数字与物理混合仿真

2024-09-23

数字与物理混合仿真（共4篇）

数字与物理混合仿真篇1

摘要：数字物理混合仿真结合了数字仿真和物理模拟的优点,是仿真发展的新方向。接口算法是混合仿真中的关键问题。分析了混合仿真系统的结构,对串行时序和并行时序进行了比较。综述了已有的5种接口方法,并推导出其中4种方法的统一形式。最后建立了混合仿真系统的离散动态模型,该模型为混合仿真系统的理论分析提供了基础。

关键词：数字物理混合仿真,接口算法,理想变压器模型,阻尼阻抗法

0 引言

电力系统仿真是研究电网动态行为、保证电网安全稳定以及优化运行的重要手段,从方法上可以分为物理模拟与数字仿真两种。物理模拟利用实际电力系统采用的系统元件,经过等值折算,对实际电力系统进行模拟和仿真,不需要确定设备的数学模型,但它存在建设投资巨大、参数更改困难、模拟规模有限等缺点,无法模拟大规模电网的运行和试验。应用数学模型来研究电力系统物理过程的仿真属于数字仿真。该方法可实现大规模电网的仿真和计算,广泛用于科学研究和实际运行中[1],但仿真结果受模型、参数、算法的影响较大,无法完成对模型、参数和算法的实际校验,与真实电力系统运行存在的差距需要凭经验或故障录波结果进行反复修正。数字仿真严重依赖设备的数学模型,建模的好坏直接影响结果的精度和可信性。

结合数字仿真和物理模拟的混合仿真(又称硬件在环仿真(hardware-in-the-loop simulation))能够兼顾以上两种方法的优点,用物理装置模拟建模效果不理想或模型未知的元件,而用数字仿真模拟大规模的电力系统,是电力系统仿真领域的一个新的发展思路。最早的混合仿真主要用于研究控制和保护装置的特性,物理侧采用实际的控制和保护装置,数字侧用数字仿真模拟电网的动态[2,3,4,5]。电力一次设备的混合仿真,要将功率设备放在物理侧作为仿真对象[6,7,8,9,10,11],接口处有功率的流动,接口装置的设计与实现是其中的关键环节。文献[10,11,12]中采用四象限变压变频变换器作为接口设备,利用数字物理混合仿真对电能质量、风电机组、舰船用推进电机进行研究。

接口算法是混合仿真中的关键问题[2,9,13,14,15]。文献[2]采用电压预测技术提高高压直流(HVDC)混合实时仿真系统接口的稳定性。文献[9]对多种接口方案进行了研究并对输电线解耦方案进行了改进。文献[13]对物理侧动态采用一阶近似,提出了一种新的接口算法。文献[14]建立了一个一阶电路的混合仿真系统的离散动态模型,从理论上对接口算法的稳定性进行了分析。文献[15]利用传递函数,研究比较了5种不同接口算法的稳定性。但从目前的研究现状看,对接口算法的研究还不够系统,而且以仿真实验研究为主,理论上的研究还有待进一步深入。

本文首先分析混合仿真系统的结构和时序,在综述现有接口算法的基础上,推导了其中4种接口算法的统一形式,然后基于文献[14]中的建模方法,在一个简单电路中建立混合仿真系统的模型,以该模型为基础进行后续的理论分析。

1 混合仿真系统结构

以图1所示的典型电路为研究对象。该电路虽然简单,但方便进行接口算法的理论分析,被广泛采用[13,14,15]。在虚线处将电路分解,左边数字侧采用数字仿真,右边物理侧采用实际的物理装置模拟。最直接的接口方案如图2所示,文献[15]中称其为理想变压器模型法。数字侧用受控电流源等效物理侧电路,电流源电流等于测量得到的物理侧电流i;物理侧用受控电压源等效数字侧电路,电压源电压等于数字侧计算得到的电压 $\hat{u}$ 。本文中,上角带符号“^”的变量表示数字侧的离散变量。

混合仿真系统结构示意图如图3所示。

假设接口无误差,而且D/A转换和信号放大环节具有零阶保持器的特性。采用串行时序[14]时,混合仿真步骤如下:

步骤1:tk时刻,进行测量和A/D转换,测量物理侧的电气量并转换为数字信号;在图2所示接口方案中,即实现 $\hat{i}_{k} = i (t_{k})$ 。

步骤2:数字仿真程序读取测量值,并进行数字仿真,得到下一步数字侧的状态变量以及物理侧接口电路的输出,即得到 $\hat{u}_{k + 1}$ 。

步骤3:经过D/A转换和信号放大,tk+τ时刻物理侧接口电路输出发生变化,τ为接口的总延时,此时, $u (t_{k} + τ) = \hat{u}_{k + 1}$ 。

步骤4:tk+h时刻,再次从步骤1开始,重复上面的步骤,进行下一步的混合仿真,h为混合仿真的步长。

接口总延时τ主要由以下几个部分组成:测量及A/D转换的延时、数据通信延时、数字仿真耗时、D/A转换及信号放大的延时。延时τ由系统的硬件性能和数字仿真算法决定,为不可控量,可估计出τ的范围。混合仿真的步长h为可控量,可进行调整以得到最优的仿真效果。

此外,还有一种并行时序[9],与上面的串行时序相比,两者物理侧接口电路输出的时序存在区别,如图4(b)所示,tk时刻同时启动A/D转换和D/A转换,随后同时进行下面2个步骤。

步骤1:后向通道(物理侧到数字侧),A/D转换后的信号送入数字侧,进行数字仿真,得到下一步的输出 $\hat{u}_{k + 1}$ 。

步骤2:前向通道(数字侧到物理侧),上一步数字仿真结果经D/A转换和信号放大后输出,物理侧接口电路输出在tk+τ′时刻发生变化,变为 $\hat{u}_{k}, τ^{'}$ 仅是前向通道的总延时。

并行时序的优点是前向通道和后向通道同时进行,一个步长内只包括后向通道延时和数字仿真耗时,h可以取较小的值。实际上, $\hat{u}_{k + 1}$ 是在tk+h+τ′时刻在物理侧的输出,令τ=h+τ′,并行时序和串行时序可以统一起来进行建模和分析,后面会进行具体的分析。

2 接口算法

本节介绍文献[15]中的5种接口算法,分别为:理想变压器模型(ideal transformer model, ITM)法、时变一阶近似(time-variant first-order approximation, TFA)法、传输线模型(transmission line model, TLM)法、阻尼阻抗(damping impedance method, DIM)法、部分电路复制(partial circuit duplication, PCD)法。

2.1 ITM法

ITM法接口如图2所示,接口原理在第1节中进行了说明,此处不再重复。

2.2 TFA法

TFA法假设物理侧动态能够用一阶线性系统近似。将物理侧电路动态近似为:

$\frac{d i}{d t} = a i + b u (1)$

式中:a,b可根据电路数据计算得到并在仿真中不断更新。

利用梯形积分法,推导可得:

$\begin{array}{l} i (t_{k} + h) = \frac{1}{1 - \frac{a h}{2}} [\frac{b h}{2} u (t_{k} + h) + \\ (1 + \frac{a h}{2}) i (t_{k}) + \frac{b h}{2} u (t_{k}) 〗 (2) \end{array}$

TFA接口算法如图5所示,物理侧受控电压源和ITM法相同,数字侧用诺顿等值表示物理侧电路,根据式(2)得诺顿等值的参数如下:

${\begin{cases} G_{e q, k} = \frac{1}{1 - \frac{a h}{2}} \frac{b h}{2} \\ \hat{i}_{e q, k} = \frac{1}{1 - \frac{a h}{2}} [(1 + \frac{a h}{2}) i (t_{k}) + \frac{b h}{2} u (t_{k}) 〗 \end{cases} (3)$

将式(2)前推2步并整理得:

$\begin{array}{l} [\begin{matrix} i (t_{k}) + i (t_{k} - h) & u (t_{k}) + u (t_{k} - h) \\ i (t_{k} - h) + i (t_{k} - 2 h) & u (t_{k} - h) + u (t_{k} - 2 h) \end{matrix}] \cdot \\ [\begin{matrix} \frac{a h}{2} \\ \frac{b h}{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} i (t_{k}) - i (t_{k} - h) \\ i (t_{k} - h) - i (t_{k} - 2 h) \end{matrix}] (4) \end{array}$

由式(4)即可计算出a,b。

2.3 TLM法

TLM法在传输线处将系统解耦,将线路用Bergeron模型表示,如图6所示。

采用TLM接口时,在线路Lkm处解耦,一侧用数字仿真,另一侧用物理模拟,在线路两端都采用图6所示的Bergeron等值,Z为线路波阻抗,Δt为电磁波从线路一端传到另一端的时间。详细情况可参见文献[9,15]。

在TLM法中,线路行波传输时间Δt可用来补偿接口延时,接口算法稳定性好。但该方法必须在线路处解耦,而且物理侧要增加电阻,电阻参数与线路有关,实现不够灵活,而且在高功率的混合仿真中,物理侧的电阻要消耗大量能量,有时很难实现。

2.4 DIM法

DIM法接口如图7所示,原电路中连接阻抗Rc在数字侧和物理侧被重复,并增加了一个阻尼阻抗Rd。物理侧受控电压源输出为数字侧仿真得到的电压 $\hat{u},$ 数字侧受控电流源 $\hat{i}_{k} = i (t_{k})$ ,受控电压源 $\hat{v}_{k} = v (t_{k}), v (t_{k})$ 为图7(b)中所示的电压。

2.5 PCD法

DIM法中,当Rd=0时,DIM法即为PCD法。因此,PCD法可以看做是DIM法的一种特殊形式。

3 ITM法、TFA法、DIM法接口的统一形式

TLM法接口由于实现不方便,本文对其暂不加以研究,而PCD法是DIM法的一种特殊形式,因此本节分析ITM、TFA和DIM这3种接口算法。

ITM法和TFA法的形式可以统一,数字侧都是用诺顿等值表示物理侧电路。对DIM法进行化简,数字侧电容右边的部分是物理侧电路的等值,将其化简为诺顿等值的形式,等值电流为(Rdi(tk)-v(tk))/(Rc+Rd),等值导纳为1/(Rc+Rd),同时注意到v(tk)=u(tk)-Rci(tk),则诺顿等值电路参数如下:

${\begin{cases} G_{e q, k} = \frac{1}{R_{c} + R_{d}} \\ \hat{i}_{e q, k} = i (t_{k}) - \frac{1}{R_{c} + R_{d}} u (t_{k}) \end{cases} (5)$

通过上面的分析,ITM法接口、TFA法接口和DIM法接口可以统一表示成图5所示的形式,在物理侧用受控电压源等效数字侧电路,在数字侧用诺顿等值等效物理侧电路,记等值电流 $\hat{i}_{e q, k} = γ_{1} i (t_{k}) + γ_{2} u (t_{k})$ ,等值导纳Geq,k=γ3。

在不同的方法中系数不同,分别如下:

1)ITM法:γ1=1,γ2=γ3=0。

2)TFA法:γ1=(1+ah/2)/(1-ah/2),γ2=γ3=(bh/2)/(1-ah/2)。

3)DIM法:γ1=1,γ2=-1/(Rc+Rd),γ3=1/(Rc+Rd)。

4)PCD法:γ1=1,γ2=-1/Rc,γ3=1/Rc。

从上面的分析可看出,混合仿真系统的接口,本质上就是在数字侧(物理侧)用等值电路等效物理侧(数字侧)电路。在物理侧的等值需要用硬件实现,因此一般采用最简单的等值形式,否则实现不方便,参数变化时调整也很困难,最简单直接的方法是用受控电压源作为数字侧电路的等值。而在数字侧,物理侧电路的等值是用软件实现的,十分灵活,因此是接口算法设计的重点,不同方法的主要区别就在于该处等值的不同。由推导不难发现,不同的方法虽然具体实现不同,但都可以统一为相同的表达形式,都是用诺顿等值表示物理侧的电路,不同的只是诺顿等值的参数不同,设计接口算法的重点是诺顿等值的参数选择。

4 混合仿真系统的模型

基于文献[14]中的方法,建立混合仿真系统的模型,利用该模型可进行混合仿真系统的理论分析。

如图1所示电路,物理侧电路方程为:

$\frac{d i}{d t} = a i + b u (6)$

式中:a=-R/L;b=1/L。

首先研究串行时序,h≥τ,在t∈[tk,tk+h)的时间段内,有

$u (t) = {\begin{cases} \hat{u}_{k} t \in [t_{k}, t_{k} + τ) \\ \hat{u}_{k + 1} t \in [t_{k} + τ, t_{k} + h) \end{cases}$

初值 $i (t_{k}) = \hat{i}_{k}$ ,求解式(6)可得:

$\begin{array}{l} i (t_{k} + τ) = (\hat{i}_{k} + \frac{b}{a} \hat{u}_{k}) e^{a τ} - \frac{b}{a} \hat{u}_{k} (7) \\ i (t_{k} + h) = \end{array}$

$i (t_{k} + τ) + \frac{b}{a} \hat{u}_{k + 1}$

$\begin{array}{l} e^{a (h - τ)} - \frac{b}{a} \hat{u}_{k + 1} = \\ \hat{i}_{k} e^{a h} + \frac{b}{a} e^{a h} (1 - e^{- a τ}) \hat{u}_{k} + \\ \frac{b}{a} (e^{a (h - τ)} - 1) \hat{u}_{k + 1} = \\ α_{1} \hat{i}_{k} + α_{2} \hat{u}_{k} + α_{3} \hat{u}_{k + 1} (8) \end{array}$

式中:α1=eah;α2=beah(1-e-aτ)/a;α3=b(ea(h-τ)-1)/a。

式(8)中含有 $\hat{u}_{k + 1}$ ,由数字仿真确定。不同的接口算法,不同的积分算法, $\hat{u}_{k + 1}$ 具有不同的表达式。采用ITM法、TFA法和DIM法的统一表达式进行分析。数字侧方程为:

$R_{0} (C \frac{d u}{d t} + u G_{e q} + i_{e q}) + u = E (9)$

当积分算法采用最简单的欧拉法时,有

$\begin{array}{l} \hat{u}_{k + 1} = \hat{u}_{k} + \frac{h}{R_{0} C} (\hat{E}_{k} - \hat{u}_{k} - R_{0} G_{e q, k} \hat{u}_{k} - R_{0} \hat{i}_{e q, k}) = \\ \hat{u}_{k} + \frac{h}{R_{0} C} (\hat{E}_{k} - \hat{u}_{k} - R_{0} γ_{3} \hat{u}_{k} - R_{0} γ_{1} \hat{i}_{k} - \\ R_{0} γ_{2} \hat{u}_{k}) = β_{1} \hat{i}_{k} + β_{2} \hat{u}_{k} + β_{3} \hat{E}_{k} (10) \end{array}$

式中:β1=-γ1h/C;β2=1-h(1+R0γ2+R0γ3)/(R0C);β3=h/(R0C)。

将式(10)代入式(8),同时注意到 $\hat{i}_{k + 1} = i (t_{k} + h)$ ,并联合式(10)即可得到如下的离散动态模型:

$\begin{array}{l} [\begin{matrix} \hat{i}_{k + 1} \\ \hat{u}_{k + 1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} α_{1} + α_{3} β_{1} & α_{2} + α_{3} β_{2} \\ β_{1} & β_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} \hat{i}_{k} \\ \hat{u}_{k} \end{matrix}] + \\ [\begin{matrix} α_{3} β_{3} \\ β_{3} \end{matrix}] \hat{E}_{k} = A_{s} [\begin{matrix} \hat{i}_{k} & \hat{u}_{k} \end{matrix}] + B_{s} \hat{E}_{k} (11) \end{array}$

式中:

式(11)即为混合仿真系统的离散动态模型。当采用不同的显式积分算法(如4阶龙格库塔法)时,式(10)的表达式不同,但都可以写成式(11)的形式。隐式积分算法写不出式(10)所示的显式表达式。

式(11)的模型是基于文献[14]中建模方法得到。当图1中C=0时,数字侧不需要积分,式(11)与文献[14]中得到的模型是相同的,文献[14]中通过实验对该模型进行了验证。

采用并行时序时,τ=h+τ′>h,不妨假设h<τ≤2h,其他情况下模型的推导过程是相同的。将α1,α2,α3表达式中的τ替换为τ′,同时 $\hat{i}_{k + 1} = i (t_{k} + h)$ ,式(8)变为:

$\hat{i}_{k + 1} = α_{1} \hat{i}_{k} + α_{2} \hat{u}_{k - 1} + α_{3} \hat{u}_{k} (12)$

数字侧方程不变,则系统的离散动态模型为:

$[\begin{matrix} \hat{i}_{k + 1} \\ \hat{u}_{k} \\ \hat{u}_{k + 1} \end{matrix}] = [\begin{matrix} α_{1} & α_{2} & α_{3} \\ 0 & 0 & 1 \\ β_{1} & 0 & β_{2} \end{matrix}] [\begin{matrix} \hat{i}_{k} \\ \hat{u}_{k - 1} \\ \hat{u}_{k} \end{matrix}] + [\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ β_{3} \end{matrix}] \hat{E}_{k} (13)$

对于nh<τ≤(n+1)h的其他情况,也可以写出式(13)所示的离散动态模型,模型阶数为n+2。

5 结语

本文研究了混合仿真系统的结构,分析、比较了串行时序和并行时序。对现有的5种接口算法进行了综述,推导得到了其中4种的统一形式,在物理侧用受控电压源等效数字侧电路,数字侧用诺顿等值等效物理侧电路。最后建立了混合仿真系统的离散动态模型,以该模型为基础可进行进一步的理论分析。

数字与物理混合仿真篇2

数字物理混合仿真,也称为数模混合仿真(以下简称混合仿真),是一种先进的仿真技术[1]。它将数字仿真和物理模拟联合起来,结合了数字仿真和物理仿真的优点:利用数字仿真模拟各种不同工作条件,为设备的研究和测试带来极大灵活性;避免了对复杂设备建模的困难,提高了仿真的可信度。

混合仿真是系统仿真学科的一个重要领域,国内一般称为“半物理仿真”,国际通用的称法是HILS(hardware-in-the-loop simulation),即硬件在环仿真,指在仿真系统的仿真回路中接入部分实物进行试验的仿真方法。目前,混合仿真已被广泛应用到航天、航空、汽车、自动控制等工业领域[2]。

混合仿真在电力系统中的应用主要分为2类。一类应用于交直流混联电网的仿真研究,对交流系统采用成熟的实时数字仿真,对直流系统(或柔性交流输电系统设备)则采用原型模拟器进行物理模拟[3,4,5]。这类混合仿真主要是由于直流系统的电力电子设备含有高频开关动作,难以建立与交流系统数字模型相适应的合适计算模型,故采用物理模拟的方法避开这一难题。另一类应用于电力系统二次设备(如继电保护、控制器等)的实时测试[6,7],它将电力系统的一次、二次设备分别建立数字、物理模型(或真实设备)。一般将这类仿真视为实时数字仿真的扩展,也属于混合仿真的范畴。

当前,电力系统正处在新能源革命的新形势下,可再生能源开发、电动汽车、微电网、柔性输配电等各种电力新技术、新装置不断涌现,对电力系统仿真测试技术提出了新的要求。传统的混合仿真技术,接口交互的是信号量,无法适应这种需求。近年来,一种以测试功率型电力设备为目标的混合仿真新技术逐渐得到人们的重视和关注[8],并在风电[9,10]、分布式发电技术[11]、全电船[12]等领域得到初步应用。这种新的混合仿真技术能够灵活而全面地测试真实电力设备,不仅可以适应新能源革命下对电力新设备的研发需求,还可以扩展混合仿真在电力系统研究中的传统应用,具有重要的研究价值和应用前景,成为电力系统仿真技术发展的一个新方向。

这一类新的混合仿真可以称为电力一次系统数字物理混合仿真,国外一般称为PHILS(power hardware-in-the-loop simulation)[13],即功率硬件在环仿真。本文研究的混合仿真主要是指这一类。

目前,混合仿真已经有不少实际应用,但在其本身的理论研究方面取得的进展还十分有限[1]:虚拟时空与真实时空之间交互工作的基本原理还没有得到细致的讨论;准确性、稳定性等重要性能的分析和评估还缺乏系统的方法和通用的结论;接口算法研究起步较早,也取得了较多成果,但研究结论不尽相同。因此,对混合仿真方法本身进行深入研究具有重要的理论和实际意义。

建立混合仿真的数学模型是研究混合仿真理论问题的基础和前提。文献[14,15]对电阻电感一阶电路的混合仿真建立了离散动态模型,并在此模型基础上进行了理论和实验研究。文献[16]提出利用二端口网络对混合仿真进行建模的思路。文献[17]基于离散状态空间方程和椭圆集合理论,提出了一种混合仿真误差边界收敛和评估的方法。文献[18]基于传递函数模型建立了一种评估混合仿真系统准确性的方法。文献[19]提出了能量系统混合仿真(PSHS),通过分析时序对接口延时进行了补偿,并针对接口直流偏置设计了一种控制方法,改进了功率接口的稳定性。总体来说,讨论这个问题的文献还不多,现有研究的系统性和深度还不够,这影响了对混合仿真理论分析的深入。

本文从混合仿真的结构出发,详细分析了混合仿真的工作时序,并基于文献[15]的建模方法,推导出适用于一般混合仿真系统的离散动态模型,为进一步的研究提供理论基础。

1 混合仿真的结构

混合仿真将作为研究对象的原系统从一个端口分成2个部分:数字子系统,用数学模型描述;物理子系统,用物理模型模拟(或实际设备),中间则通过接口相连接。也可以从多个端口进行拆分,即多个物理模型通过多个接口与唯一的数字子系统相连接。本文主要讨论单接口的混合仿真。

数字子系统在仿真设备中进行数字计算,是时间离散的数字系统;物理子系统实际运行,是时间连续的功率系统。因此,接口的功能就是实现两侧子系统不同类型数据的转换和匹配。接口由2个通道组成:①从数字子系统到物理子系统的前向通道(或放大通道),将数字信号量转换放大为模拟功率量;②从物理子系统到数字子系统的后向通道(或反馈通道),将模拟强电量采样转换为数字信号量。混合仿真的结构如图 1所示。图中,A/D为模拟数字转换,D/A为数字模拟转换。

混合仿真中数字子系统是数学模型,无法吞吐真实功率,原来2个子系统之间的功率流动将反映在接口前向通道与物理子系统之间。数字子系统在前向通道仅仅输出信息,而通过后向通道接收物理子系统的反馈信息,建立虚拟的功率联系。因此,接口前向通道等效为一个能发出/吸收功率的受控电源/负荷;接口后向通道则等效为虚拟的物理子系统信息反馈源。

接口的设计与实现是混合仿真的关键,分为接口变量选择、物理实现和接口算法3个部分。接口变量选择,需要考虑物理实现的安全、方便以及仿真算法的特点。一般的选择是:前向通道放大接口电压,后向通道反馈接口电流。物理实现上,如果物理模型功率不高(如10 kW级),可以采用功率放大器[19];如果物理模型功率较大(100 kW～10 MW),则采用四象限电力电子功率变换器[12],并用滤波电路消除脉宽调制(PWM)波形中谐波的影响。无论是功率放大器还是四象限电力电子功率变换器,都以实际电网作为支持,以提供或吸收物理模型所需要的功率和能量。接口算法主要是为了补偿接口延时和误差的影响,合适的补偿算法可以提高接口的性能,从而提高混合仿真的稳定性和准确性[20]。

图 2给出了混合仿真系统的详细结构,物理子系统以单台动模发电机组为例。

2 混合仿真的工作时序

2.1 基本单元——帧

混合仿真工作过程可分为4个阶段[16]。

1)测量采样:接口通过传感测量装置获得物理模型的运行参数,将测量结果通过A/D转换为数字信号,输入到数字仿真器。

2)数字计算:计算程序根据输入的采样参数作为边界条件,对数字子系统进行数值计算,得到下一步数字子系统的状态和待输出到物理模型的接口边界参数。

3)信号放大:接口将计算得到的接口边界参数,经D/A转换为模拟量,再通过功率放大器转变为高电压(或大电流)的功率信号,形成物理子系统运行的新边界条件。

4)物理运行:物理模型在新的接口边界条件下实际运行。随后进入新的测量采样阶段。

定义1:有数据关联的4个阶段依次完成一次的过程定义为“帧”,即从测量采样开始,到物理运行结束(新的测量采样开始)为止。一帧的时长称为“帧周期”,记为Δt。

定义2:相邻帧开始时刻的时间间隔定义为“帧间隔”,记为T。

定义3:一帧中测量采样、数字计算和信号放大等3个阶段的时间之和定义为“帧延时”,表示每一帧中物理侧通过接口看到数字侧响应的延时,记为Δtd。

帧是混合仿真的基本单元,一帧内数字和物理两侧实现一次数据交互。设4个阶段的耗时分别为Δt1,Δt2,Δt3,Δt4,则

${\begin{cases} Δ t = Δ t_{1} + Δ t_{2} + Δ t_{3} + Δ t_{4} \\ Δ t_{d} = Δ t_{1} + Δ t_{2} + Δ t_{3} \end{cases} (1)$

设采样间隔为hs,且不考虑过采样的情况。由帧的定义可知,帧间隔等于采样间隔,即

T=hs (2)

由于帧开始于采样,结束于物理运行的下一次采样,故帧周期是采样间隔的整数倍,即

Δt=mhs=mT m∈Z+ (3)

一帧中,Δt1由接口后向通道硬件决定;Δt2由仿真设备的计算性能以及数字侧子系统的规模决定;Δt3由数字仿真的同步程序和接口前向通道硬件决定;而Δt4则被动地由下一次采样决定,即

0<Δt4≤hs (4)

所以帧延时Δtd一般是由硬件决定的。

一帧的过程见图3。图中,t为真实时间。

2.2 串行时序与非串行时序

根据式(3)中Δt与T的关系,可分为2类时序。当m=1,即Δt=T时,一帧结束时下一帧开始,相邻帧之间没有交叠,在任意时刻4个工作阶段中都只有1个工作阶段在进行,这种时序称为串行时序,如图4所示。当m≥2,即Δt>T时,相邻帧之间存在(m-1)T的交叠,这种时序称为非串行时序,如图5所示。

由于接口硬件的延时(主要影响Δt3),一般情况下混合仿真都工作在非串行时序,串行时序则是理想情况。但由2.1小节关于“帧”的分析框架,这2类时序在数学上是一致的。

2.3 仿真步长的限制

设数值计算中仿真步长为h。从计算精度考虑,h不能太大,故h有上限要求。由于混合仿真中数值计算需要与物理侧交互数据,因此相邻2次计算之间的间隔应等于步长h。而单步计算的耗时为Δt2,故有

h≥Δt2 (5)

即数值计算具有实时性。数值仿真的计算速度受模型规模、计算能力等因素制约,所以实时性就要求h不能太小,这就限制了h的下限。

2.4 帧—步长时序

考查混合仿真数字侧与物理侧交互的协调和同步。设数字计算结果放大输出的间隔为hz。考虑h,hs,hz三者在混合仿真中的意义:h反映了数字仿真中的虚拟时间递进速度;hs反映了数字侧通过接口看物理侧参数变化的真实时间(即自然时间)递进速度;hz与hs相对应,反映了物理侧通过接口看数字侧参数变化的真实时间递进速度。显然,只有在混合仿真数字侧虚拟时间与物理侧真实时间的递进速度相等的同步情况下,混合仿真才能正常工作。故应有

hs=h=hz (6)

一般hs和h的设置比较方便,故式(6)中前一个等号容易实现。而hz则受单步数值计算的耗时Δt2限制,需要数字仿真的输出同步程序进行控制,即hz=Δt2+Δtsync,其中Δtsync为同步控制时间。混合仿真中的实时仿真系统必须按式(6)设计交互接口,一般以h为主要参数,hs和hz自动与h相匹配。

由式(2)和式(6)可知帧间隔T由h决定,即

T=h (7)

式(7)反映了数值计算在混合仿真交互过程中的作用和意义:计算步长即为帧间隔。

由式(3)和式(4)可知,帧周期Δt或m由帧延时Δtd与计算步长h的关系决定,即

m= $\frac{Δ t_{d}}{h}$ +1 (8)

式中:·表示向下取整。

综合上述分析,混合仿真的工作时序是以帧为单位、计算步长为间隔,一帧接着一帧的推进仿真交互过程。其中,帧延时Δtd和计算步长h是基本参数,帧间隔T和帧周期Δt可分别由式(7)和式(8)得到。将混合仿真的这一工作时序称为“帧—步长时序”。

由于物理模型在真实时间中实时运行,所以混合仿真的工作时序无法像电磁—机电全数字混合仿真那样可以灵活设计,数字、物理两侧的交互只能按帧—步长时序进行。

3 混合仿真的离散动态模型

3.1 接口的建模

接口中A/D采用零阶保持器模型,D/A采用采样保持器模型。功率放大环节,虽然电力电子变换器和电力功率放大器基于不同的放大原理,但从基波分量的输出效果来看,都是带有延时的线性关系。故对功率放大和测量反馈2个环节,都采用含延时的线性模型。模型中延时的确定,需要分析数字侧虚拟时间和物理侧真实时间的对应关系。

考虑一般的时序,以m=3为例,虚拟时间与真实时间的对应关系如图6所示。图中,1,2,3,4分别表示2.1节中一帧的4个阶段。

先不考虑接口算法的设计。设α是前向通道放大的量,β是后向通道反馈的量,下标1表示数字侧,2表示物理侧。考查第k帧,tk时刻第k次采样得到物理侧变量值β2(tk),开始进行第k步计算(从sk-1到sk),由于电磁暂态计算程序采用隐式梯形积分法,采样值被送入仿真程序后一般作为虚拟时间sk的值,即

β1(sk)=kBβ2(tk)+εB (9)

式中:kB和εB分别为接口反馈的比例系数和传递误差,理想情况下有kB=1,εB=0。

然后,将第k步计算结果α1(sk)放大到物理侧,并保持到下一次更新的时刻tk+Δtd+h,即

α2(tk+Δtd)=kFα1(sk)+εF (10)

式中:kF和εF分别为放大通道的比例系数和传递误差,理想情况下有kF=1,εF=0。

由于物理侧变量是时间连续的,而数字侧变量则是时间离散的,考虑到所采样变量取的是{tk}时间序列,因此对物理侧变量也都取{tk}的值作为离散量处理。有

tk+Δtd<tk+m≤tk+Δtd+h (11)

故前向通道功率放大有:

α2(tk+m)=kFα1(sk)+εF (12)

真实时间为tk=t0+kh,而虚拟时间为sk=kh。所以只需令t0=0,即取第0次采样(实际并没有发生)发生时刻为真实时间的起点,就建立起了虚拟时间和真实时间的对应关系,即

sk=tk (13)

因此,延时参数为τF=mh=Δt,τB=0。即由于虚拟时间和真实时间的协调关系,混合仿真交互过程的延时将集中反映在接口前向通道的功率放大过程中,而反馈通道则没有延时。将这一延时称为等效延时,等效延时恰好等于帧—步长时序中的帧周期。

所以功率放大、测量反馈的模型如下:

${\begin{cases} α_{2} (t + Δ t) = k_{F} α_{1} (t) + ε_{F} \\ β_{1} (t) = k_{B} β_{2} (t) + ε_{B} \end{cases} (14)$

3.2 混合仿真系统的建模

原系统一般用微分代数方程组描述,混合仿真系统则由数字、物理、接口3个部分模型组成。

数字子系统:

${\begin{cases} \dot{x}_{1} = f_{1} (x_{1}, y_{1}, β_{1}) \\ 0 = g_{1} (x_{1}, y_{1}, β_{1}) \\ α_{1} = h_{1} (x_{1}, y_{1}, β_{1}) \end{cases} (15)$

物理子系统:

${\begin{cases} \dot{x}_{2} = f_{2} (x_{2}, y_{2}, α_{2}) \\ 0 = g_{2} (x_{2}, y_{2}, α_{2}) \\ β_{2} = h_{2} (x_{2}, y_{2}, α_{2}) \end{cases} (16)$

接口模型如式(14)所示。

下面根据工作时序,推导第k帧状态变量的变化模型。为了方便起见,假设代数方程都被消去。采样、放大2个阶段的模型如式(9)和式(12)所示,只需将式(13)代入。数字计算阶段的模型为:

x $_{1}^{(k)}$ =x $_{1}^{(k - 1)}$ +∫ $_{0}^{h}$ f1(x1(sk-1+s),β $_{1}^{(k)}$ )ds (17)

不同的数值算法将影响式(17)的计算精度。α的计算结果为:

α $_{1}^{(k)}$ =h1(x $_{1}^{(k)}$ ,β $_{1}^{(k)}$ ) (18)

物理运行阶段的模型为:

x $_{2}^{(k + m)}$ =x $_{2}^{(k + m - 1)}$ +∫ $_{t_{k + m - 1}}^{t_{k + m} - Δ t_{4}}$ f2(x2(t),α $_{2}^{(k + m - 1)}$ )dt+

∫ $_{t_{k + m} - Δ t_{4}}^{t_{k + m}}$ f2(x2(t),α $_{2}^{(k + m)}$ )dt (19)

新的β值为:

β $_{2}^{(k + m)}$ =h2(x $_{2}^{(k + m)}$ ,α $_{2}^{(k + m)}$ ) (20)

将式(9)、式(12)、式(17)—式(20)联立就得到了混合仿真一帧变化的模型,即为混合仿真的离散动态模型。

由时序分析和接口建模的一般性可知,离散动态模型适用于一般的混合仿真系统,包括基于不同技术的接口功率放大环节。

另外,本文建立离散动态模型的思路和方法也可以类似地应用到全数字的电磁—机电混合仿真的建模中去。

4 结语

本文对电力一次系统混合仿真的基本原理进行了研究。在研究混合仿真系统结构的基础上,详细分析了混合仿真的工作时序,提出了帧—步长时序的概念。研究了混合仿真接口建模的时间协调关系,进而建立了基于帧—步长时序的适用于一般混合仿真系统的离散动态模型。以该模型为基础可以对混合仿真进行深入理论分析。

摘要：电力一次系统数字物理混合仿真是传统混合仿真技术的新发展,可以对功率设备进行仿真测试,是一种先进的仿真技术。这种新技术能充分发挥混合仿真的优点,不仅可以适应新能源革命下对各种新电力设备进行测试和研究的需求,还可以扩展混合仿真在电力系统研究中的传统应用,具有重要的研究价值和广泛的应用前景。从混合仿真的结构出发,研究了数字、物理两侧交互工作的特点和规律,提出了“帧—步长时序”的原理和框架。基于该时序,研究了混合仿真接口建模中的时间协调关系,并建立了适用于一般混合仿真系统的离散动态模型。

数字与物理混合仿真篇3

大容量光伏、储能设备接入电网后,将导致电力系统运行特性发生变化,这引起了电网规划、设计、生产、运行等部门的广泛关注。为了深入开展新能源接入电网后的动态特性等方面的研究工作,华北电网有限公司建设了光伏、储能物理实验系统,并与RTDS实时数字仿真系统一起闭环构成光伏、储能接入电网的物理数字混合仿真实验平台,开展“实际”的光伏电站接入“仿真”的电力系统后的特性研究。

物理数字混合仿真结合了物理模拟和数字仿真的优点,是仿真发展的新思路。文献[1]从系统稳定性的角度对物理、数字互联的混合仿真模型进行了理论分析;文献[2]对混合仿真在特高压交直流电网的应用进行了研究;文献[3]重点介绍了物理和数字仿真子系统边界条件的实现及联合仿真系统的搭建。文献[4]阐述了双馈变速风力发电机数模仿真中数字模型和控制系统的实现方案。但是从目前的研究来看,采用物理数字混合仿真的方式,研究新能源接入电网后新能源系统和大电网系统之间相互影响的文献还不多。

本文首先从物理和数学两个方面分析混合仿真原理,然后介绍系统的实现方案,并着重描述仿真系统的物理数字接口,即扰动器的原理和结构。最后,通过一个实际光伏电站接入仿真系统的实例验证本系统的正确性。

1 物理数字混合仿真的原理

电力系统中的物理仿真是将实际电力系统经过等值折算后采用实际元件对系统进行模拟,不需要确定设备的数学模型,但它存在建设投资巨大、参数更改困难、模拟规模有限等缺点。数字仿真用数学模型来研究电力系统的物理过程,该方法可实现大规模电网的仿真和计算,但仿真结果受模型、参数、算法的影响较大,建模的好坏直接影响结果的精度和可信度[5]。在新能源接入电网的仿真研究中,采用物理数字混合仿真能够兼顾上述2种仿真方法的优点。用物理装置模拟建模效果不理想或模型未知的元件,用数字仿真模拟大规模电力系统,在实际的仿真研究中取得了理想的效果。

从数学原理上看,数字仿真系统为时间离散的数学差分方程。它是从描述实际系统行为的微分—代数方程组出发,实时求解这组微分—代数方程;而物理仿真系统的行为也可以用一组微分—代数方程来描述。因此,物理仿真和数字仿真都再现了实际系统的行为,它们具有很好的统一性,统一到了描述系统行为的微分—代数方程组这个数学模型上。所以,如果能够为2个仿真子系统形成统一、协调的接口条件,那么完全可以利用物理方法和数字方法联合模拟一个真实系统。

从电路原理来看,物理和数字模型可相互把对方端口网络视为自己的一个元件支路。实现模型互联的关键在于如何使互联端口的电压变量和电流变量同时分别满足数字模型和物理模型的电路定理。依据替代定理:如果将电路的某一部分以单端口网络的形式从电路中取出,并且同时已知其端口电流或电压,则被取出的部分可以用相应的电流源或电压源来替代而并不改变电路其余部分的状态。因此,只要将一种模型的端口电流变量或电压变量取出,通过信号传递的方式在另一种模型中以动态刷新的电流源支路或电压源支路替代,混合模型就可由拓扑分离的物理模型和数字模型组合而成。

2 系统实现方案

2.1 系统介绍

光伏、储能物理数字混合仿真系统包括:单晶硅光伏阵列、储能电池及电池管理系统(简称BMS)、双向变流器、变压器、电网扰动器、RLC负载、光纤变送器[6]、RTDS实时仿真系统以及监控系统等。系统结构如图1所示。

图1中,电网扰动器[7,8]是整个混合仿真系统中物理部分和数字部分联系的纽带。通过扰动器的沟通,系统组成了实际的光伏、储能物理设备和数字的电网模型之间的互动平台。一方面对于光伏、储能系统来说,它的并网点电压受到RTDS所构建的虚拟大电网的控制。这就模拟了光伏电站接入电网后,其外特性随着电网特性的变化而变化;另一方面对于RTDS实时数字仿真系统来说,它的运行状况会受到实际光伏、储能系统的电气外特性的影响。这就模拟了在大规模新能源接入电网后电力系统运行特征的变化[9,10,11,12]。

扰动器还是模拟电网系统故障的执行机构。它除了可进行电压波动、频率波动、三相不对称、电压跌落等系统扰动及保护特性实验外,还能跟踪RTDS实时数字仿真系统输出的电压指令信号,改变双向变流器交流侧电压、频率等,实现系统闭环测试。

光纤变送器是电气量小信号远距离传输的数据传输设备。由于RTDS和扰动器的电气量接口信号均为±5 V,在远距离传输过程中不可避免地会受到干扰和衰减,这将会降低信号的准确度,影响实验效果。而且电气量远距离传输还有可能引入暂态高压,损坏实验设备。光纤变送器在本端将电气量进行模数采样后,通过光纤通信将数字化的采样信号传输到远端,然后再在远端的光纤变送器上进行数模转换,还原出电气量信号。采用这种方法,光纤变送器实现了在仿真系统闭环实验中信号的实时、准确地传递。

光纤变送器原理如图2所示。

光纤变送器具有如下特点:信号传输精度高,可达0.2级;信号传输延迟小,小于0.3 ms;信号传输稳定、可靠,不受电磁干扰影响。

BMS为电池的集中管理部分,它主要由BMS监控系统、电池温度控制模块、电池参数检测模块、充/放电控制模块和电池均衡控制模块组成,结构图如图3所示。

BMS监控系统往下通过CAN通信网络与其他模块进行通信,根据得到的数据计算电池荷电状态(SOC),分析电池工作状态,分级报警以及对电池进行相应的控制。BMS监控系统往上通过以太网与整个系统的监控系统相连,一方面将BMS的运行数据传递给监控系统,另一方面接收监控系统下发的用户控制命令和协调控制的控制信号。电池参数检测模块实时检测各个电池的电流、电压和温度等参数。充/放电控制模块通过对电池的充/放电过程进行控制,避免电池过充或者过放。电池均衡控制模块对电池的充/放电过充进行均衡控制,避免产生因电池容量不均衡而造成的电池损坏。

双向变流器是系统的交、直流连接的核心部分。当光伏、储能系统向电网系统发电时,双向变流器将直流侧的电能转变为交流电,通过变压器升压后送给电网;当电池储能系统需要从电网侧系统充电时,双向变流器又将电网侧的交流电转变为直流电给蓄电池充电。

双向变流器的控制电路由DSP板、控制板、采集板和驱动板构成。控制板将采集板采集的电流、电压信号送给DSP板,DSP板对输入数据进行运算处理后,一方面将控制脉冲通过驱动板提供给IGBT,实现并网时功率因数为1;另一方面进行最大功率跟踪(MPPT)控制,使直流系统始终工作在最大功率点处。

监控系统除了能够实时监控整个系统中各个设备的运行情况外,它还是系统发电协调控制的管理机构。监控系统实时采集BMS和变流器的运行数据,控制电池的充放电和双向变流器的输出功率,达到光伏、储能协调控制的目的。

光伏、储能物理数字混合仿真系统的主要运行模式如下。

1)光伏发电模式:

光伏阵列单独通过双向变流器并网发电。

2)储能充放电模式:

在BMS的控制下,光伏阵列对蓄电池组进行充电,或者通过双向变流器使用网侧电源给蓄电池充放电。在实验过程中可以模拟蓄电池组的各种运行工况,如正常充—放电、欠充—过放、过充电特性等。

3)光伏、储能系统接入电网后性能测试模式:

将实际的光伏、储能系统接入RTDS模拟的数字电网中,通过扰动器产生各种电网故障,以此来研究光伏、储能系统和电网之间的相互影响。

4)光伏、储能联合发电模式:

在系统要求的出力曲线的约束下,光伏、储能联合向系统中输送电能。其中,光伏阵列根据天气情况尽量满发,监控系统对双向变流器和BMS进行统一协调控制,通过蓄电池组的充放电对发电总功率进行调节。

2.2 以扰动器为核心的物理和数字仿真接口

物理数字混合仿真系统中的物理系统、数字仿真系统各自独立运行,通过扰动器的联系实现数字系统、物理系统之间的电压同步和电流反馈。扰动器实时跟踪RTDS的输出电压,将RTDS输出的±5 V电压波动放大为380 V的电压波动,然后接入物理系统来模拟电力系统故障。扰动器的原理如图4所示。

如图4所示,电网侧输入的三相电源通过变压器、输入电感向功率单元提供工作电源。功率单元在控制脉冲的作用下完成四象限的功率交换并输出不同的电压波形。

为了减少输入电流中的谐波、提高功率因数,变压器采用相位彼此差开相等电角度的多副边结构,每一组副边接一个基本功率单元,这样构成多级移相叠加的整流方式,大大改善网侧的电流波形,提高网侧的功率因数,无需任何功率因数补偿及谐波抑制装置便可将负载下的网侧的功率因数提高到0.95以上。

扰动器输出的每一相可以由若干个基本功率单元串联组成,实现了更高电压输出。第一个功率单元的一个输出端连接在一起形成星形连接点,另一个输出端则与下一级功率单元的输出端相连,依此方式,将同一相的所有功率单元串联在一起,便形成了一个星形连接的三相电源。串联的单元数越多,输出的电压越高。对于本仿真系统来说,由于只需要380 V电压输出,因此不需要将功率单元多级串联。

功率单元是组成扰动器的最小单位,它由四象限整流器、逆变器和功率单元控制板等部分构成。其主回路如图5所示。

如图5所示,功率单元的基本拓扑为交—直—交三相整流/单相逆变电路。功率单元的整流电路将变压器副边绕组提供的三相交流电源整流为脉动的直流电源,经过大容量的电容滤波后,可以得到稳定的直流电源。然后通过对IGBT组成的逆变桥进行正弦调制的PWM控制,可得到等效正弦的单相交流输出。其中,功率单元控制板是功率单元的核心部件,它通过跟踪数字仿真节点的输出电压波形来发出不同的IGBT触发脉冲,由此得到不同的输出电压波形。

电网扰动器每个功率单元均采用模块化设计,在结构和电气性能上完全一致,可以通用互换。

3 仿真试验流程

物理数字混合仿真实验流程按如下步骤进行。

1)等值简化电网。

对原始电网进行动态等值化简,将各个电气元件用相应的数字模型代替,并使化简后的电网规模与实时仿真实验系统的模拟规模相适应。

2)搭建混合仿真模型。

按照等值后的网架结构和仿真要求搭建物理数字混合仿真系统模型。

3)确定系统模数比。

数模混合仿真实验时,在仿真系统上建立的系统模型所采用的电流、电压值不能超过模拟设备的最大允许值,必须按比例缩小,这种模拟系统的参量和实际系统的参量之间的比值叫做模数比。模数比主要根据以下因素确定:①模拟系统的输入、输出通过系统模数比的转换后尽可能符合现场情况。②选择合适的模数比使得建立模拟系统所用的模拟设备和元件最少。③流过模拟装置的最大电流不能超过元件最大允许值。④为保证模拟系统的精度,稳态运行时流过模拟系统的电流也不宜过低(一般不低于1 mA),否则潮流较小的线路或支路的模拟精度就难以保证。⑤充分利用功率放大器的输出功率并留有一定裕度。

4)校验系统误差。

在搭建好的模型上建立系统稳态潮流,与离线程序的稳态潮流进行比较,校验误差。

5)开始仿真实验。

经过稳定特性校验后再进行相关的仿真实验研究。

如果仿真结果不正确,则重新开始仿真流程,逐步检查、修正各个仿真环节,直到输出正确的仿真结果。仿真流程如图6所示。

4 实际光伏电站接入仿真电力系统实例

下面通过模拟某光伏系统接入电网后实际发生的一次电网故障来验证本混合仿真系统的正确性。

某地区220 kV电网2012年结构和潮流如图7所示。其中地区负荷为740 MW,通过2台变压器向500 kV电网送电993 MW。地区包括2个发电厂,电厂A容量为2×330 MW,电厂B容量为2×300 MW。

在图7所示的光伏并网点处接入光伏发电系统,光伏并网点故障时向电网输送的潮流约40 MW。故障情况为:万张二线(万全—张北)万全侧发生单相瞬时故障,0.1 s后线路两端故障相断开,1.0 s后重合成功。其中,光伏并网点220 kV系统三相短路电流为6.9 kA,故障点接地电阻为40 Ω。

在本次仿真研究中,光伏、储能系统和扰动器为实际的物理设备,电力系统大电网采用RTDS数字模型模拟,仿真系统结构如图8所示。

如图8所示,将数字系统中光伏并网点的三相电压通过光纤变送器转换为±5 V电压信号,传送到电网扰动器作为电压控制信号,电网扰动器实时跟踪信号变化,改变光伏、储能系统输出端的380 V三相输出电压。同时,扰动器将光伏、储能系统输出的三相电流转换为±5 V弱电信号通过光纤变送器传送回RTDS,作为数字电力系统中光伏并网点的注入电流。这样,实际的光伏电站和仿真的电力系统构成了一个闭环的测试系统。根据上文中第3节的方法,并综合考虑各种因数,确定仿真系统中的物理模型出力的数模比为1∶20 000。

实验结果如图9—图14所示。

从图9到图14可以看出,故障瞬间光伏系统的输出功率变化很大,并网点的电压也有一个较大的跌落。故障后,在励磁系统的作用下,发电厂的电压、有功、无功经过大约4 s后恢复正常出力。

通过将实验结果和现场的实际录波结果进行对比,情况完全一致,从而证明了本仿真系统的正确性。

实际录波结果如附录A中所示。

5 结语

光伏、储能物理数字混合仿真实验平台的特点在于RTDS仿真系统与实际实验设备构成了闭环测试系统,它的应用前景非常广阔。首先,本系统建设了具有大电网接入背景的物理实验系统,优于常规接入无穷大系统的动模系统,可以在实际电网环境下研究新能源的运行特性。其次,本系统可以完成现场不方便进行的大小扰动实验,开展新能源仿真建模。再次,本系统可以研究大规模新能源接入电网后整个电力系统的动态特性,既包括电网异常工况对新能源运行的影响,也包括新能源外特性对电网的影响。该系统的建成为进一步开展新能源接入电网后的特性研究打下了基础。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：分析了物理数字混合仿真的原理,介绍了一种由光伏阵列、储能电池和RTDS实时数字仿真系统等设备共同组成的仿真实验平台。将实际的光伏电站特征信息接入数字仿真系统,研究光伏电站接入电网后系统稳定特性的变化。对混合仿真系统中物理数字接口进行了详细说明,提出了混合仿真实验的流程,通过实例验证了方案的正确性。

关键词：混合仿真,光伏阵列,储能,扰动器,实时数字仿真系统,闭环测试

参考文献

[1]钱珞江,叶飞,钟启迪.数字-物理模型互联方法及混合仿真系统稳定性研究[J].电力自动化设备,2008,28(9):45-48.QIAN Luojiang,YE Fei,ZHONG Qidi.Interfacing betweendigital and analog models and stability of hybrid simulationsystem[J].Electric Power Automation Equipment,2008,28(9):45-48.

[2]胡涛,印永华,蒋卫平,等.数模混合实时仿真系统及其在特高压交直流电网研究中的应用[J].电网技术,2008,32(17):1-5.HU Tao,YIN Yonghua,JIANG Weiping,et al.Digital/analoghybrid real-time simulation system and its application in studyon ultra-high voltage AC/DC power grid[J].Power SystemTechnology,2008,32(17):1-5.

[3]高源,陈允平,刘会金.电力系统物理与数字联合实时仿真[J].电网技术,2005,29(12):77-80.GAO Yuan,CHEN Yunping,LIU Huijin.Joint physics-digitalreal-time simulation of power system[J].Power SystemTechnology,2005,29(12):77-80.

[4]刘其辉,李万杰.双馈风力发电及变流控制的数模混合仿真方案分析与设计[J].电力系统自动化,2011,35(1):83-86.LIU Qihui,LI Wanjie.Analysis and design of digital/physicalhybrid simulation scheme for doubly-fed induction generatorwind turbine and its converter control[J].Automation ofElectric Power Systems,2011,35(1):83-86.

[5]陈磊,闵勇,叶骏,等.数字物理混合仿真系统的建模及理论分析:(一)系统结构与模型[J].电力系统自动化,2009,33(23):9-13.CHEN Lei,MIN Yong,YE Jun,et al.Modeling andtheoretical analysis of hardware-in-the-loop simulation:Part onestructure and model[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(23):9-13.

[6]孟超,沈宇,姚谦.发电机励磁实时监测系统研究与应用[J].电力系统自动化,2010,34(6):107-110.MENG Chao,SHEN Yu,YAO Qian.Research and applicationof generator excitation real-time monitoring system[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(6):107-110.

[7]张国荣,张铁良,丁明,等.光伏并网发电与有源电力滤波器的统一控制[J].电力系统自动化,2007,31(8):61-66.ZHANG Guorong,ZHANG Tieliang,DING Ming,et al.Combined control of active power filter and PV connectedgeneration[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(8):61-66.

[8]陈卫民,陈国呈,崔开涌,等.分布式并网发电系统在孤岛时的运行控制[J].电力系统自动化,2008,32(9):89-91.CHEN Weimin,CHEN Guocheng,CUI Kaiyong,et al.Running control of grid-connected dispersed generation systemsin islanding situation[J].Automation of Electric PowerSystems,2008,32(9):89-91.

[9]国家电网公司.光伏电站接入电网技术规定(试行)[S].2009.

[10]杨卫东,薛峰,徐泰山,等.光伏并网发电系统对电网的影响及相关需求分析[J].水电自动化与大坝监测,2009,33(4):35-39.YANG Weidong,XUE Feng,XU Taishan,et al.Grid-connected photovoltaic’s influence on power systems andrelated issues[J].Hydropower Automation and DamMonitoring,2009,33(4):35-39.

[11]LI Wang,LIN Yinghao.Dynamic stability analysis of aphotovoltaic array connected to a large utility grid[C]//Proceedings of the 2000 IEEE Power Engineering SocietyWinter Meeting:Vol 1,January 23-27,2000,Singapore:476-480.

数字与物理混合仿真篇4

建设一套与实际相结合的变电站仿真系统可以实现各级检修及运行人员的离线技能培训, 通过仿真模拟变电站的真实运行工况及各类型故障, 提高相关人员的技能水平。本文主要介绍贵阳供电局与北京科东电力控制系统有限责任公司合作开发的多级联合仿真培训系统TS2000的总体结构, 阐述了该系统若干关键技术的实现以及现场应用效果。

1 系统结构

变电站数字物理混合仿真培训系统的总体结构如图1所示。其中数字仿真系统实现变电站及相关局部电网的实时仿真数据量的模拟。原有的变电站测控系统实现对全站工况的的监控与报警。数字仿真系统产生的数字信号通过高速总线发送给接口及模拟部分。从而实现与真实变电站一致的培训环境。

数字仿真系统基本功能简介如下:

(1) 实时电网及全电网仿真服务器。实时电网服务器负责运行教学变电站相关的电磁暂态仿真程序, 由双CPU构成, 一个CPU用于仿真计算, 另一个运行通信及协调软件, 为信号输入输出接口提供准确、可靠的数字信号源。

(2) 调度员学员台。该子系统为学员提供真实的控制中心环境和SCADA软件功能。实时电网仿真程序模拟前置机向SCADA系统发送仿真电网的遥信遥测数据。调度员学员台可仿真数据采集和更新、派生数据计算和数据处理、越限和变位监视、拓扑着色、报警处理和人机界面等SCADA软件功能。

2 关键技术及其实现

数字物理混合仿真接口技术

数字物理混合仿真接口保证了实时地将数字量转换为模拟量。

系统采用PCI总线技术将各功能模块紧密集成。数字模拟转换器精度为16位, 具有多路同步D/A转换输出的能力。实时操作系统通过软件信号驱动数字模拟转换器、开关量输入输出器, 电网实时仿真数字信号经数模转换、电流和电压功率放大器处理后转换为足以驱动变电站实际二次设备的电流、电压模拟量。

实际设备的位置辅助触点连接至开关量输入器, 当位置发生变化时, 辅助触点的电位发生变化, 开关量输入器根据采集端子的电位可以判断出状态变化并将其转换为0或1的数字量。同时, 中断服务例程定时通过PCI总线读取开关数字量, 从而实现开关或刀闸状态的采集。

3 小河教学基地实施方案

在原有的小河教学变电站二次回路中, 接入仿真系统, 模拟现场CT、PT二次侧电压电流, 采集相关开关量状态, 将变电站二次设备驱动起来。其他一、二次设备均采用原有综合自动化设备不做改动。

3.1 硬件系统配置

3.1.1 仿真服务器为了满足系统性能要求, 实时仿真计算机的具体配置为

CPU:2颗2.13GHz Intel Xeon四核4MB Cache, 4GB内存, 146GB SAS硬盘, 15K RPM, 网络适配器:100/1000MB Adapter 2块

3.1.2教员机

教员机主要用于教案编制、运行方式的整定、一二次故障设置、系统维护管理、数据组织和对学员的监管等功能。采用DELL OPTILEX 960MT, 具体配置为:

英特尔 (R) 酷睿 (TM) 4核处理器Q94002.9GHZ, 2G内存, 250GB硬盘, PCI 1000M网卡, 显卡:ATI Radeon HD 4870 512M独立显卡, 键盘、鼠标、电源线, 19寸宽屏液晶显示器, 操作系统软件为windows XP professional edition操作系统。

3.1.3 信号输入输出接口装置

信号输入输出接口装置是I/O信号扩展转换箱, 高速、高精度同步输出数字模拟转换器, 高速通信及开关量输入输出系统, 电流、电压功率放大器构成。

3.2 软件配置

操作平台采用Linux实时操作系统, 应用软件根据小河教学变实现功能的情况配备:仿真软件支撑平台软件, 交互式、全过程电磁暂态仿真软件, I/O接口软件。

4 现场应用情况

110 k V小河教学变采用数字物理混合技术进行仿真, 其主接线如图2所示, 小河教学变及相关电网一次设备仿真采用数字仿真进行模拟, 通过信号输入输出接口装置驱动小河教学变的二次设备。图3是母线发生CA相永久接地故障的仿真结果, 其中从图3可以看出:在t=100ms时发生设定的故障, 110k V#1母线的C和A相电压降低为0, 110k V#1进线中A和C相由额定电流增大至1.63k A (有效值) , 在t=200ms时, 110k V#1进线的母线侧开关三相跳闸后切断故障电流, 110k V#1进线电流和110k V#1母线电压均降低为0。表明该培训仿真系统可以达到严格的实时性要求。

5 结论

本文介绍数字物理混合仿真技术在小河教学变电站的运用。解决了目前现有仿真系统与实际脱离、培训效果不佳的缺点, 成功实现了变电站综合自动化系统与仿真系统的联合一体化仿真。从而使的培训人员, 在一个真实的环境中得到锻炼, 提高自身的技能水平。

参考文献

[1]王邦志, 林昌年, 蒲天骄等.变电站集中监控仿真培训系统的设计与实现[J].电网技术, 2004, 28 (15) :21-24.

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