CN105259781B - 用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统 - Google Patents

用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统 Download PDF

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本发明涉及一种用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统，包括：不同类型的实时数字仿真装置，用于并行完成电网子系统的实时数字仿真计算；接口子系统，设在不同实时数字仿真装置之间，用于完成不同实时数字仿真装置的数据交换；时间同步子系统，与每个实时数字仿真装置链接，用于向各个实时数字仿真装置提供同步信号。与现有技术相比，本发明能够充分结合不同实时数字仿真装置的优点，构成具有更高性价比的电力系统混合仿真系统。

Description

用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统
技术领域
本发明涉及电力系统实时数字仿真领域，尤其是涉及一种用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统。
背景技术
实时数字仿真具有建模的灵活性、试验结果的可重复性、试验的安全性和经济性等诸多优点。在对智能电网尤其是对新能源的研究中，实时数字仿真得到了更为广泛的应用。目前，获得广泛应用的实时数字仿真系统包括RTDS、RT-LAB以及ADPSS。这些系统基于不同的软硬件架构，具有不同的优缺点。其中，RTDS是比较早的技术，与EMTDC共享核心的电磁暂态模型，在传统高压电网分析领域非常成熟，其仿真结果的可信度已得到了大量现场验证，是目前最为成熟、应用最为广泛的电力系统实时数字仿真装置。但是，RTDS的硬件价格昂贵、单个机柜仿真规模较小，对于目前日益复杂的大电网和电力电子仿真而言，基于RTDS的实时数字仿真系统投资巨大。ADPSS的优势在于能够将电磁与机电暂态放在一起进行混合仿真，从而可以显著增大仿真规模。但是目前其电磁暂态方面的模型还有不足，仿真可信度仍需实践检验。RT-LAB是最新的、采用PC机群技术的电力系统实时数字仿真装置，在硬件架构和软件算法上具有很大的优势，单个机柜的仿真规模较大。另外，RT-LAB基于Matlab/Simulink技术，可以充分复用大量已有的Matlab/Simulink模型与代码，系统具有优秀的开放性。目前，RT-LAB在电力电子领域获得了广泛应用。但是，RT-LAB在传统交流电网中的应用时间不长，其仿真可信度仍需要验证。
由上可见，从应用成熟性、经济性、开放性等角度，现有的实时数字仿真装置皆各有优缺点。此外，不同仿真装置在其所擅长的领域已经积累了成熟的仿真模型，但由于模型互不兼容，在不同仿真装置间进行模型的迁移是一项非常困难的工作。而在智能电网环境下，仿真对象已不仅仅包含传统交流电网，还包括电力电子、可再生能源等。这样，单一类型实时数字仿真装置已难以满足智能电网的仿真要求，而需要采用不同类型实时数字仿真装置进行混合仿真，以充分发挥不同仿真装置的优势，实现更为经济高效的仿真系统。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统，无需各实时数字仿真装置公开底层通信协议，具有广泛的适应性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统，其特征在于，包括：
不同类型的实时数字仿真装置，用于并行完成电网子系统的实时数字仿真计算；
接口子系统，设在不同实时数字仿真装置之间，用于完成不同实时数字仿真装置的数据交换；
时间同步子系统，与每个实时数字仿真装置链接，用于向各个实时数字仿真装置提供同步信号。
所述的实时数字仿真装置包括但不限于RTDS、RT-LAB和ADPSS。
所述的实时数字仿真装置由以下组成：
实时数字仿真计算模块，利用现代并行计算技术，通过硬件平台实时模拟实际电力系统的运行情况；
模拟量输入和输出接口，与接口子系统连接，利用模数变换模块实现模拟量输入，利用数模变换模块实现模拟量输出；
时间同步信号接口，用于接收外部同步信号源发出的时间同步信号，并持续修正实时数字仿真装置自身的时间同步误差。
所述的接口子系统包括接口算法及接口硬件，所述的接口算法用于实现拆分后各电网子系统之间的数据交换，以使得拆分后的系统与原系统具有近似相等的仿真结果，所述的接口硬件包括模拟量输入和输出接口，用于实现信号传输。
所述的接口算法基于替代定理，具体为：
将整个电网看作是由第一电网子系统和第二电网子系统这两个一端口电路连接组成，在第一电网子系统中测量其端口的电压值，传送到第二电网子系统中以控制受控电压源；而在第二电网子系统中测量其端口的输出电流，反馈给第一电网子系统以控制受控电流源。由此得到其开环传递函数为：
其中，Za及Zb分别为第一电网子系统侧的戴维南等值阻抗和第二电网子系统侧的等值阻抗；Δt为接口总延时，包括发送端数模变换的延时、接收端模数变换的延时以及仿真步长引起的延时。
根据奈奎斯特判据，可得其稳定的充要条件是：
因此，本接口算法的适用条件是：第一电网子系统的等值阻抗必须要严格小于第二电网子系统的等值阻抗，否则混合仿真系统会产生失稳。
所述的时间同步子系统采用外部同步信号源，向各实时数字仿真装置提供时间同步信号，该时间同步信号包括1PPS、IRIG-B以及IEEE 1588PTP的标准信号。
与现有技术相比，本发明能够充分结合不同实时数字仿真装置的优点，构成具有更高性价比的电力系统混合仿真系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为原电网系统等效电路图；
图3为拆分后的电网子系统等效电路图；
图4为原电网系统仿真电路图；
图5为RTDS中采用受控电流源的仿真电路图；
图6为RT-LAB中采用受控电压源的仿真电路图；
图7为三相电压仿真结果曲线图；
图8为三相电流仿真结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的适用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统由不同类型的实时数字仿真装置、接口子系统以及时间同步子系统组成。如图1所示。所述的实时数字仿真装置能够并行完成电网子系统的实时数字仿真计算；所述的接口子系统由接口算法和接口硬件组成，能够完成不同实时数字仿真装置的数据交换；所述时间同步子系统用于向各个实时数字仿真装置提供同步信号。本发明能够充分结合不同实时数字仿真装置的优点，构成具有更高性价比的电力系统混合仿真系统。
电力系统实时数字仿真装置：
本发明适应于各种电力系统实时数字仿真装置。目前获得广泛应用的实时数字仿真系统包括RTDS、RT-LAB以及ADPSS等。本发明利用了这些实时数字仿真装置的如下公共特点：
(1)实时数字仿真计算。即利用现代并行计算技术，通过专门的硬件平台实时的模拟实际电力系统的运行情况。
(2)模拟量输入和输出接口。即利用模数变换模块实现模拟量输入，利用数模变换模块实现模拟量输出。
(3)时间同步信号接口。即能够接收外部同步信号源发出的时间同步信号，并持续修正实时数字仿真装置自身的时间同步误差。
由于本发明仅利用了不同类型实时数字仿真装置的公共特性，且不需要各实时数字仿真装置公开其底层通信协议，故本发明具有广泛的适应性。
接口算法
本发明利用电路理论中的替代定理，将待仿真的电网模型拆分为子系统，并由不同的实时数字仿真装置分别进行仿真计算。作为示例，图2给出了原电网等效电路，图3为拆分后的电网子系统等效电路。
A、基本原理
本发明中，接口算法用于实现拆分后各电网子系统之间的数据交换，以使得拆分后的系统与原系统具有近似相等的仿真结果。该接口算法基于替代定理，该定理普适于线性电路和非线性电路。其原理如图3所示，在电网子系统1中测量受控电流源两侧的电压值，传送到电网子系统2中以控制受控电压源；而在子系统2中测量受控电压源的输出电流，反馈给子系统1以控制受控电流源。由图3所示的原理图，容易得到其开环传递函数为：
其中，Za及Zb分别为电网子系统1侧的戴维南等值阻抗和电网子系统2侧的等值阻抗；Δt为接口总延时，主要包括发送端数模变换的延时、接收端模数变换的延时以及仿真步长引起的延时等。
B、稳定判据与适应条件
根据奈奎斯特判据，可得其稳定的充要条件是：
因此，本接口算法的适用条件是：电网子系统1的等值阻抗必须要严格小于电网子系统2的等值阻抗，否则混合仿真系统很可能会产生失稳。在实际应用中，可以用电网子系统1代表大电网，而电网子系统2代表配电网或微电网。由于大电网具有更小的系统等值阻抗，这样，即可很容易地满足式(2)的要求。
接口硬件
在上述接口算法中，各电网子系统之间需要实时地交换电压和电流信号，如图3中的虚线所示。信号的这一传递过程，必须要通过各个实时数字仿真装置的接口硬件来实现。接口硬件包括模拟量输出和模拟量输入两部分。
实时数字仿真装置A的模拟量输出接口利用数模变换，将电网子系统1的某个数字仿真结果转换为模拟量信号，通过电缆送出。在另一端，实时数字仿真装置B的模拟量输入接口利用模数变换，将从电缆中接收到的模拟量信号转换为数字量，用于电网子系统2的仿真。由此实现了从电网子系统1到子系统2的信号传递。
时间同步子系统
A、时间同步目的
现有的电力系统实时数字仿真装置皆采用固定的仿真步长，仿真步长一般为50μs～80μs。各实时数字仿真装置利用自身的晶振来产生上述时间参考信号。但是，由于晶振自身的误差，会使得不同实时数字仿真装置之间存在同步误差，该误差的逐渐积累，会严重影响混合仿真系统的仿真精度。
B、时间同步方法
本发明采用外部同步信号源(同步时钟)，向各实时数字仿真装置提供时间同步信号。所述的时间同步信号包括1PPS(Pulse Per Second)、IRIG-B以及IEEE 1588PTP等标准信号。利用上述时间同步信号，各实时数字仿真装置每秒钟纠正一次自身的晶振误差，从而避免误差累积，达到保证混合仿真系统仿真精度的目的。
具体实施例
1)电网系统与实时数字仿真装置
原电网系统仿真电路如图4所示。
以UA1、UB1、UC1为分割点对原电网进行拆分后，左侧记为电网子系统1，在RTDS中进行仿真；右侧记为电网子系统2，在RT-LAB中进行仿真。
2)接口系统
A、接口算法
依据本发明所使用的接口算法，在RTDS中采用受控电流源替代电网子系统2；在RT-LAB中利用受控电压源替代电网子系统1。仿真电路图分别如图5、6所示。
B、接口硬件
RTDS使用GTAI、GTAO接口卡作为模拟量输入、输出的接口硬件。GTAI、GTAO接口卡均包含12个模拟量通道，配有16位模数或数模变换器，输入/输出范围为±10V。
RT-LAB提供不同类型的I/O板卡，并配置了专门的模块库RT-LAB I/O。本实施例使用到其中的AI、AO卡作为模拟量输入、输出的接口硬件。
RTDS的GTAI、GTAO接口卡通过电缆分别接至RT-LAB的AO、AI卡，每个传输通道的模数或数模变换的比例因子(scale factor)均在对应模块的参数中可调。需要调至每条电缆的两端通道间的增益为1，并且注意不要超过通道的最大输入/输出值。
3)时间同步系统
在RTDS中，使用GTSYNC同步卡作为同步信号的接收器。GTSYNC同步卡可以使用IEEE 1588PTP、1PPS或者未调制的IRIG-B信号作为时间同步源。本实施例选择接收1PPS同步信号。
在RT-LAB中，使用OP5962同步卡作为同步信号的接收器。OP5962同步卡既可以作为主机发出同步信号，也可以作为从机接收同步信号。本实施例使用它作为从机的功能。
4)仿真结果
A、电压与电流波形
图7和图8中，UA1、UB1、UC1(三相电压)与IA1、IB1、IC1(三相电流)为单独利用RTDS进行实时数字仿真的结果；UA2、UB2、UC2(三相电压)与IA2、IB2、IC2(三相电流)为RTDS与RT-LAB的混合仿真结果。以前者作为基准，由图7和图8可知，混合仿真的结果与单独仿真的结果基本一致。在本实施例中，仿真结果的误差主要受通道延时的影响。
B、通道延时问题
对于RTDS，GTAI卡的模数变换需要约6μs，GTAO卡的数模变换需要约6～8μs；对于RT-LAB，AI卡的模数变换最小转换时间为2.5μs，AO卡的数模变换最小转换时间为1μs；此外，RTDS的仿真步长设置为50μs，RT-LAB的仿真步长设置为50μs。根据本发明的原理，总的通道延时约为120μs。在图7和图8中，混合仿真较之单独仿真的实测延时约为158μs，稍大于理论值。对于系统频率为50Hz的交流电网，上述延时对应2.84度，满足智能电网对仿真精度的要求。

Claims (4)

1.一种用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统，其特征在于，包括：
不同类型的实时数字仿真装置，用于并行完成不同的电网子系统的实时数字仿真计算；
接口子系统，设在不同实时数字仿真装置之间，用于完成不同实时数字仿真装置的数据交换；
时间同步子系统，与每个实时数字仿真装置链接，用于向各个实时数字仿真装置提供同步信号；
所述的接口子系统包括接口算法及接口硬件，所述的接口算法用于实现拆分后各电网子系统之间的数据交换，以使得拆分后的系统与原系统具有近似相等的仿真结果，所述的接口硬件包括模拟量输入和输出接口，用于实现信号传输；
所述的接口算法基于替代定理，具体为：
将整个电网看作是由第一电网子系统和第二电网子系统这两个一端口电路连接组成，在第一电网子系统中测量其端口的电压值，传送到第二电网子系统中以控制受控电压源；而在第二电网子系统中测量其端口的输出电流，反馈给第一电网子系统以控制受控电流源；由此得到其开环传递函数为：
其中，Za及Zb分别为第一电网子系统侧的戴维南等值阻抗和第二电网子系统侧的等值阻抗；Δt为接口总延时，为发送端数模变换的延时、接收端模数变换的延时以及仿真步长引起的延时三者之和；
根据奈奎斯特判据，可得其稳定的充要条件是：
因此，本接口算法的适用条件是：第一电网子系统的等值阻抗必须要严格小于第二电网子系统的等值阻抗，否则混合仿真系统会产生失稳。
2.根据权利要求1所述的一种用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统，其特征在于，所述的实时数字仿真装置包括RTDS、RT-LAB和ADPSS。
3.根据权利要求1所述的一种用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统，其特征在于，所述的实时数字仿真装置由以下组成：
实时数字仿真计算模块，利用现代并行计算技术，通过硬件平台实时模拟实际电力系统的运行情况；
模拟量输入和输出接口，与接口子系统连接，利用模数变换模块实现模拟量输入，利用数模变换模块实现模拟量输出；
时间同步信号接口，用于接收外部同步信号源发出的时间同步信号，并持续修正实时数字仿真装置自身的时间同步误差。
4.根据权利要求1所述的一种用于不同类型实时数字仿真装置的电力系统混合仿真系统，其特征在于，所述的时间同步子系统采用外部同步信号源，向各实时数字仿真装置提供时间同步信号，该时间同步信号包括1PPS、IRIG-B以及IEEE1588PTP的标准信号。
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