基于PC/Windows环境的电力系统动态数字实时仿真系统研究

电力系统动态数字实时仿真已成为规划电力系统，设计与检验电力系统控制、保护以及调度设备的主要工具。随着电力系统结构日益复杂和计算机技术的迅猛发展，基于微机的实时数字仿真系统以其成本低、升级容易、发展潜力大等优点逐渐代替了传统的电力系统动态模拟装置。开发基于通用PC机及系统软件的电力系统动态数字实时仿真系统，已成为一个重要而有意义的研究课题。本文基于对Windows NT／2000操作系统的内核机制、Intelx86微处理器平台体系结构及相关的芯片组和外围I／O接口芯片等有关的计算机软硬件机制详细深入地研究和分析，探讨了基于通用PC机的实时系统实现原理及Windows NT／2000操作系统在实时应用中的一些重要技术，初步实现了基于PC／Windows环境的电力系统动态数字实时仿真系统。 本文首先从中断、多任务及任务调度、虚拟存储等方面分析了通用操作系统实时缺陷产生的原因，归纳了通用操作系统的实时扩展方法，阐述了通用操作系统实时扩展技术的研究方向，并以DOS及Linux操作系统为例，研究和分析了基于PC／通用操作系统环境的实时系统实现方案与结构。 PC／Windows系统组合以其系统性能价格比高、拥有丰富强大的开发工具和应用软件支持环境、系统兼容性好、用户广泛等优点，在电力系统数字实时仿真领域逐渐引起人们的广泛关注。本文采用二进制代码级别的跟踪调试以及逆向工程技术对Windows NT／2000操作系统的体系结构和重要内核机制进行了深入研究，提出了一个基于Windows NT／2000操作系统的硬实时扩展方案。该方案通过在Windows NT／2000操作系统内核之外进行扩展，实现了实时定时器中断管理模块和实时任务加载器模块，为实时任务的运行提供了硬实时环境，保证实时任务以系统正常运行时的最高优先级运行于系统内核模式。 针对如何在实时扩展中加入时钟滴答，从而为周期性的实时仿真任务提供调度时机和高精确度时间间隔的问题，本文研究了Intel x86微处理器的体系结构及中断处理机制，在不修改硬件抽象层(HAL)，保证Windows NT／2000操作系统完整性的前提下，通过直接访问CPU外围的I／O接口芯片实现了实时定时器中断的管理及中断优先级的控制。 深入研究了PE文件格式的基本结构，针对电力系统数字实时仿真多模块模型特点，提出了基于栈式数据结构的多模块加载算法，该算法解决了PE模块加载过程中的重定位以及外部引用解析等关键问题，初步实现了加载电力系统数字实时仿真模型至Windows NT／2000操作系统的内核模式运行，获得了对于实时任务加载过程的控制权，使得实时任务加载过程具有更大的灵活性。 本文提出了通过动态链接库开发电力系统数字仿真实时任务的方案。以一个典型的短距离电力系统仿真原型为例，详细深入地研究了电力系统多模块耦合模型的建模方法，并根据动态电力系统理论，采用适合于实时仿真计算的数值积分方法，建立了该系统空载合闸后自同步、正常运行、接地短路故障运行及故障后非全相运行等电磁暂态过程的数字实时仿真模型。另外，为精确考虑电力变压器的非线性，本文提出了分段线性拟合的方法，将变压器励磁支路非线性电感进行了分段线性化处理，建立了非线性变压器空载合闸、负载运行及匝间短路故障运行等电磁暂态过程的数字实时仿真模型。 针对建立的数字仿真模型，本文编制了相应的算法和仿真程序，进行了大量的仿真实验。仿真结果表明，本文所实现的基于PC／Windows环境的电力系统动态数字实时仿真系统能够满足线路继电保护装置闭环测试领域的需要。 最后，对研究工作进行了总结，并对进一步工作的方向进行了简要的讨论。