基于PC-Windows環(huán)境的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)研究.pdf

1、電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真已成為規(guī)劃電力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)電力系統(tǒng)控制、保護(hù)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(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于微機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)以其成本低、升級(jí)容易、發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點(diǎn)逐漸代替了傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬裝置。開(kāi)發(fā)基于通用PC機(jī)及系統(tǒng)軟件的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，已成為一個(gè)重要而有意義的研究課題。本文基于對(duì)Windows NT/2000操作系統(tǒng)的內(nèi)核機(jī)制、Intelx86微處理器平臺(tái)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(jì)算機(jī)軟硬件機(jī)制詳細(xì)深入地研究和分析，探討了基于通用PC機(jī)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理及Windows NT/2000操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的一些重要技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了基于PC/Windows環(huán)境的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字實(shí)時(shí)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(chǔ)等方面分析了通用操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)缺陷產(chǎn)生的原因，歸納了通用操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)擴(kuò)展方法，闡述了通用操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)擴(kuò)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(shí)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與結(jié)構(gòu)。PC/Windows系統(tǒng)組合以其系統(tǒng)性能價(jià)格比高、擁有豐富強(qiáng)大的開(kāi)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(diǎn)，在電力系統(tǒng)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域逐漸引起人們的廣泛關(guān)注。本文采用二進(jìn)制代碼級(jí)別的跟蹤調(diào)試以及逆向工程技術(shù)對(duì)Windows NT/2000操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和重要內(nèi)核機(jī)制進(jìn)行了深入研究，提出了一個(gè)基于Windows

4、NT/2000操作系統(tǒng)的硬實(shí)時(shí)擴(kuò)展方案。該方案通過(guò)在Windows NT/2000操作系統(tǒng)內(nèi)核之外進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定時(shí)器中斷管理模塊和實(shí)時(shí)任務(wù)加載器模塊，為實(shí)時(shí)任務(wù)的運(yùn)行提供了硬實(shí)時(shí)環(huán)境，保證實(shí)時(shí)任務(wù)以系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的最高優(yōu)先級(jí)運(yùn)行于系統(tǒng)內(nèi)核模式。針對(duì)如何在實(shí)時(shí)擴(kuò)展中加入時(shí)鐘滴答，從而為周期性的實(shí)時(shí)仿真任務(wù)提供調(diào)度時(shí)機(jī)和高精確度時(shí)間間隔的問(wèn)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(jī)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(guò)直接訪問(wèn)CPU外圍的I/0接口芯片實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定時(shí)器中斷的管理及中斷優(yōu)先級(jí)的控制。深入研究了PE文件格式的基本結(jié)構(gòu)，針對(duì)電力系統(tǒng)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真多模塊模型特點(diǎn)，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(guò)程中的重定位以及外部引用解析等關(guān)鍵問(wèn)題，初步實(shí)現(xiàn)了加載電力系統(tǒng)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真模型至Windows NT/2000操作系統(tǒng)的內(nèi)核模式運(yùn)行

6、，獲得了對(duì)于實(shí)時(shí)任務(wù)加載過(guò)程的控制權(quán)，使得實(shí)時(shí)任務(wù)加載過(guò)程具有更大的靈活性。本文提出了通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)開(kāi)發(fā)電力系統(tǒng)數(shù)字仿真實(shí)時(shí)任務(wù)的方案。以一個(gè)典型的短距離電力系統(tǒng)仿真原型為例，詳細(xì)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(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)理論，采用適合于實(shí)時(shí)仿真計(jì)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(yùn)行、接地短路故障運(yùn)行及故障后非全相運(yùn)行等電磁暫態(tài)過(guò)程的數(shù)字實(shí)時(shí)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(lì)磁支路非線性電感進(jìn)行了分段線性化處理，建立了非線性變壓器空載合閘、負(fù)載運(yùn)行及匝間短路故障運(yùn)行等電磁暫態(tài)過(guò)程的數(shù)字實(shí)時(shí)仿真模型。針對(duì)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(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，本文所實(shí)現(xiàn)的基于PC/Windows環(huán)境的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)能夠滿足線路繼電保護(hù)裝置閉環(huán)測(cè)試領(lǐng)域的需要。最后，對(duì)研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)進(jìn)一步工作的方向進(jìn)