王鵬

[摘? ? ? ? ? ?要]? 結合數(shù)字計算機和RTDS的混合仿真需求，提出了實時混合仿真方案，即在保持計算機側機電暫態(tài)仿真和RTDS側電磁暫態(tài)仿真獨立進行的同時，利用智能接口卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，保證二側仿真同步。從仿真效果來看，能夠滿足仿真準確性要求。

[關? ? 鍵? ?詞]? 數(shù)字計算機;RTDS;實時混合仿真

[中圖分類號]? TM743? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）28-0144-02

在實時仿真領域，數(shù)字計算機得到了廣泛應用。但是單純采用計算機進行仿真分析，無法完成大規(guī)模系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真分析。針對這一問題，還要引入數(shù)字仿真系統(tǒng)，即RTDS，通過實時混合仿真加強系統(tǒng)暫態(tài)仿真工具的運用，實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)特性精確模擬，使采用數(shù)字計算機和RTDS進行復雜系統(tǒng)仿真分析存在的局限性得到突破。因此，需要加強二者的實時混合仿真研究，以便在一次仿真中同時完成系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真和網(wǎng)絡電磁暫態(tài)仿真，從而使系統(tǒng)仿真的準確性得到保證，達到提高計算機仿真技術水平的目標。

一、數(shù)字計算機和RTDS的混合仿真需求

在數(shù)字仿真分析方面，可以采用的仿真方法主要有兩種，一種是數(shù)字計算機的機電暫態(tài)仿真，能夠系統(tǒng)快速地就暫態(tài)特性及元件畸變特性展開分析，但在器件內部故障研究等方面存在局限性;另一種是RTDS電磁暫態(tài)仿真，能夠用于對元器件內部故障過程等情況進行仿真分析，但受算法限制仿真規(guī)模有限，無法對大規(guī)模系統(tǒng)進行仿真分析。實現(xiàn)數(shù)字計算機和RTDS混合仿真，能夠同時對復雜系統(tǒng)及內部元器件展開仿真分析，滿足非線性瞬時系統(tǒng)研究需求。實際上，對數(shù)字計算機和RTDS進行混合仿真，并非是對系統(tǒng)各種波形數(shù)據(jù)進行精確重現(xiàn)，而是需要對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性進行分析，從而提出科學的保護措施。想要達成這一目標，需要進行機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的實時混合仿真，從而對系統(tǒng)及設備的動態(tài)過程展開分析，得到瞬時仿真數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)的隱式積分迭代算法，能夠在復雜電子計算機裝置中插入暫態(tài)計算模塊，但卻無法達到實時混合仿真的目標。采用接口數(shù)據(jù)交互時序，對一個暫態(tài)網(wǎng)絡進行仿真，另一個將處于停止狀態(tài)，在數(shù)據(jù)交互周期前后交接變化量較大的情況下，將產生較大的交替計算誤差，繼而影響仿真結果精確性。因此，需要提出科學的實時混合仿真方案，以便使數(shù)字計算機和RTDS仿真能夠同時開展。

二、基于數(shù)字計算機和RTDS的實時混合仿真方案

（一）實時混合仿真方案

結合實時混合仿真需求，可以采用智能接口卡進行數(shù)字計算機和RTDS的數(shù)據(jù)交互，在接口兩側同時進行暫態(tài)仿真，然后在固定時刻通過接口完成邊界等值參數(shù)的交互。采用數(shù)字計算機為Intel P4個人計算服務器，具有實時仿真能力，并且含有PCI總線接口，采用快速機電暫態(tài)仿真程序，運行效率較高，對含2200節(jié)點系統(tǒng)進行仿真可以達到約8倍超實時。選用新一代RTDS，能夠利用GTAI/GTAO卡完成模擬量輸入/輸出擴展，并對交互步長進行同步脈沖信號的發(fā)射，促使兩側同步仿真得以實現(xiàn)。智能接口卡核心為數(shù)字信號處理器DSP，包含多個A/D和

D/A通道，能夠對交互時序、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M行控制，完成計算機側數(shù)據(jù)濾波計算，利用FIFO內存實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)交互，并利用A/D和D/A與RTDS之間完成數(shù)據(jù)交互。在實時混合仿真過程中，將由RTDS側進行仿真啟動信號發(fā)送，經(jīng)接口傳遞至計算機側，促使兩側同時開展仿真，分別進行下一個步長計算，根據(jù)對方邊界條件，可以對接口信息進行準備。具體來講，計算機側需要結合電磁側條件判斷能否進行同步信號接收，若能夠接受將進行接口信息發(fā)送，否則將返回重新確認是否接收到同步信號。RTDS側將確定是否累積至一個交互步長，達到一個步長后才會進行同步脈沖信號接收，否則將重新判斷步長條件是否滿足。計算機側發(fā)送的接口經(jīng)過接口卡D/A處理后，將被RTDS側接收，成為下一步長計算的邊界條件。與此同時，RTDS將通過GTAO進行接口信息發(fā)送，經(jīng)過接口卡的D/A、采集和濾波處理后由計算機側接收和上傳，為下一步長計算做好準備。在整個過程中，RTDS時標是仿真開始的基準，從各交互步長開始由RTDS先完成同步脈沖信號發(fā)射，然后由兩側各自進行獨立計算，在交互數(shù)據(jù)更新時刻進行數(shù)據(jù)交互，保證仿真同步。

（二）RTDS暫態(tài)仿真分析

在接口數(shù)據(jù)交互上，需要由RTDS進行同步信號的發(fā)送。而通過接口實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)交互，需要保證接口量形式等值。實際上，電磁暫態(tài)過程涉及電壓、電流等各種參數(shù)，仿真目的在于對暫態(tài)故障進行分析。而電磁暫態(tài)過程數(shù)量級為毫秒和秒級，分析時還要采用時域瞬時值進行仿真。按照系統(tǒng)接線情況，可以對能夠實現(xiàn)各元件等值計算的電路進行連接，得到等值網(wǎng)絡體系，包含各種電流源和純電阻，得到式（1）G*U（t）=I（t），式中G指的是電網(wǎng)等值導納矩陣，只有在電網(wǎng)拓撲結構發(fā)生改變時才會變化，I（t）為t時刻電網(wǎng)各節(jié)點注入電流列向量，U（t）為對應的節(jié)點電壓向量[1]。結合方程，可以確定各元件電壓和電流關系，然后完成等值網(wǎng)絡求解。根據(jù)網(wǎng)絡等值，RTDS側能夠對步長接口等值參數(shù)進行獲取，然后進行瞬時交流電壓源的合成分析。在接口交互的過程中，存在電磁暫態(tài)過程，如諧波等將對接口電壓產生影響，因此需要發(fā)揮接口卡的濾波、采集等功能，使相關數(shù)值得到校正。

（三）計算機暫態(tài)仿真分析

在實時混合仿真期間，計算機側主要需要根據(jù)RTDS側信號開始仿真。在等值網(wǎng)絡求解上，由于機電暫態(tài)仿真目的在于對系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下受故障干擾后能否恢復正常的能力進行分析，所以需要運用基波向量分析法完成系統(tǒng)靜態(tài)或動暫態(tài)穩(wěn)定分析。在系統(tǒng)變化頻率不高的情況下，可以憑借網(wǎng)絡支路電流和電壓等變量對導納進行阻止，因此仿真系統(tǒng)由系統(tǒng)負荷和網(wǎng)絡等元件數(shù)學模型構成，利用交替求解法能夠完成暫態(tài)穩(wěn)定分析，使系統(tǒng)暫態(tài)過程微分方程和網(wǎng)絡方程交替迭代，最終確定計算步長時刻[2]。實際在機電暫態(tài)仿真過程中，對功角穩(wěn)定性進行計算通常不會使電流零序分量進入系統(tǒng)網(wǎng)絡，諧波等變量不會促使同步速電磁轉矩的產生，因此經(jīng)過網(wǎng)絡將得到衰減，基本不會對系統(tǒng)穩(wěn)定和振蕩模式產生影響。結合這一因素，RTDS側在向計算機側進行接口功率注入時，僅對基波分量進行考量。

（四）接口數(shù)據(jù)交互分析

實際進行計算機和RTDS連接，采用GYNET數(shù)字量接口吉比特收發(fā)器網(wǎng)絡，但想要滿足在特定時間進行接口數(shù)據(jù)交互的條件，還要對RTDS固件模塊功能的局限性進行突破。采用模擬量接口，可以利用擁有32×8路雙向數(shù)據(jù)傳輸能力的智能接口卡進行數(shù)據(jù)交互，技術相對成熟，可以直接與RTDS的模擬量接口進行連接，達到已知接口的目標。但在接口數(shù)據(jù)交互方面，實現(xiàn)模擬量輸出可能導致附加延時和誤差的產生。為保證兩側能夠實現(xiàn)仿真同步，還要使數(shù)據(jù)延時不超過交互步長，同時噪聲幅值應當比迭代求解收斂判據(jù)1/10要小，才能避免實時仿真受誤差影響。實際上，延時主要來自傳輸通道上的電壓階躍和A/D、D/A轉換。在數(shù)據(jù)轉換上，能夠通過提高采樣速率減少延時，但針對電壓階躍帶來的延時，需要使連線電容得到減小或對D/A輸出驅動力進行增強。針對接口數(shù)據(jù)傳輸誤差，還要預先完成各通道固定誤差測定，然后通過矯正消除或減小誤差。采用數(shù)字濾波器，能夠對傳輸通道噪聲進行濾除。針對計算機側，需要在混合仿真交互步長內第n個電磁暫態(tài)步長位置利用GTAI進行接口信息讀入，并利用IIR濾波器完成數(shù)據(jù)噪聲濾除[3]。針對RTDS側，在接口卡采樣時，應當保持50μs～200μs間隔，經(jīng)過A/D轉換后進行數(shù)據(jù)存儲，并利用FIR濾波器完成數(shù)據(jù)冗余均值濾除。

（五）實時混合仿真效果

為驗證方案效果，需要對機電側包含9節(jié)點和電磁側包含1回直流系統(tǒng)的交流系統(tǒng)進行實時混合仿真，該系統(tǒng)通過IEEE標準測試系統(tǒng)修改得到，包含兩個交流區(qū)域。在RTDS中，可以完成系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真，然后對系統(tǒng)進行機電暫態(tài)仿真，并在換流母線位置完成接口數(shù)據(jù)交互。從仿真結果來看，實時混合仿真結果能夠與全電磁仿真結果保持一致，即擁有基本相同的直流環(huán)流變高壓母線電壓幅值，暫態(tài)過程偏差最大僅為0.005，能夠保證電磁暫態(tài)側直流系統(tǒng)獲得準確的邊界條件，從而使計算結果的精確性得到保證。而從數(shù)據(jù)交互情況來看，從計算機側向RTDS側傳輸數(shù)據(jù)的誤差不超過0.03%，從RTDS側向計算機側傳輸數(shù)據(jù)誤差不超過0.01%，延時均在2 ms左右。比較全系統(tǒng)穩(wěn)定性實時混合仿真結果和RTDS仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，也擁有大致相似的穩(wěn)定性過程，暫態(tài)偏差最大不超過3°。由此可見，采用上述實時混合仿真方案，能夠對系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)過程進行可靠模擬。

綜上所述，在對復雜計算機系統(tǒng)進行仿真分析時，采用實時混合仿真方法需要達到較高的仿真計算精度和速率要求。在實際制定仿真方案的過程中，還應結合計算機側和RTDS側仿真特點，適當降低電磁暫態(tài)接口的復雜性，采用模擬量接口交互形式時加強濾波處理，同時盡量減小固定誤差，從而使混合仿真的可信度得到提高。

參考文獻：

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◎編輯 張 慧