計算機機電暫態仿真、RTDS電磁暫態仿真的混合仿真設計構想

張朝鑫

摘 要 本文所研究的混合仿真設計主要是基于計算機機電暫態仿真、RTDS電磁暫態仿真。尤其盡兩年電力系統的巨大發展，大容量輸電工程的建成對數字仿真提出了更高的要求，本文就針對電力系統的特性設計了計算機與RTDS的混合實時仿真平臺，詳細分析混合仿真接口方案中的關鍵技術，構造等值模型來正確反映對側系統的運行狀態，并結合相關直流系統案例驗證本文所設計的仿真平臺是具備有效性和可行性，以供參考。

關鍵詞 RTDS電磁暫態仿真；計算機機電暫態仿真；混合仿真；設計

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）14-0062-02

近年來，電力系統數字仿真技術有了突破性的進展，實現了許多具有代表性的系統仿真，如HYPERSIM及DDRTS等其他全數字實時仿真，在國內外應用最為頻繁當屬RTDS。目前復雜的直流系統已經不能通過傳統機電暫態模型進行分析，應構建準確的電磁暫態混合模型和機電暫態，展現非線性元件在大系統中的影響作用，進而實現對大系統的實時仿真，發揮RTDS電磁暫態仿真的作用。

1 混合仿真平臺整體設計

混合仿真平臺整體設計強調混合仿真的準確率，計算機機電暫態仿真會在混合仿真中與RTDS電磁暫態仿真以同步的方式進行接口和交換邊界等值參數。圖1為混合仿真平臺硬件基本構成，主要包括三個方面：計算機、RTSD、智能接口卡。

1）計算機，本文研究采用的快速機電暫態仿真是程序，計算機中所含的總線接口具有實時仿真能力的電力系統機電暫態仿真程序，具有橋高的計算效率。

2）RTDS（Real Time Digital Simulator），實時數字仿真儀，它與一個飛行模擬器很詳細，用戶可以研究電力系統裝置和網絡上的干擾所帶來的影響，防止出現故障或斷電現象。RTDS是“實時的”模擬裝置，強調電力系統的運算法能被計算得足夠快，進而可以連續地產生輸出，實際網絡中的情形正是電力系統的輸出結果。它所實現的電磁暫態實時仿真是為了完成重要設備和局部系統的仿真需求，為了更好的實現數據交換，重要設備中的輸出通道與接口卡相連便能實現上述所需。此外，接口電氣量求取和相關形式轉化，大部分依靠RTDS側所建立的機電側電網等值模型。本文研究中所采用用戶自定義中的邏輯判斷功可滿足混合仿真的數據處理所需。另一方面用戶自定義組件能實現變諾頓等值電路和時變串并聯支路等。

3）智能接口卡，電磁和機電兩側接口數據的處理和傳輸都可通過智能接口卡實現，尤其利用其中相關數字信號處理器可以實現數據傳輸控制和交互時序控制等，接口卡通過FIFO內存與計算機交換數據，具有較高的擴展能力。

2 混合仿真接口方案

2.1 基于計算機機電暫態仿真、RTDS電磁暫態仿真接口基本原理

將原系統進行初步建模后會選取需要詳細仿真的部分和需要規模化仿真部分的接口，前提是按照需求劃分。前者實現電磁暫態仿真需建立電磁暫態模型并連接外部控制裝置，后者實現大規模的機電暫態仿真需建立相應的機電子網模型，兩種暫態仿真實現實時的數據交互還需構建計算機機電暫態和電磁暫態仿真相結合。

1）電磁暫態仿真。電磁暫態過程與短路等故障有關，涉及工頻電流、工頻電壓幅值等，對其進行仿真的目的就是分析系統中可能會出現的暫態過電壓故障，如波形畦變或諧波，通過合理設計所得到暫態過電壓和過電流相關電力設備來確定是否能正常安全運行。由于電磁暫態過程變化較快，數量級屬毫秒～秒級別，進而得出暫態過程產生原因，電力系統正常運行的時候處于穩定狀態，各種擾動造成了電力系統進入暫態，一般引起電力系統中事故擾動最常見的有短路故障和系統內發電機、變壓器、電動機等原件上發生不同相之間的短路故障。所以在分析故障時要考慮輸電線路或電磁耦合參數引起的波過程，在分析計算電磁暫態仿真可采用時域瞬時值的方式。電力系統電磁暫態仿真的微分方程十分復雜，大部分為網絡中廣泛存在的電容元件等構成的微分方程組的求解，對電力系統的電磁暫態模型仿真規模有一定的限制，具體方程見式（1）。

其中，電網等值導納矩陣為“G”，為常數矩陣，其改變只在拓撲結構有變化時。各節點注入電流組成的列向量為“I（t）”。t時刻電網節點電壓相量為“U（t）。各元件及相互之間電壓及電流關系都通過此方程式有了明確反映。在求解該時刻各元件的電流和電壓時可在各等級電流源都已知的情況下運用可對等值計算網絡進行求解。

2.2 接口關鍵技術

計算機機電-RTDS電磁暫態混合實現仿真的核心問題就是接口處理，也關系到是否能成功實現混合仿真。接口算法主要涉及到以下幾方面內容。

1）接口位置的選擇。HVDC和FACTS裝置電力系統接口位置通常在連接變壓器一次側母線處，有利于數值計算的穩定性，一定程度上還縮小了電磁暫態仿真范圍，減輕了電磁暫態仿真的計算負擔，除此之外，在電磁暫態仿真中包含了換流母線附近濾波器、補償裝置等設備，可有更好的分析相關動態特性。目前混合仿真接口位置的選擇都以手工靜態劃分為主，主要考慮數值穩定性、接口處負荷復雜程度等因素。

2）接口等值電路形式。在進行電磁系統仿真時必須選擇合適的等值電路做好代替。一般機電網絡的仿真規模較龐大，網絡中的參數近似符合線性關系，可以直接運用傳統諾頓等值電路來代替外部系統。但系統的諧波組特抗性在交直流混合仿真中不能真實反映機電網絡的基波等值阻抗似，常存在諧波放大、高頻特性等問題。而在對機電子系統進行仿真時，必須選擇合適的等值電路做好電磁子系統的代替作用，由于電磁子系統中可能包含HVDC或其他非線性電子元件，有相對復雜的等值電路形式。因此，采用諾頓等值電路形式作為電磁側的常規交流網絡，可采用恒功率符合等類似形式，前提是以元件和網絡特性為主。

3）數據時序交互方式。設計合理的數據交換時序方案，一是為了實現機電暫態仿真的平滑連接，二是保證仿真結果的真實準確，其中計算機機電磁暫態仿真程序的計算步長毫秒級，RTDS電磁暫態為微妙級，當前串行數據交互方式和并行數據交互方式是混合仿真所采用的主要數據交換方式。

3 結束語

綜上所述，混合仿真對計算精度和計算速度都有嚴格的要求，本文所構想的設計方案主要是針對大規模電力系統仿真，設計中充分結合機電暫態與RTDS電磁暫態混合實時仿真平臺的特點，并與相關研究理論與工程試驗相結合，有效降低對電壓電流作為接口量時相位精度的要求，也相應減少電磁暫態的結算量和接口的復雜性，進一步提高混合仿真的實效性和可信度。

參考文獻

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