CN102799715A - 一种电力一次系统数字物理混合仿真方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力一次系统数字物理混合仿真方法及其系统，属于电力系统实时仿真技术领域。首先，实时数字仿真系统对虚拟电力系统进行电磁暂态实时仿真计算；物理模拟系统对实际电力系统进行物理仿真；在两个系统之间设置功率接口系统；相互通过功率接口系统将数字仿真计算得到的虚拟电力系统的电压量传递、放大给实际电力系统，物理模拟系统基于功率放大的电压实现对实际电力系统进行物理仿真。本发明方法联合了数字仿真和物理仿真的优点，可以用物理仿真模拟实际新能源设备，用数字仿真模拟其所处工作环境的电力系统，可以弥补各自方法的不足，为研究和测试新能源设备的性能特点以及其与电力系统相互影响的动态过程提供了新的方法和途径。

Description

一种电力一次系统数字物理混合仿真方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种电力一次系统数字物理混合仿真方法及其系统，尤其涉及一种用于新能源装备测试的电力一次系统数字物理混合仿真方法，属于电力系统实时仿真技术领域。

背景技术

电力系统正处在新能源革命的新形势下，各种新能源装备的不断涌现，对电力系统仿真测试技术提出了新的要求。传统的电力系统仿真技术，主要分为物理仿真和数字仿真两类。物理仿真基于相似理论，将实际电力系统元件用参数成比例缩小的真实物理元件模拟，不需要确定设备的数学模型，但建设投资大、参数更改困难。数字仿真基于数学模型研究电力系统动态过程，系统和参数的修改灵活方便，可实现大规模电网的仿真和计算，但受限于系统建模技术，建模的好坏直接影响结果的精度和可信性。电力一次系统数字物理混合仿真（以下简称“混合仿真”）是：用物理仿真模拟建模效果不理想或模型未知的元件或子系统，或直接采用该元件或子系统的实际设备；再用数字仿真模拟大规模的电力系统；并通过接口联合起来进行仿真运行。混合仿真是一种适用于针对数学模型不成熟的新能源装备进行测试和研究的仿真技术。DDRTS是由深圳殷图科技发展有限公司、清华大学电机系和东北电力调度中心合作开发电磁暂态实时仿真系统，具有自主知识产权，集数字仿真和实时测试功能于一体，但是不具备物理仿真的功能。

申请号CN201010145890.7的专利《基于实时数字仿真器的电磁暂态与机电暂态混合仿真方法》提供了一种将两类不同电力系统数字仿真之间的混合仿真方法，但无法实现数字仿真与物理仿真的混合应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种电力一次系统数字物理混合仿真方法及其系统，以用于新能源装备的测试，综合物理仿真和数字仿真两种方法的优点，对常规电力系统进行数字仿真，对重点关注的新能源装备或以之为主的子系统采用物理仿真。

本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真方法，包括以下步骤：

（1）采用实时数字仿真系统构建一个虚拟电力系统，并对虚拟电力系统进行电磁暂态实时仿真计算，得到虚拟电力系统的接口电压量；

（2）采用物理模拟系统对实际电力系统进行物理仿真，得到实际电力系统的接口电压和/或电流；

（3）在所述的实时数字仿真系统和所述的物理模拟系统之间设置一个功率接口系统；

（4）上述实时数字仿真系统将上述虚拟电力系统的接口电压量发送至上述功率接口系统，功率接口系统将上述接口电压量进行放大后加载到物理模拟系统，物理模拟系统根据功率放大的电压，对实际电力系统进行物理仿真；

（5）上述功率接口系统采集上述实际电力系统的接口电压和/或电流，并将实际电力系统的接口电压和/或电流量测值发送至上述实时数字仿真系统，实时数字仿真系统利用电压和/或电流量对虚拟电力系统进行电磁暂态计算。

本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真系统，包括：

实时数字仿真系统，用于构建一个虚拟电力系统，并对虚拟电力系统进行电磁暂态实时仿真计算，得到虚拟电力系统的接口电压量；

物理模拟系统，用于对实际电力系统进行物理仿真，得到实际电力系统的接口电压和/或电流；

功率接口系统，用于将上述虚拟电力系统的接口电压量放大并加载到物理模拟系统，以及将实际电力系统的接口电压和/或电流采集并发送至实时数字仿真系统。

本发明的混合仿真系统中，所述的功率接口系统包括：

高速通信卡，用于接收来自实时数字仿真平台对虚拟电力系统的接口电压量计算结果，并将该计算结果发送给信号分配器，同时接收来自信号分配器的对实际电力系统的接口电压和/或电流测量结果，并将该测量结果发送给实时数字仿真平台；

信号分配器，用于接收来自高速通信卡的上述计算结果，并将该计算结果发送给功率放大通道，同时接收来自传感测量通道的对实际电力系统的所述测量结果，并将该测量结果发送给高速通信卡；

功率放大通道，用于接收信号分配器发送的上述计算结果，并将该计算结果放大到实际电力系统所要求的功率等级，该放大后的计算结果用于替代虚拟电力系统与实际电力系统进行真实的功率交换；

传感测量通道，用于对实际电力系统中的电压和/或电流进行测量，并将该测量结果发送给信号分配器；

所述的高速通信卡与所述的信号分配器之间通过光纤连接，信号分配器与所述的功率放大通道和传感测量通道之间分别通过数据线连接，功率放大通道与实际电力系统之间通过电缆连接。

上述功率接口系统中，所述的高速通信卡，包括：

程序存储器，用于存储中央处理器的程序代码，程序存储器与中央处理器相连接；

数据存储器，用于存储中央处理器的数据，数据存储器与中央处理器相连接；

并行总线接口控制器，用于根据计算机并行总线协议，接收或发送中央处理器与所述的实时数字仿真平台之间的通信数据，并行总线接口控制器与中央处理器相连接；

中央处理器，用于通过并行总线接口控制器接收的实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送至网络控制器，同时通过网络控制器和光信号收发器接收对实际电力系统的测量结果，并将该测量结果通过并行总线接口控制器发送至实时数字仿真平台；

网络控制器，用于将中央处理器产生的信号转换成网络协议后，发送至光信号收发器，同时接受光信号收发器的信号，并发送至中央处理器，网络控制器与中央处理器相连接；

光信号收发器，用于将网络控制器的电信号转换成光信号后，将光信号发送至所述的信号分配器，同时将来自信号分配器的光信号转换成电信号后发送至网络控制器，光信号收发器与所述的信号分配器相连接。

上述功率接口系统中，所述的信号分配器，包括：

电源模块，用于为信号分配器提供电源；

通讯模块，用于接收所述的高速通信卡中光信号收发器的光信号，并将光信号转换为电信号，将电信号经过自定义总线发送至数模转换器，同时通过自定义总线接受模数转换器的电信号，将电信号转换为光信号，发送至所述的高速通讯卡中的光信号收发器；

模数转换器，将来自传感测量通道的对实际电力系统测量得到的模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号发送给通讯模块，再通过所述的高速通信卡发送至实时数字仿真平台；

数模转换器，将实时数字仿真平台通过所述的高速通信卡经通讯模块送来的数字信号转换成模拟信号，并将该模拟信号发送至功率放大通道；

电源模块、通讯模块、数模转换器和模数转换模块分别通过自定义总线相连接。

上述功率接口系统中，所述的功率放大通道，包括：

电源模块，用于为功率放大通道提供电源；

采样转换模块，用于将所述的信号分配器中数模转换器的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号通过自定义总线传输给信号处理模块；

信号处理模块，用于读取采样转换模块的数字信号，并将该数字信号调制成脉宽调制波形，将该脉宽调制波形通过光耦隔离输出到逆变器，用于对逆变器的触发控制；

整流器，用于将电网提供的三相工频交流电转换为直流电，为逆变器提供电压稳定的直流电；

逆变器，用于将整流器输出的直流电调制为功率级的脉宽调制波形，该脉宽调制波形的低频分量与信号分配器输出的上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配，对计算结果进行功率放大；

滤波器，采用电感和电容滤波，用于滤除逆变器输出的脉宽调制波形中的高频成分，输出与上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配的电压波形；

采样转换模块与信号处理模块以及信号处理模块与逆变器之间分别通过自定义数据总线连接；整流器与逆变器以及逆变器与滤波器之间通过电缆连接。

本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真方法及其系统，借助已有的实时数字仿真系统电磁暂态实时仿真系统DDRTS，利用其开放的输入、输出功能，通过功率接口系统将物理仿真的功能附加于其上，形成统一的混合仿真系统。这样的混合仿真方法联合了数字仿真和物理仿真的优点，可以用物理仿真模拟实际新能源设备，用数字仿真模拟其所处工作环境的电力系统，可以弥补各自方法的不足，为研究和测试新能源设备的性能特点以及其与电力系统相互影响的动态过程提供了新的方法和途径。

附图说明

图1是本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真系统的结构框图。

图2是本发明混合仿真系统中使用的功率接口系统的结构框图。

图3是功率接口系统中高速通信卡的结构框图。

图4是功率接口系统中信号分配器的结构框图。

图5是功率接口系统中功率放大通道的结构框图。

具体实施方式

本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真方法，包括以下步骤：

（1）采用实时数字仿真系统对虚拟电力系统进行电磁暂态实时仿真计算。本发明的数字动态实时仿真系统（DDRTS）是由深圳殷图科技发展有限公司、清华大学电机系和东北电力调度中心合作开发的具有自主知识产权的电磁暂态实时仿真系统，在国内已得到较多应用。

（2）采用物理模拟系统（动模实验设备或实际新能源装备）对实际电力系统进行物理运行。本发明采用的动模实验条件依托于清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室。

（3）在实时数字仿真系统和物理模拟系统之间设置一个功率接口系统。

（4）上述实时数字仿真系统通过上述功率接口系统将数字仿真计算得到的虚拟电力系统的电压量传递、放大给实际电力系统，物理模拟系统基于功率放大的电压实现对实际电力系统进行物理运行；

（5）上述物理模拟系统通过上述功率接口系统将物理运行的实际电力系统的电压和/或电流量测量、传递给实时数字仿真系统，实时数字仿真系统利用电压和/或电流量对虚拟电力系统进行电磁暂态计算。

本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真系统，其结构框图如图1所示，包括：

实时数字仿真系统，用于构建一个虚拟电力系统，并对虚拟电力系统进行电磁暂态实时仿真计算，得到虚拟电力系统的接口电压量；

物理模拟系统，用于对实际电力系统进行物理仿真，得到实际电力系统的接口电压和/或电流；

功率接口系统，用于将上述虚拟电力系统的接口电压量放大并加载到物理模拟系统，以及将实际电力系统的接口电压和/或电流采集并发送至实时数字仿真系统。

上述混合仿真系统中的功率接口系统，其结构框图如图2所示，包括：

高速通信卡，用于接收来自实时数字仿真系统对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送给信号分配器，同时接收来自信号分配器的实际电力系统的测量结果，并将该测量结果发送给实时数字仿真平台。

信号分配器，用于接收来自高速通信卡的实时数字仿真系统对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送给功率放大通道，同时接收来自传感测量通道的实际电力系统的测量结果，并将该测量结果发送给高速通信卡。

功率放大通道，用于接收信号分配器发送来的实时数字仿真系统对虚拟电力系统的计算结果，并将该结果放大到实际电力系统所要求的功率等级，替代虚拟电力系统与实际电力系统进行真实的功率交换。

传感测量通道，用于对物理仿真的实际电力系统的相关电压和/或电流量进行测量，并将测量结果发送给信号分配器。

高速通信卡与信号分配器之间通过光纤连接，信号分配器与功率放大模块通道、传感测量通道之间通过数据线连接，功率放大模块与实际电力系统之间通过电缆连接。

上述功率接口系统中，所述的高速通信卡的结构框图，如图3所示，包括：

程序存储器，用于存储中央处理器的程序代码，程序存储器与中央处理器相连接；

数据存储器，用于存储中央处理器的数据，数据存储器与中央处理器相连接；

并行总线接口控制器，用于根据计算机并行总线协议，接收或发送计算机与中央处理器的之间的通信数据，并行总线接口控制器与中央处理器相连接；

中央处理器，用于通过并行总线接口控制器接收实时数字仿真计算机对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送至网络控制器，同时通过网络控制器和光信号收发器接收实际电力系统的测量结果，并将该测量结果通过并行总线接口控制器发送至计算机；

网络控制器，用于将中央处理器产生的信号转换成网络协议后，发送至光信号收发器，同时接受光信号收发器的信号，并发送至中央处理器，网络控制器与中央处理器相连接；

光信号收发器，用于将网络控制器的电信号转换成光信号后，将光信号发送至信号分配器，同时将接收自信号分配器的光信号转换成电信号后发送至网络控制器，光信号收发器与信号分配器相连接。

上述功率接口系统中，所述的信号分配器的结构框图，如图4所示，包括：

电源模块，用于为信号分配器提供电源，输入为220伏交流电压，输出为正5伏、正负15伏和正负24伏直流电压；

通讯模块，用于接收高速通信卡中光信号收发器的光信号，并将光信号转换为电信号，将电信号经过自定义总线发送至数模转换器，同时通过自定义总线接受模数转换器的电信号，将电信号转换为光信号，发送至高速通讯卡中的光信号收发器；

数模转换模块，用于将通讯模块送来的数字信号转换成模拟信号，并将该模拟信号发送至功率放大通道；

模数转换模块，用于将测量传感通道送来的模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号发送至通讯模块；

电源模块、通讯模块、数模转换器和模数转换模块分别通过自定义总线相连接。

上述功率接口系统中，所述的功率放大通道的结构框图，如图5所示，包括：

电源模块，用于为功率放大通道的二次部分以及整流器和逆变器的冷却系统提供电源，输入为220伏交流电压，输出为正5伏、正负15伏和正负24伏直流电压；

采样转换模块，用于将信号分配器数模转换模块的模拟信号转换为数字信号传输给信号处理模块；

信号处理模块，用于读取采样转换结果，基于该结果生成PWM（脉宽调制）波形，并通过光耦隔离输出到逆变器的触发控制；

整流器，采用三相桥式的电路拓扑和直流母线电压恒定的控制策略，用于将三相工频交流电转换为直流电，输入为220伏交流电压，输出为600伏直流电压，为逆变器提供稳定电压的直流母线，功率可以双向流动；

逆变器，采用三相桥式的电路拓扑，触发控制由信号处理模块提供，用于将整理器输出的直流电通过PWM调制为低频分量与信号分配器输出的虚拟电力系统的计算结果相匹配的PWM脉冲，输入为600伏直流电压，输出三相交流电线电压最大峰值为300伏，以实现功率放大的功能；

滤波器，采用电感和电容滤波，用于滤除逆变器输出的PWM脉冲中的高频成分，低频分量基本不变，输出与信号分配器输出的虚拟电力系统的计算结果相匹配的电压波形；

采样转换模块和信号处理模块是功率放大通道的二次部分，采样转换模块和信号处理模块、信号处理模块与逆变器之间通过自定义数据总线连接；整流器、逆变器和滤波器是功率放大通道的一次部分，整流器和逆变器、逆变器和滤波器之间通过电缆连接；信号处理模块与逆变器之间的光耦连接实现二次电路和一次电路的光电隔离。

上述功率接口系统中，所述的传感测量通道，包括：

电源模块，用于为电流传感器提供电源，为正负12伏直流电压；

电流传感器，用于测量物理模拟系统中的实际电力系统某些支路（例如从功率放大通道流入实际电力系统）的电流大小，并将测量信号传输给信号分配器的模数转换模块。

上述功率接口系统的一个实施例中，高速通信卡所用的主要部件如下：

中央处理器采用美国TI公司的数字信号处理器（DSP），型号为TMS320DM642；

程序存储器采用美国SST公司型号为SST39VF040的快速存储器；

数据存储器采用美国Microchip公司型号为93LC66B的可电擦除的快速存储器；

并行总线接口控制器采用美国PLX公司型号为PEX8112的接口芯片；

网络控制器采用美国DAVICOM公司型号为DM9000A的太网接口芯片；

光信号收发器采用中国武汉灵创公司的多模收发器，型号为L-TR0323。

信号分配器所用的主要部件如下：

通讯模块分别采用美国TI公司型号为TMS320VC33的数字信号处理器（DSP）；美国DAVICOM公司型号为DM9000A的太网接口芯片以及中国武汉灵创公司型号为L-TR0323的多模收发器；

数模转换器采用美国BB公司的16位精度的数字量/模拟量转换芯片，型号为DAC7744E；

模数转换器采用美国ADI公司的16位精度的模拟量/数字量转换芯片，型号为AD7656；

电源模块采用美国TI公司型号为TPS54310PWP的电源芯片。

功率放大通道所用的主要部件如下：

采样转换模块采用美国ADI公司的16位精度的模拟量/数字量转换芯片，型号为AD7865；

信号处理模块采用美国TI公司型号为TMS320F2812的数字信号处理器（DSP）；

整流器采用芬兰VACON公司型号为NX3124-211的轻型直流整流控制器；

逆变器中的电力电子开关元件采用德国SEMIKRON公司型号为SKM150GB12T4的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）；

滤波器采用3mH的电感和4.7μF的电容。

测量传感通道所用的主要部件如下：

电流传感器采用南京奇霍科技有限公司型号为CS150EK1的霍尔传感器。

Claims (6)

1.一种电力一次系统数字物理混合仿真方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）采用实时数字仿真系统构建一个虚拟电力系统，并对虚拟电力系统进行电磁暂态实时仿真计算，得到虚拟电力系统的接口电压量；

（2）采用物理模拟系统对实际电力系统进行物理仿真，得到实际电力系统的接口电压和/或电流；

（3）在所述的实时数字仿真系统和所述的物理模拟系统之间设置一个功率接口系统；

（4）上述实时数字仿真系统将上述虚拟电力系统的接口电压量发送至上述功率接口系统，功率接口系统将上述接口电压量进行放大后加载到物理模拟系统，物理模拟系统根据功率放大的电压，对实际电力系统进行物理仿真；

（5）上述功率接口系统采集上述实际电力系统的接口电压和/或电流，并将实际电力系统的接口电压和/或电流量测值发送至上述实时数字仿真系统，实时数字仿真系统利用电压和/或电流量对虚拟电力系统进行电磁暂态计算。

2.一种电力一次系统数字物理混合仿真系统，该系统包括：

实时数字仿真系统，用于构建一个虚拟电力系统，并对虚拟电力系统进行电磁暂态实时仿真计算，得到虚拟电力系统的接口电压量；

物理模拟系统，用于对实际电力系统进行物理仿真，得到实际电力系统的接口电压和/或电流；

功率接口系统，用于将上述虚拟电力系统的接口电压量放大并加载到物理模拟系统，以及将实际电力系统的接口电压和/或电流采集并发送至实时数字仿真系统。

3.如权利要求2所述的混合仿真系统，其特征在于其中所述的功率接口系统包括：

高速通信卡，用于接收来自实时数字仿真平台对虚拟电力系统的接口电压量计算结果，并将该计算结果发送给信号分配器，同时接收来自信号分配器的对实际电力系统的接口电压和/或电流测量结果，并将该测量结果发送给实时数字仿真平台；

信号分配器，用于接收来自高速通信卡的上述计算结果，并将该计算结果发送给功率放大通道，同时接收来自传感测量通道的对实际电力系统的所述测量结果，并将该测量结果发送给高速通信卡；

功率放大通道，用于接收信号分配器发送的上述计算结果，并将该计算结果放大到实际电力系统所要求的功率等级，该放大后的计算结果用于替代虚拟电力系统与实际电力系统进行真实的功率交换；

传感测量通道，用于对实际电力系统中的电压和/或电流进行测量，并将该测量结果发送给信号分配器；

所述的高速通信卡与所述的信号分配器之间通过光纤连接，信号分配器与所述的功率放大通道和传感测量通道之间分别通过数据线连接，功率放大通道与实际电力系统之间通过电缆连接。

4.如权利要求3所述的混合仿真系统，其特征在于其中所述的高速通信卡，包括：

程序存储器，用于存储中央处理器的程序代码，程序存储器与中央处理器相连接；

数据存储器，用于存储中央处理器的数据，数据存储器与中央处理器相连接；

并行总线接口控制器，用于根据计算机并行总线协议，接收或发送中央处理器与所述的实时数字仿真平台之间的通信数据，并行总线接口控制器与中央处理器相连接；

中央处理器，用于通过并行总线接口控制器接收的实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送至网络控制器，同时通过网络控制器和光信号收发器接收对实际电力系统的测量结果，并将该测量结果通过并行总线接口控制器发送至实时数字仿真平台；

网络控制器，用于将中央处理器产生的信号转换成网络协议后，发送至光信号收发器，同时接受光信号收发器的信号，并发送至中央处理器，网络控制器与中央处理器相连接；

光信号收发器，用于将网络控制器的电信号转换成光信号后，将光信号发送至所述的信号分配器，同时将来自信号分配器的光信号转换成电信号后发送至网络控制器，光信号收发器与所述的信号分配器相连接。

5.如权利要求3所述的混合仿真系统，其特征在于其中所述的信号分配器，包括：

电源模块，用于为信号分配器提供电源；

通讯模块，用于接收所述的高速通信卡中光信号收发器的光信号，并将光信号转换为电信号，将电信号经过自定义总线发送至数模转换器，同时通过自定义总线接受模数转换器的电信号，将电信号转换为光信号，发送至所述的高速通讯卡中的光信号收发器；

模数转换器，将来自传感测量通道的对实际电力系统测量得到的模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号发送给通讯模块，再通过所述的高速通信卡发送至实时数字仿真平台；

数模转换器，将实时数字仿真平台通过所述的高速通信卡经通讯模块送来的数字信号转换成模拟信号，并将该模拟信号发送至功率放大通道；

电源模块、通讯模块、数模转换器和模数转换模块分别通过自定义总线相连接。

6.如权利要求3所述的混合仿真系统，其特征在于其中所述的功率放大通道，包括：

电源模块，用于为功率放大通道提供电源；

采样转换模块，用于将所述的信号分配器中数模转换器的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号通过自定义总线传输给信号处理模块；

信号处理模块，用于读取采样转换模块的数字信号，并将该数字信号调制成脉宽调制波形，将该脉宽调制波形通过光耦隔离输出到逆变器，用于对逆变器的触发控制；

整流器，用于将电网提供的三相工频交流电转换为直流电，为逆变器提供电压稳定的直流电；

逆变器，用于将整流器输出的直流电调制为功率级的脉宽调制波形，该脉宽调制波形的低频分量与信号分配器输出的上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配，对计算结果进行功率放大；

滤波器，采用电感和电容滤波，用于滤除逆变器输出的脉宽调制波形中的高频成分，输出与上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配的电压波形；

采样转换模块与信号处理模块以及信号处理模块与逆变器之间分别通过自定义数据总线连接；整流器与逆变器以及逆变器与滤波器之间通过电缆连接。

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