探討基于數(shù)字計(jì)算機(jī)和RTDS的實(shí)時(shí)混合仿真

王鵬

[摘? ? ? ? ? ?要]? 結(jié)合數(shù)字計(jì)算機(jī)和RTDS的混合仿真需求，提出了實(shí)時(shí)混合仿真方案，即在保持計(jì)算機(jī)側(cè)機(jī)電暫態(tài)仿真和RTDS側(cè)電磁暫態(tài)仿真獨(dú)立進(jìn)行的同時(shí)，利用智能接口卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，保證二側(cè)仿真同步。從仿真效果來(lái)看，能夠滿足仿真準(zhǔn)確性要求。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 數(shù)字計(jì)算機(jī);RTDS;實(shí)時(shí)混合仿真

[中圖分類(lèi)號(hào)]? TM743? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）28-0144-02

在實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域，數(shù)字計(jì)算機(jī)得到了廣泛應(yīng)用。但是單純采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真分析，無(wú)法完成大規(guī)模系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真分析。針對(duì)這一問(wèn)題，還要引入數(shù)字仿真系統(tǒng)，即RTDS，通過(guò)實(shí)時(shí)混合仿真加強(qiáng)系統(tǒng)暫態(tài)仿真工具的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性精確模擬，使采用數(shù)字計(jì)算機(jī)和RTDS進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)仿真分析存在的局限性得到突破。因此，需要加強(qiáng)二者的實(shí)時(shí)混合仿真研究，以便在一次仿真中同時(shí)完成系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真和網(wǎng)絡(luò)電磁暫態(tài)仿真，從而使系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確性得到保證，達(dá)到提高計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)水平的目標(biāo)。

一、數(shù)字計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的機(jī)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(kāi)分析，但在器件內(nèi)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(duì)元器件內(nèi)部故障過(guò)程等情況進(jìn)行仿真分析，但受算法限制仿真規(guī)模有限，無(wú)法對(duì)大規(guī)模系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)算機(jī)和RTDS混合仿真，能夠同時(shí)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)及內(nèi)部元器件展開(kāi)仿真分析，滿足非線性瞬時(shí)系統(tǒng)研究需求。實(shí)際上，對(duì)數(shù)字計(jì)算機(jī)和RTDS進(jìn)行混合仿真，并非是對(duì)系統(tǒng)各種波形數(shù)據(jù)進(jìn)行精確重現(xiàn)，而是需要對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性進(jìn)行分析，從而提出科學(xué)的保護(hù)措施。想要達(dá)成這一目標(biāo)，需要進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的實(shí)時(shí)混合仿真，從而對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的動(dòng)態(tài)過(guò)程展開(kāi)分析，得到瞬時(shí)仿真數(shù)據(jù)。采用傳統(tǒng)的隱式積分迭代算法，能夠在復(fù)雜電子計(jì)算機(jī)裝置中插入暫態(tài)計(jì)算模塊，但卻無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)混合仿真的目標(biāo)。采用接口數(shù)據(jù)交互時(shí)序，對(duì)一個(gè)暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，另一個(gè)將處于停止?fàn)顟B(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(chǎn)生較大的交替計(jì)算誤差，繼而影響仿真結(jié)果精確性。因此，需要提出科學(xué)的實(shí)時(shí)混合仿真方案，以便使數(shù)字計(jì)算機(jī)和RTDS仿真能夠同時(shí)開(kāi)展。

二、基于數(shù)字計(jì)算機(jī)和RTDS的實(shí)時(shí)混合仿真方案

（一）實(shí)時(shí)混合仿真方案

結(jié)合實(shí)時(shí)混合仿真需求，可以采用智能接口卡進(jìn)行數(shù)字計(jì)算機(jī)和RTDS的數(shù)據(jù)交互，在接口兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行暫態(tài)仿真，然后在固定時(shí)刻通過(guò)接口完成邊界等值參數(shù)的交互。采用數(shù)字計(jì)算機(jī)為Intel P4個(gè)人計(jì)算服務(wù)器，具有實(shí)時(shí)仿真能力，并且含有PCI總線接口，采用快速機(jī)電暫態(tài)仿真程序，運(yùn)行效率較高，對(duì)含2200節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真可以達(dá)到約8倍超實(shí)時(shí)。選用新一代RTDS，能夠利用GTAI/GTAO卡完成模擬量輸入/輸出擴(kuò)展，并對(duì)交互步長(zhǎng)進(jìn)行同步脈沖信號(hào)的發(fā)射，促使兩側(cè)同步仿真得以實(shí)現(xiàn)。智能接口卡核心為數(shù)字信號(hào)處理器DSP，包含多個(gè)A/D和

D/A通道，能夠?qū)换r(shí)序、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗M(jìn)行控制，完成計(jì)算機(jī)側(cè)數(shù)據(jù)濾波計(jì)算，利用FIFO內(nèi)存實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)混合仿真過(guò)程中，將由RTDS側(cè)進(jìn)行仿真啟動(dòng)信號(hào)發(fā)送，經(jīng)接口傳遞至計(jì)算機(jī)側(cè)，促使兩側(cè)同時(shí)開(kāi)展仿真，分別進(jìn)行下一個(gè)步長(zhǎng)計(jì)算，根據(jù)對(duì)方邊界條件，可以對(duì)接口信息進(jìn)行準(zhǔn)備。具體來(lái)講，計(jì)算機(jī)側(cè)需要結(jié)合電磁側(cè)條件判斷能否進(jìn)行同步信號(hào)接收，若能夠接受將進(jìn)行接口信息發(fā)送，否則將返回重新確認(rèn)是否接收到同步信號(hào)。RTDS側(cè)將確定是否累積至一個(gè)交互步長(zhǎng)，達(dá)到一個(gè)步長(zhǎng)后才會(huì)進(jìn)行同步脈沖信號(hào)接收，否則將重新判斷步長(zhǎng)條件是否滿足。計(jì)算機(jī)側(cè)發(fā)送的接口經(jīng)過(guò)接口卡D/A處理后，將被RTDS側(cè)接收，成為下一步長(zhǎng)計(jì)算的邊界條件。與此同時(shí)，RTDS將通過(guò)GTAO進(jìn)行接口信息發(fā)送，經(jīng)過(guò)接口卡的D/A、采集和濾波處理后由計(jì)算機(jī)側(cè)接收和上傳，為下一步長(zhǎng)計(jì)算做好準(zhǔn)備。在整個(gè)過(guò)程中，RTDS時(shí)標(biāo)是仿真開(kāi)始的基準(zhǔn)，從各交互步長(zhǎng)開(kāi)始由RTDS先完成同步脈沖信號(hào)發(fā)射，然后由兩側(cè)各自進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，在交互數(shù)據(jù)更新時(shí)刻進(jìn)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(jìn)行同步信號(hào)的發(fā)送。而通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)交互，需要保證接口量形式等值。實(shí)際上，電磁暫態(tài)過(guò)程涉及電壓、電流等各種參數(shù)，仿真目的在于對(duì)暫態(tài)故障進(jìn)行分析。而電磁暫態(tài)過(guò)程數(shù)量級(jí)為毫秒和秒級(jí)，分析時(shí)還要采用時(shí)域瞬時(shí)值進(jìn)行仿真。按照系統(tǒng)接線情況，可以對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)各元件等值計(jì)算的電路進(jìn)行連接，得到等值網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)納矩陣，只有在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)才會(huì)變化，I（t）為t時(shí)刻電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)注入電流列向量，U（t）為對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓向量[1]。結(jié)合方程，可以確定各元件電壓和電流關(guān)系，然后完成等值網(wǎng)絡(luò)求解。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)等值，RTDS側(cè)能夠?qū)Σ介L(zhǎng)接口等值參數(shù)進(jìn)行獲取，然后進(jìn)行瞬時(shí)交流電壓源的合成分析。在接口交互的過(guò)程中，存在電磁暫態(tài)過(guò)程，如諧波等將對(duì)接口電壓產(chǎn)生影響，因此需要發(fā)揮接口卡的濾波、采集等功能，使相關(guān)數(shù)值得到校正。

（三）計(jì)算機(jī)暫態(tài)仿真分析

在實(shí)時(shí)混合仿真期間，計(jì)算機(jī)側(cè)主要需要根據(jù)RTDS側(cè)信號(hào)開(kāi)始仿真。在等值網(wǎng)絡(luò)求解上，由于機(jī)電暫態(tài)仿真目的在于對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下受故障干擾后能否恢復(fù)正常的能力進(jìn)行分析，所以需要運(yùn)用基波向量分析法完成系統(tǒng)靜態(tài)或動(dòng)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(luò)支路電流和電壓等變量對(duì)導(dǎo)納進(jìn)行阻止，因此仿真系統(tǒng)由系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)等元件數(shù)學(xué)模型構(gòu)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(guò)程微分方程和網(wǎng)絡(luò)方程交替迭代，最終確定計(jì)算步長(zhǎng)時(shí)刻[2]。實(shí)際在機(jī)電暫態(tài)仿真過(guò)程中，對(duì)功角穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算通常不會(huì)使電流零序分量進(jìn)入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，諧波等變量不會(huì)促使同步速電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，因此經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)將得到衰減，基本不會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定和振蕩模式產(chǎn)生影響。結(jié)合這一因素，RTDS側(cè)在向計(jì)算機(jī)側(cè)進(jìn)行接口功率注入時(shí)，僅對(duì)基波分量進(jìn)行考量。

（四）接口數(shù)據(jù)交互分析

實(shí)際進(jìn)行計(jì)算機(jī)和RTDS連接，采用GYNET數(shù)字量接口吉比特收發(fā)器網(wǎng)絡(luò)，但想要滿足在特定時(shí)間進(jìn)行接口數(shù)據(jù)交互的條件，還要對(duì)RTDS固件模塊功能的局限性進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，技術(shù)相對(duì)成熟，可以直接與RTDS的模擬量接口進(jìn)行連接，達(dá)到已知接口的目標(biāo)。但在接口數(shù)據(jù)交互方面，實(shí)現(xiàn)模擬量輸出可能導(dǎo)致附加延時(shí)和誤差的產(chǎn)生。為保證兩側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)仿真同步，還要使數(shù)據(jù)延時(shí)不超過(guò)交互步長(zhǎng)，同時(shí)噪聲幅值應(yīng)當(dāng)比迭代求解收斂判據(jù)1/10要小，才能避免實(shí)時(shí)仿真受誤差影響。實(shí)際上，延時(shí)主要來(lái)自傳輸通道上的電壓階躍和A/D、D/A轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換上，能夠通過(guò)提高采樣速率減少延時(shí)，但針對(duì)電壓階躍帶來(lái)的延時(shí)，需要使連線電容得到減小或?qū)/A輸出驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行增強(qiáng)。針對(duì)接口數(shù)據(jù)傳輸誤差，還要預(yù)先完成各通道固定誤差測(cè)定，然后通過(guò)矯正消除或減小誤差。采用數(shù)字濾波器，能夠?qū)鬏斖ǖ涝肼曔M(jìn)行濾除。針對(duì)計(jì)算機(jī)側(cè)，需要在混合仿真交互步長(zhǎng)內(nèi)第n個(gè)電磁暫態(tài)步長(zhǎng)位置利用GTAI進(jìn)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(duì)RTDS側(cè)，在接口卡采樣時(shí)，應(yīng)當(dāng)保持50μs～200μs間隔，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并利用FIR濾波器完成數(shù)據(jù)冗余均值濾除。

（五）實(shí)時(shí)混合仿真效果

為驗(yàn)證方案效果，需要對(duì)機(jī)電側(cè)包含9節(jié)點(diǎn)和電磁側(cè)包含1回直流系統(tǒng)的交流系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)混合仿真，該系統(tǒng)通過(guò)IEEE標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)修改得到，包含兩個(gè)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)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(jié)果來(lái)看，實(shí)時(shí)混合仿真結(jié)果能夠與全電磁仿真結(jié)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(guò)程偏差最大僅為0.005，能夠保證電磁暫態(tài)側(cè)直流系統(tǒng)獲得準(zhǔn)確的邊界條件，從而使計(jì)算結(jié)果的精確性得到保證。而從數(shù)據(jù)交互情況來(lái)看，從計(jì)算機(jī)側(cè)向RTDS側(cè)傳輸數(shù)據(jù)的誤差不超過(guò)0.03%，從RTDS側(cè)向計(jì)算機(jī)側(cè)傳輸數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)0.01%，延時(shí)均在2 ms左右。比較全系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)時(shí)混合仿真結(jié)果和RTDS仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，也擁有大致相似的穩(wěn)定性過(guò)程，暫態(tài)偏差最大不超過(guò)3°。由此可見(jiàn)，采用上述實(shí)時(shí)混合仿真方案，能夠?qū)ο到y(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行可靠模擬。

綜上所述，在對(duì)復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析時(shí)，采用實(shí)時(shí)混合仿真方法需要達(dá)到較高的仿真計(jì)算精度和速率要求。在實(shí)際制定仿真方案的過(guò)程中，還應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)側(cè)和RTDS側(cè)仿真特點(diǎn)，適當(dāng)降低電磁暫態(tài)接口的復(fù)雜性，采用模擬量接口交互形式時(shí)加強(qiáng)濾波處理，同時(shí)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(xiàn)：

[1]盧山，周紅彬，李剛.計(jì)算機(jī)仿真在混合星座覆蓋分析中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（10）：180-182.

[2]歐開(kāi)健，張樹(shù)卿，童陸園，等.基于并行計(jì)算機(jī)/RTDS的混合實(shí)時(shí)仿真不對(duì)稱故障接口交互與實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（2）：178-185.

[3]胡一中，吳文傳，張伯明.采用頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等值的RTDS-TSA異構(gòu)混合仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（16）：88-93.

◎編輯 張 慧