计算机机电暂态仿真、RTDS电磁暂态仿真的混合仿真设计构想

张朝鑫

摘 要 本文所研究的混合仿真设计主要是基于计算机机电暂态仿真、RTDS电磁暂态仿真。尤其尽两年电力系统的巨大发展，大容量输电工程的建成对数字仿真提出了更高的要求，本文就针对电力系统的特性设计了计算机与RTDS的混合实时仿真平台，详细分析混合仿真接口方案中的关键技术，构造等值模型来正确反映对侧系统的运行状态，并结合相关直流系统案例验证本文所设计的仿真平台是具备有效性和可行性，以供参考。

关键词 RTDS电磁暂态仿真；计算机机电暂态仿真；混合仿真；设计

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0062-02

近年来，电力系统数字仿真技术有了突破性的进展，实现了许多具有代表性的系统仿真，如HYPERSIM及DDRTS等其他全数字实时仿真，在国内外应用最为频繁当属RTDS。目前复杂的直流系统已经不能通过传统机电暂态模型进行分析，应构建准确的电磁暂态混合模型和机电暂态，展现非线性元件在大系统中的影响作用，进而实现对大系统的实时仿真，发挥RTDS电磁暂态仿真的作用。

1 混合仿真平台整体设计

混合仿真平台整体设计强调混合仿真的准确率，计算机机电暂态仿真会在混合仿真中与RTDS电磁暂态仿真以同步的方式进行接口和交换边界等值参数。图1为混合仿真平台硬件基本构成，主要包括三个方面：计算机、RTSD、智能接口卡。

1）计算机，本文研究采用的快速机电暂态仿真是程序，计算机中所含的总线接口具有实时仿真能力的电力系统机电暂态仿真程序，具有桥高的计算效率。

2）RTDS（Real Time Digital Simulator），实时数字仿真仪，它与一个飞行模拟器很详细，用户可以研究电力系统装置和网络上的干扰所带来的影响，防止出现故障或断电现象。RTDS是“实时的”模拟装置，强调电力系统的运算法能被计算得足够快，进而可以连续地产生输出，实际网络中的情形正是电力系统的输出结果。它所实现的电磁暂态实时仿真是为了完成重要设备和局部系统的仿真需求，为了更好的实现数据交换，重要设备中的输出通道与接口卡相连便能实现上述所需。此外，接口电气量求取和相关形式转化，大部分依靠RTDS侧所建立的机电侧电网等值模型。本文研究中所采用用户自定义中的逻辑判断功可满足混合仿真的数据处理所需。另一方面用户自定义组件能实现变诺顿等值电路和时变串并联支路等。

3）智能接口卡，电磁和机电两侧接口数据的处理和传输都可通过智能接口卡实现，尤其利用其中相关数字信号处理器可以实现数据传输控制和交互时序控制等，接口卡通过FIFO内存与计算机交换数据，具有较高的扩展能力。

2 混合仿真接口方案

2.1 基于计算机机电暂态仿真、RTDS电磁暂态仿真接口基本原理

将原系统进行初步建模后会选取需要详细仿真的部分和需要规模化仿真部分的接口，前提是按照需求划分。前者实现电磁暂态仿真需建立电磁暂态模型并连接外部控制装置，后者实现大规模的机电暂态仿真需建立相应的机电子网模型，两种暂态仿真实现实时的数据交互还需构建计算机机电暂态和电磁暂态仿真相结合。

1）电磁暂态仿真。电磁暂态过程与短路等故障有关，涉及工频电流、工频电压幅值等，对其进行仿真的目的就是分析系统中可能会出现的暂态过电压故障，如波形畦变或谐波，通过合理设计所得到暂态过电压和过电流相关电力设备来确定是否能正常安全运行。由于电磁暂态过程变化较快，数量级属毫秒～秒级别，进而得出暂态过程产生原因，电力系统正常运行的时候处于稳定状态，各种扰动造成了电力系统进入暂态，一般引起电力系统中事故扰动最常见的有短路故障和系统内发电机、变压器、电动机等原件上发生不同相之间的短路故障。所以在分析故障时要考虑输电线路或电磁耦合参数引起的波过程，在分析计算电磁暂态仿真可采用时域瞬时值的方式。电力系统电磁暂态仿真的微分方程十分复杂，大部分为网络中广泛存在的电容元件等构成的微分方程组的求解，对电力系统的电磁暂态模型仿真规模有一定的限制，具体方程见式（1）。

其中，电网等值导纳矩阵为“G”，为常数矩阵，其改变只在拓扑结构有变化时。各节点注入电流组成的列向量为“I（t）”。t时刻电网节点电压相量为“U（t）。各元件及相互之间电压及电流关系都通过此方程式有了明确反映。在求解该时刻各元件的电流和电压时可在各等级电流源都已知的情况下运用可对等值计算网络进行求解。

2.2 接口关键技术

计算机机电-RTDS电磁暂态混合实现仿真的核心问题就是接口处理，也关系到是否能成功实现混合仿真。接口算法主要涉及到以下几方面内容。

1）接口位置的选择。HVDC和FACTS装置电力系统接口位置通常在连接变压器一次侧母线处，有利于数值计算的稳定性，一定程度上还缩小了电磁暂态仿真范围，减轻了电磁暂态仿真的计算负担，除此之外，在电磁暂态仿真中包含了换流母线附近滤波器、补偿装置等设备，可有更好的分析相关动态特性。目前混合仿真接口位置的选择都以手工静态划分为主，主要考虑数值稳定性、接口处负荷复杂程度等因素。

2）接口等值电路形式。在进行电磁系统仿真时必须选择合适的等值电路做好代替。一般机电网络的仿真规模较庞大，网络中的参数近似符合线性关系，可以直接运用传统诺顿等值电路来代替外部系统。但系统的谐波组特抗性在交直流混合仿真中不能真实反映机电网络的基波等值阻抗似，常存在谐波放大、高频特性等问题。而在对机电子系统进行仿真时，必须选择合适的等值电路做好电磁子系统的代替作用，由于电磁子系统中可能包含HVDC或其他非线性电子元件，有相对复杂的等值电路形式。因此，采用诺顿等值电路形式作为电磁侧的常规交流网络，可采用恒功率符合等类似形式，前提是以元件和网络特性为主。

3）数据时序交互方式。设计合理的数据交换时序方案，一是为了实现机电暂态仿真的平滑连接，二是保证仿真结果的真实准确，其中计算机机电磁暂态仿真程序的计算步长毫秒级，RTDS电磁暂态为微妙级，当前串行数据交互方式和并行数据交互方式是混合仿真所采用的主要数据交换方式。

3 结束语

综上所述，混合仿真对计算精度和计算速度都有严格的要求，本文所构想的设计方案主要是针对大规模电力系统仿真，设计中充分结合机电暂态与RTDS电磁暂态混合实时仿真平台的特点，并与相关研究理论与工程试验相结合，有效降低对电压电流作为接口量时相位精度的要求，也相应减少电磁暂态的结算量和接口的复杂性，进一步提高混合仿真的实效性和可信度。

参考文献

[1]边宏宇，张海波，安然然，等.RTDS上机电暂态仿真自定义模块的研究与开发[J].电力系统自动化，2009，33（22）：61-65.

[2]安娜.基于RTDS的机电暂态仿真及其接口模型优化的研究[D].华北电力大学（北京），2011.

[3] 李伟林，张晓斌，董延军，等.电力系统综合仿真方法研究（一）：VPNET[J].中国电机工程学报，2012，32（13）：95-102.endprint