w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

a u t o m a t y k a

testery mikroprocesorowe
pracujące w układzie
z zamkniętą pętlą

O

prócz symulatorów odtwarzają-
cych (w trybie off line) przebie-

gi sygnałów analogowych otrzymane
z programów do symulacji elektroma-
gnetycznych stanów przejściowych
lub rejestracji z rejestratorów zakłó-
ceń, istnieją też symulatory systemu
elektroenergetycznego, działające
w czasie rzeczywistym (ang.

real ti-

me simulators

). Takie symulatory wy-

prowadzają wyniki symulacji tak
samo szybko, jak przebiegają zjawiska
w systemie. Dysponując takim symu-
latorem można badane urządzenie
włączyć do modelu systemu elektro-
energetycznego odwzorowanego za
pomocą symulatora. W symulatorze
procesory sygnałowe DSP rozwiązu-
ją równania różniczkowe (opisujace
modelowany system), z których część
sygnałów (w postaci próbek) podlega
zamianie na sygnały analogowe,
w przetwornikach C / A (cyfrowo - ana-
logowch) na sygnały niskonapięcio-
we. Następnie sygnały niskonapięcio-
we są zamieniane we wzmacniaczach
na odpowiadające im sygnały wyso-

konapięciowe lub wysokoprądowe
dostosowane do wejść sprawdzanych
urządzeń zabezpieczeniowych. Sy-
gnały wyjściowe z urządzeń wprowa-
dza się do modelu systemu elektro-
energetycznego odwzorowanego
w symulatorze. Jeśli sygnałem wyj-
ściowym jest otwarcie wyłącznika ja-
kiegoś elementu systemu i sygnał ten
pojawia się w trakcie symulacji, to
wpływa to na stan modelu, zmienia-
jąc go w odpowiedni sposób. O takim
testowaniu mówi się, że odbywa się
z zamkniętą pętlą, gdyż na zachowa-
nie się modelowanego systemu (tak
jak w rzeczywistym systemie) ma
wpływ działanie badanych urządzeń.
Testy z wykorzystaniem tego typu sy-
mulatorów określane są jako syste-

mowe testy działania [1, 2]. Sposób
przepływu sygnałów opisany wyżej
przedstawiono na rysunku 1.

Poprzednikami cyfrowych symula-

torów działających w czasie rzeczywi-

stym były symulatory analogowe [16]
oraz symulatory hybrydowe, posia-
dające zarówno elementy analogowe,
jak i układy elektroniczne oraz cyfro-
we [8, 17]. Ze względu na duże gaba-
ryty i małe możliwości konfiguracyj-
ne ustąpiły one jednak miejsca symu-
latorom cyfrowym.

Na rysunku 2 wyjaśniono (ogólnie)

zasadę działania cyfrowych symulato-
rów działających w czasie rzeczywistym
(opis nie dotyczy konkretnego rozwią-
zania). Przedstawiono graficznie zasadę
rozdziału zadań na poszczególne (rów-
nolegle pracujące) procesory sygnało-
we DSP (ang.

Digital Signal Processors

)

oraz zobrazowano, w jakim czasie po-

urządzenia do wykonywania
badań przekaźników
elektroenergetycznych

część 2

dr inż. Adam Smolarczyk, dr inż. Ryszard Kowalik – Politechnika Warszawska

Rys. 1 Sposób przepływu sygnałów podczas testów przy użyciu symulatora działa-

jącego w czasie rzeczywistym

Rys. 2 Zasada rozdziału zadań na poszczególne procesory sygnałowe – czas obli-

czeń jednego z procesorów

30

a u t o m a t y k a

Urządzenia do testowania przekaźników elektroenergetycznych można podzielić we-
dług wielu kryteriów. Jednym z nich może być podział na testery pracujące w układzie
z otwartą pętlą (na zachowanie się modelowanego systemu w testerze nie ma wpływu
działanie badanych przekaźników) i testery (symulatory) pracujące w układzie z za-
mkniętą pętlą (na zachowanie się modelowanego systemu - tak jak w rzeczywistym sys-
temie - wpływ ma działanie badanych przekaźników). Tym pierwszym autorzy poświę-
cili artykuł opublikowany w 9. numerze „elektro.info” 2004 r. Tym razem opisali teste-
ry mikroprocesorowe pracujące w układzie z zamkniętą pętlą i wykorzystywane przez
nie wzmacniacze sygnałów prądowych i napięciowych.

e.i_03_2005.indb 30

e.i_03_2005.indb 30

2005-02-21 15:53:21

2005-02-21 15:53:21

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

winny być wykonane obliczenia przez
jeden procesor. Założono, że w wyniku
procesu kompilacji bazy danych modelu
systemu jest do rozwiązania 20 równań
różniczkowych (opisujących działanie
systemu). Do rozwiązania tych równań
zostały przeznaczone 4 procesory, z któ-
rych każdy ma do rozwiązania 5 rów-
nań różniczkowych w czasie krótszym
niż okres próbkowania (typowo krok sy-
mulacji – okres próbkowania jest mniej-
szy od 100 µs).

W przypadku przekroczenia zdolno-

ści obliczeniowej choćby jednego z pro-
cesorów proces symulacji zostanie za-
kłócony, ponieważ przeciążony proce-
sor nie jest w stanie uzupełnić na czas
danych wyjściowych, co powoduje, że
są one niedostępne na początku pro-
cesu obliczeniowego (następnego kro-
ku całkowania) dla innych procesorów.
Aby temu zapobiec, zdolność obliczenio-

wa jednego procesora powinna umożli-
wiać rozwiązanie (w czasie krótszym niż
okres próbkowania) większej liczby rów-
nań różniczkowych niż ta wynikająca
z liczby równań przypadających na pro-
cesor (np. 6 dla przykładu z rysunku 2).
Wniosek z tego, że bardzo ważną spra-
wę odgrywa odpowiednia konfiguracja
sprzętowa, która umożliwia wykonanie
wszystkich żądanych przez użytkowni-
ka zadań symulacyjnych. Konfiguracja ta
jest ściśle związana ze stopniem skom-
plikowania modelu systemu, który użyt-
kownik zamierza wykorzystywać.

Badania nad zbudowaniem cyfro-

wych symulatorów systemu elektro-
energetycznego, działających w czasie
rzeczywistym, prowadziło wiele labo-
latoriów [18 - 20], ale tylko w kilku
z nich udało się zbudować urządze-
nia, które znalazly komercyjne zasto-
sowanie [7, 8].

Wejścia

Liczba wejść dwustanowych

a)

16

Specyfikacja wejścia dwustanowego

b)

optycznie izolowane, 20÷250 V d.c. / 10 mA

Wyjścia

Liczba wyjść dwustanowych

a)

16

Specyfikacja wyjścia dwustanowego

b)

optycznie izolowane, 5÷250 V d.c. / 200 mA

Liczba wyjść analogowych

a)

8

Specyfikacja wyjścia analogowego

a)

+ / – 10 V pk / + /– 20 mA pk

Sygnały przemienne

Rozdzielczość

16 bitów

Częstotliwość próbkowania

20 kHz

Odpowiedź częstotliwościowa

d.c.÷3 kHz / + / – 0.25 dB

Opóźnienie grupowe sygnałów
wyjściowych (analogowych)

<50 µs

Zmiana opóźnienia grupowego
(0÷3 kHz)

+ /– 1 µs

Tłumienie powyżej pasma przenoszenia
(f>f

s

)

> 60 dB

Opóźnienia czasowe między kanałami

<500 ns

Impedancja wyjściowa (0÷3 kHz)

0.1

Ω

Przesunięcie sygnału wyjściowego
(offset)
(w odniesieniu do całego zakresu)

<0.1 %

Zniekształcenie sygnału wyjściowego
(szumy + całkowita zawartość
niepożądanych harmonicznych (THD+N)
(w odniesieniu do całego zakresu)

<0.1 %

Zniekształcenia intermodulacji
(w odniesieniu do całego zakresu)

<0.1 %

Kompensowany błąd wzmocnienia

<0.2 %

Warunki otoczenia

Temperatura pracy

10÷40ºC

Dryft przesunięcia (offsetu) sygnału
wyjściowego dla 20ºC

<0.05 % (w całym zakresie) / ºC

Pobór mocy

150 VA

Objaśnienia: a) przypadających na jedno badane urządzenie zabezpieczeniowe, b) indywidualna izolacja galwaniczna
każdego wejścia / wyjścia dwustanowego

Tab. 1 Typowe parametry układów wejść / wyjść symulatorów

31

urzadzenia_do_wykonania_Smkolarczyk.indd 31

urzadzenia_do_wykonania_Smkolarczyk.indd 31

2005-02-22 10:48:15

2005-02-22 10:48:15

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

a u t o m a t y k a

Wykonane symulacje zjawisk (prze-

biegi prądów i napięć) otrzymane za
pomocą symulatorów cyfrowych nie
różnią się od symulacji otrzymanych
za pomocą symulatorów analogowych
[17, 21]. Za pomocą symulatorów cyfro-
wych można jednak o wiele taniej od-

tworzyć takie same układy zasymulo-
wane za pomocą symulatorów analogo-
wych. Ponadto symulatory cyfrowe zaj-
mują o wiele mniej miejsca i można za
ich pomocą zasymulować o wiele więk-
sze fragmenty systemu elektroenerge-
tycznego. Kolejną zaletą symulatorów

cyfrowych jest zdolność do zautomaty-
zowania całego pocesu testowania. Pod-
czas procesu automatycznego testowa-
nia można m.in. zmieniać takie para-
metry jak: rezystancja przejścia, począt-
kowy kąt wystąpienia zwarcia, stosu-
nek X / R w miejscu zwarcia itp.

Cyfrowe symulatory działają-

ce w czasie rzeczywistym posiada-
ją rozbudowany graficzny interfejs
użytkownika, pozwalający na stero-
wanie procesem symulacji, nadzoro-

wanie jego przebiegu i zwykle umoż-
liwiający obserwację wyników sy-
mulacji. Typowe parametry układów
wejść / wyjść symulatorów przedsta-
wiono w tabeli 1 [22].

Duży rozgłosem cieszył się symu-

lator RTDS (ang.

Real-Time Digital Si-

mulator

), który znalazł liczne zastoso-

wania. Ze względu na duży koszt sy-
mulatora na razie symulacje w czasie
rzeczywistym wykonywane są głów-
nie do celów badawczych dla małych
fragmentów systemu elektroenerge-
tycznego, przy odwzorowaniu pozo-
stałych części bardzo uproszczony-
mi modelami zastępczymi. Informa-
cje na temat RTDS można znaleźć na
stronie internetowej [7] lub w publi-
kacjach [21, 23 - 25].

Pod względem użytych metod ma-

tematycznych oraz modeli elemen-
tów systemu istnieje duże podobień-
stwo między oprogramowaniem
RSCAD symulatora RTDS a progra-
mem PSCAD / EMTDC [5]. Elementy
systemu modelowane są za pomocą
dynamicznych modeli trójfazowych.
Do algebraizacji równań różniczko-
wych tych modeli użyta jest także
metoda Dommela [6]. Rozwiązywa-
nie tych równań jest jednak podzielo-
ne między równolegle pracujące pro-
cesory, co daje odpowiednią szybkość
rozwiązywania, odpowiadającą czaso-
wi rzeczywistemu.

Za pomocą interfejsu użytkowni-

ka, obecnie typu RSCAD (wcześniej
PSCAD), oraz dostępnych tam ikon użyt-
kownik musi stworzyć schemat graficz-
ny badanego systemu z użyciem biblio-
teki RTDS zawierającej rozmaite gotowe
modele elementów systemu oraz mode-
le elementów automatyki. W razie po-
trzeby użytkownik może również dołą-
czyć własne modele opracowane w ję-
zyku „C”. Sposób dołączenia jest ściśle
określony przez instrukcję użytkowania

Wzmacniacze napięciowe

Wzmacniacze prądowe

Wejścia

Impedancja wejściowa

>10 k

Ω

>10 k

Ω

Zakres sygnałów wejściowych

+ / – 10 V pk

+ / – 10 V pk

Zakresy sygnału wejściowego (różnicowego)

+ / – 10 V pk

+ / – 10 V pk

Tłumienie sygnału wspólnego
(CMRR)

60 dB

60 dB

Wzmocnienie (G)

30 V / V

10 A / V

Wyjścia

Maksymalne napięcie wyjściowe

+ / – 300 V pk

+ / – 50 V pk

Maksymalny prąd wyjściowy

+ / – 1 A pk

+ / – 100 A pk

Moc wyjściowa (ciągła)

150 VA

2500 VA

Sygnały przemienne

Zakres częstotliwości

0

÷

10 kHz

0

÷

10 kHz

Dokładność (|G*

U

wej

–

U

wyj

|)

Błąd <1 %, d.c.

÷

1 kHz, Błąd <3 %, 1 kHz

÷

3 kHz

Błąd <5 % dla częstotliwości >3 kHz

Opóźnienie grupowe sygnałów
wyjściowych (analogowych)

<50

µ

s

<50

µ

s

Zmiana opóźnienia grupowego

+ / – 1

µ

s

+ / – 1

µ

s

Szybkość narastania (0

÷

3 kHz)

>10 V /

µ

s

>2.5 V /

µ

s

Zakres częstotliwości sygnałów wyjściowych

0÷10 kHz

0÷10 kHz

Impedancja wyjściowa (0

÷

3 kHz)

<250

Ω

<0.5

Ω

Przesunięcie sygnału wyjściowego (offset)

<0.1 V

<0.05 A

Zniekształcenia intermodulacji

<0.1 %

<0.1 %

Zniekształcenie sygnału wyjściowego (szumy
+ całkowita zawartość niepożądanych
harmonicznych (THD+N)

<0.1 %

<0.1 %

Obciążenia

Zakres impedancji obciążenia

5 k

Ω÷∞

a)

0

÷

70

Ω

b)

Warunki otoczenia

Temperatura pracy

10

÷

40ºC

10

÷

40ºC

Dryft przesunięcia (offsetu) sygnału
wyjściowego dla 20ºC

<0.05 % / ºC

<0.05 % / ºC

Pobór mocy

600 VA

10 kVA

Objaśnienia: a) ograniczenia wzmacniaczy napięciowych są określone przez maksymalny prąd wyjściowy umożliwiający wymuszenie napięcia, wzmacniacze napięciowe muszą być
zabezpieczone przed zwarciami wyjść i powinny pracować stabilnie z obciążeniem pojemnościowym o pojemności do 22 nF, b) wzmacniacze prądowe powinny pozostać stabilnie, gdy ich
wyjścia zostaną rozwarte, ograniczenia w obciążeniu powinny być określone przez napięcia źródeł prądowych (tzw.

compaliance voltages), impedancję wyjściową, przesunięcie sygnału

wyjściowego (offset)

Tab. 3 Typowe parametry wzmacniaczy wykorzystywanych przez symulatory, wg [22]

TPC

3PC

RPC

Procesor

NECD77240

ADSP 21062

IBM PPC750CXe

Rozdzielczość (liczba bitów)

55

40

64

Liczba procesorów na karcie

2

3

2

MFLOPS / procesor

11

80

600

MFLOPS / kartę

22

240

1200

MFLOPS (ang.

millions of floating point operations per second) – miliony operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę

Tab. 2 Porównanie możliwości kart TPC, 3PC i RPC

Rys. 3 Architektura sprzętowa symulatora RTDS, wg [24]

32

e.i_03_2005.indb 32

e.i_03_2005.indb 32

2005-02-21 15:53:25

2005-02-21 15:53:25

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

symulatora RTDS. Zamiast modeli cy-
frowych w tworzonym modelu systemu
można także użyć rzeczywiste urządze-
nia dołączone do odpowiednich wejść
analogowych. Mogą to być na przykład
badane regulatory lub zabezpieczenia
elementów systemu. Podłączenie nastę-
puje za pomocą odpowiednich wzmac-
niaczy i przetworników. Zamieniają
one odpowiednie sygnały symulatora
na sygnały analogowe na poziomie prą-
dowym i napięciowym dostosowanym
do badanych urządzeń, a także odwrot-
nie – sygnały badanych urządzeń na sy-

gnały cyfrowe symulatora. Przy takim
połączeniu badane urządzenie uczest-
niczy w symulacji jak w rzeczywistym
systemie, to znaczy na przykład regulu-
je napięcie wzbudzenia generatora (re-
gulator) lub włącza zwarty element sys-
temu (zabezpieczenie).

Po poprawnym stworzeniu schematu

badanego systemu i uwzględnieniu do-
łączanych do niego urządzeń zewnętrz-
nych następuje etap tworzenia modelu
cyfrowego w symulatorze z użyciem czę-
ści sprzętowej oprogramowania symula-
tora RTDS. Do tego celu służy odpowied-

ni program Power and Control System
Software, podobny do programów, ja-
kie stosuje się do kompilacji i linkowa-
nia programów komputerowych. Pro-
gram ten generuje kod w języku niskie-
go poziomu (ang.

low-level

), który jest

potrzebny do wykonania symulacji za
pomocą części sprzętowej symulatora
RTDS. Program ten dzieli poszczególne
zadania numeryczne (w procesie obli-
czeniowym) pomiędzy równolegle pra-
cujące procesory sygnałowe znajdują-
ce się na kartach, a także przydziela od-

powiednie zadania komunikacyjne we-
wnątrz symulatora. Po tym etapie moż-
na uruchomić symulację.

Architekturę symulatora RTDS po-

kazano na rysunku 3. Symulator RTDS
składa się z jednej lub więcej szaf za-
wierających po kilka kaset. Każda ka-
seta jest identyczna i może zawierać
do 18 kart typu TPC (ang.

Tandem

Processor Cards

), jedną kartę typu WIF

(ang.

Workstation InterFace Card

) oraz

jedną kartę typu IRC (ang.

Inter-Rack

Communication Card

). Zamiast kart

TPC w jednej kasecie można zainsta-

lować do 12 kart 3PC (ang.

Triple Pro-

cessor Cards

) (wariant preferowany [7]).

Dodatkowo w urządzeniu mogą być
montowane karty: RPC (ang.

RISC Pro-

cesor Card

) oraz OADC (ang.

High Preci-

sion Analogue Input Card

) i DITS (ang.

Digital Input Time Stamping Card

) bez-

pośrednio podłączone do kart 3PC.

Każda karta TPC zawiera dwa pro-

cesory sygnałowe NEC D77240. Po-
nieważ karty w symulatorze są iden-
tyczne, ich funkcje podczas symula-
cji określane są za pomocą oprogra-
mowania. W zależności od rodzaju
funkcji przydzielonej karcie TPC pod-
czas symulacji oba procesory mogą
pracować niezależnie lub współpra-
cować razem. Taka elastyczność po-
zwala zwiększyć moc obliczeniową
w przypadku modeli mających bar-
dziej skomplikowane algorytmy. Bar-
dzo szybka wymiana danych między
procesorami na karcie może być osią-
gnięta bez wykorzystywania magi-
strali komunikacyjnej (rys. 3).

Każda karta TPC wyposażona

jest w układy wejść / wyjść analogo-

Rys. 4 Schemat przepływu sygnałów podczas testowania urządzeń zabezpieczenio-

wych z wykorzystaniem symulatora RTDS

33

reklama

e.i_03_2005.indb 33

e.i_03_2005.indb 33

2005-02-21 15:53:28

2005-02-21 15:53:28

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

a u t o m a t y k a

wych i dwustanowych. Jedna poło-
wa wejść / wyjść przypada na jeden
procesor, a druga – na drugi. Dzię-
ki temu lokalnie obliczane wielkości
(za pomocą procesorów karty) mogą
być bezpośrednio sygnałami wejścio-
wymi / wyjściowymi (np. dla wzmac-
niaczy mocy). W niektórych jednak
sytuacjach (gdy cały system jest za-
programowany), sygnały wyjściowe
z jednego procesora mogą być przy-
pisane do wyjść drugiego proceso-
ra (na tej samej karcie) lub do wyjść
procesora znajdującego się na innej
karcie TPC. Każda karta TPC zawie-
ra: 8 wyjść analogowych, 32 wyjścia
dwustanowe; 32 wejścia dwustano-
we; 2 wejścia analogowe (opcjonal-
nie). Aktualne funkcje przypisane do
portów wejść / wyjść zależą od modelu
przydzielonego do obliczeń danemu
procesorowi podczas symulacji.

Każda karta 3PC spełnia taką samą

rolę jak karta TPC. Jest jednak od niej
szybsza (porównanie kart znajduje się
w tabeli 2). Zawiera 3 procesory sygna-
łowe ADSP21062 oparte na architektu-
rze SHARC (ang.

Super Harvard Architec-

ture

). Każda karta 3PC zawiera: 24 wyj-

ścia analogowe (po 8 na jeden procesor)
o sygnałach w zakresie + / - 10 V (warto-
ści szczytowe), 2

×16 wejścia dwustano-

we (napięcie 5 V), 2

×16 wyjścia dwusta-

nowe (napięcie 5 V). Dodatkowo do kar-
ty 3PC można podłączyć:

kartę z wejściami analogowymi

OADC (ang.

High Precision Analo-

gue Input Card

) posiadającą sześć

16-bitowych kanałów analogo-
wych. Karta zapewnia izolację gal-
waniczną (optyczną) sygnałów wej-
ściowych urządzeń zewnętrznych
od urządzeń wewnętrznych symu-
latora. Do filtracji cyfrowej sygna-
łów wykorzystany jest procesor sy-
gnałowy ADSP21065L (SHARC) pra-
cujący z częstotliwością 60 MHz. Sy-
gnałami wejściowymi mogą być sy-
gnały o amplitudzie + / - 10 V. Karta
montowana jest z tyłu szafy i pod-
łączana do karty 3PC za pomocą
światłowodu,

kartę DITS (ang.

Digital Input Time

Stam ping Card

) służącą do określa-

nia informacji o znacznikach cza-

su dla sygnałów pojawiających się
na wejściach dwustanowych. Karta
zapewnia izolację galwaniczną wej-
ściowych sygnałów dwustanowych
od urządzeń wewnętrznych symu-
latora. Jest montowana z tyłu sza-
fy i podłączona do portu z sygnała-
mi dwustanowymi karty 3PC za po-
mocą giętkiej taśmy wielożyłowej.
Oprócz kart TPC i 3PC dostępna

jest nowa karta RPC (ang.

RISC Proce-

sor Card

), która posiada o wiele więk-

sze możliwości obliczeniowe niż kar-
ty TPC i 3PC. Porównania niektórych
parametrów tych trzech kart dokona-
no w tabeli 2.

Przykładowo do zasymulowania sys-

temu o 42 węzłach potrzeba: 21 kart
TPC (zajmują wiecej niż 1 kasetę), 4 kar-
ty 3PC (nie zajmują całej kasety) i 1 kar-
tę RPC. Za pomocą karty RPC można
jednocześnie zasymulować 56 (jedno-
fazowych) przełączeń (np. wyłaczniki
i / lub zakłócenia).

Do wzajemnej komunikacji we-

wnątrz kasety służy wspólna magistra-
la komunikacyjna (rys. 3). Komunika-
cją wewnątrz kasety zarządza lokalna
stacja robocza za pośrednictwem karty
WIF opartej na procesorze MPC860T / DT
(50 MHz). Stacja robocza każdej kasety
ma własny adres sieciowy i komuni-
kuje się (przez Ethernet) z nadrzędną
(główną) stacją roboczą. Główna sta-
cja robocza (za pomocą odpowiednie-
go oprogramowania) służy także do ko-
munikacji z użytkownikiem (interfejs
użytkownika). Przychodzące do kasety
dane (z lokalnej stacji roboczej) są prze-
kierowywane przez kartę WIF i wysyła-
ne z wykorzystaniem (zewnętrznej) ma-
gistrali komunikacyjnej do odpowied-
nich kart np. TPC. W ten sposób wszel-
kie sterowania, takie jak inicjacja symu-
lacji zakłócenia, mogą być wykonywane
dynamicznie z poziomu stacji roboczej.
Należy podkreślić, że karta WIF nie bie-
rze udziału w rozwiązywaniu równań
systemu, ale zamiast tego jest odpowie-
dzialna za sterowanie symulacjami i jest
interfejsem użytkownika.

Komunikacja między kasetami od-

bywa się za pomocą karty IRC, któ-
ra ma do sześciu dwukierunkowych
szybkich szeregowych kanałów komu-

nikacyjnych nadawczo-odbiorczych
(660 MBd każdy). W przypadku po-
trzeby wykorzystania więcej niż 6 ka-
set (znajdujących się w kilku szafach)
w symulatorze RTDS powinny być za-
instalowane dodatkowe karty IRC.

Ponieważ symulator RTDS generu-

je wyjściowe sygnały analogowe w za-
kresie 0 - 10 V pk sygnały te powinny
być odpowiednio wzmocnione do po-
ziomu odworowującego rzeczywiste sy-
gnały dopływające do badanych urzą-
dzeń zabezpieczeniowych. Natomiast
wyjściowe sygnały dwustanowe z ba-
danych urządzeń są doprowadzane do
wejść dwustanowych symulatora RTDS
(oczywiście wcześniej musi zostać do-
konana odpowiednia separacja galwa-
niczna, dostosowanie do odpowiednie-
go poziomu napięć). Przepływ sygna-
łów (podczas badań) między urządze-
niami pokazano na rysunku 4.

Możliwości techniczne symulatora

RTDS są stale udoskonalane i rozwi-
jane. Możliwość włączania do mode-
lu rzeczywistych urządzeń spowodo-
wała, że coraz więcej laboratoriów ba-
dawczych na świecie zaczyna go użyt-
kować jako jedno z podstawowych na-
rzędzi badawczych. Zakres zastosowań
jest dość szeroki i obejmuje między in-
nymi takie dziedziny jak:

badania zabezpieczeń elektro-

energetycznych w układzie z za-
mkniętą pętlą (to znaczy z pomia-
rem przez badane zabezpieczenie
wielkości w modelowanym syste-
mie oraz z oddziaływaniem przez
zabezpieczenie na modelowany
system) [26, 27],

badania energoelektronicznych

urządzeń FACTS (elastyczne syste-
my przesyłowe) przeznaczonych do
regulacji przepływów mocy w sys-
temach elektroenergetycznych,

badania dotyczące połączenia sys-

temów prądu przemiennego za po-
średnictwem prądu stałego [25],

badania regulatorów napięcia ge-

neratorów synchronicznych oraz
ich dodatkowych elementów na-
zywanych stabilizatorami syste-
mowymi,

badania poprawności współpra-

cy urządzeń zabezpieczeniowych

i regulatorów (maszyn synchro-
nicznych, urządzeń FACTS, ukła-
dów do przesyłu prądem stałym).
Oprócz wymienionych wyżej dzie-

dzin symulator RTDS może być wy-
godnym narzędziem edukacyjnym do
obserwacji wielu zjawisk dynamicz-
nych zachodzących w systemie elek-
troenergetycznym.

W wielu sytuacjach (szczególnie pod-

czas testowania urzadzeń zabezpiecze-
niowych) musi być dokonana (i oceniona)
duża liczba symulowanych przypadków
zakłóceń (np. różne początkowe kąty za-
łączenia zwarcia, różna impedancja przej-
ścia, różne miejsce zwarcia w linii). Z tych
powodów proces testowania powinien
być zautomatyzowany i powinna być
ograniczona do minimum interwencja
użytkownika. Symulator RTDS umożli-
wia zautomatyzowanie: procesu testowa-
nia dużej liczby przypadków, analizy wy-
ników i generacji raportu.

Opisany wyżej symulator nie jest

jedynym oferowanym na rynku. Ist-
nieją także inne konkurencyjne i in-
teresujące rozwiązania. Przykładem
może tu być symulator Hypersim fir-
my TransÉnergie Technologies (Kana-
da) [8] oraz symulator ARENE (

DTNA

– Digital Transient Network Analysers

)

opracowany i oferowany przez Electrici-
te de France (EDF) [28-32]. Oba symula-
tory (Hypersim i ARENE) przeznaczone
są przede wszystkim do symulacji elek-
tromagnetycznych stanów nieustalo-
nych i testowania urządzeń zabezpie-
czeniowych oraz urządzeń regulacyj-
nych. Mają one bogaty wybór gotowych
modeli matematycznych oraz przyjazny
dla użytkownika interfejs graficzny.

wzmacniacze sygnałów
prądowych i napięciowych

Wzmacniacze sygnałów prądowych

i napięciowych są wykorzystywane
przez wszystkie rodzaje obecnie wyko-
rzystywanych testerów mikroprocesoro-
wych. Od ich dokładności i parametrów
w dużej mierze zależą dokładność i za-
kres badania urządzeń (np. zakres prze-
noszonych częstotliwości sygnałów ana-
logowych, amplitudy sygnałów analogo-
wych). W przypadku klasycznych teste-

34

e.i_03_2005.indb 34

e.i_03_2005.indb 34

2005-02-21 15:53:32

2005-02-21 15:53:32

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 3 / 2 0 0 5

35

rów mikroprocesorowych wzmacniacze
wspomagają jedynie pracę źródeł prądo-
wych i napięciowych tych testerów. Po-
zwala to badać urządzenia zabezpiecze-
niowe sygnałami prądowymi i napię-
ciowymi o wartościach większych (np.
100 A pk, 300 V pk) niż te, które są prze-
widziane standardowo w danym teste-
rze (np. 12.5 A, 125 V na fazę w testerze
CMC-156). W przypadku symulatorów
odtwarzających jedynie sygnały przej-
ściowe oraz symulatorów działających
w czasie rzeczywistym, wzmacniacze
są ich elementem nieodzownym, po-
nieważ standardowo maksymalny sy-
gnał wyjściowy z symulatora jest sygna-
łem niskonapięciowym i posiada war-
tość szczytową nie większą niż

+ / - 10 V.

Należy podkreślić, że między sygnałami
wyjściowymi wzmacniaczy oraz sygna-
łami wyjściowymi symulatorów (a wej-
ściowymi wzmacniaczy) powinna ist-
nieć separacja galwaniczna.

W przypadku potrzeby wzmocnie-

nia sygnałów prądowych wykorzysty-
wane są wzmacniacze o paśmie przeno-
szenia od kilkunastu Hz od kilkunastu
kHz. Ponieważ są to wzmacniacze typu
„audio” (podobne do tych wykorzy-
stywanych w sprzęcie muzycznym),
ich impedancja wyjściowa wynosi kil-
ka

Ω. W przypadku wejść prądowych

urządzeń zabezpieczeniowych (o im-
pedancji wejściowej nieprzekraczającej
1

Ω), jest to zbyt dużo i dlatego przed

doprowadzeniem sygnału do urządze-
nia zabezpieczeniowego przechodzi on
przez specjalne układy dopasowujące
impedancję źródła (wzmacniacza) do
odbiornika (urządzenia zabezpiecze-
niowego). W praktyce można spotkać
dwa typy układów dopasowujących:
układ przenoszący składową stałą prą-
du (lub napięcia), układ nieprzenoszą-
cy tej składowej (wykorzystujący trans-
formator separujący).

Różnica między wyjściami napięcio-

wymi i prądowymi wzmacniaczy pole-
ga na tym, że układy dopasowujące dla
wyjść napięciowych dopasowują impe-
dancję wyjściową wzmacniacza do du-
żej impedancji (rzędu kilku k

Ω) wejść

napięciowych urządzenia zabezpiecze-
niowego, a wartości generowanych na-
pięć są znaczne (powyżej 100 V).

Wielu producentów komercyjnych ta-

kich jak firma Megger [14], Crown [33],
Techron [34] udostępnia w swojej ofer-
cie zarówno wzmacniacze napięciowe,
jak i prądowe. W sprawozdaniu grupy
roboczej IEEE [22] można znaleźć typo-
we parametry wzmacniaczy wykorzy-
stywanych przez symulatory (tabela 3).
W tablicy przedstawiono parametry sy-
gnałów wyjściowych wzmacniaczy dla
badanych urządzeń o prądzie znamio-
nowym I

N

= 5 A i napięciu znamiono-

wym U

Nf

= 115 /

3

V.

podsumowanie

Wraz z powstaniem pierwszych kon-

strukcji przekaźników elektroenerge-
tycznych pojawiła się potrzeba spraw-
dzania poprawności ich działania. Wcz-
śniej do tego celu były wykorzystywane
specjalistyczne „walizki” przeznaczone
do sprawdzania konkretnych zabezpie-
czeń. Obecnie do badania przekaźników
elektroenergetycznych wykorzystywane
są testery mikroprocesorowe.

W zależności od rodzaju przeprowa-

dzanych badań wykorzystywane są róż-
ne rodzaje testerów. Testery klasyczne
(najbardziej rozpowszechnione) umoż-
liwiają badanie przekaźników za pomo-
cą sygnałów, które mogą zostać opisane
prostymi zależnościami między prąda-
mi i napięciami i są odpowiednikami
„walizek testowych”. Testery (symula-
tory) odtwarzające sygnały przejściowe
umożliwiają badanie przekaźników sy-
gnałami będącymi wynikiem zjawisk
przejściowych występujących podczas
zakłóceń w systemie. W tego rodzaju te-
stach sygnały testowe mogą być zareje-
strowane podczas rzeczywistych zakłó-
ceń bądź też mogą być wynikami symu-
lacji matematycznych. Najbardziej wy-
rafinowaną metodą testowania jest te-
stowanie z zamkniętą pętlą. Badania
tego typu są wykonywane za pomocą
symulatorów (testerów) działających
w czasie rzeczywistym. W przypadku
takiego testowania na zachowanie się
modelowanego systemu tak jak w rze-
czywistym systemie wpływ ma działa-
nie badanych urządzeń.

Od redakcji:

Literatura do artyku-

łu na www.elektro.info.pl

e.i_03_2005.indb 35

e.i_03_2005.indb 35

2005-02-21 15:53:33

2005-02-21 15:53:33