CN107169244A - 一种机电‑电磁暂态混合仿真接口系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统暂态数字仿真技术，具体涉及一种机电‑电磁暂态混合仿真接口系统，一种机电‑电磁暂态混合仿真接口系统，包括RTLAB和PC机；RTLAB包含数据转换模块、同步信号模块、GTAO板卡和GTAI板卡；PC机包含数据采集卡、数据管理与交互模块和机电暂态仿真模块；RTLAB与PC机连接。通过数据采集采样电磁侧数据，由数据管理与交互模块将数据读入PC机，并于PC机上的机电暂态仿真模块进行数据交互完成，实现机电‑电磁混合仿真，串并行时序灵活切换的混合时序方法能够提高仿真精度和仿真效率，机电‑电磁暂态混合仿真接口系统提高了混合仿真的准确性、动态性能，保证了机电‑电磁暂态交互数据的同步性。

Description

一种机电-电磁暂态混合仿真接口系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统暂态数字仿真技术领域，尤其涉及一种机电-电磁暂态混合仿真接口系统及方法。

背景技术

随着区域电网之间互联的增加使得电网规模变得越来越大，大量的如分布式可再生能源发电设备、储能设备等电力电子设备接入到电网中，使得电网运行特性和控制特性变得非常复杂，电力系统的强非线性特性日益突出。电力系统发展的新趋势对于仿真提出了更高的要求。接入了大规模电力电子设备的电力系统仿真要求在仿真过程中既可以仿真大规模互联网络的机电暂态过程也可以模拟局部快速变化的电力电子装置的电磁暂态过程；其次还可以准确的仿真局部电网间、大区域和局部系统的交互作用。传统机电暂态仿真忽略了电力电子器件的快速动态过程，不能准确的模拟系统中局部快速变化的过程；电磁暂态仿真由于仿真速度和仿真规模的限制不能进行全系统仿真。所以传统的机电暂态和电磁暂态实时仿真无法同时兼顾其接入交流大电网后和交流系统的交互作用以及详细的变流器内部物理特性。

机电-电磁暂态混合仿真技术克服了纯机电暂态仿真与纯电磁暂态仿真技术的固有缺陷，实现了两者的优势互补，能够对于大型电力电子器件的局部网络进行精确仿真，又可以考虑其相连的交流电网的暂态特性。该技术非常适合当前的具有大量新能源接入、高压直流输电、微电网、高频电力电子设备和众多新型设备的庞大复杂电力系统的实时混合仿真。

但机电-电磁暂态混合仿真接口技术存在如何保证两者交互数据的同步性、精确性与准确性的问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够实现机电-电磁暂态混合实时仿真，保证混合仿真数据传输精度与数据转换的仿真接口系统。

本发明的目的之二是提供一种串并行时序灵活切换的混合时序方法，提高了仿真精度和仿真效率。

本发明的目的之三是提供一种用于管理数据采集，将数据传入PC机，通过使用VC编程编写关于数据采集卡的一些功能，形成相应的链接库的Labview软件调用链接库的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案之一是：一种机电-电磁暂态混合仿真接口系统，包括RTLAB和PC机；RTLAB包含数据转换模块、同步信号模块、GTAO板卡和GTAI板卡；PC机包含数据采集卡、数据管理与交互模块和机电暂态仿真模块；RTLAB与PC机连接；

其中，数据转换模块与RTLAB接口断面相连，用于将机电侧相量数据转换为电磁暂态侧所需的瞬时值形式，将电磁侧瞬时值数据转换为机电侧所需的相量值形式；

GTAO板卡用于将电磁侧仿真的数据转换为模拟量的形式输出到数据采集卡；

GTAI板卡用于将数据采集卡发送的模拟量的机电侧数据输入到电磁侧；

同步信号模块用于电磁侧向机电侧发送同步时钟信号，保证两侧时间的同步性；

数据采集卡分别与RTLAB和PC机连接，用于采集电磁侧数据并通过转换存入PC机内存，将机电侧的数据通过转换传送给电磁侧；

数据管理与交互模块用于将数据采集卡采集的电磁暂态仿真数据传入PC机，对数据进行操作显示，并与机电暂态仿真模块进行数据交互；

机电暂态仿真模块用于机电暂态仿真，通过应用程序接口与数据管理与交互模块进行数据交互，得到电磁暂态仿真数据，输出机电暂态仿真数据。

在上述的机电-电磁暂态混合仿真接口系统中，数据采集卡为PCI总线采集卡，与RTLAB通过DB37插座连接，与PC机通过PCI总线连接；

数据采集卡包含数模转换器、模数转换器，FIFO数据缓冲区，采用DMA方式传送数据；

其中，模数转换器用于将电磁侧数据转换为数字量信号采集进来并通过PCI总线存入PC机内存；

数模转换器用于将机电暂态仿真的数据转换为模拟信号，传送给电磁侧。

在上述的机电-电磁暂态混合仿真接口系统中，同步信号模块采用GTDO板卡，用于在每个设定的交互步长发送同步脉冲信号，以维持两侧时间的同步性。

本发明采用的技术方案之二是：用于机电-电磁暂态混合仿真接口系统的Labview软件调用链接库的方法，包括以下步骤：

S1，在Labview软件中调用驱动数据采集卡的链接库启动数据，数据采集卡开始工作；

S2，在Labview软件中调用初始化数据采集卡的链接库，完成采集通道设置、AD量程设置、采样模式设置、触发模式设置、时钟模式设置以及采样频率等一系列参数设置；

S3，在Labview软件中调用查询AD已经转换完毕的数据长度的数据采集卡的链接库，用于查询数据采集卡采样存入FIFO中的数据长度；

S4，在Labview软件中调用读入采样的链接库，用于将FIFO中采样暂存的数据读入到PC机的内存中，Labview软件对读入的数据进行操作显示。

本发明采用的技术方案之三是：一种用于机电-电磁暂态混合仿真接口系统的时序控制方法，在接口交互时刻取每个机电仿真步长结束时刻，电磁仿真步长为机电仿真步长的整数倍，在交互时刻两侧系统互传数据给对侧；具体步骤如下：

步骤1，在系统正常运行状态时，机电-电磁暂态混合仿真系统采用并行时序进行数据交互；

步骤2,并行时序交互时，一侧计算时另一侧的计算继续进行，在每个规定的数据交互时间点，两侧同时将本侧数据传给对侧，同时接收对侧传来的数据；

步骤3，系统在暂态和动态波动过程时，机电-电磁暂态混合仿真系统采用串行时序进行数据交互；

步骤4，串行时序时，机电侧仿真在进行迭代计算时，电磁侧计算处于停顿状态直到机电侧本步计算完成；

步骤5，通过并行时序与串行时序灵活切换的方式实现机电-电磁暂态混合仿真接口时序。

本发明的有益效果是：实现了机电-电磁混合仿真，串并行时序灵活切换的混合时序方法能够提高仿真精度和仿真效率，机电-电磁暂态混合仿真接口系统提高了混合仿真的准确性、动态性能，保证了机电-电磁暂态交互数据的同步性。

附图说明

图1为本发明一个实施例机电-电磁暂态混合仿真接口系统图；

图2为本发明一个实施例机电-电磁暂态混合仿真接口交互时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明实施例采用以下技术方案来实现，一种机电-电磁暂态混合仿真接口系统，包括RTLAB和PC机；RTLAB包含数据转换模块、同步信号模块、GTAO板卡和GTAI板卡；PC机包含数据采集卡、数据管理与交互模块和机电暂态仿真模块；RTLAB与PC机连接；

其中，数据转换模块与RTLAB接口断面相连，用于将机电侧相量数据转换为电磁暂态侧所需的瞬时值形式，将电磁侧瞬时值数据转换为机电侧所需的相量值形式；

GTAO板卡用于将电磁侧仿真的数据转换为模拟量的形式输出到数据采集卡；

GTAI板卡用于将数据采集卡发送的模拟量的机电侧数据输入到电磁侧；

同步信号模块用于电磁侧向机电侧发送同步时钟信号，保证两侧时间的同步性；

数据采集卡分别与RTLAB和PC机连接，用于采集电磁侧数据并通过转换存入PC机内存，将机电侧的数据通过转换传送给电磁侧；

数据管理与交互模块用于将数据采集卡采集的电磁暂态仿真数据传入PC机，对数据进行操作显示，并与机电暂态仿真模块进行数据交互；

机电暂态仿真模块用于机电暂态仿真，通过应用程序接口与数据管理与交互模块进行数据交互，得到电磁暂态仿真数据，输出机电暂态仿真数据。

进一步，数据采集卡为PCI总线采集卡，与RTLAB通过DB37插座连接，与PC机通过PCI总线连接；

数据采集卡包含数模转换器、模数转换器，FIFO数据缓冲区，采用DMA方式传送数据；

其中，模数转换器用于将电磁侧数据转换为数字量信号采集进来并通过PCI总线存入PC机内存；

数模转换器用于将机电暂态仿真的数据转换为模拟信号，传送给电磁侧。

更进一步，同步信号模块采用GTDO板卡，用于在每个设定的交互步长发送同步脉冲信号，以维持两侧时间的同步性。

用于机电-电磁暂态混合仿真接口系统的Labview软件调用链接库的方法，包括以下步骤：

S1，在Labview软件中调用驱动数据采集卡的链接库启动数据，数据采集卡开始工作；

S2，在Labview软件中调用初始化数据采集卡的链接库，完成采集通道设置、AD量程设置、采样模式设置、触发模式设置、时钟模式设置以及采样频率等一系列参数设置；

S3，在Labview软件中调用查询AD已经转换完毕的数据长度的数据采集卡的链接库，用于查询数据采集卡采样存入FIFO中的数据长度；

S4，在Labview软件中调用读入采样的链接库，用于将FIFO中采样暂存的数据读入到PC机的内存中，Labview软件对读入的数据进行操作显示。

一种用于机电-电磁暂态混合仿真接口系统的时序控制方法，在接口交互时刻取每个机电仿真步长结束时刻，电磁仿真步长为机电仿真步长的整数倍，在交互时刻两侧系统互传数据给对侧；具体步骤如下：

步骤1，在系统正常运行状态时，机电-电磁暂态混合仿真系统采用并行时序进行数据交互；

步骤2,并行时序交互时，一侧计算时另一侧的计算继续进行，在每个规定的数据交互时间点，两侧同时将本侧数据传给对侧，同时接收对侧传来的数据；

步骤3，系统在暂态和动态波动过程时，机电-电磁暂态混合仿真系统采用串行时序进行数据交互；

步骤4，串行时序时，机电侧仿真在进行迭代计算时，电磁侧计算处于停顿状态直到机电侧本步计算完成；

步骤5，通过并行时序与串行时序灵活切换的方式实现机电-电磁暂态混合仿真接口时序。

具体实施时，一种机电-电磁暂态混合仿真接口系统，能够实现机电-电磁暂态混合实时仿真，能够有效解决混合仿真接口系统的数据传输精度与数据转换问题，提高混合仿真的准确性、精确性，拓展了混合仿真的应用领域。

一种机电-电磁暂态混合仿真接口系统，包括RTLAB、数据采集卡、Labview软件、机电暂态软件、PC机。

并且，RTLAB进行电磁暂态仿真，得到机电暂态侧所需的数据信息，RTLAB中包含数据转换模块、同步信号模块、GTAO板卡、GTAI板卡。

并且，数据转换模块具有将机电侧相量数据转换为电磁暂态侧所需的瞬时值形式，也可以将电磁侧瞬时值数据转换为机电侧所需的相量值形式。

并且，同步信号模块用于RTLAB电磁侧向机电侧发送同步时钟信号，保证两者时间的同步性。

并且，GTAO板卡用于将电磁侧仿真的数据转换为模拟量的形式输出到数据采集卡。

并且，GTAI板卡用于将数据采集卡发送的模拟量的机电侧数据输入到RTLAB侧。

并且，数据采集卡含有数模转换器和模数转换器；

而且，数据采集卡与RTLAB侧和PCI总线连接，数据采集卡的模数转换器用于将电磁侧数据转换为数字量信号采集进来并通过PCI总线存入PC机内存；

而且，数据采集卡的数模转换器用于将机电暂态仿真的数据转换为模拟信号，传送给RTLAB电磁侧。

并且，Labview软件用于将上述数据采集卡采集得到的数据传入PC机上，并能对于数据进行操作显示，与机电暂态仿真软件进行数据交互。

并且，机电暂态仿真软件进行机电暂态仿真，通过应用程序接口与Labview进行数据交互，得到电磁暂态仿真数据，输出机电暂态仿真数据。

如图1所示，本实施例机电-电磁暂态混合仿真接口系统在RTLAB中搭建电磁暂态仿真系统，由于RTLAB具有很强大的信号处理能力，因此将数据转换功能和时间同步功能在RTLAB上实现。数据转换模块先将电磁侧传送给机电侧的数据转化为机电侧能够接受的相量形式，转化后的相量数据通过GTAO板卡以模拟量的形式输出到机电仿真侧的PC机上；当机电侧数据通过GTAI板卡以模拟量形式输入到RTLAB侧时，先通过数据转换模块转化为电磁侧能够接受的瞬时值形式，然后传给电磁暂态仿真系统。RTLAB还通过GTDO板卡在每个设定的交互步长发送同步脉冲信号，以维持两侧仿真时间的同步性。

数据采集卡为PCI总线采集卡，与RTLAB通过DB37插座连接，与PC机采用PCI插槽连接到PCI总线上。数据采集含有数模转换器D/A、模数转换器A/D，FIFO数据缓冲区、采用DMA（直接内存存取）方式传送数据。

Labview软件用于管理数据采集，能够将数据采集卡采集来的数据传入PC机，通过使用VC编程编写关于数据采集卡的一些功能，形成相应的链接库，通过链接库的方式，Labview对数据采集卡采样的数据进行操作。具体步骤如下：

步骤一，在Labview中调用驱动数据采集卡的链接库，启动数据采集卡开始工作。

步骤二，在Labview中调用初始化数据采集卡的链接库，完成采集通道设置、AD量程设置、采样模式设置、触发模式设置、时钟模式设置以及采样频率等一系列参数设置。

步骤三，在Labview中调用查询AD已经转换完毕的数据长度的数据采集卡的链接库，用于查询数据采集卡采样存入FIFO中的数据长度。

步骤四，在Labview中调用读入采样的链接库，用于将FIFO中采样暂存的数据读入到PC机的内存中，Labview能够对读入的数据进行操作显示。

Labview与机电暂态仿真软件通过用户程序接口，以DLL（动态链接库文件）形式，进行数据交换。机电暂态仿真软件包含仿真的大部分电网。

如图2所示，为本实施提供的一种用于机电-电磁暂态混合仿真接口系统的时序控制方法。在系统稳态状态下，采用并行时序保证仿真效率，在系统处于暂态、动态波动情况下，采用串行时序保证仿真精度。接口交互时刻取每个机电仿真步长结束时刻，电磁仿真步长为机电仿真步长的整数倍。具体实施步骤如下：

一、并行时序时，T₀时刻是两侧进行数据交互，将本侧数据传给对侧，同时接收对侧的数据，如图2步骤，然后两侧都各自进行，如图2步骤。

二，若在T1时刻，系统没有处于暂态、动态波动状态，则在交互时刻T₁再次进行数据交互，如图2步骤，然后两侧各自进行运算如图2步骤 ；若系统在一下个交互时刻仍然未波动，则在T₂-T₃时间内重复上述过程；

三，若T₂时刻系统发生暂态、动态波动，则交互时序由并行时序变为串行时序。在T₂时刻，机电侧将数据传给电磁侧如图2步骤。电磁侧在T₂-T₃时间段内计算，如图2步骤 ，在T₃时刻将电磁侧数据传给机电侧，电磁侧处于等待状态，如图2步骤，然后机电侧运算一个步长，将机电侧数据传给电磁侧，如图2步骤 ，机电侧处于等待状态。如图2中步骤接下来一直重复步骤三直至暂态、动态波动消除。

四，若在T₄时刻系统变为稳态，则交互时序并行时序变为串行时序。

综上所述，机电-电磁暂态混合仿真接口系统通过数据采集卡采样电磁侧数据，由Labview软件将数据读入PC机，并于PC机上的机电暂态软件进行数据交互完成，实现机电-电磁混合仿真，串并行时序灵活切换的混合时序方法能够提高仿真精度和仿真效率，机电-电磁暂态混合仿真接口系统提高了混合仿真的准确性、动态性能，拓展混合仿真的应用领域。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种机电-电磁暂态混合仿真接口系统，其特征是，包括RTLAB和PC机；RTLAB包含数据转换模块、同步信号模块、GTAO板卡和GTAI板卡；PC机包含数据采集卡、数据管理与交互模块和机电暂态仿真模块；RTLAB与PC机连接；

其中，数据转换模块与RTLAB接口断面相连，用于将机电侧相量数据转换为电磁暂态侧所需的瞬时值形式，将电磁侧瞬时值数据转换为机电侧所需的相量值形式；

GTAO板卡用于将电磁侧仿真的数据转换为模拟量的形式输出到数据采集卡；

GTAI板卡用于将数据采集卡发送的模拟量的机电侧数据输入到电磁侧；

同步信号模块用于电磁侧向机电侧发送同步时钟信号，保证两侧时间的同步性；

数据采集卡分别与RTLAB和PC机连接，用于采集电磁侧数据并通过转换存入PC机内存，将机电侧的数据通过转换传送给电磁侧；

数据管理与交互模块用于将数据采集卡采集的电磁暂态仿真数据传入PC机，对数据进行操作显示，并与机电暂态仿真模块进行数据交互；

机电暂态仿真模块用于机电暂态仿真，通过应用程序接口与数据管理与交互模块进行数据交互，得到电磁暂态仿真数据，输出机电暂态仿真数据。

2.如权利要求1所述的机电-电磁暂态混合仿真接口系统，其特征是，数据采集卡为PCI总线采集卡，与RTLAB通过DB37插座连接，与PC机通过PCI总线连接；

数据采集卡包含数模转换器、模数转换器，FIFO数据缓冲区，采用DMA方式传送数据；

其中，模数转换器用于将电磁侧数据转换为数字量信号采集进来并通过PCI总线存入PC机内存；

数模转换器用于将机电暂态仿真的数据转换为模拟信号，传送给电磁侧。

3.如权利要求1所述的机电-电磁暂态混合仿真接口系统，其特征是，同步信号模块采用GTDO板卡，用于在每个设定的交互步长发送同步脉冲信号，以维持两侧时间的同步性。

4.用于机电-电磁暂态混合仿真接口系统的Labview软件调用链接库的方法，其特征是，包括以下步骤：

S1，在Labview软件中调用驱动数据采集卡的链接库启动数据，数据采集卡开始工作；

S2，在Labview软件中调用初始化数据采集卡的链接库，完成采集通道设置、AD量程设置、采样模式设置、触发模式设置、时钟模式设置以及采样频率等一系列参数设置；

S3，在Labview软件中调用查询AD已经转换完毕的数据长度的数据采集卡的链接库，用于查询数据采集卡采样存入FIFO中的数据长度；

S4，在Labview软件中调用读入采样的链接库，用于将FIFO中采样暂存的数据读入到PC机的内存中，Labview软件对读入的数据进行操作显示。

5.一种用于机电-电磁暂态混合仿真接口系统的时序控制方法，其特征是，在接口交互时刻取每个机电仿真步长结束时刻，电磁仿真步长为机电仿真步长的整数倍，在交互时刻两侧系统互传数据给对侧；具体步骤如下：

步骤1，在系统正常运行状态时，机电-电磁暂态混合仿真系统采用并行时序进行数据交互；

步骤2,并行时序交互时，一侧计算时另一侧的计算继续进行，在每个规定的数据交互时间点，两侧同时将本侧数据传给对侧，同时接收对侧传来的数据；

步骤3，系统在暂态和动态波动过程时，机电-电磁暂态混合仿真系统采用串行时序进行数据交互；

步骤4，串行时序时，机电侧仿真在进行迭代计算时，电磁侧计算处于停顿状态直到机电侧本步计算完成；

步骤5，通过并行时序与串行时序灵活切换的方式实现机电-电磁暂态混合仿真接口时序。