产品研发
基于云端的电力系统机电暂态全数字实时仿真系统
一、概述：
电力系统实时仿真系统，通常的定义是能外接物理装置，形成实时闭环计算的数字仿真系统，例如RTDS或ADPSS等。这类数字仿真系统由于定位为科学研究和解决工程问题，其仿真模型全部或部分采用电磁暂态的仿真模型，由于计算量大，只能采用专用硬件计算设备来达到实时计算。因此这类仿真系统并不适合大规模普及应用的教学工具。
传统的电站仿真培训系统，受制于数字仿真技术，通常只能满足用户关于电站的操作培训的需求，而仿真数据通常要求大致相象即可，不作严格要求。这些特点限制了用户通过该系统进一步学习和研究的空间。
电力系统机电暂态仿真，由于电网采用准稳态模型，仿真时步的步长相对于电磁暂态仿真大大增加，因而机电暂态仿真程序实现实时运行及监控数据的实时显示基本没有了难度。即便对于大型水电站，包括了辅机系统及详细水力系统的机电暂态仿真以及控制和保护系统的完整的电站仿真系统，也有可能在普通PC机上实现实时运行。
基于电力系统的机电暂态实时仿真程序所给出的实时数据，我们可以进一步开发该电力系统的监控装置。由于设备绘图软件例如北京图王的visual graph等已在电力系统监控软件的设备画面方面做得非常逼真，因此可以开发出非常逼真的电力系统仿真机。这种仿真机不仅仿真数据达到机电暂态的级别，各种监控装置的画面、操作流程、功能等都能和实际的装置做到完全一样。因此学员在这样的仿真系统上接受培训和在实际的电力系统上接受相关的培训已基本没有什么区别，在这样的仿真系统上培训合格将基本上具备直接上岗的条件，从而大大缩短初、中、高级技术人员的技术培训时间，大大提高培训质量。
电力系统作为一个复杂的物理系统，没有人能脱离初期的照着说明书步骤操作从而学会对整个电力系统的运行和操作。例如电站、变电站中各种复杂的监控装置、保护装置等，其操作和运行非常专业、非常复杂。对于这种复杂的物理系统，一定是要经过反反复复的实验和操作学会操作并领会所学的理论知识的。而学生们恰恰缺乏这样一种合适的教具来满足动手操作和实验的需求。真实的电力系统由于其绝对的安全性考虑，不可能接受任何培训，而一名合格的能独当一面的运行人员需要经过多少年’传帮带’的培养?
目前的电力系统综合实验装置，是采用物理模型模拟了一个很小的电力系统，初步解决了学生在学校阶段能够亲身接触到一个电力系统的问题，但这种物理模拟的电力系统实验装置还远远达不到让广大学生在一个’电力系统’上进行实验和学习的需求。而数字仿真是解决这一问题的良好途经。一个包括了控制，保护及完整的一次系统及逼真的设备画面的电力系统机电暂态实时仿真系统是非常接近一个真实电力系统的。一个真实的电力系统包含了电力系统专业的所有知识，而这种机电暂态实时仿真系统不能包括电磁暂态的相关知识，但这样一种数字仿真系统足够培养一名合格的运行人员，其所包含的知识点已经包含了电力系统分析，继电保护，电力系统自动化等核心专业课程。
并且，令人注意的是，由于这样一个逼近真实电力系统的数字仿真系统能够在普通PC机上运行，因此该仿真系统能做为一种教具普及到每一名学生手中。而基于此仿真系统开发的自动测评功能，顺理成章地实现了相关实验课程教学的自动化和信息化。
产品开发理念是：在这种仿真系统上培训合格就具备独立在与该仿真系统对应的电力系统上进行实践操作的能力。目前，我们以WDT-IIIC实验台所示电力系统为实例开发了这种机电暂态实时仿真系统，后面我们会以各种不同类型的真实电力系统为实例开发这种仿真系统，从而满足电力系统从业人员当然包括我们学生的电力系统实践和实验的需求。
二、实验室架构
基于云端的电力系统机电暂态全数字实时仿真平台架构：
2.1学生用户端
用户需下载安装“云端电力系统综合自动化仿真实验平台客户端安装包”。客户端实现电力系统机电暂态仿真的实时计算及监控操作和显示。客户端电脑为普通PC机，采用Windows平台，win7以上系统（如需求也可采用xp系统）。
2.1.1 软件登录
双击PSSimuClient快捷图标
图2.1 客户端登录界面
2.1.2 主界面
登陆成功后，会进入主界面。
图2.2 客户端主界面
以 WDT-IIIC实验台为例，双击其图标，进入下图的WDT-IIIC实验台界面。
图2.3 WDT-IIIC实验台界面
2.1.3 实验流程
第1步：在程序运行菜单下加载某项实验初始工况（以并列实验的整定频差允许值为例）：
第2步：点击“系统启动”，系统开始运行。这时学生可以自主做实验。
第3步：如需开始正式实验（出实验报告的实验），需接着点击“开始实验”
第4步：弹出该实验还需具备的初始工况。学生应按照提示，操作系统使满足这些要求
第5步：实验工况满足后点击“开始实验”按钮，将会弹出实验步骤的提示
第6步：根据实验步骤的提示做完实验后，点击“实验报告”菜单下的“填写实验数据”按钮，填入实验数据。
第7步：实验数据填完后，可点击“实验报告”按钮菜单下的“生成实验报告”按钮
第8步：生成的实验报告
2.2教师管理端
2.2.1登录网址：http://www.pssimu.com
图2.4 教师管理端登录界面
2.2.2主界面
图2.4 教师管理端主界面
在教师管理端，老师可以选择班级，对学生的实验情况进行监控。观看学生的实验进度情况、得分情况、登录情况，根据所了解的情况可以针对性地对某些学生进行提醒。实验完毕可导出学生的实验成绩，并录入教务系统，也可与教务系统集成自动录入教务系统。还可导出班级的实验报告供存档。
图2.5 自动生成的班级实验报告
2.3云端服务区
云端服务器采用阿里云等，在服务器上部署“电力系统综合自动化实时仿真平台后台管理系统”。管理系统不仅实现学生登录及权限的管理，也实现学生实验过程数据及实验项目自动测评及实验报告自动生成等数据的管理。
三、实验内容介绍
实验内容包括但不限于传统的电力系统综合自动化实验课程所开设的以下近50个实验项目，实验功能非常强大。实验范围涵盖电力系统分析，继电保护，电力系统自动化等专业课程的大多数知识点。
3.1实验项目：
同步发电机组的手动准同期并列实验、半自动准同期并列实验、偏离准同期并列实验；准同期条件整定的整定开关时间实验、整定压差实验、整定频差实验；停机实验；励磁实验的它励恒uF方式起励实验、它励恒IL方式起励实验、它励恒a方式起励实验、并网后它励恒Q方式实验、并网后它励恒uF方式实验、并网后它励恒IL方式实验、并网后它励恒a方式实验、负荷调节实验、灭磁实验、伏赫限制实验、强励实验、欠励实验、调差系数测定实验、零调差实验、正调差实验、负调差实验、过励磁限制实验；稳态实验的单回路对称运行实验、双回路对称运行实验、非对称运行实验；电力系统功率特性和功率极限实验的单回线无调节励磁实验、双回线无调节励磁实验、单回线Eq<Ux实验、单回线Eq>Ux实验、单回线他励恒Q实验、双回线他励恒Q实验、单回线他励恒U实验、双回线他励恒U实验;暂态实验的单相短路实验、两相短路实验、两相短路接地实验、三相短路实验；负荷实验；复杂运行实验及调度自动化实验等。
3.2其他功能
基于这种机电暂态仿真程序的继电保护的仿真，基本能反应所有电气故障后电网上各种继电保护的动作原理，因为这种机电暂态的仿真程序在普通PC机上实现实时计算的步长可小于0.02秒，基本保证了所有保护的动作时限需求。
以电力系统保护装置的培训为例。电力系统中各种保护的动作原理均能在这样的仿真系统中得到实现。例如在传统的实验装置上所做的保护实验：1、微机线路保护简单故障实验；2、微机线路保护装置距离保护实验；3、微机线路零序电流保护实验；4、线路的差动保护；5、重合闸实验等等。
另外实际系统中各类保护装置的功能及操作也基本都能在这样的仿真系统中被完美地模拟出来。如国电南自的DGT801U 系列数字式发电机变压器组保护装置等。
图3.1 YHB-A型微机保护装置
以支撑电力系统理论课的教学为例，以电力系统机电暂态实时仿真仿真为基础的仿真机，可以很方便地对电力系统的各种正常工况和异常工况及各种操作下的动态过程进行仿真，从而为课堂上的理论课教学提供良好的案例。
下图为电力系统功角失稳进入异步振荡的仿真：
图3.2 电力系统功角失稳的异步振荡
下图为发电机转子摇摆振荡过程的仿真曲线：
图3.3发电机转子摇摆振荡过程
四、优点
电力系统是人类历史上最庞大最复杂的机器，即便是一个小型的电力系统，其动态过程也非常复杂。因此，模拟一个真实的电力系统，通过电力系统综合实验来认识他非常必要。物理实验台上的电力系统综合实验的局限性，例如场地、安全、可维护性等因素以及电力系统及其监控装置操作的复杂性决定了一般学生仅靠课堂实验是难以取得实验效果的。针对这个问题，我们以WDT-Ⅲ以及PS-5G所示的电力系统为对象开发的全数字实时仿真机不仅采用精细的模型模拟了电力系统一次部分，而且精细地模拟了监控装置（例如保护装置、并列装置、励磁装置、调速装置等，包括了各监控装置面板的按钮、显示及内部的控制逻辑、控制算法等）。该仿真机可方便地下载并安装到个人电脑上试用，完全可以实现原物理的实验装置上的实验项目。其额外的优点是：1、通过internet终端的PC机就可以进行电力系统综合自动化实验；2、自动生成实验报告和实验成绩，大大提高了教学效率；3、辅助电力系统相关理论课的教学，讲授理论课时将活的电力系统案例搬到课堂；4、能够很方便地为学生乃至大众提供专业的电力系统实验机会。