統 電力系統實時數字仿真系統不但可以用以電力系統的仿真分析研究，它還可以提供電力系統一次設備，各類控制系統，各種電力系統自動化設備實時數字仿真試驗的閉環試驗環境。這類電力系統數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，結合被仿真系統的數學模型，實時仿真算法、良好的人機接口，并配以性能優良的電壓/電流等功率放大部件的綜合組成。 文獻介紹的由加拿大RTDS技術公司研制的實時數字仿真器的實現。文獻[8]介紹了由加拿大IREQ研究所和TEQSIM公司開發的實時數字仿真器的實現。這兩種仿真器均擁有比較全面和詳細的電力系統元件模型，雖然具有通用性，但價格昂貴，操作復雜，不利于針對某種特定用途的使用。 三、一種新型電力系統自動化設備數字仿真系統 由于電力自動化產品對電力系統安全起著至關重要的作用，因此，總希望電力自動化產品在投入電力系統運行前在真正電力系統環境中進行各種考驗，在以前，這必須建立以真實物理原型的動態模擬試驗室，這些物理模型如發電機、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，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品的開發階段的各種試驗，以驗證產品是否滿足設計要求，而無法用做大規模產品的出廠試驗。 為了完善電力自動化產品出廠前的各種試驗，依靠動模試驗室和傳統的試驗裝置是不行的，這就促使開發研制電力系統專用實時仿真系統。這種電力系統仿真可方便地構造系統結構，設置參數，實時仿真被仿的電力系統在各種運行工況及故障情況下的動態行為。 1、新型電力系統自動化設備數字仿真系統框圖 電力系統自動化設備數字仿真系統主要面向工程應用、其仿真設備較多，為了便于操作使用，盡量減少外圍設備和硬件構件，充分利用微機技術和大規模集成芯片來完成仿真系統的設計。 2、后臺控制系統 后臺控制系統由PC機組成，主要為人機對話界面，包括仿真系統的模型、運行方式、各種操作、參數選擇、波形顯示及被試設備的動作信息等主要功能。后臺控制系統通過并行接口與前臺控制系統進行數據信息的交換，并控制前臺系統的仿真運行。 3、前臺控制系統 前臺控制系統是仿真系統的核心部分，它接收后臺控制系統的數據、操作指令來控制仿真試驗。通過光電回路接收被試設備的控制命令以及接收仿真系統斷路器、刀閘等一次設備的狀態命令，根據后臺控制系統中的各種仿真數字信號，通過D/A變換將仿真系統的模擬波形送至功率放大器帶動被試驗設備，并根據后臺控制系統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送來的模擬信號，通過功率放大輸出至被試設備及系統，它必須具有良好的線性度、穩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，它根據仿真系統的操作命令或者根據被試設備及系統的動作命令來實現斷路的分合，并根據斷路器的位置狀態來改變仿真系統的拓撲結構。 四、電力系統自動化設備數字仿真系統一般設計過程 為了實現仿真系統的最終目的，需要對仿真系統輸出的波形、開關量信號進行識別，以及對輸入的數據和各種信號進行適當的處理。根據仿真系統的用途，完成各功能模塊和良好的人機界面的實現，因此，要得到最佳的仿真系統，第一步就是要確定系統的性能指標和信號處理要求。 第二步是根據系統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。 第三步是設計實時仿真系統，實時仿真系統的設計包括硬件設計和軟件設計兩個方面。硬件設計首先要根據系統運算量的大小、對運算精度的要求、系統成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的微處理器芯片及外圍電路。軟件設計和編程主要根據系統要求和所選的微處理器芯片編寫相應的程序，一般后臺系統采用高級語言編程。應用這種方法，既可縮短軟件開發的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統實時運算的要求。 第四步是硬件和軟件的調試。 第五步是系統集成。 五、故障波形回放技術 由于仿真系統的開發目的主要是面向工程應用，主要是完成南瑞繼保電氣公司電力自動化產品出廠試驗，因此為了節約開發資源，對有些仿真系統，沒有建立大型的數學模型，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所需的各種波形，然后在后臺系統中對數據進行插值、平滑、同步等數據處理，通過前臺實時回放，功率放大等再現原仿真系統的試驗環境。 由于要確保仿真波形與動模采集波形的一致，因此在仿真數據的處理上盡可能地將非實時性要求的數據，作數據預處理，以提高系統的實時性能。 在故障波形的回放中，對故障錄波數據，根據錄波數據的特點和條件，有時需作各通道數據的同步處理，以保證回放時各通道數據在時步上的一致性，另外根據錄波數據的密度，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據，采用適當的插值方法，以減少實時回放數據的計算要求。 六、幾種新型電力系統自動化設備數字仿真系統簡介 1、線路實時仿真系統 線路實時仿真系統是用簡化的精確數字模型來代替真實的物理原型，在建立系統模型時，考慮到只需要檢測線路保護，因此，將二端發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描述。這種仿真系統是利用高速并行處理系統，來解算方程式，經D/A數模轉換來產生負荷電流電壓和故障電流、電壓。 2、變壓器實時仿真系統　　 變壓器實時仿真系統是從動模實驗室直接錄取仿真系統所需的變壓器的各種波形，然后在計算機中對數據進行插值，平滑等處理，然后經D/A變換來產生電壓和電流。 本公司還完成了母線保護、發電機保護、變電站仿真系統，這些仿真系統對本公司電力系統自動化設備的試驗，取得了良好的效果 七、結束語 本文提出通過解算簡化的數學模型和采用波形回放技術來實現相應的電力自動化設備的仿真系統具有系統結構簡單、編程靈活、硬件及功能擴展方便等優點，在工程化的應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，例如如何產生較大短路電流（比如100安培），今后需進一步研究。