二次仿真（精选6篇）
二次仿真 篇1
STK (Satellite Tool Kit) 是航天领域系统分析可视化工具, 可用于航天任务整个周期包括概念、需求、设计、制造、测试、发射、运行和应用等, 其可支援、防御和情报任务。卫星仿真软件在军事任务中体现出越来越多的优势, 比如有较真实的3D和2D场景显示、集成化的仿真模块等, 其分析仿真结果被大量实验证实, 应用领域广泛[1]。
1 STK二次开发仿真模型的建立算法
利用STK提供的高级可视化模块、姿态可视化、轨道机动分析、覆盖分析、链路分析、雷达分析、分布式交互仿真等模块化工具, 能够快速开发解决方案。将STK提供的二维和三维引擎STKX作为COM组件嵌入在用户软件中[2,3,4,5], 再利用STK提供组合命令与STK/X进行命令交互, 用STK提供的函数ExecuteeCommand (CString str) 向STK/X发送交互命令, 交互命令[6,7]可以在STK安装目录X:/STK9/Help/con-nect Cmds.chm中查找到。引擎交互模型如图1所示。
VC与STK引擎的数据交互, 主要提供用户应用程序与STK/X COM组件间建立数据交互链接。STK/X组件提供了数据驱动的接口, 可动态实时地根据数据来显示卫星模型的各种状态, 使用STK/VO组件, 按照组件的接口程序实现数据接收和发送, 并实时显示在STK提供的3D和2D引擎上。
(1) VC向STK/X传送数据接口。VC向STK/X发送数据, 主要利用STK/X提供的agstkxapplication类中的函数Execute Command () , 根据需要, 将命令和数据按照STK的命令格式组成字符串, 作为ExecuteeCommand () 的参数执行。
(2) STK/X向VC传递数据接口。为获取卫星在轨运行的实时数据信息, 需加入STK/X控件的消息函数On Anim Udate (double Time Ep Sec) , 其函数中的参数Time Ep Sec为当前历元。
1.1 测控几何计算方法
地面站与空间飞行器间的几何关系如图2所示, 空间飞行器在地球上的投影为星下点K。
测控地面站到空间飞行器间距离为d;地球半径为Re;地面测控站仰角为E;卫星俯角为α, 地面站T坐标 (x1, y1, z1) , 空间飞行器S坐标 (x2, y2, z2) , 则距离d、仰角E、卫星俯角α计算公式为
设地面站的经纬度分别为θL、φL;空间航天器星下点K的经纬度分别为θS、φS;其地星夹角为θ, 则有关系
方位角A的计算与地面站和航天器星下点的相对位置有关, 对于北半球地面站, 卫星在南偏东
卫星在南偏西
对于南半球地面站, 卫星在北偏东
卫星在北偏西
在计算距离、仰角和方位角时, 涉及到航天器星下点轨迹的计算, 相关公式为:星下点纬度
其中, i为航天器轨道的倾角;μ表示轨道面内升交点与航天器之间的夹角。星下点经度
其中, Ω为升交点赤经;为Greenwich平恒星时。
1.2 测控链路计算方法
(1) 链路余量计算。设上行链路为地-星链路, 下行链路为星-地链路。地面站的发射功率Pt, 发射增益Gt, 信道的码速率Rb, 自由空间的损耗Lfs, 发射设备的损耗Lt, 大气损耗和极化损耗为L∑, 接受方G/T值Gt/R, 波尔兹曼常数K, 接收设备损耗为Lr, 单位码元的信噪比为Eb/N0, 那么链路余量M的计算公式为
式中所有的参数单位均为d B, 波尔兹曼常数K≡228.6 d BJ/K, 地面测控发射设备损耗和空间飞行器接收设备损耗根据经验值设定, 大气损耗与链路的频率大小有关, 单位码元信噪比Eb/N0与发射/接收调制方式和误码率相关。自由空间的损耗Lfs可通过下式得到
式中, R为通信最远距离;λ为通信时的波长。
(2) 仿真模型中参数设置。利用STK的Access模块可以生成Access报告, 设置好地面测控站发射机的发射功率和频率, 空间飞行器的接收机设置好接收门限。
地面站需设置好地面站名字、地面站所在的地理坐标经纬度和高度、地面站测控天线的仰角、地面站发射天线载波频率、天线发射功率及天线接收门限值, 具体设置如图3所示。
卫星的基本参数设置界面如下, 需要设置的参数有卫星的轨道6参数、卫星上天线的载波频率和天线发射功率及门限值。
设置好地面站和卫星参数后, 在仿真时间内根据链路裕量计算公式可计算出地面站与卫星相距的最大与最小通视距离、接收对象的最小接收门限、发射对象的最小发射功率及对象间的门限裕量值。
2 测控链路仿真结果
利用STK提供的Access模块, 根据上述地面站和卫星参数设置, 加上地面站仰角限制参数, 计算出每个时刻地面测控站对空间飞行器的门限裕量, 并实时显示测控链路在仿真时间段内的测控覆盖范围。地面测控站Fac的测控范围2D视图如图6所示, 地面站覆盖区域的曲线是仿真时间段内卫星在2D等距圆柱视图中的投影。
仿真起始时间2014-7-1 04:00:00到仿真结束时间2014-7-4 04:00:00段内可视评估显示, 如图7所示。
测控覆盖率G=∑ (所有测控弧段-重叠测控弧段) /总测控时间 (13)
地面站Fac与卫星Sat1每隔1 s产生的AER (俯仰角距离) 报告如图8所示, 第1列是当前仿真时刻值, 第2列是俯角单位是度, 第3列是仰角单位是度, 第4列是当前时刻对应的距离。
3 结束语
修改地面测控站测控单个约束条件, 方便分析地面站约束条件对测控地面站与单个空间飞行器的可测控弧段或测控覆盖率的影响。利用地面测控站为空间飞行器提供测控数据, 从数据中看出其测控覆盖率较低, 可通过部署在不同地理位置的地面测控站组成的测控网来提高测控覆盖率。
摘要：在航空航天任务过程中, 测控覆盖率高就能提供实时、连续、可靠的信息支持。利用VC结合STK二次开发, 建立了测控链路仿真模型。软件利用STK/X模块较好的显示效果与Access模块计算、显示测控链路的余量和测控链路覆盖范围。针对不同的地面站部署, 可计算空间飞行器的测控覆盖率。实现VC与STK集成的二次开发可大幅节省了开发时间, 该仿真方法对测控系统的设计具有参考价值。
关键词：测控链路,STK二次开发,STK/X,仿真建模
参考文献
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智能变电站二次系统仿真技术探讨 篇2
随着智能电网战略的推进,基于IEC 61850标准的智能变电站自动化技术获得了快速发展,智能变电站与常规综自的最大差异在于二次系统基于变电站配置文件(substation configuration description,SCD)展开,这样为智能变电站基于模型的信息描述奠定了基础[1,2]。
本文基于智能变电站二次系统特征,探索智能变电站仿真技术应用机制。这对于在实验室环境下,基于SCD推演智能变电站二次系统的各种工况具有重大的实现意义。
1 概述
1.1 IEC 61850核心思想
作为智能变电站的支撑技术体系,IEC 61850标准的核心思想主要体现为:①利用变电站配置文件实现设备自我描述;②定义抽象通信服务接口,使功能独立于具体通信技术;③按照功能划分节点,用逻辑设备抽象物理设备[3],见图1。
1.2 二次系统基于SCD实现
智能变电站与常规综自系统的最大区别在于工程实施基于SCD,通过工程配置工具(system configurator)及智能电子设备(intelligent electronic device,IED)配置工具(IED configurator),完成二次系统信号关联的配置,其中SCD文件描述了:①变电站一次设备模型与电气拓扑信息;②功能视图——自动化功能在各间隔内的分配;③IED视图——IED能力描述;④通信视图 —— 通信配置信息; ⑤ 产品视图——IED视图中的逻辑节点(logical node,LN)与功能视图中的LN的映射;⑥数据流——IED之间的水平通信与垂直通信,见图2[4,5]。
1.3 逻辑节点通信具有可见性
IEC 61850标准定义的逻辑节点LN本身并不实现功能,但LN可以让与功能实现相关的输入、输出、定值、参数等在通信上是可见的,即逻辑节点使得:①“功能”的所有输入和定值都是可控、可设置的;②“功能”的所有输出都是可测量的[6],见图3。
2 IEC 61850通信机制
2.1 SV报文
IEC 61850标准用采样值(sampled value,SV)描述电流、电压模拟量,SV有两种采样频率:一种是80点/周,一种是256点/周,SV支持网络数据传输方式。由于每个以太网数据帧前面都有用于同步的“前导字节”,一般为8个字节,每两个以太网数据帧之间还会插入“间隙字节”,一般为12字节,带/不带VLAN标记等。用IEC 61850-9-2来分析数据流量。如果一个IED输出8通道采样数据,采样率256点/周波,每报文含8个采样点数据,频率50Hz,数据流量为12.6Mbit/s。如果采样率改为80点/周波,每报文含1个采样点数据,数据流量为5.47Mbit/s,见表1。
采用标准IEC 61850-9-2格式,优点是可以自由配置通道个数,缺点是数据帧长度相对于LE格式每个通道增加两个字节。SV属于时间驱动的数据通信方式,由于通信原因造成的报文丢失不重发。SV报文描述了电流、电压模拟量信号。
2.2 GOOSE报文
面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)机制具有优先级控制,提供高效率地实现IED与IED之间直接通信的可能。其原理是:当一个事件(event)发生时,GOOSE以间隔时间T1(如1ms)连续以广播方式发送2遍该信息,以后按照Ts=2N×s(N=0、1、2、3…for Ts<T0,s=1ms)时间间隔重复发送第N遍,并一直延续下去,重发时间间隔例如:s=500ms,见图4。
其中,T0为稳定状态下的再发送时间(长时间无事件发生);T1为事件后的最短的再发送时间;T2、T3为直至达到稳定状态的再发送时间。
GOOSE属于链路层协议, 采取多播模式,通过发布/订阅机制实现IED之间的对等通信,见图5,GOOSE机制体现为链路层面的P2P,GOOSE报文属于事件驱动型,有异步传输和随机性特征。
2.3 MMS报文
制造报文规范(manufacturing message specification,MMS)属于应用层协议,通过采取客户—服务器(client-server)方式实现数据通信,相对于常规综自的主—从(master-slave)机制,体现了更多的灵活性,可以任意定义为客户端或服务器,MMS客户—服务器机制体现为逻辑层面的P2P。MMS中的虚拟制造设备(virtual manufacturing device,VMD)可抽象描述一个实际制造设备的外部可见行为,使MMS与具体设备的内部特性无关。MMS主要描述告警、动作事件,并支持对于定值的调用。
3 仿真系统构想
3.1 系统架构
继电保护系统是一个响应输入条件(电压、电流或节点状态)的系统[7],当输入条件对应于保护系统设计动作的故障状态时,将提供相应的输出信号[7],发出GOOSE和MMS报文。因此,从描述保护系统输入相应的视角,对于保护外部特性的描述可以用GOOSE、MMS报文时序描述。仿真系统模拟的关键就是重现现场实际保护装置输出的GOOSE和MMS报文时序。采用这种仿真原理,仿真系统可以为站控层设备、后台监控系统等提供与现场实际保护装置完全一致的交互报文时序。
因此, 可以仿真系统技术推演,分析保护系统异常情况,判断保护系统缺陷。仿真系统架构示意图见图6。
由图6可知,仿真系统需要在线监测装置作为客户端,当导入SCD文件后,基于图模映射技术,可展示变电站单线图、二次系统连接关系及保护二次原理图等。其主要特点是在过程层中,原本常规变电站的二次电缆连接关系,可以基于SCD模型与GOOSE信号匹配机制,实现可视化展示。由于保护装置定值、连接状态(对应功能)变化、告警、动作等信息通过MMS网络发布。因此,在线监测装置可以针对GOOSE、MMS报文,完整展示变电站保护系统的运行状况,如功能投退、异常,及动作情况。
由此,系统构成需要具有仿真引擎,模拟发送GOOSE、MMS报文,以仿真保护系统在特定输入激励下的响应特性。
3.2 基于SCD解析
SCD文件描述了变电站一、二次连接关系,因此,仿真系统首先需要通过解析SCD文件,建立以间隔为单位的模拟信号发生机制,如基于间隔的物理连接图及间隔保护二次原理图构成镜像系统的基础,见图7。
在此基础上,依据SCD解析的结果,参照保护二次原理图进行模拟信号仿真,见图8。
3.3 报文发生器及仿真控制器
仿真系统需要模拟变电站内所有保护装置输出的MMS和GOOSE报文时序,因此,报文发生器是该仿真系统的关键技术之一。它能够在同一台仿真设备上同时仿真若干台保护装置的报文时序。
仿真控制器是仿真系统中的另一个关键设备,主要完成仿真案例的编辑、管理以及仿真任务的分配,可提供人机界面编辑保护系统输出的MMS和GOOSE报文内容和时序,并保存为仿真案例;管理仿真系统的节点机,并把全站保护装置的仿真任务分配到各个节点机,实现各个仿真节点机的自动配置等。
4 关键技术及效用分析
4.1 SCD模型完整性
仿真技术应用的基础是SCD模型描述的完整性,现阶段工程应用的SCD模型不完整,某实际工程SCD文件截图见图9。可以看出工程SCD文件没有变电站标签,缺乏一次设备模型,没有一、二次设备的关联信息,也没有过程层交换机模型。
因此,需要对SCD模型进行补充,实现一次设备建模,一、二次关联建模,按照实际系统配置完整的SCD模型。在此基础上,用在线监测装置,实现基于SCD完整模型的可视化展示。
4.2 报文仿真
由于智能变电站二次系统基于SCD文件,保护系统具有响应输入激励的特征,并可以通过GOOSE、MMS描述外部响应特性,因此,在实验室环境下具备了通过解析SCD文件,描述该变电站二次系统特征的可能。通过GOOSE、MMS模拟报文发生器,由在线监测系统接收模拟报文,与反映变电站特征的SCD模型进行匹配,就可以分析这种报文(体现为保护系统对于输入激励的外部响应)对于变电站可能带来的影响。
4.3 效用分析
基于SCD的仿真系统实际上可以搭建智能变电站二次系统离线分析平台,在这个离线分析平台上可以推演各种二次系统异常状况,采用可视化分析手段进行分析、推演。
智能变电站二次系统具有不可见特征,对于运行检修人员带来了新的挑战。仿真系统可以为运行维护技术人员提供培训平台。
仿真系统的另一个效用就是可以作为事故分析平台,利用事故中产生的GOOSE、MMS信号,模拟推演事故过程中保护及断路器的响应,实现事故分析过程的可视化。
5 结语
本文探索了智能变电站二次系统仿真模拟的关键技术。研究表明,智能变电站具备了基于SCD实现不同变电站二次系统仿真的可能性,这样,就可以在实验室环境下通过不同SCD文件,实现对于不同变电站二次系统运行状况的仿真演示,可为运行检修提供辅助技术支撑手段。
摘要：智能变电站SCD文件构成了二次系统的核心组成部分,SCD描述了变电站一次设备模型与电气拓扑信息、二次IED之间的信号关联关系、二次系统功能在各间隔内的分配,及IED中逻辑节点LN的映射。由此,基于SCD构成镜像系统成为可能。本文探索了基于SCD进行智能变电站仿真的关键技术,为智能变电站仿真技术应用提供了可借鉴的技术路径。
关键词：智能变电站,继电保护,SCD,仿真
参考文献
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二次仿真 篇3
1 ABAQUS的二次开发
ABAQUS的二次开发有多种途径, 以下主要介绍其中的4 种途径[1]:一是通过环境初始化文件改变ABAQUS的缺省设置;二是ABAQUS提供用户子程序接口, 借助该用户子程序接口可以进行新模型开发的参数化建模和分析, 通过自定义窗口界面控制ABAQUS的计算过程和结果;三是ABAQUS提供图形用户接口工具包 (ABAQUS GUI Toolkit) , 该工具包可以帮助用户创建交互式的窗口, 便于用户查看新创建的模型和参数信息。四是ABAQUS为用户提供了脚本的接口 (ABAQUS Script Interface) , 调入的脚本会直接访问程序的内核, 执行有限元分析的前处理建模、后处理计算分析和分析结果数据的查看。
1.1 用户子程序
在建模和有限元分析中, 用户会用到各种单元和求解器, 而在ABAQUS的数据库中, 为用户提供大量单元库和各类求解模型, 借助信息庞大的数据库, 能够为用户处理绝大多数问题。尽管如此, ABAQUS为了满足更多客户需求, 还为用户提供了大量的子程序, 为实现特定功能而创建合适的自定义模型。在科学发展日新月异的今天, 上述功能的应用加上ABAQUS彪悍的有限元计算分析能力, 为科研工作者提供了空前强大的有限元分析工具。
1.2 图形用户接口
ABAQUS为满足不同用户的需要, 设置了图形用户接口工具集, 此工具集允许用户创建或修改图形用户的接口。
1.2.1 工作原理
图形用户接口工作主要包含Kernel Process和GUI Process 2 个模块, ABAQUS通过这2 个模块之间的数据交互, 实现窗口界面内的人机交互功能。工作原理见图1。
软件程序内核包含的所有方法以及对象数据都可以让用户根据需要进行各种操作, 例如部件的模型创建和网格划分。内核程序被调用后, 会在GUI的底层独立运行, 借助这种功能, 在内核程序执行中出现错误时, 软件会及时将错误信息以对话框的形式呈现在用户面前, 方便用户对程序运行情况进行了解, 并对错误情况做出判断和修复。
1.2.2 涉及领域
ABAQUS GUI的使用涉及多个领域。
1) Python语言。ABAQUS的内核脚本和GUI的应用程序都是用Python语言编写的。具有Python语言基础的用户会快速准确地了解软件内容。
2) ABAQUS内核命令。对ABAQUS的所有操作都有对应的用Python编写的ABAQUS内核命令, 了解内核命令的工作模式对GUI有很大帮助。
3) 面向对象编程思想。 ABAQUS软件使用Python语言, 体现了面向对象的编程思想, 它是继面向过程编程思想后又一新的编程理念, 创建了类、派生类、类的方法、类的数据管理等新概念。
4) GUI设计。人机界面的设计是人们较关注的一个话题, 它为用户提供清晰明确的模型信息及分析信息, 复杂的应用程序将需要优良的GUI设计能力[2]。
1.2.3 脚本接口的二次开发
ABAQUS的输出结果数据包含分析步、分析步中一系列的增量步、场变量输出和历史变量输出。在ABAQUS中不同的对象模型都有其对应的数据类型。输出数据模型见图2。
上图所示的模型中, 包含模型数据和结果数据, 设置输出结果时需要指定输出范围, 用上述数据模型便可准确定位场变量的分布数据。图中的数据模型表示该类数据模型包含有一系列同类型的对象。单个模型表示单一的对象模型, 例如模型数据中的装配便是单一数据对象, 而其下的实体对象是一个类的对象, 它表示装配模型中所有部件集合的映射, 通常存在若干个, 每个部件集合的映射都包含对应的节点、单一对象模型、参考点位置等信息。在对ABAQUS进行二次开发时, 借助Python语言, 在严格的语言逻辑框架下, 对后处理程序控制。深入理解对象类型是ABAQUS二次开发中的关键要求[3,4,5]。
3 应用举例
某开锁器的结构, 见图3。
开锁器的两个小圆孔完全固定, 大圆孔允许沿圆柱轴线方向移动, 在图3 中一共有3 个尺寸参数:圆角1、圆角2 和磨损厚度, 在磨损厚度的标识处, 施加一个垂直于接触面的接触力, 此接触力以参数的形式供用户设置。默认值分别是:圆角1=1, 圆角2=3, 厚度变化 (-2~+2) =0, 最大接触力F=20 000 N。
在三维实体建模中, 为了保证角度变化时各边尺寸及相对关系不发生改变, 除了标注适当的尺寸外, 还必须施加一定的约束。给模型的两个销钉孔圆心处添加参考点, 参考点与相应圆边沿施加分布耦合约束, 在参考点上施加x、y两个方向的集中力载荷, 支上下宽边沿施加固支约束。基本模型建立后, 通过简单修改rpy文件可实现对磨损厚度的参数化建模, 程序代码为
上述程序中开锁器磨损厚度变化范围为-2~+2, 产生相应的模型文件、提交分析并得出分析结果。以图4 为某开锁器的S Mises磨损厚度等于0 时的应力云图[6,7,8]。
4 结束语
笔者叙述了用Python脚本对ABAQUS进行二次开发, 实现自动化创建、重复和修改作业, 以及访问ABAQUS结果数据库的原理与方法。以某开锁器为例, 当磨损厚度的变化范围在-2 到+2 之间时, 得出磨损厚度与S Max.Principal应力最大值之间的关联。
参考文献
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二次仿真 篇4
一、变电站二次技术需求趋势解析
要想对面向智能电网愿景的变电站二次技术需求进行分析, 必须了解变电站二次技术需求的主要趋势。智能电网建设作为一种较为先进的电力技术总体框架, 主要包含了四大电力系统, 它们主要是一次设备电力系统、二次设备电力系统、超导电力系统和智能化电力系统。下文主要探讨了于我国电力建设发挥在那的基础上, 结合我国、本地器电网工程建设和实际供应需求, 对相关的技术予以研究, 提高电网试点机构以及推广应用。
(一) 建立在IEC61850标准化基础上的设备趋势
传统的变电站的建设配置原理主要是依据一次主设备进行间隔配置, 主要包含继电保护系统、自动化电力设备以及状态监测系统。依托于这些配置, 变电站于运行过程中能够促进电力设备的运行, 很大程度上简化了运行过程和停电检修。随着技术和设备的不断更新换代, IEC61850作为新标准开始应用于智能电网的建设, 应用于该项技术, 不仅加快了变电站的标准化建设, 更是加速了基于各类二次设备进行科学建模和通信建设的信息交互进程, 这样于第一次在变电站内便完成的统一信息交互过程中, 二次设备融合也发展成为一种趋势。这样的全面融合是一种整个变电站内面向应用各类二次设备的融合, 在应用过程中, 该技术将电子式互感器及合并单元均悉数引入变电站的建设配置中以实现采样环节的融合, 而将智能操作箱引入其中则使开关量采集以及控制输出环节该两程序的融合成为了可能。二次设备的融合应用将该技术的应用领域推及至更大范围, 但是为推动单个保护装置或测控单元的合并使用提供坚实基础, 为数据的开发准备了必要的条件。
(二) 建立在站内高速局域网上的功能分布以及重构趋势的发展态势
一般情况下, 在现有变电站的建设过程中, 多将太网通信方式运用于监控系统及故障信息系统内部, 旨在通过太网的物理技术及通用型交换机形成满足变电站应用需求的功能分布局势。常规情形下, 太网物理基础为100M网络及上述所言的通用型交换机。而建立100M网络首先应当具备数字化变电站, 对于数字化变电站的建立, 尤其需要应用到IEC61850-9-2的采样值传输技术, 而后通过带宽计算以满足变电站应用需求, 但是于电网中, 现有的采样值传输技术难以满足变电站应用的需求。故而针对如此, 就需要对系统进行进一步强化, 选用SV报文信息的优先级传输技术及高端交换机。在电网建设过程中, 随着拖入成本的降低, 100M网络以及工业级交换机的价格不断下降, 价格的低廉性造成机器使用范围的不断扩大, 变电站内的通信将逐步过渡到一个完整的以太网架构上来, 由此通信架构的变化功能分布状态是符合电网通信构架分布的, 为电网通信构架分布和重构提高了可能性和可行性, 大大降低了变电站建设和最终投入运营的成本。在此过程中, 也对数字化变电站提出的更高要求, 即一次设备智能化, 二次设备小型化网络化, 自治自愈能力、智能保护等。
(三) 建立在电力调度数据网上的变电站功能的提升趋势
最近几年基于我国对于电网建设规模的不断扩大, 不仅为我们呈现出了无人值班的变电站和集控中心, 并且实现了驱动调度端EMS系统的进一步完善和健全。现今EMS系统系统更为关注图形、模型库等的建设和复用, 并以此为基础不断加强对整个电网自动化系统技术方面的分析和解析, 以期可以更为全面的保障系统运行效果, 实现全自动的识别和监控系统的建设和应用。
IEC61850面向对象的建模规定实现了信息的交互, 不过却存在无法解决电力系统中信息的维护工效的缺陷, 因此逐步推崇基于AGENT技术 (Agent技术的研究起源于分布式人工智能, 模拟人类的行为和关系、具有一定智能并能够自主运行和提供相应服务的程序。) 的综合自动化系统成为了提高电力系统应用水平亟待解决的课题之一。
二、设备和技术的发展引入测试需求
RTDS的实时数字仿真系统在电网设备式样中的运用是比较广泛的, 主要运用在电网二次设备的测试当中。RTDS实时数字仿真系统在数字化变电站和智能化电网当中都发挥了很大的作用。RTDS实时数字仿真系统主要对三个部分进行了测试。第一个部分是设备模型测试, 科学技术不断发展, 很多新型的电网设备也不断完善, 比如电流限制器等。实时数字仿真系统要首先建立起近似度比较高的等值模型, 然后在新型设备试验中进行保护原理的验证和电网设备的防护。第二个部分是数字化测试, 在数字化变电站当中, 存在二次设备, 因为其功能是不断分化的, 所以不断对试验量的输出和输入方式进行改善, 要采用网络接口卡, 进行传统测试模式到数字化测试模式的过渡。第三个部分是提升功能的技术测试, 很多二次设备功能都在不断提升, 比如主机保护功能、测控系统控制功能等。实时数字仿真系统在测试中也要完成相应的功能变化。
结语
综上所述, 随着二次技术和设备的进一步进展, 将RTDS技术应用于电网二次设备的动模试验等测试系统中, 将会促进实现智能化变电站建设。随着相关人员的对变电站二次技术的不断探讨, 设备研发人员一定能研发出促进电网长期发展的电力设备。
摘要：本文主要阐述了智能电网的概念及其建设现状, 并以此为依据分析了建立于IEC61850标准化基础上的电网次设备技术需求的趋势, 于此方案中提出了适当超前发展RTDS实时数字仿真仪 (Real Time Digital Simulator) , 等一些仿真能力于测试中的应用案例来阐明确保变电站二次技术安全顺利实施的设想。
关键词：智能电网,变电站,IEC61850,二次技术
参考文献
[1]李乃湖, 倪以信, 孙舒捷, 等.智能电网及其关键技术综述[J].南方电网技术, 2010 (03) .
二次仿真 篇5
随着现代技术的发展,超高压及特高压变电站在电力系统中处于相当重要的地位,更需要采用先进的二次设备对一次系统进行保护和监控[1]。近年来,一些多雷地区的变电站常发生二次设备被雷击坏事件,影响变电站的安全运行。因此,在对变电站二次设备,如继电保护、自动、远动、遥控、遥测装置、通信设备等弱电设备进行升级换代的同时,必须相应地研究解决变电站二次设备的防雷过电压保护技术措施,以保护变电站二次设备的安全稳定运行[2,3,4]。
1某500 kV 变电站2次雷击事故原因分析
针对广东某500 kV 变电站2次雷击事故进行分析。该500 kV 变电站建于众山环绕之间,处于雷击频繁的环境,几乎每年都要遭受雷电的危害,雷击事故常发生在5、6月份的雷雨季节。2005年5月的一天,该变电站遭受了雷击事故,雷电流入侵远动控制屏的二次回路,造成500 kV A 线5012和5013开关断控屏跳闸事故,严重威胁了该变电站二次系统的安全运行,造成了很大的经济损失。这次雷击事故之后,相关部门对该变电站交直流电源系统、通信系统、计算机实时监控系统、管理信息系统(MIS)、继电保护装置等进行了全方位的防雷及过电压保护技术改造[5]。
在这次防雷改造工程完工5个月后的某天,该变电站又遭受了一次雷击事故,该次事故造成 500 kV B 线5012开关单相保护动作且重合成功。同时后台监控机出现大量500 kV 部分遥测数据刷新,随后很快发现500 kV 部分遥测数据停止刷新。雷击事故之后,对该变电站接地电阻进行了实地测量,测试结果为0.13 Ω,满足变电站防雷接地规范要求。防雷改造措施也相当完善,各项数据均符合要求,结合其各级保护措施及接地铜网敷设情况,初步判断是该变电站二次系统等电位接地方式存在一定问题,造成雷击时二次装置两端存在一定电位差,由于二次系统中的电子及微电子装置耐过电压水平很低,一般只有100 V 左右,电位差使二次装置损坏,导致事故发生[6]。
2变电站二次系统接地方式分析
变电站二次设备接地方式主要有浮点接地、单点接地和多点接地3种形式[7]。
2.1 浮点接地
浮点接地是指将整个网络完全与大地隔离,使电位飘浮,是不接大地的一种悬浮方式。目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来,从而抑制来自接地线的干扰,地电位的变化对网络没什么影响,具有一定的抗干扰能力。要求整个网络与地之间的绝缘电阻在50 MΩ以上,绝缘下降后会出现干扰。这种接地方式的缺点是设备不与大地直接相连,容易出现静电积累现象,当积累的电荷达到一定的对地电压后,在设备和大地之间会产生具有强大放电电流的静电击穿现象,这是一种破坏性很强的干扰源。为此,在采用浮地方式时,应在设备与大地之间接一个电阻值较大的泄放电阻,以消除静电积累现象。
2.2 一点接地
一点接地,就是系统中所有的信号接地线只有一个公共接地点。通常低频电路采用单点接地方式。在低频电路中布线之间的杂散电感比较小,可以防止形成地线回路,避免通过地线回路的电流相互影响。一点接地又可分为串联一点接地和并联一点接地2种方式。
图1是典型的串联一点接地图,如图所示,各子系统通过一点与母线相连,避免了低频时的接地回路问题,但由于每个子系统的接地回路与其他子系统的接地回路有一部分重叠,因此一个子系统的干扰通过重叠的地线部分作用于其他子系统。电路电流 I1、I2、I3都经过阻抗 Z1、Z2、Z3,是电路1、2、3的共同阻抗,因此,电路1、2、3 的电位受 I1、I2、I3的共同影响,它们之间互相牵制。变电站内二次设备各装置的接地点经不同的接地线阻抗,造成相互间噪声干扰,一般不予采用。
并联一点接地如图2所示,各系统的接地线连接在一点g,该点再与主接地网相连。各设备电路
单元分别用各自的地线,最后并联于一个公共接地点。这种接地方式不存在各设备、电路单元之间的通过公共地线阻抗的耦合问题。在低频干扰下,a、b、c 3点和 g 点电位相同。由于这种接地方式的突出优点,目前,在国内变电站二次设备中被广泛采用。该500 kV变电站二次系统就是采用这种接地方式。
但是,这种接地方式在雷电流等高频干扰作用下,由于设备外壳与地之间存在杂散电容,接地线之间的电感耦合也随着频率的增高而增强。其等效电路图如图3所示。
2.3 多点接地
从图3高频等效电路可以看出,由于分布电感和分布电容的作用,有可能发生谐振,a、b、c 3点和 g 点电位不再相同,在二次设备上产生过电压。这种情况下,各个设备的接地点必须以最短连接线接到接地平面上,使串联阻抗减至最小,并将驻波减到最小。接地平面可以是设备的机壳或遍布整个系统的接地线。在比较大的系统中,还可以是设备结构框架或接地网,即所谓的多点短接线接地[8]。 接线图如图4所示。
3一点接地高频等效电路的ATP仿真分析[9]
在电磁暂态计算程序 ATP(Alternative Tran-sient Program)图形预处理程序中建立模型,仿真模型如图5所示。采用 Slope-Ramp 模拟通过避雷器泄漏到变电站地网中的雷电流[10,11,12],波形采用标准波形:2.6/50μs,幅值取10 kA。
经过计算机仿真,得到 a、g 2点之间的电压波形,如图6所示。
从图中可见,a、g 2点间可以产生最大约35 V 的电位差,此电位差作用在微电子装置上,由于微电子装置的耐压水平一般约有100 V,极易造成微电子装置的损坏,引起事故的发生[13,14]。
4结论
从以上分析可以得到,该变电站二次设备采用的并联一点接地方式虽然可以滤除一些低频干扰,但是在雷电流等高频作用下,存在着一定弊端。为了减少事故的发生,可以考虑采用高、低频混合信号接地系统,真正做到二次设备之间的等电位连接。并采取2点措施[15]。
a. 应在主控室、保护室、敷设二次电缆的沟道、开关场的就地端子箱及保护用结合滤波器等处,使用截面不小于100 mm2的裸铜排(缆)敷设与主接地网紧密连接的等电位接地网。
b. 在主控室、保护室柜屏下层的电缆室内,按柜屏布置的方向敷设100 mm2的专用铜排(缆),将该专用铜排(缆)首末端连接,形成保护室内的等电位接地网。保护室内的等电位接地网必须用至少4根以上、截面不小于50 mm2的铜排(缆)与厂、站的主接地网在电缆竖井处可靠连接。
二次仿真 篇6
关键词：VB+ANSYS,W型辐射管,参数化建模,有限元计算
0 引言
当被加热工件需要与燃烧环境隔离时,通常采用辐射管作为加热装置[1]。W型辐射管的工作原理是燃料在密封的辐射套管内燃烧,辐射管表面施加热后主要以热辐射的形式把热量传递给被加热工件,由于燃烧产物不与工件接触,所以不会造成燃烧气氛对工件的氧化或烧损[2]。辐射管在850℃——1080℃的高温恶劣环境下长期连续工作,在交变热应力和自重的共同作用下,易发生弯曲疲劳损坏及蠕变变形破坏,造成辐射管失效。辐射管由于应力破坏而导致的失效仍然是工业中一个备受关注的问题[3]。因此必须合理地设计辐射管的结构和改善管体的材质,优化辐射管管内燃烧状态等。
本文所述的W型辐射管采用ANSYS进行仿真力学行为仿真研究,这就意味着辐射管结构每发生一次变化,整个模型就要重新建立一次,大大降低了辐射管的开发研究效率。为了减少了不必要的麻烦,避免复杂的英文界面和繁琐的分析步骤对使用者的专业水平和分析经验提出比较高的要求,笔者利用VB与ANSYS的连接功能,将实际工程问题:W型辐射管的材料选取,参数化建模、加载求解以及结果显示的软件操作过程封装起来,建立了辐射管的快速设计和性能仿真分析软件平台。软件界面操作简单,直观,大大提高了设计辐射管的水平和效率。
1 关键技术
1 1 VB与ANSYS的接口问题
若实现VB与ANSYS的连接,需要用到VB的shell函数,该函数用于执行某个可执行文件,包括*.exe文件、*.com文件以及*.bat文件[4]。使用shell函数调用主程序的关键代码如下:
其中ANSYS140.exe为ANSYS的可执行文件,ane3fl为ANSYS产品的特征代码,代码产品ANSYS Multiphysics。-b代表ANSYS环境为Batch环境。-i代表输入,in.txt为输入的命令流文件,默认位置为当前VB的工作目录。-o代表输出,jieguo.txt为结果文件,默认环境为当前VB的工作目录。如果不希望输入以及输出文件在VB工作目录里,可以指定它们的具体位置,如代码:
1.2 ANSY中结果数据的提取和输出
要在VB里查看ANSYA结果图片需要在ANSYS的输入文件命令流里添加结果提取以及结果云图的输出命令。命令如下:
输出的第一张结果图片,名称为file000.jpg。当输出图片命令再次执行时,图片名称为file001.jpg.以此类推,每执行一次图片输出命令,图片编号自动增加1。
1.3 VB对ANSYS计算完成有否的判断
VB对ANSYS计算是否完成可以根据结果图片的生成与否来判断。当结果图片已经生成则说明ANSYS计算已经完成。代码如下:
在执行此代码之前必须清除已有的file000.jpg,保证现存的file000.jpg是此次ANSYS计算生成的新的图片,否则会造成判断失误。清除图片的命令流如下:
VB在执行shell函数时,有一个弊端,即有可能shell函数里的可执行程序还没有执行完成,就开始执行shell函数下面的语句,尤其是当可执行程序比较耗费时间时,这种情况时有发生,从而造成错误结果。为了避免这种情况的发生,在shell函数的下面添加如下代码:
时钟控件的作用就是延时,当延迟达到规定时间才会执行其以下代码,所以在判断结果文件的生成与否之前,先对shell函数进行延时,给其内部的可执行程序留下足够的时间。
1.4 窗体的调用
开发W型辐射管的专用软件需要多个窗体,比如材料参数输入窗体,参数化建模窗体,结果图片显示窗体。窗体之间的相互调用也是一个必须解决的问题。窗体调用使用load语句,具体代码如下:
2 工程实际应用
本文以W型辐射管为例,参数化建模并进行有限元分析。用户可以根据VB提供的界面一步步完成参数的输入,最后求解,并进行结果显示。界面如图1,图2,图3,图4所示。
3 结论
使用VB和ANSYS开发了W型辐射管的专用设计分析软件,为W型辐射管的进一步研究开发提供了便捷。一般的工作人员只要按照界面提示就可以轻松完成辐射管的材料选择以及参数化建模,并可观察到所建模型的有限元分析结果。软件界面非常简洁,直观,有效地提高了W型辐射管设计分析效率。
参考文献
[1]Mohammad A.Irfan,Walter Chapman.Thermal stresses in radiant tubes due to axial,circumferential and radial temperature distributions[J].Applied Thermal Engineering,2009,29(7):1913-1920.
[2]楼国锋,宋兴飞,温治.自身预热式燃气辐射管的数值模拟[J].金属热处理,2009,34(8):99-101.
[3]A.E.Segall,J.R.Hellmann,P.Strzepa.Experimental and analytical evaluation of the mechanical performance of a gas-fired ceramic radiant tube at steadystate[J].Tes.Eval,1990,18(8):250-255.