基于PC-Windows環(huán)境的電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字實時仿真系統(tǒng)研究.pdf

1、電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字實時仿真已成為規(guī)劃電力系統(tǒng)，設(shè)計與檢驗電力系統(tǒng)控制、保護以及調(diào)度設(shè)備的主要工具。隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于微機的實時數(shù)字仿真系統(tǒng)以其成本低、升級容易、發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點逐漸代替了傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬裝置。開發(fā)基于通用PC機及系統(tǒng)軟件的電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字實時仿真系統(tǒng)，已成為一個重要而有意義的研究課題。本文基于對Windows NT/2000操作系統(tǒng)的內(nèi)核機制、Intelx86微處理器平臺體

2、系結(jié)構(gòu)及相關(guān)的芯片組和外圍I/0接口芯片等有關(guān)的計算機軟硬件機制詳細深入地研究和分析，探討了基于通用PC機的實時系統(tǒng)實現(xiàn)原理及Windows NT/2000操作系統(tǒng)在實時應(yīng)用中的一些重要技術(shù)，初步實現(xiàn)了基于PC/Windows環(huán)境的電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字實時仿真系統(tǒng)。本文首先從中斷、多任務(wù)及任務(wù)調(diào)度、虛擬存儲等方面分析了通用操作系統(tǒng)實時缺陷產(chǎn)生的原因，歸納了通用操作系統(tǒng)的實時擴展方法，闡述了通用操作系統(tǒng)實時擴展技術(shù)的研究方向，并

3、以DOS及Linux操作系統(tǒng)為例，研究和分析了基于PC/通用操作系統(tǒng)環(huán)境的實時系統(tǒng)實現(xiàn)方案與結(jié)構(gòu)。PC/Windows系統(tǒng)組合以其系統(tǒng)性能價格比高、擁有豐富強大的開發(fā)工具和應(yīng)用軟件支持環(huán)境、系統(tǒng)兼容性好、用戶廣泛等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)數(shù)字實時仿真領(lǐng)域逐漸引起人們的廣泛關(guān)注。本文采用二進制代碼級別的跟蹤調(diào)試以及逆向工程技術(shù)對Windows NT/2000操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和重要內(nèi)核機制進行了深入研究，提出了一個基于Windows

4、NT/2000操作系統(tǒng)的硬實時擴展方案。該方案通過在Windows NT/2000操作系統(tǒng)內(nèi)核之外進行擴展，實現(xiàn)了實時定時器中斷管理模塊和實時任務(wù)加載器模塊，為實時任務(wù)的運行提供了硬實時環(huán)境，保證實時任務(wù)以系統(tǒng)正常運行時的最高優(yōu)先級運行于系統(tǒng)內(nèi)核模式。針對如何在實時擴展中加入時鐘滴答，從而為周期性的實時仿真任務(wù)提供調(diào)度時機和高精確度時間間隔的問題，本文研究了Intel x86微處理器的體系結(jié)構(gòu)及中斷處理機制，在不修改硬件抽象

5、層(HAL)，保證Windows NT/2000操作系統(tǒng)完整性的前提下，通過直接訪問CPU外圍的I/0接口芯片實現(xiàn)了實時定時器中斷的管理及中斷優(yōu)先級的控制。深入研究了PE文件格式的基本結(jié)構(gòu)，針對電力系統(tǒng)數(shù)字實時仿真多模塊模型特點，提出了基于棧式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多模塊加載算法，該算法解決了PE模塊加載過程中的重定位以及外部引用解析等關(guān)鍵問題，初步實現(xiàn)了加載電力系統(tǒng)數(shù)字實時仿真模型至Windows NT/2000操作系統(tǒng)的內(nèi)核模式運行

6、，獲得了對于實時任務(wù)加載過程的控制權(quán)，使得實時任務(wù)加載過程具有更大的靈活性。本文提出了通過動態(tài)鏈接庫開發(fā)電力系統(tǒng)數(shù)字仿真實時任務(wù)的方案。以一個典型的短距離電力系統(tǒng)仿真原型為例，詳細深入地研究了電力系統(tǒng)多模塊耦合模型的建模方法，并根據(jù)動態(tài)電力系統(tǒng)理論，采用適合于實時仿真計算的數(shù)值積分方法，建立了該系統(tǒng)空載合閘后自同步、正常運行、接地短路故障運行及故障后非全相運行等電磁暫態(tài)過程的數(shù)字實時仿真模型。另外，為精確考慮電力變壓器的非

7、線性，本文提出了分段線性擬合的方法，將變壓器勵磁支路非線性電感進行了分段線性化處理，建立了非線性變壓器空載合閘、負載運行及匝間短路故障運行等電磁暫態(tài)過程的數(shù)字實時仿真模型。針對建立的數(shù)字仿真模型，本文編制了相應(yīng)的算法和仿真程序，進行了大量的仿真實驗。仿真結(jié)果表明，本文所實現(xiàn)的基于PC/Windows環(huán)境的電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)字實時仿真系統(tǒng)能夠滿足線路繼電保護裝置閉環(huán)測試領(lǐng)域的需要。最后，對研究工作進行了總結(jié)，并對進一步工作的方向進