實時數字模擬（Real - Time Digital Simulation）簡稱RTDS ，是數字仿真技術、計算機技術和並行處理技術發展的產物，它不僅具有數字仿真的特點，而且更重要的是並行處理技術的採用和專門硬體的設計保證了 RTDS 運行的實時性和具有閉環測試的能力，可以在 50 μS 的步長上完成較大規模電力系統的實時仿真運行。
基本介紹
- 中文名：實時數字模擬
- 外文名：Real - Time Digital Simulation
- 簡稱：RTDS
- 實質：並行計算機系統
- 發展：計算機技術、並行處理技術等產物
- 套用：電力生產等
簡介,現狀,數字模擬,實時系統,實時數字模擬方法,替換法,歐拉法(矩形積分),離散模擬法,硬體結構,雙處理器卡（TPC卡）,工作站接口卡（WIC）,層間通信卡（IRC）,套用領域,
簡介
實時數字控制、實時數字模擬與一般非實時數字模擬的要求是有差別的，後者不受時間的限制，允許在可能的範圍內儘量減小步長，增加計算時間，以保證被模擬系統的穩定和達到較高的模擬精度；但是在實時控制或實時模擬中，由於時間上的限制以及數字機運算速度有限，要求在規定時間內完成全部運算，因此首先要著眼於模擬方法的快速性和穩定性。一些經典的數值方法往往不能滿足這方面的要求，它們不僅計算的工作量大，而且步長加大到一定程度後就會出現不穩定，即使處於臨界狀態，系統可以穩定，其模擬精度也是很差的。
現狀
常用的模擬工具大多為非實時的模擬程式。對於這些運行在數字計算機上的模擬程式來說，其限制在於：為計算被模擬系統1s的回響大多要花費數分鐘乃至幾小時的時間。這種非實時的模擬速度不能滿足與外部物理控制設備和保護裝置進行實時互動試驗的需要。通常，人們藉助於模擬模擬器(如物理動態模擬設備)或者某種專門設備將非實時的模擬結果進行回放來進行外部物理控制設備和保護裝置的測試。
模擬模擬器價格較貴，運行費用也較高，往往需要花費較長的時間對一個研究項目進行研究，因此，模擬模擬器在當今世界並未受到很大的青睞。若用回放原理的設備作為試驗手段，由於其自身技術上的弱點，其套用上的局限性是顯而易見的，它需要較長的時間去準備所需的模擬結果而且不能實現閉環試驗。實時數字模擬器最主要的優勢則是可以實時運行，並集中了數字模擬軟體和模擬模擬器的優點。
實時數字模擬系統( RTDS)的出現是計算機技術、並行處理技術和數字模擬技術發展的產物。RTDS本身具有許多重要特點：首先，並行處理技術的採用和專門設計的硬體保證了RTDS運行的實時性，RTDS可以運行在50μs級的步長上實時模擬較大規模的電力系統；其次，RTDS用來模擬電力系統各元件的模型和模擬算法是建立在已獲得公認的當代使用面較廣的電磁暫態分析軟體包的標準技術的基礎上。
為了使用戶集中精力進行模擬研究而不必多費心於如何操作模擬器，RTDS提供了運行在通用計算機工作站上的友好的圖形化用戶界面，稱為PSCAD，它包含的主要功能模組有：允許用戶方便地建立被模擬的電力系統,控制模擬運行及分析模擬結果。
數字模擬
數字模擬是指以離散量或數字計算機進行的數學模擬或物理模擬。採用滲流區已知參數或反求的參數,利用電子計算機進行模型調試，然後根據選用的數學模型進行滲流區內地下水位(水頭)或流量或水質等的預測方法。
實時系統
一個實時系統是指計算的正確性不僅取決於程式的邏輯正確性，也取決於結果產生的時間，如果系統的時間約束條件得不到滿足，將會發生系統出錯。
所謂“實時”，是表示“及時”，而實時系統是指系統能及時回響外部事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，並控制所有實時任務協調一致的運行。
實時系統（Real-time system,RTS）的正確性不僅依賴系統計算的邏輯結果，還依賴於產生這個結果的時間。實時系統能夠在指定或者確定的時間內完成系統功能和外部或內部、同步或異步時間做出回響的系統。因此實時系統應該在事先定義的時間範圍內識別和處理離散事件的能力；系統能夠處理和儲存控制系統所需要的大量數據。
實時數字模擬方法
歸納幾種可以用於實時控制或實時模擬的、快速而穩定的數字模擬方法，並通過實例對這些方法的頻率特性作一比較。
替換法
線性系統的傳遞函式可表示為:
替換法是用一個近似的Z函式代換傳遞函式中每一個積分運算S一1，進而獲得脈衝傳遞函式G(Z)的方法.
歐拉法(矩形積分)
代換S-1的最簡單方法就是歐拉法:
但是這種方法在大步長時是不穩定的。z平面的穩定極限是以原點為圓心、
的單位圓。根據(3)式，此單位圓在S平面上的映射如圖1所示，陰影部分是穩定域，原來處於S左半平面的極點λ3，λ4是穩定的，但經過(3)式變換後就處於Z平面的單位圓之外，破壞了系統的穩定性，只有當T取得足夠小，將λ3，λ4包入圓內後，以上的變換才能保證系統的穩定性。當T→0時，穩定域就是整個左半平面。由此可知，套用(3)式的替換法，只有當T取得比較小時才能保證系統的穩定，因此不宜用於實時模擬。
圖一但是，如果將歐拉法改寫成:
那么的圓就映射為圖2上的圖形，圓內部份變換成圓外部分，因此圖2的整個陰影部分都是穩定的，無論步長了取多大，原來處於S左半平面穩定的極點經過上式變換後仍然是穩定的，所以上式可以用來進行實時模擬.當然為了提高模擬精度，T不能取得太大，否則極點的對應位置將有很大變化.當T→0時，Z平面上以原點為圓心的單位圓映射為S平面上的虛軸，圓內部分映射為整個左半平面。
圖二離散模擬法
這種模擬方法簡單地在連續系統中擂人一個或多個採樣器，而在每個採樣器之後緊接以一個保持器
從而獲得一個離散系統以模擬原有的連續系統。如圖3所示，輸人信號經過採樣、保持後，基本上復現了原有的輸入形式。
圖三因此我們可以用離散系統
:來模擬連續系統，模擬的精度完全取決於U'(S)與U(S)之間的相似程度，也就是取決於輸入信號經過採樣、保持以後復現的好壞程度。
如果我們不在被模擬系統的內部而只是在總的系統的輸入端加以採樣一保持，那么它們只是對輸人信號進行了處理，無論採樣的步長多大，只會影響到輸人信號的復原程度，而不會影響到系統的穩定性;但是輸入信號經過零階保持以後有一個T/2的延滯，當T增大時會引起嚴重的相移問題。
為了改進相位特性，可以在採樣器之後改用“三角保持”，因為這是在採樣值之間直接用線性插值來近似，所以不會引起嚴重的相移問題.
硬體結構
RTDS實質上是為實現實時模擬電力系統暫態過程而專門設計的並行計算機系統。
RTDS的硬體主要由後台工作站和數層6 U機箱組成。後台工作站通常為通用的RISC工作站，主要運行圖形用
RTDS硬體結構雙處理器卡（TPC卡）
每塊TPC卡由兩片數位訊號處理器DSP組成。每片DSP的浮點運算速度為44 M次/s。實際上，每塊TPC卡物理結構相同，僅僅是在模擬運行時,其運行軟體不同,所具有的功能也不同。該卡主要部件有：背板接口，開關量、模擬量的輸入輸出，DSP及其數據存儲器，雙連線埠存儲器,控制與時序電路及狀態指示等。
每塊T PC上的兩片DSP可以獨立運行模擬電力系統的某個元件，亦可聯合運行來實時模擬較複雜的電力系統元件(如同桿雙回線)。TPC上的雙連線埠存儲器允許兩片DSP之間進行高速數據通信而無需經過背板接口。
TPC上的每片DSP均配有開關量和模擬量輸入輸出通道。這些通道可以用來作為RTDS上被模擬的電力系統元件與外部物理設備的連線。每個DSP擁有以下通道：
（1）4路可分擋調節的模擬量輸出通道；
（2）1路12位的模擬量輸入通道；
（3）16位開關量輸入通道；
（4）16位開關量輸出通道。
在每一次模擬運行中，主機工作站與每片DSP的數據交換是通過TPC卡上的外部存儲器進行的。
工作站接口卡（WIC）
每層RTDS的機箱配有一塊WIC卡。其主要功能是完成RTDS與主機工作站之間的數據通信，WIC卡也回響來自與每層機箱背板相連線的處理器的通信請求。它主要由以下幾個部分組成：背板接口；狀態指示；處理通信請求電路；M68020處理器；模擬時步時鐘發生器；乙太網接口及其控制。
WIC卡與主工作站之間的通信是基於區域網路(LAN)的標準乙太網完成的。每層機箱在區域網路上具有唯一的網址。M68020處理器的任務之一就是將工作站的數據重新定向傳送給某TPC卡的DSP，M68020也可執行對整層機箱的診斷測試，它並不主動參與模擬運行，而僅僅在主工作站與各處理器之間傳送數據。
層間通信卡（IRC）
層間的數據通信都是由IRC卡處理的。每一IRC卡都提供了到其他與其關聯的機箱的通信通路。IRC卡主要部件有：背板接口；狀態指示；層間通信接口；數據收/發電路。
層間數據通信由禁止雙絞線進行連線。32位完整的數據被轉換成串列數據格式並以500 M Hz的速率傳輸。錯誤檢測位由數據收/發電路自動加入數據流或從數據流中分離出來。具體層間的物理連線方式以檔案形式存放在主工作站中。
套用領域
RTDS作為實時數字模擬領域中的產品有以下主要套用領域：傳統的TNA類型的研究；斷路器重合序列試驗研究;各類繼電保護閉環測試；大擾動下的電力系統搖擺研究；交直流混合系統研究分析；直流系統控制研究; SV C套用及控制；地磁電流效應分析；操作員培訓。
結合電力部電力自動化研究院的研究領域及產品特點，RTDS主要套用於以下幾方面：
將RTDS用於新型繼電保護產品的研究開發中,作為進行一些特殊試驗的手段,提供繼電保護裝置在一次電力系統中實際運行的模擬環境,通過與RTDS的閉環測試,確保繼電保護產品在設計開發中的先進性及在現場運行中的可靠性。已逐步開展的繼電保護產品的主要試驗內容有: 各類常規線路常見故障下繼電保護裝置的模擬試驗; 高電壓長距離輸電線路串聯補償對保護的影響; 同桿雙回線跨線故障情況下保護的動作行為; 變壓器空投產生的勵磁涌流現象對繼電保護動作行為的影響; 並聯電容、並聯電抗器保護動作的正確性; 電動機保護測試;非常見性故障如間隙放電、斷線又接地故障等的模擬研究。
一般說來, 用RTDS測試繼電保護產品時, 應配有電壓放大器和電流放大器,將RTDS模擬的電壓、電流量的模擬量輸出信號進行放大來代替實際電力系統中的PT和CT的二次側輸出。一些相應的接口電路或配套裝置在具體模擬試驗中是必要的。曾經利用RTDS實時模擬了《線路繼電保護產品動模試驗技術條件》中建議的中長距離線路接線方案之二的模擬系統,根據系統各元件的相關參數,在繪製模組中建立了這樣一個系統。在實時模擬中比較了考慮PT，CT影響與忽略PT，CT影響等情況,均獲得比較理想的結果。在實時運行模組中提供的電量監控手段非常有用。
RTDS用於AVR的測試也是套用目標之一。用RTDS模擬一次系統和勵磁系統中的其他部件,與實際的AVR構成閉環測試環境。
RTDS也可用於高壓直流系統的模擬研究及直流控制裝置性能分析及其它電力系統安全控制裝置的測試與分析。
