RTDS

Слайд 1: Введение в RTDS — Энергосистема в реальном времени

Сегодня мы познакомимся с технологиями моделирования энергосистем в реальном времени, которые помогают энергетическим компаниям и исследовательским институтам тестировать и оптимизировать сложные энергосистемы. RTDS — это уникальная платформа, которая позволяет проводить испытания и настройку систем защиты и управления энергосетями в условиях, максимально приближенных к реальным.

Слайд 2: История RTDS Technologies

RTDS Technologies начала свою работу в 1986 году, и всего за несколько лет, в 1989 году, компания представила первый в мире симулятор HVDC — высоковольтного оборудования постоянного тока. В 1993 году была произведена первая коммерческая поставка, а в 1994-м компания получила эксклюзивные права на технологию симуляции в реальном времени. Сегодня RTDS Technologies — это международный лидер, чьими решениями пользуются более 300 клиентов из 37 стран.

Слайд 7: Виды цифровой симуляции

RTDS поддерживает несколько видов симуляции, наиболее значимые из которых — это электромагнитные переходные процессы (EMT) и динамическая устойчивость (TSA). Эти методы позволяют RTDS моделировать поведение энергосистем при различных сценариях, от штатных до аварийных.

Электромагнитные переходные процессы (EMT) Моделирует быстрые изменения в сети, такие как короткие замыкания и переходные процессы. Этот тип симуляции позволяет анализировать мгновенные значения токов и напряжений, обеспечивая детализированное понимание электромагнитных явлений.

Динамическая устойчивость (TSA) Анализирует поведение системы при крупных возмущениях и помогает оценить её способность к восстановлению. Данный вид симуляции отображает амплитуды напряжений и углы, чтобы проверить устойчивость сети.

Потокораспределение Оценивает, как распределяются потоки активной и реактивной мощности в сети. Эта симуляция позволяет выявить перегрузки и оптимизировать потоки для надёжной и экономичной работы энергосистемы.

Слайд 8-9: Базовые принципы симуляции

RTDS использует алгоритм Доммеля. Алгоритм Доммеля — метод для моделирования переходных процессов в энергосистемах. Кратко его этапы:

1. Эквивалентные модели: Представляет элементы сети как источники тока и сопротивления, упрощая расчеты.

2. Метод трапеций: Преобразует дифференциальные уравнения в алгебраические, используя численное интегрирование.

3. Пошаговые расчеты: На каждом временном шаге пересчитывает токи и напряжения, основываясь на предыдущих значениях.

4. Матрицы проводимости: Формирует матрицы для быстрого вычисления напряжений в узлах сети.

Этот алгоритм обеспечивает высокую точность и скорость при моделировании сложных переходных процессов в энергосистемах.

Слайд 10: Процесс моделирования энергосистемы

RTDS выполняет процесс моделирования через преобразование данных системы в эквивалентную сеть, состоящую только из источников тока и сопротивлений, что обеспечивает точное соответствие физическим процессам в энергосистемах.

Слайд 11: Особенности работы в реальном времени

Симуляция в реальном времени означает, что расчеты выполняются быстрее, чем реальное время событий, а каждый шаг расчета строго синхронизируется с реальными процессами. Это достигается благодаря параллельным вычислениям и постоянной частоте тактовых импульсов.

Слайд 12-13: 2 уровня параллельных вычислений

Два уровня параллельных вычислений в системе симуляции RTDS (Real-Time Digital Simulator) обеспечивают высокую производительность и позволяют эффективно обрабатывать сложные модели энергосистем. Вот краткое описание этих уровней:

1. Первый уровень — параллельная обработка на уровне узлов Каждое устройство или компонент сети (например, линии, трансформаторы) моделируется как независимый узел. На этом уровне параллельно рассчитываются токи и напряжения для отдельных узлов сети. Такая структура позволяет делить сеть на независимые части и обрабатывать их одновременно.

2. Второй уровень — параллельная обработка на уровне подсистем Когда модель сети слишком велика, её можно разбить на несколько подсистем. Подсистемы рассчитываются параллельно и могут взаимодействовать друг с другом через синхронизированные интерфейсы. Это особенно важно для больших сетей с множеством соединений, так как позволяет снизить нагрузку и сократить время расчетов.

Эти два уровня параллельной обработки позволяют RTDS моделировать сложные сети в реальном времени, сохраняя точность и скорость вычислений.

Слайд 14-15: Модульная структура и вычислительная мощность

Система RTDS построена на модульной архитектуре, что позволяет легко адаптировать её под нужды конкретного проекта. Специализированные модули и кассеты обеспечивают гибкость компоновки оборудования и высокую производительность.

Слайд 16: Протоколы

1. IEC 61850 Протокол для «умных» подстанций, стандартизирующий обмен данными между устройствами автоматизации и релейной защиты. Включает:

• GSE — передача сообщений тревоги и аварий.

• SV — отправка мгновенных значений тока и напряжения.

• MMS — клиент-серверное управление процессами.

2. DNP3 Протокол для SCADA-систем, используемый для удалённого мониторинга и управления в энергетике:

• Асинхронная передача — передача данных по запросу или при изменении статуса.

• Высокая надёжность — работа в сложных условиях с минимальными искажениями.

• Временные метки — точная фиксация времени событий.

3. IEC 60870-5-104 Протокол передачи данных для систем диспетчеризации и контроля в энергетике, особенно популярен в Европе:

• TCP/IP — передача данных по стандартному интернет-протоколу.

• Реальное время — поддержка постоянного мониторинга и контроля.

• Широкое использование — применяется для связи между подстанциями и центрами управления.

4. IEEE C37.118 Протокол для синхронизированных измерений в электроэнергетике, поддерживающий системы PMU:

• Синхронизированные данные — измерения времени и фазовых значений тока и напряжения.

• Высокая точность — обеспечение надёжного мониторинга состояния энергосистем.

• Поддержка анализа сети — применяется для быстрого обнаружения и устранения проблем.

Слайд 17: Программное обеспечение RSCAD

Для управления RTDS используется программный пакет RSCAD, который включает графический редактор для построения моделей, интерфейс для запуска симуляции и инструменты для анализа результатов. Важное преимущество RSCAD — возможность создания пользовательских компонентов в реальном времени.

Слайд 18: Программные модули RSCAD для анализа данных

RSCAD предоставляет модули для анализа данных, управления проектами и формирования отчетов. Эти функции облегчают тестирование моделей и позволяют вносить корректировки в реальном времени.

Слайд 25: Функции виртуального стенда RSCAD

Виртуальный стенд позволяет контролировать параметры системы, управлять симуляцией и выгружать данные для анализа. Он поддерживает ручной и автоматический режимы, что упрощает оценку работы системы.

Слайд 27: Автоматизация моделирования

RTDS поддерживает автоматизацию с помощью сценариев на C-подобном языке. Это ускоряет тестирование и минимизирует ошибки, так как можно автоматизировать повторяющиеся задачи.

Слайд 28: Модуль TLINE для воздушных линий

TLINE позволяет моделировать воздушные линии с учётом длины, климатических условий и напряжения. Это помогает инженерам более точно анализировать поведение линий в реальном времени.

Слайд 29: Модуль CABLE для кабельных линий

Модуль CABLE моделирует подземные кабельные линии, учитывая их сопротивление и изоляцию, чтобы обеспечить точное отображение их работы в сети.

Слайд 30: Редактор компонентов CBuilder

Редактор CBuilder предоставляет возможность создавать собственные модели компонентов. Это расширяет возможности симулятора, позволяя включать уникальные элементы, которые могут быть необходимы для конкретных задач.

Слайд 31: Интеграция с MATLAB и Simulink

RTDS поддерживает интеграцию с MATLAB и Simulink через CBuilder. Это полезно для инженеров, использующих MATLAB для разработки систем управления, которые можно импортировать в RSCAD для симуляции.

Слайд 32: Современные области применения RTDS

RTDS используется для моделирования и тестирования сложных энергосистем, таких как HVDC, STATCOM, TCSC и умные сети, а также интеграции возобновляемых источников энергии.

Слайд 33-34: Проверка систем защиты на RTDS

RTDS позволяет проверять работу релейной защиты (РЗА) и автоматизации в режиме реального времени. Это даёт возможность тестировать защитные схемы с обратной связью, обеспечивая надёжность при эксплуатации энергосистем.

RTDS поддерживает аналоговые и цифровые интерфейсы для тестирования релейной защиты по стандартам, таким как IEC 61850, что обеспечивает полную проверку защитных устройств.

Тестирование на RTDS даёт возможность проводить симуляции, используя синтезированные сигналы, имитирующие аварийные ситуации. Это помогает оптимизировать защитные схемы, минимизируя риски.

Слайд 35: Аналаговый интерфейс

Интерфейс аналоговых сигналов позволяет:

1. Отправлять аналоговые сигналы — RTDS может генерировать аналоговые сигналы, имитирующие реальные параметры, такие как ток и напряжение, и отправлять их на физические устройства, например, релейную защиту или измерительные приборы.

2. Принимать аналоговые сигналы — RTDS также способен принимать аналоговые входные сигналы от внешних устройств, чтобы интегрировать их поведение в модель энергосистемы.

3. Реализовать замкнутую систему управления — благодаря этому интерфейсу можно тестировать работу защитных устройств и систем автоматики в условиях, максимально приближенных к реальным, проверяя их реакцию на изменения параметров сети.

Интерфейс аналоговых сигналов обеспечивает гибкость и расширенные возможности для интеграции и тестирования различных компонентов энергосистемы.

Слайд 36: Интерфейс по протоколу МЭК 61850

Интерфейс по протоколу МЭК 61850 в системе RTDS позволяет обмениваться данными с внешними устройствами автоматизации и релейной защиты на цифровых подстанциях, используя стандарты и форматы, установленные протоколом IEC 61850. Этот интерфейс обеспечивает:

1. Обмен цифровыми сообщениями — поддерживает передачу сообщений, таких как аварийные и сигналы тревоги, через GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event), что обеспечивает быструю реакцию на события в сети.

2. Передачу мгновенных значений (SV) — RTDS может отправлять и принимать мгновенные значения токов и напряжений, что позволяет синхронизировать моделируемые данные с физическими устройствами подстанции.

3. Совместимость с устройствами разных производителей — благодаря стандартам IEC 61850 RTDS может взаимодействовать с оборудованием различных производителей, интегрируя системы автоматизации, контроля и защиты на подстанции.

4. Создание замкнутых систем для тестирования РЗА — интерфейс по МЭК 61850 позволяет RTDS тестировать устройства релейной защиты и автоматики (РЗА) в условиях, имитирующих реальные рабочие сценарии, включая как нормальные, так и аварийные ситуации.

Слайд 24: Примеры интеграции и применения RTDS

В RTDS примеры систем управления, которые можно моделировать и тестировать, включают:

1. Системы HVDC (Высоковольтные линии постоянного тока) — управление высоковольтными линиями постоянного тока, включая схемы на базе тиристоров (LCC) и многоуровневые преобразователи напряжения (Modular Multilevel Converter - состоит из модулей, которые позволяют плавно регулировать напряжение и ток, снижая потери и обеспечивая высокую эффективность), что позволяет моделировать и тестировать работу при больших нагрузках.

2. STATCOM (Статические синхронные компенсаторы) — управление компенсаторами для стабилизации напряжения в сети. STATCOM используется для поддержания стабильности и качества напряжения при изменении нагрузок.

3. TCSC (Thyristor Controlled Series Compensation) — управление серийными компенсаторами на тиристорах, которые регулируют поток мощности в линии и уменьшают потери.

4. Генератор (Exciter (Система возбуждения генератора) Governor (Регулятор скорости) PSS (Power System Stabilizer)) — управление возбудителями генераторов для поддержания стабильного напряжения и частоты на выходе. Моделирование и тестирование защитных схем, включая дифференциальную защиту, защиту генератора и управление переключением. Управление в «умных» сетях — интеграция возобновляемых источников энергии (солнечные и ветряные установки) с использованием протоколов IEC 61850, что позволяет синхронизировать и оптимизировать распределённую генерацию.

5. SVC (Static Var Compensator, Статические компенсаторы реактивной мощности) — компенсаторы для управления реактивной мощностью, обеспечивая баланс мощности и стабилизацию напряжения.

Слайд 39: HVDC

HVDC (Высоковольтная передача постоянного тока) — это технология для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями. Она особенно эффективна для межконтинентальных и подводных передач, обеспечивая стабильный и управляемый поток мощности.

• Типы преобразователей:

  • LCC — надёжный преобразователь на тиристорах, применяемый для больших мощностей, но требует компенсаторов реактивной мощности.

  • VSC — гибкий транзисторный преобразователь, поддерживающий двунаправленное управление и интеграцию возобновляемых источников.

HVDC обеспечивает надёжное соединение энергосистем, позволяет управлять потоками мощности и снижает потери на больших расстояниях.

Слайд 42-43: Моделриование огромных систем

RTDS позволяет моделировать большие энергосистемы, включая сеть Южного Китая — одну из крупнейших в мире. Это необходимо для анализа сложных сетей с ультравысокими напряжениями и гибридными AC/DC линиями, протяжёнными на большие расстояния. Преимущества включают:

1. Разделение на подсистемы — когда сеть слишком велика для одного процессора, её делят на подсистемы, что позволяет обрабатывать части сети параллельно.

2. Применение модели бегущей волны — разделение сети позволяет моделировать длинные воздушные и кабельные линии с учётом волновых процессов, обеспечивая точное отображение электромагнитных явлений.

3. Аварийное восстановление — RTDS активно используется для разработки сценариев восстановления после катастроф, таких как обледенение в Южном Китае в 2008 году, когда система помогла инженерам быстро определить приоритеты восстановления.

Слайд 44: Восстановление энергосистем

Для восстановления южно-китайской энергосистемы после обледенения в 2008 году RTDS использовался следующим образом:

1. Создание модели повреждённой сети — детализированная модель сети отразила текущее состояние после аварии.

2. Анализ сценариев восстановления — протестированы разные стратегии восстановления, чтобы выбрать наилучший подход.

3. Определение приоритетов — выявлены линии и узлы, критичные для быстрого восстановления электроснабжения.

4. Оптимизация порядка включения — тестирование безопасного порядка подключения оборудования для предотвращения перегрузок.

5. Мониторинг и корректировка — по мере восстановления корректировался план действий на основе текущих результатов.

Этот подход позволил оперативно и безопасно восстановить систему, минимизируя время простоя.