CN110502818B - 一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法 - Google Patents

一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法，涉及功率型数模混合实时仿真技术领域，通过建立数字仿真子系统、物理仿真子系统和功率接口的频域数学模型，计算待仿真的原系统输出响应和多功率接口数模混合仿真系统输出响应，对比多功率接口数模混合仿真系统输出与待仿真原系统输出得到相对误差矩阵，以此评估多功率接口数模混合仿真系统的准确性，解决了当前缺乏针对多功率接口数模混合仿真系统进行准确性评估的问题。通过本发明方法通过事先进行准确性评估，为多功率接口数模混合仿真系统的设计建设以及改进优化提供参考依据。

Description

一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法
技术领域
本发明涉及功率型数模混合实时仿真技术领域，尤其涉及一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法。
背景技术
尽管数模混合仿真技术受到了广泛的关注和研究，并且许多功率型数模混合仿真系统都已成功搭建和运行，但这些系统通常只包含一个功率接口，这就使得其应用场合受到诸多限制，只能将待仿真的原系统在一个节点处或通过一处解耦元件进行解耦，分成一个数字仿真子系统和一个物理仿真子系统。而多功率接口数模混合仿真系统则能够选取多个系统解耦节点，通过多个功率接口进行信号和功率交互，将原系统分解成多个数字和物理仿真子系统，分别进行数字仿真和物理模拟，可以更好地适应电力系统规模不断壮大、联系更加紧密、运行方式复杂多变的发展趋势。
准确性是衡量数模混合仿真结果精确程度和可信程度的重要指标，体现着数模混合仿真系统再现原系统运行结果的能力。如果仿真结果的准确性无法得到保障，那么数模混合仿真则显得毫无意义。由于实际接口设备存在延时、带宽、干扰等因素的影响，在信号交互过程中也会引入畸变、噪声等，这都会对数模混合仿真结果的准确性产生影响。因此，对数模混合仿真系统的准确性进行分析也显得尤为重要。
数模混合仿真准确性评估方法多种多样，基本思路都是将混合仿真结果与实际运行结果进行对比，对两者间的误差进行建模分析计算，得到描述仿真结果与实际结果相似程度的评估指标，从而反映数模混合仿真系统的准确性。现有的准确性评估方法基本上是在单功率接口数模混合仿真系统建模分析的基础上得到的，并不适用于多功率接口数模混合仿真系统的情况，因此有必要针对多功率接口数模混合仿真系统进行深入的理论分析并设计出相对应的准确性评估方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法，从而解决了现有准确性评估方法基本上是在单功率接口数模混合仿真系统建模分析的基础上得到的，不适用于多功率接口数模混合仿真系统的情况的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法，包括以下步骤：
步骤1、分别建立数字仿真子系统和物理仿真子系统的频域数学模型；
步骤2、建立功率接口的频域数学模型；
步骤3、根据所述步骤1和步骤2分别计算待仿真的原系统输出响应和多功率接口数模混合仿真系统输出响应；
步骤4、根据所述步骤3确定多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵；
步骤5、根据所述相对误差矩阵评估多功率接口数模混合仿真系统的准确性。
进一步的，所述多功率接口数模混合仿真系统包括多个数字仿真子系统、多个物理仿真子系统以及多个功率接口。
进一步的，所述步骤1中，所述数字仿真子系统等效成含源多端口系统，对所述数字仿真子系统的频域数学模型表示为：
Xd(s)-D(s)Id(s)＝Ud(s) (1)
式(1)中，Xd(s)为数字仿真子系统的等效电压源列向量，D(s)为数字仿真子系统的等效阻抗矩阵，Id(s)为数字侧接口电流列向量，Ud(s)为数字侧接口电压列向量；
物理仿真子系统等效成含源多端口系统，所述物理仿真子系统的频域数学模型表示为：
P(s)[Up(s)-Xp(s)]＝Ip(s) (2)
式(2)中，P(s)为物理仿真子系统的等效导纳矩阵，Up(s)为物理侧接口电压列向量，Xp(s)为物理仿真子系统的等效电压源列向量，Ip(s)为物理侧接口电流列向量。
进一步的，所述步骤2中，所述功率接口采用理想变压器模型法对待仿真的电力系统进行解耦，分为数字侧接口和物理侧接口，所述数字侧接口等效成受控电流源，所述物理侧接口等效成受控电压源，功率接口包括前向通道和反馈通道，所述功率接口的频域数学模型可以表示为：
Up(s)＝F(s)Ud(s)
Id(s)＝B(s)Ip(s) (3)
式(3)中，F(s)为表示前向通道特性的矩阵，B(s)为表示反馈通道特性的矩阵。
进一步的，所述步骤3中，所述待仿真的电力系统输出Y(s)＝Up(s)，由于所述待仿真的电力系统不存在功率接口，即有F(s)＝B(s)＝1，所述待仿真的电力系统的输出响应为：
Figure BDA0002165370420000031
式(4)中，I为单位矩阵，D为数字仿真子系统的等效阻抗矩阵，P为物理仿真子系统的等效导纳矩阵，Xd为数字仿真子系统的等效电压源列向量，Xp为物理仿真子系统的等效电压源列向量，G1＝(I+DP)-1，G2＝(I+DP)-1DP；
所述多功率接口数模混合仿真系统的输出响应为：
Figure BDA0002165370420000032
式(5)中，ΔY为多功率接口数模混合仿真系统与原系统输出的绝对误差，F为表示前向通道特性的矩阵，B为表示反馈通道特性的矩阵，G3＝(I+FDBP)-1F，G4＝(I+FDBP)- 1FDBP。
进一步的，所述步骤4具体包括：
将多功率接口数模混合仿真系统的输出与待仿真原系统的输出相减得：
ΔY＝(G3-G1)Xd+(G4-G2)Xp (6)
当物理仿真子系统为无源系统，即Xp＝0时，对应输入Xd的待仿真电力系统与多功率接口数模混合仿真系统输出的相对误差矩阵E1为：
E1＝(G3-G1)/G1 (7)
式(7)中，运算符“/”表示矩阵对应元素相除。当数字仿真子系统为无源系统，即Xd＝0时，对应输入Xp的待仿真电力系统与多功率接口数模混合仿真系统输出的相对误差矩阵E2为：
E2＝(G4-G2)/G2 (8)
进一步的，所述步骤5具体包括：所述多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵中各元素为通过传递函数描述的各个功率接口的输出的相对误差，令s＝jω，得到各个功率相应的误差的幅频特性和相频特性；将具体频率带入ω得到各功率接口输出的对应频率波形的幅值误差和相位误差，幅值误差或相位误差越小数模混合仿真系统的准确性越高。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所提供一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法，通过建立数字仿真子系统、物理仿真子系统和功率接口的频域数学模型，计算待仿真的原系统输出响应和多功率接口数模混合仿真系统输出响应，对比多功率接口数模混合仿真系统输出与待仿真原系统输出得到相对误差矩阵，以此评估多功率接口数模混合仿真系统的准确性，解决了当前缺乏针对多功率接口数模混合仿真系统进行准确性评估的问题。通过本发明方法通过事先进行准确性评估，为多功率接口数模混合仿真系统的设计建设以及改进优化提供参考依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明多功率接口数模混合仿真系统的结构原理图；
图2是本发明多功率接口数模混合仿真系统的传递函数框图；
图3是本发明一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的一种多功率接口数模混合仿真系统的结构原理图；
图5是本发明实施例提供的一种多功率接口数模混合仿真系统的相对误差的幅频特性的曲线图；
图6是本发明实施例提供的一种多功率接口数模混合仿真系统的相对误差的相频特性的曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1为多功率接口数模混合仿真系统的结构原理图。多功率接口数模混合仿真系统包括若干个数字仿真子系统、若干个物理仿真子系统以及多个功率接口，数字仿真子系统通过多个功率接口与物理仿真子系统相连接。
如图3所示，本发明所提供的多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法包括以下步骤：
步骤1、分别建立数字仿真子系统和物理仿真子系统的频域数学模型。
数字仿真子系统等效成含源多端口系统，对应的频域数学模型表示为：
Xd(s)-D(s)Id(s)＝Ud(s) (1)
式(1)中，Xd(s)为数字仿真子系统的等效电压源列向量，D(s)为数字仿真子系统的等效阻抗矩阵，Id(s)为数字侧接口电流列向量，Ud(s)为数字侧接口电压列向量。
物理仿真子系统等效成含源多端口系统，对应的频域数学模型表示为：
P(s)[Up(s)-Xp(s)]＝Ip(s) (2)
式(2)中，P(s)为物理仿真子系统的等效导纳矩阵，Up(s)为物理侧接口电压列向量，Xp(s)为物理仿真子系统的等效电压源列向量，Ip(s)为物理侧接口电流列向量。
步骤2、建立功率接口的频域数学模型。
具体的，各功率接口都采用理想变压器模型法对待仿真的电力系统进行解耦，分为数字侧接口和物理侧接口，数字侧接口等效成受控电流源，物理侧接口等效成受控电压源，功率接口包括前向通道和反馈通道，功率接口的频域数学模型表示为：
Up(s)＝F(s)Ud(s)
Id(s)＝B(s)Ip(s) (3)
式(3)中，F(s)为表示前向通道特性的矩阵，B(s)为表示反馈通道特性的矩阵。
待仿真的电力系统可以是实际电力系统也可以是数字仿真软件中搭建的系统模型，而多功率接口数模混合仿真系统是将实际动模设备与数字仿真平台组合构成的仿真系统。两个系统区分的标准是待仿真的电力系统只采用全物理仿真或纯数字仿真，而多功率接口数模混合仿真系统同时包含物理仿真和数字仿真。
步骤3、分别计算待仿真的电力系统输出响应和多功率接口数模混合仿真系统的输出响应。如图2所示，图2为多功率接口数模混合仿真系统的传递函数框图。
定义待仿真的电力系统输出Y(s)＝Up(s)，由于不存在功率接口，即有F(s)＝B(s)＝1，所以待仿真的电力系统的输出响应为：
Figure BDA0002165370420000071
式(4)中，I为单位矩阵，D为数字仿真子系统的等效阻抗矩阵，P为物理仿真子系统的等效导纳矩阵，Xd为数字仿真子系统的等效电压源列向量，Xp为物理仿真子系统的等效电压源列向量，G1＝(I+DP)-1，G2＝(I+DP)-1DP。
多功率接口数模混合仿真系统相当于在待仿真电力系统的基础上引入接口，而引入接口相当于增加了传递函数F(s)和B(s)，所以多功率接口数模混合仿真系统的输出响应为：
Figure BDA0002165370420000072
式(5)中，ΔY为多功率接口数模混合仿真系统与原系统输出的绝对误差，F为表示前向通道特性的矩阵，B为表示反馈通道特性的矩阵，G3＝(I+FDBP)-1F，G4＝(I+FDBP)- 1FDBP。
步骤4：确定多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵。
具体的，将多功率接口数模混合仿真系统的输出响应的式(5)与待仿真原系统的输出响应的式(4)相减得：
ΔY＝(G3-G1)Xd+(G4-G2)Xp (6)
当物理仿真子系统为无源系统，即Xp＝0时有，对应输入Xd的待仿真电力系统与多功率接口数模混合仿真系统输出的相对误差矩阵E1为：
E1＝(G3-G1)/G1 (7)
式(7)中，运算符“/”表示矩阵对应元素相除。当数字仿真子系统为无源系统，即Xd＝0时有，对应输入Xp的待仿真电力系统与多功率接口数模混合仿真系统输出的相对误差矩阵E2为：
E2＝(G4-G2)/G2 (8)
步骤5：根据多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵评估多功率接口数模混合仿真系统的准确性。
具体的，多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵中各元素对应为用传递函数描述的各个功率接口输出的相对误差，令s＝jω，得到相对误差的幅频特性和相频特性，误差的幅频特性是数模混合仿真输出波形相较于待仿真电力系统输出标准波形的幅值误差随频率的变化曲线，误差的相频特性是数模混合仿真输出波形相较于待仿真电力系统输出标准波形的相位误差随频率的变化曲线；对应各功率接口输出波形的幅值误差与相位误差随频率的变化情况，通过将具体频率带入ω得到各功率接口输出的对应频率波形的幅值误差和相位误差，幅值误差或相位误差的越小数模混合仿真系统的准确性越高。
对本发明多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法的实施例进行详细说明，以使本领域技术人员更了解本发明：
如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种多功率接口数模混合仿真系统的结构原理图，多功率接口数模混合仿真系统中各参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002165370420000081
将上述参数根据多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法计算得到：
Figure BDA0002165370420000091
Figure BDA0002165370420000092
两个功率接口特性相同，均采用二阶低通环节进行等效，转折频率取24400π，阻尼比取0.61，前向通道和反馈通道的延时均为50μs，则有：
Figure BDA0002165370420000093
Figure BDA0002165370420000094
根据上述三式可以计算得到相对误差矩阵。选取相对误差矩阵中与第二个功率接口相对应的传递函数，得到幅频特性和相频特性如图5和图6所示，可以看到幅值误差和相位误差随频率的变化情况。
综上，本发明一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法，通过对整个多功率接口数模混合仿真系统建立频域数学模型进行分析，最终多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵，通过对多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵分析得到描述各个功率接口输出结果准确性的结果，计算简便，易于实现。所得准确性评估结果能够反映混合仿真波形相较于实际运行波形的幅值误差和相位误差随频率的变化情况，也可以计算得到给定频率处的误差情况，满足多功率接口数模混合仿真系统准确性评估的需求。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、分别建立数字仿真子系统和物理仿真子系统的频域数学模型；
所述步骤1中，所述数字仿真子系统等效成含源多端口系统，对所述数字仿真子系统的频域数学模型表示为：
Xd(s)-D(s)Id(s)＝Ud(s) (1)
式(1)中，Xd(s)为数字仿真子系统的等效电压源列向量，D(s)为数字仿真子系统的等效阻抗矩阵，Id(s)为数字侧接口电流列向量，Ud(s)为数字侧接口电压列向量；
物理仿真子系统等效成含源多端口系统，所述物理仿真子系统的频域数学模型表示为：
P(s)[Up(s)-Xp(s)]＝Ip(s) (2)
式(2)中，P(s)为物理仿真子系统的等效导纳矩阵，Up(s)为物理侧接口电压列向量，Xp(s)为物理仿真子系统的等效电压源列向量，Ip(s)为物理侧接口电流列向量；
步骤2、建立功率接口的频域数学模型；
所述步骤2中，所述功率接口采用理想变压器模型法对待仿真的电力系统进行解耦，分为数字侧接口和物理侧接口，所述数字侧接口等效成受控电流源，所述物理侧接口等效成受控电压源，功率接口包括前向通道和反馈通道，所述功率接口的频域数学模型表示为：
Up(s)＝F(s)Ud(s)
Id(s)＝B(s)Ip(s) (3)
式(3)中，F(s)为表示前向通道特性的矩阵，B(s)为表示反馈通道特性的矩阵；
步骤3、根据所述步骤1和步骤2分别计算待仿真的原系统输出响应和多功率接口数模混合仿真系统输出响应；
所述步骤3中，所述待仿真的电力系统输出Y(s)＝Up(s)，由于所述待仿真的电力系统不存在功率接口，即有F(s)＝B(s)＝1，所述待仿真的电力系统的输出响应为：
Figure FDA0003638007400000021
式(4)中，I为单位矩阵，D为数字仿真子系统的等效阻抗矩阵，P为物理仿真子系统的等效导纳矩阵，Xd为数字仿真子系统的等效电压源列向量，Xp为物理仿真子系统的等效电压源列向量，G1＝(I+DP)-1，G2＝(I+DP)-1DP；
所述多功率接口数模混合仿真系统的输出响应为：
Figure FDA0003638007400000022
式(5)中，ΔY为多功率接口数模混合仿真系统与原系统输出的绝对误差，F为表示前向通道特性的矩阵，B为表示反馈通道特性的矩阵，G3＝(I+FDBP)-1F，G4＝(I+FDBP)-1FDBP；
步骤4、根据所述步骤3确定多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵；
所述步骤4具体包括：
将多功率接口数模混合仿真系统的输出与待仿真原系统的输出相减得：
ΔY＝(G3-G1)Xd+(G4-G2)Xp (6)
当物理仿真子系统为无源系统，即Xp＝0时，对应输入Xd的待仿真电力系统与多功率接口数模混合仿真系统输出的相对误差矩阵E1为：
E1＝(G3-G1)/G1 (7)
式(7)中，运算符“/”表示矩阵对应元素相除，当数字仿真子系统为无源系统，即Xd＝0时，对应输入Xp的待仿真电力系统与多功率接口数模混合仿真系统输出的相对误差矩阵E2为：
E2＝(G4-G2)/G2 (8)；
步骤5、根据所述相对误差矩阵评估多功率接口数模混合仿真系统的准确性；
所述步骤5具体包括：所述多功率接口数模混合仿真系统的相对误差矩阵中各元素为通过传递函数描述的各个功率接口的输出的相对误差，令s＝jω，得到各个功率相应的误差的幅频特性和相频特性；将具体频率带入ω得到各功率接口输出的对应频率波形的幅值误差和相位误差，幅值误差或相位误差越小数模混合仿真系统的准确性越高。
2.根据权利要求1所述的多功率接口数模混合仿真系统准确性评估方法，其特征在于：所述多功率接口数模混合仿真系统包括多个数字仿真子系统、多个物理仿真子系统以及多个功率接口。
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