采用混合时序的机电-电磁暂态解耦混合仿真

武志刚， 梁年柏， 王长香， 周挺辉， 甄鸿越， 朱林

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080)



采用混合时序的机电-电磁暂态解耦混合仿真

武志刚1， 梁年柏1， 王长香2， 周挺辉2， 甄鸿越2， 朱林1

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080)

提出一种使用SOCKET通信搭建的混合仿真通信框架，以实现机电-电磁混合仿真的完全解耦，在此基础上提出一种可自动切换的串并行结合的混合交互时序，以提高混合仿真的精度和速度。以PSCAD及开源的PSAT为例对混合仿真系统的实现进行了详细描述，并在含有SVC的三机九节点系统上做了验证，表明所提出解耦混合仿真方法及所采用的时序交互方式有效，同时得出了普适性结论，即只要仿真程序支持相关的API调用，则所提出的基于通信的仿真框架均可实现。

解耦；机电-电磁；混合仿真；SOCKET通信；混合交互时序

0 引 言

随着区域电网互联，HVDC和FACTS[1-3]等设备不断投入系统运行，导致机电暂态和电磁暂态过程在系统运行中相互交织，使得仅靠机电暂态仿真或电磁暂态仿真无法满足仿真需求，混合仿真技术应运而生。混合仿真结合两种仿真技术的优点，对特定区域或关注对象进行电磁暂态仿真，而其余部分采用机电暂态仿真，从而使得仿真的精度和效率都得到了保证。

混合仿真技术发展至今已有三十多年历史，目前广泛采用的研发思路是将混合仿真建立在成熟的机电、电磁仿真程序上。而在现阶段的工业和学术研究中，应用较广泛的电磁暂态仿真程序是PSCAD程序。因此，很多混合仿真的实现都是将相关的机电程序与PSCAD相结合来实现。例如文献[4-6]就是将自主研发的机电程序通过PSCAD的自定义模块功能内嵌到PSCAD的程序中以实现混合仿真。这种实现方式是将机电程序和电磁程序耦合在一起，即两种程序在仿真过程中不仅存在数据信息的交互，还有仿真算法的交互，仿真流程复杂。随着网络元件类型的不断增加，两种仿真程序除了自身的更新之外，还需要对两种程序耦合部分进行必要更新，这无疑增加了仿真程序的维护难度。除此之外，由于机电程序是作为PSCAD的一个子模块来进行运行的，受限于程序的运行流程，其交互方式的实现上只能是串行的，而不能采用并行，这大大降低了混合仿真的计算性能。而文献[7-8]提出了基于RTDS的实时混合仿真，利用实时仿真技术提高了仿真的效率，但与前述类似的是，机电程序与电磁程序间的强耦合性仍然存在，仿真方法的可扩展性不高。

针对这些不足，可以借助通信领域的相关技术，设计合适的通信框架，在数据层面而不是算法层面实现两种程序的交互，从而提出一种解耦的混合仿真方法。本文在此设想下，采用基于TCP/IP的SOCKET(套接字)通信手段来搭建一个机电电磁混合仿真的通信框架，以实现机电电磁程序间的解耦，延展程序的可扩展性，并在此通信框架的基础上创新提出一种高效的混合时序交互方式来保障混合仿真的精度和速度。

1 系统架构设计

1.1 通信框架

通信框架的建立，旨在使电磁程序与机电程序间不存在主程序上的相关联，其交互所需要的数据信息通过各自的通信子模块进行传输。当两种仿真程序算法和模型库发生更新时，不需要对通信模块更新即可直接适用。

通信框架的实现可以采用多种方式，文献[9]提出了使用管道方式建立通信框架。但是由于管道通信的应用程序接口对于不同的程序语言没有统一的标准，因而对于使用不同程序语言间的进程间通信，管道方式是很难处理的。而SOCKET通信不但广泛适用于各种操作系统(如UNIX、Linux、Windows等)，并且对于大多数主流的程序语言，SOCKET的应用程序接口都是统一标准的[10]。因此，本文采用基于TCP/IP协议的SOCKET(套接字)通信来实现通信框架的搭建。

SOCKET通信的实现需要建立客户端/服务器模型，本文选用将电磁程序侧的通信子模块搭建为SOCKET的客户端，将机电程序侧的通信子模块搭建为SOCKET服务器，其通信框架如图1所示。

图1 采用SOCKET通信搭建的混合仿真通信框架

图2 并行混合仿真示意图

基于TCP/IP协议的SOCKET通信方式不仅适用于同一台计算机下不同应用程序间的通信，也可通过网络在不同计算机下实现通信。因此对于潜在的并行混合仿真需求，即同时进行多个算例的混合仿真，这种通信方式也是可以实现的，如图2所示。

1.2 两侧等值方法

图3 机电侧网络等效图

进行混合仿真时，需要选择合适的接口对全网络进行划分，并对划分好的电磁网络及机电网络进行相关等值。本文提出的解耦混合仿真方法在等值方法上参照文献[11]的处理方式，机电侧网络等值成戴维南电路，电磁侧网络等值成功率注入负荷。两侧网络等效图如图3、图4所示。

1.3 接口时序设计

当前主流的时序交互方式有两种：并行交互和串行交互。

图4 电磁侧网络等效图

图5 串行交互方式

图6 并行交互方式

用TS代表机电暂态程序，EMT代表电磁暂态程序，则串行交互和并行交互的时序图如图5和图6所示。

由图6中可以看出，并行计算过程的优点是机电侧和电磁侧分别计算，在仿真过程中不需等待对侧完成计算，所以在满足实时交换数据的基础上，能提高计算的速度；缺点是在[t,t+ ΔT]时间段内仿真时每一侧采用的等值信息都是对侧在t时刻传送的，即用到的是前一步长结束时刻的数据，存在一定的交接误差，使得计算精度受到了影响。

若采用串行计算过程，则电磁侧先获取机电侧t-ΔT时刻的等值参数，然后在[t-ΔT,t]时间段内进行求解，机电侧此段时间中处于等待状态。机电侧再获取电磁侧t时刻的等值参数信息，然后进行对应的[t-ΔT,t]时间段的求解，电磁侧在此过程中处于等待状态。这种交互方式由于在仿真过程中两侧仿真均需要等待对侧仿真完一个步长后才能继续仿真，因此消耗的仿真时间可能会过长，但其准确性比并行方式要好，故目前混合仿真多数情况下采用这种接口时序交互方式。

在实现解耦的混合仿真通信框架的前提下，机电程序与电磁程序间已没有算法上的直接关联，故可摆脱前文提及的只能使用串行交互方式的限制，而采取串并行交替的混合时序交互方式，即在系统稳态运行时采取并行交互方式保证仿真的速度；在系统发生故障或结构变化时，采用串行交互方式保证仿真的精度。为保证时序配合的正确性，由并行时序转换到串行时序时，要先令机电侧等待一个机电步长后再继续与电磁侧交互。而由于系统故障切除后恢复到较平稳状态需要一定的时间，为保证仿真精确度，从故障切除时刻起延迟一到两个机电步长后再进行串行时序到并行时序的转换，如图7所示。

图7 串并行交替时序

2 系统软件实现

本文以使用较广泛的PSCAD作为电磁暂态仿真程序，使用MATLAB下具有开源代码的PSAT[12]工具箱作为机电暂态仿真程序，在机电侧构建SOCKET服务器，在电磁侧构建SOCKET客户端，以说明解耦混合仿真的实现方式。对于任何支持SOCKET通信API的机电暂态仿真程序均可以完成类似的解耦混合仿真通信。

2.1 PSCAD端的实现

2.1.1 SOCKET模块的搭建

在PSCAD中所有用户自定义的功能均需封装成一个模块元件才能被识别使用，因此在PSCAD中搭建SOCKET的客户端即PSCAD的通信子模块也需要封装成一个特定的模块元件。元件图如图8所示。

图8 PSCAD中SOCKET通信模块元件图

此模块的输入为电磁侧等值出来的恒功率数据和注入电流数据、系统仿真所处时刻、系统仿真步长；输出为所接收到的机电侧发过来的戴维南等值数据，包括电压幅值和相角。

模块还需要进行相关的属性设置，包括SOCKET通信所需的端口号、IP地址、以及跟随系统初始化所需要的延时时间。当这些属性设置与SOCKET服务器所设置的相对应时，即可保证通信的正常进行。

2.1.2 初始化元件

为使仿真模型受到扰动前处于稳态，需给PSCAD一定的初始化时间后再开始混合仿真，本文设定此时间为0.5 s。

2.2 PSAT端的实现

2.2.1 SOCKET服务器的搭建

在PSAT的开源机电仿真程序中加入SOCKET服务器类并调用之，即可获取机电侧数据发送给电磁侧使用，以及接收到电磁侧的数据再给机电侧使用。

类的实现需在MATLAB中加载SOCKET库，封装相应的函数，包括服务器开启函数、收发数据函数、字符转换函数等。

2.2.2 等值数据计算类

机电侧的戴维南等值每一个仿真步长更新一次。与SOCKET服务器的搭建相类似，创建一个等值数据计算类，每完成一个步长的计算，调用此类进行戴维南等值，并将相关信息储存供SOCKET使用。使用节点导纳计算相应的开路阻抗，用电流补偿法计算相应的等效电压。

2.3 仿真时序及仿真流程图

1.2节中的串并行交替时序交互方式，通过机电侧仿真程序来控制，基于预设判据判断当前需要使用何种时序，本文采用的判据是用前后两个机电步长电磁侧等值注入电流的变化幅度来辨识故障。具体方式如下：

(1) 当电磁侧等值注入电流变化率绝对值达到一定阈值时，即认为有较大波动，采用串行时序，机电侧接收到电磁侧传来的数据后，仿真一个机电步长后再将相应的等值数据传递给电磁侧；

(2) 当电磁侧等值注入电流变化率绝对值恢复小于阈值时，采用并行时序，机电侧接到电磁侧数据后，立即将相应的等值数据传递给电磁侧，再进行下一机电步长的仿真。

由于SOCKET通信的发送和接收函数有良好的阻塞机制，必须得到相应的回应信号后才执行下一条程序，例如当在PSCAD创建的SOCKET客户端调用SOCKET接收函数后进入阻塞等待状态，需当SOCKET客户端接收到相应SOCKET服务器(PSAT里的通信模块)发送过来的信息后才能终止阻塞等待并启动即下一步长的电磁暂态仿真，以保证两侧程序仿真时刻的同步。据此可以通过控制机电侧(PSAT)是先进行一个机电步长仿真后再将等值数据发送给电磁侧(PSCAD)，还是先将等值数据发送给电磁侧(PSCAD)后再进行一个机电步长的仿真的选择性来实现串并行交替的交互时序。具体逻辑图及程序流程见图9、图10，图10中虚线部分即为两种仿真程序通过SOCKET通信数据交互的过程。

图9 时序转换逻辑图

图10 混合仿真流程图

3 算例分析

3.1 算例系统

为验证本文所提的解耦混合仿真方法，在WSCC 9-bus系统的母线8接入SVC，其接线如图11所示。SVC采用电磁暂态仿真，其余部分采用机电暂态仿真。混合仿真时长3 s，在t=0.5 s时刻在母线8发生三相短路，t=0.6 s时故障清除。

在PSAT中搭建常规交流网络机电暂态模型，图11中阴影部分为PSAT中原母线8处所含有的SVC模型，但由于其仿真采用准稳态模型，仿真过程高度近似，导致精确度不足。在本文的混合仿真中将此部分用电磁侧等值过来的恒功率负荷来替代，亦即在混合仿真过程中阴影部分为一恒功率负荷形式，恒功率负荷的取值在每次信息交互时更新。

电磁侧利用PSCAD中含有的FACTS设备模型(如SVC、STATCOM)及常规的三相电压源搭建模型，如图12所示。三相电压源的幅值和相角均为从机电侧获得的戴维南等值数据，每一机电步长更新一次。

图11 机电侧网络图

图12 电磁侧模型的搭建

3.2 接口设计有效性

混合仿真之前，PSAT对该算例进行潮流计算，根据稳态解求出外部网络初始的戴维南等值电路参数，然后在PSAT和PSCAD中搭建好各自的网络模型后，运行混合仿真程序。因为PSCAD中设置了一个0.5 s的初始化时间，所以图13中PSCAD的仿真波形显示的故障时间是1 s，仿真时间为3.5 s；PSAT的波形显示的故障时间是0.5 s，仿真时间是3 s。

图13为混合仿真时由机电侧和电磁侧接口母线电压有效值的波形图，可以看出，在0.5 s后混合仿真开始，有效电压值与0.5 s之前完全相同，表明了戴维南等效正确。从两幅图对比可以看出，两侧测得的结果基本一致，证明接口设计有效。

图13 混合仿真接口母线电压

图14 不同时序交互方式下注入无功对比

图15 三种仿真的接口母线电压对比

3.3 时序设计有效性

图14为采用不同交互时序对同一算例的仿真对比图，对比量为SVC对系统的注入无功功率。从图中可以看出单独串行的和串并行时序交替的时序交互方式下的波形基本一致，只有并行的会出现偏差，尤其是故障后的恢复过程，由于并行采用的是前一时刻仿真所得的数据，因此会造成相对比较大的交替偏差。通过对三种仿真的时间做记录，发现单独串行时间最长，串并行交互居中，并行最短，这也验证了理论的正确性，证明这种混合时序的交互方式既保证了精度又保证了速度。

3.4 仿真方法有效性

图15为用纯电磁仿真、纯机电仿真、混合仿真三种仿真方法对同一算例的对比，对比量为接口处母线电压。从图中可以看出故障发生之前，三种仿真方法的波形基本一致；故障期间混合仿真的波形与纯电磁暂态的波形形状基本一致；故障清除之后比较三种仿真方法，相比纯机电暂态仿真，混合仿真整体波形和变化趋势均与纯电磁仿真的更接近。可见，文中混合仿真方法能够比纯机电暂态仿真方法更准确地模拟含FACTS的交流系统受扰动后的快速暂态过程的物理特性和动态特征。

4 结束语

现有混合仿真方法中机电及电磁程序耦合程度过高，以致程序可拓展性差、时序交互方式只能采用串行，为此本文提出一种采用SOCKET通信手段实现机电、电磁程序解耦的混合仿真方法，具有极大的普适性，只需机电程序支持SOCKET的API即可实现与PSCAD的混合仿真。在此基础上，新创了串并行交替使用的时序交互方式，保证了混合仿真的速度和精度。

电力系统机电-电磁暂态混合仿真是一个复杂的课题，在理论研究和实际应用方面仍有许多问题需要探索。本文只涉及到其中部分内容，所取得的也是一些初步成果，在相关问题上还需要进一步探讨，比如本文算例设定故障在接口母线，具有一定的局限性；目前仅验证了单一接口的电力系统的混合仿真,今后需要进一步实现多接口的混合仿真算例验证。

[1] N G HINGORANI, L GYUGYI. Understanding FACTS-concepts and technology of flexible AC transmission systems [J]. Wiley-IEEE Press,1999,(12):425.

[2] 武守远，周孝信，赵贺，等.电力系统最新技术—灵活交流输电系统的发展及研究[J].电网技术，1996，20(5)：1-3.

[3] 浙江大学直流输电科研组.直流输电 [M].北京：水利电力出版社，1985.

[4] 李承.电力系统电磁暂态与机电暂态程序的混合仿真研究 [D]. 天津:天津大学，2007.

[5] 鄂志君，房大中，王立伟,等.基于EMTDC 的混合仿真算法研究 [J].继电器，2005，33(8)：47-51.

[6] 李维.基于PSCAD的电力系统机电暂态与电磁暂态混合仿真 [D].天津:天津大学，2006.

[7] 贾旭东. 基于RTDS的交直流系统实时数字仿真方法研究与实现 [D].河北:华北电力大学，2009.

[8] 张树卿,梁旭,童陆园,等. 电力系统电磁/机电暂态实时混合仿真的关键技术 [J]. 电力系统自动化，2008,12(15):89-96.

[9] 张怡,吴文传,张伯明,等. 基于频率相关网络等值的电磁-机电暂态解耦混合仿真 [J]. 中国电机工程学报，2012，49(16):107-114.[10] 曹宁，冯忠义，沙济彰. 基于客户/服务器模式的Socket网络编程 [J]. 计算机工程，1999，25(2):72-74.

[11] 柳勇军. 电力系统机电暂态和电磁暂态混合仿真技术的研究 [D].北京：清华大学，2006.

[12] 常勇，徐政，王超. 基于MATLAB的电力系统分析工具包PSAT及其有效性检验 [J]. 电力自动化设备， 2007，27(7): 102-105.

Electromagnetic and Electromechanical Decoupled Hybrid Simulation with Mixed Interaction Protocol

Wu Zhigang1, Liang Nianbai1, Wang Changxiang2, Zhou Tinghui2, Zhen Hongyue2, Zhu Lin1

(1.South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China;2.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid Ltd, Guangzhou Guangdong 510080, China)

This paper presents a decoupled power system simulation method for hybrid simulation with SOCKET communication. An interaction protocol is introduced to automatically switch between serial and parallel protocol to make the hybrid simulation faster and more accurate. PSCAD and PSAT are used to test and verify the proposed hybrid simulation method and interaction protocol in the WSCC 9-bus system with SVC. The result of the test shows that the proposed hybrid simulation method and interaction protocol work effectively.

decoupled; electromagnetic and electromechanical;hybrid simulation;socket communication;mixed interaction protocol

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.001

TM744

A

1000-3886(2016)04-0001-04

武志刚(1975-)，男，吉林吉林人，博士，副教授，研究方向：电力系统运行分析。 梁年柏(1993-)，男，广西钦州人，硕士生，研究方向：电力系统运行分析。 王长香(1986-)，女，辽宁庄河人，硕士，助理研究员，研究方向：电力系统稳定性分析。 周挺辉(1989-)，男，广东中山人，硕士，助理研究员，研究方向：电力系统仿真。 甄鸿越(1989-)，男，广东台山人，硕士，助理研究员，研究方向：电力系统稳定性分析。 朱林(1979-)，男，广西柳州人，博士，副教授，研究方向：电力系统稳定与控制。

定稿日期: 2016-01-28