張朝鑫

摘 要 本文所研究的混合仿真設(shè)計(jì)主要是基于計(jì)算機(jī)機(jī)電暫態(tài)仿真、RTDS電磁暫態(tài)仿真。尤其盡兩年電力系統(tǒng)的巨大發(fā)展，大容量輸電工程的建成對(duì)數(shù)字仿真提出了更高的要求，本文就針對(duì)電力系統(tǒng)的特性設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)與RTDS的混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，詳細(xì)分析混合仿真接口方案中的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)造等值模型來正確反映對(duì)側(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合相關(guān)直流系統(tǒng)案例驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)是具備有效性和可行性，以供參考。

關(guān)鍵詞 RTDS電磁暫態(tài)仿真；計(jì)算機(jī)機(jī)電暫態(tài)仿真；混合仿真；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）14-0062-02

近年來，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了許多具有代表性的系統(tǒng)仿真，如HYPERSIM及DDRTS等其他全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真，在國內(nèi)外應(yīng)用最為頻繁當(dāng)屬RTDS。目前復(fù)雜的直流系統(tǒng)已經(jīng)不能通過傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)模型進(jìn)行分析，應(yīng)構(gòu)建準(zhǔn)確的電磁暫態(tài)混合模型和機(jī)電暫態(tài)，展現(xiàn)非線性元件在大系統(tǒng)中的影響作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真，發(fā)揮RTDS電磁暫態(tài)仿真的作用。

1 混合仿真平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

混合仿真平臺(tái)整體設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)混合仿真的準(zhǔn)確率，計(jì)算機(jī)機(jī)電暫態(tài)仿真會(huì)在混合仿真中與RTDS電磁暫態(tài)仿真以同步的方式進(jìn)行接口和交換邊界等值參數(shù)。圖1為混合仿真平臺(tái)硬件基本構(gòu)成，主要包括三個(gè)方面：計(jì)算機(jī)、RTSD、智能接口卡。

1）計(jì)算機(jī)，本文研究采用的快速機(jī)電暫態(tài)仿真是程序，計(jì)算機(jī)中所含的總線接口具有實(shí)時(shí)仿真能力的電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真程序，具有橋高的計(jì)算效率。

2）RTDS（Real Time Digital Simulator），實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀，它與一個(gè)飛行模擬器很詳細(xì)，用戶可以研究電力系統(tǒng)裝置和網(wǎng)絡(luò)上的干擾所帶來的影響，防止出現(xiàn)故障或斷電現(xiàn)象。RTDS是“實(shí)時(shí)的”模擬裝置，強(qiáng)調(diào)電力系統(tǒng)的運(yùn)算法能被計(jì)算得足夠快，進(jìn)而可以連續(xù)地產(chǎn)生輸出，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的情形正是電力系統(tǒng)的輸出結(jié)果。它所實(shí)現(xiàn)的電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真是為了完成重要設(shè)備和局部系統(tǒng)的仿真需求，為了更好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，重要設(shè)備中的輸出通道與接口卡相連便能實(shí)現(xiàn)上述所需。此外，接口電氣量求取和相關(guān)形式轉(zhuǎn)化，大部分依靠RTDS側(cè)所建立的機(jī)電側(cè)電網(wǎng)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(shù)據(jù)處理所需。另一方面用戶自定義組件能實(shí)現(xiàn)變諾頓等值電路和時(shí)變串并聯(lián)支路等。

3）智能接口卡，電磁和機(jī)電兩側(cè)接口數(shù)據(jù)的處理和傳輸都可通過智能接口卡實(shí)現(xiàn)，尤其利用其中相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸控制和交互時(shí)序控制等，接口卡通過FIFO內(nèi)存與計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)，具有較高的擴(kuò)展能力。

2 混合仿真接口方案

2.1 基于計(jì)算機(jī)機(jī)電暫態(tài)仿真、RTDS電磁暫態(tài)仿真接口基本原理

將原系統(tǒng)進(jìn)行初步建模后會(huì)選取需要詳細(xì)仿真的部分和需要規(guī)?；抡娌糠值慕涌?，前提是按照需求劃分。前者實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)仿真需建立電磁暫態(tài)模型并連接外部控制裝置，后者實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的機(jī)電暫態(tài)仿真需建立相應(yīng)的機(jī)電子網(wǎng)模型，兩種暫態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互還需構(gòu)建計(jì)算機(jī)機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)仿真相結(jié)合。

1）電磁暫態(tài)仿真。電磁暫態(tài)過程與短路等故障有關(guān)，涉及工頻電流、工頻電壓幅值等，對(duì)其進(jìn)行仿真的目的就是分析系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓故障，如波形畦變或諧波，通過合理設(shè)計(jì)所得到暫態(tài)過電壓和過電流相關(guān)電力設(shè)備來確定是否能正常安全運(yùn)行。由于電磁暫態(tài)過程變化較快，數(shù)量級(jí)屬毫秒～秒級(jí)別，進(jìn)而得出暫態(tài)過程產(chǎn)生原因，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)候處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種擾動(dòng)造成了電力系統(tǒng)進(jìn)入暫態(tài)，一般引起電力系統(tǒng)中事故擾動(dòng)最常見的有短路故障和系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等原件上發(fā)生不同相之間的短路故障。所以在分析故障時(shí)要考慮輸電線路或電磁耦合參數(shù)引起的波過程，在分析計(jì)算電磁暫態(tài)仿真可采用時(shí)域瞬時(shí)值的方式。電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的微分方程十分復(fù)雜，大部分為網(wǎng)絡(luò)中廣泛存在的電容元件等構(gòu)成的微分方程組的求解，對(duì)電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型仿真規(guī)模有一定的限制，具體方程見式（1）。

其中，電網(wǎng)等值導(dǎo)納矩陣為“G”，為常數(shù)矩陣，其改變只在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有變化時(shí)。各節(jié)點(diǎn)注入電流組成的列向量為“I（t）”。t時(shí)刻電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓相量為“U（t）。各元件及相互之間電壓及電流關(guān)系都通過此方程式有了明確反映。在求解該時(shí)刻各元件的電流和電壓時(shí)可在各等級(jí)電流源都已知的情況下運(yùn)用可對(duì)等值計(jì)算網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行求解。

2.2 接口關(guān)鍵技術(shù)

計(jì)算機(jī)機(jī)電-RTDS電磁暫態(tài)混合實(shí)現(xiàn)仿真的核心問題就是接口處理，也關(guān)系到是否能成功實(shí)現(xiàn)混合仿真。接口算法主要涉及到以下幾方面內(nèi)容。

1）接口位置的選擇。HVDC和FACTS裝置電力系統(tǒng)接口位置通常在連接變壓器一次側(cè)母線處，有利于數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性，一定程度上還縮小了電磁暫態(tài)仿真范圍，減輕了電磁暫態(tài)仿真的計(jì)算負(fù)擔(dān)，除此之外，在電磁暫態(tài)仿真中包含了換流母線附近濾波器、補(bǔ)償裝置等設(shè)備，可有更好的分析相關(guān)動(dòng)態(tài)特性。目前混合仿真接口位置的選擇都以手工靜態(tài)劃分為主，主要考慮數(shù)值穩(wěn)定性、接口處負(fù)荷復(fù)雜程度等因素。

2）接口等值電路形式。在進(jìn)行電磁系統(tǒng)仿真時(shí)必須選擇合適的等值電路做好代替。一般機(jī)電網(wǎng)絡(luò)的仿真規(guī)模較龐大，網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)近似符合線性關(guān)系，可以直接運(yùn)用傳統(tǒng)諾頓等值電路來代替外部系統(tǒng)。但系統(tǒng)的諧波組特抗性在交直流混合仿真中不能真實(shí)反映機(jī)電網(wǎng)絡(luò)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(duì)機(jī)電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，必須選擇合適的等值電路做好電磁子系統(tǒng)的代替作用，由于電磁子系統(tǒng)中可能包含HVDC或其他非線性電子元件，有相對(duì)復(fù)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(cè)的常規(guī)交流網(wǎng)絡(luò)，可采用恒功率符合等類似形式，前提是以元件和網(wǎng)絡(luò)特性為主。

3）數(shù)據(jù)時(shí)序交互方式。設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)交換時(shí)序方案，一是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)電暫態(tài)仿真的平滑連接，二是保證仿真結(jié)果的真實(shí)準(zhǔn)確，其中計(jì)算機(jī)機(jī)電磁暫態(tài)仿真程序的計(jì)算步長(zhǎng)毫秒級(jí)，RTDS電磁暫態(tài)為微妙級(jí)，當(dāng)前串行數(shù)據(jù)交互方式和并行數(shù)據(jù)交互方式是混合仿真所采用的主要數(shù)據(jù)交換方式。

3 結(jié)束語

綜上所述，混合仿真對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算速度都有嚴(yán)格的要求，本文所構(gòu)想的設(shè)計(jì)方案主要是針對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真，設(shè)計(jì)中充分結(jié)合機(jī)電暫態(tài)與RTDS電磁暫態(tài)混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的特點(diǎn)，并與相關(guān)研究理論與工程試驗(yàn)相結(jié)合，有效降低對(duì)電壓電流作為接口量時(shí)相位精度的要求，也相應(yīng)減少電磁暫態(tài)的結(jié)算量和接口的復(fù)雜性，進(jìn)一步提高混合仿真的實(shí)效性和可信度。

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