CN113343493A - 用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法及系统 - Google Patents

用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法及系统 Download PDF

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CN113343493A CN202110740237.3A CN202110740237A CN113343493A CN 113343493 A CN113343493 A CN 113343493A CN 202110740237 A CN202110740237 A CN 202110740237A CN 113343493 A CN113343493 A CN 113343493A
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Abstract

本发明提供了一种用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法及系统，包括：将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量；将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源，通过将转换后的信号量作为受控源的输入，将受控源的输出与仿真系统的电气模块相连，从而实现信号量和电气量的连接。本方法可以解决仿真系统中电气模块和信号模块这两类本质不同的模块之间的信号流动问题，将信号模块等效为相应的受控源实现与电气模块的耦合，为解决信号量与电气量的耦合问题提供了思路与方法，为使用者自行搭建的信号模块与仿真系统中原有电气模块的耦合提供便利。

Description

用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法及系统
技术领域
本发明涉及电气技术领域，尤其涉及一种用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法及系统。
背景技术
仿真系统中的信号模块和电气模块两者本质上有很大的区别，同时使用两类模块时，必然会存在两类模块之间的信号流动，信号模块中的量是信号量，而电气模块中的量是电气量，两者之间不能直接连接。仿真软件中有相应的初始化模块可以在仿真初始化阶段，将电气模块中的参数转化为信号模块可以仿真的等效参数，使得两者耦合。然而，该初始化过程以及该初始化模块大多封装在对应的模块中，对用户来说是屏蔽的。当用户自行搭建信号模块时，无法直接利用该初始化模块与电气模块进行耦合，造成了信号模块与电气模块之间的不耦合。
因此，找到一种解决仿真系统中信号量和电气量耦合问题的方法有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法及系统，以解决现有技术问题中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明的一方面提供一种用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法，包括：
将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量；
将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源，通过将转换后的信号量作为受控源的输入，将受控源的输出与仿真系统的电气模块相连，从而实现信号量和电气量的连接。
优选地，将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量包括：
对电气模块中的电气量进行测量，得到信号量，信号量与电气量满足下式(1)：
y＝kY (1)
其中，y为测量得到的信号量，Y为电气模块的电气量，k为测量系数。
优选地，将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源，包括：根据下式(2)进行等效：
Figure BDA0003141155830000021
其中，X是受控电压源输出电压U和受控电流源输出电流I构成的向量，x是受控源控制电压u和控制电流i构成的向量，Z是转换系数矩阵，a1、a2、a3和a4是转换系数，转换系数的值由转换系数表查表得到。
优选地，将转换后的信号量作为受控源的输入，将受控源的输出与仿真系统的电气模块相连，包括：
信号模块的状态方程为下式(3)所示：
Figure BDA0003141155830000022
电气模块的状态方程为下式(4)所示：
Figure BDA0003141155830000023
其中，x为信号模块的状态矩阵及输出信号量，y为信号模块的输入信号量；Y为电气模块的状态矩阵及输出电气量，X为电气模块的输入电气量，A、B、C、D表示系数矩阵；
式(3)的输入量和输出量分别为式(4)的输出量和输入量，式(4)的输入量和输出量分别为式(3)的输出量和输入量；
根据式(1)-(4)得到下式(5)，进而实现了信号模块中信号量与电气模块中电气量的耦合：
Figure BDA0003141155830000031
其中，转换系数矩阵Z中各转换系数的值由转换系数表查表得到。
优选地，转换系数表如下表1所示：
表1转换系数表
Figure BDA0003141155830000032
其中，μ是转移电压比；r是转移电阻；g是转移电导；a是转移电流比。VCVS为电压控制电压源，CCVS为电流控制电压源，VCCS为电压控制电流源，CCCS为电流控制电流源；受控源的类型由信号模块输出的信号量x以及电气模块所需的输入电气量X决定，可由受控源类型表查表得到，受控源类型表如下表2所示：
表2受控源类型表
Figure BDA0003141155830000033
本发明的另一方面提供了一种用于仿真系统信号量和电气量耦合的系统，包括：电气-信号转换模块和信号-电气转换模块；
电气-信号转换模块用于将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量；
信号-电气转换模块用于将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源；
信号-电气转换模块使信号模块中的信号量转换为相应受控源输出的电气量，将其送入仿真系统的电气模块；电气-信号转换模块将电气模块中的电气量转换为信号量反馈到仿真系统的信号模块，进而实现信号模块和电气模块的耦合，从而实现信号量和电气量的连接。
优选地，电气-信号转换模块用于将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量，包括：
对电气模块中的电气量进行测量，得到信号量，信号量与电气量满足下式(6)：
y＝kY (6)
其中，y为测量得到的信号量，Y为电气模块的电气量，k为测量系数；
测量模块的选择方法如下：
当信号模块所需信号量y为电压量时采用电压测量模块；
当信号模块所需信号量y为电流量时采用电流测量模块；
当信号模块所需信号量y为其他信号量时采用相应的测量模块。
优选地，信号-电气转换模块用于将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源包括：根据下式(7)进行等效：
Figure BDA0003141155830000041
其中，X是受控电压源输出电压U和受控电流源输出电流I构成的向量，x是受控源控制电压u和控制电流i构成的向量，Z是转换系数矩阵，a1、a2、a3和a4是转换系数，转换系数的值由转换系数表查表得到。
优选地，信号-电气转换模块使信号模块中的信号量转换为相应受控源输出的电气量，将其送入仿真系统的电气模块；电气-信号转换模块将电气模块中的电气量转换为信号量反馈到仿真系统的信号模块，进而实现信号模块和电气模块的耦合，具体包括：信号模块的状态方程为下式(8)所示：
Figure BDA0003141155830000051
电气模块的状态方程为下式(9)所示：
Figure BDA0003141155830000052
其中，x为信号模块的状态矩阵及输出信号量，y为信号模块的输入信号量；Y为电气模块的状态矩阵及输出电气量，X为电气模块的输入电气量，A、B、C、D表示系数矩阵；
式(8)的输入量和输出量分别为式(9)的输出量和输入量，式(9)的输入量和输出量分别为式(8)的输出量和输入量；
根据式(6)-(9)得到下式(10)，进而实现了信号模块中信号量与电气模块中电气量的耦合：
Figure BDA0003141155830000053
其中，转换系数矩阵Z中各转换系数的值由转换系数表查表得到。
优选地，转换系数表如下表3所示：
表3转换系数表
Figure BDA0003141155830000054
其中，μ是转移电压比；r是转移电阻；g是转移电导；a是转移电流比。VCVS为电压控制电压源，CCVS为电流控制电压源，VCCS为电压控制电流源，CCCS为电流控制电流源；受控源的类型由信号模块输出的信号量x以及电气模块所需的输入电气量X决定，可由受控源类型表查表得到，受控源类型表如下表4所示：
表4受控源类型表
Figure BDA0003141155830000061
由上述本发明的用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法及系统提供的技术方案可以看出，本发明解决了仿真系统中电气模块和信号模块这两类本质不同的模块之间的信号流动问题，将信号模块等效为相应的受控源实现与电气模块的耦合，为解决信号量与电气量的耦合问题提供了思路与方法，为使用者自行搭建的信号模块与仿真系统中原有电气模块的耦合提供便利。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为实施例二提供的用于仿真系统信号量和电气量耦合的系统示意图；
图2是电气-信号转换模块示意图；
图3是信号-电气转换模块示意图；
图4是双轴励磁发电机及其单机无穷大系统的模型示意图；
图5是系统高压侧发生突然三相短路故障时双轴励磁发电机的转速波形示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
一种用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法，包括：
将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量，包括：
1)对电气模块中的电气量进行测量，得到信号量，信号量与电气量满足下式(1)：
y＝kY (1)
其中，y为测量得到的信号量，Y为电气模块的电气量，k为测量系数，一般，k＝1。
2)将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源，包括：根据下式(2)进行等效：
Figure BDA0003141155830000081
其中，X是受控电压源输出电压U和受控电流源输出电流I构成的向量，x是受控源控制电压u和控制电流i构成的向量，Z是转换系数矩阵，a1、a2、a3和a4是转换系数，转换系数的值由转换系数表查表得到。
通过将转换后的信号量作为受控源的输入，将受控源的输出与仿真系统的电气模块相连，从而实现信号量和电气量的连接，包括：
信号模块的状态方程为下式(3)所示：
Figure BDA0003141155830000082
电气模块的状态方程为下式(4)所示：
Figure BDA0003141155830000083
其中，x为信号模块的状态矩阵及输出信号量，y为信号模块的输入信号量；Y为电气模块的状态矩阵及输出电气量，X为电气模块的输入电气量，A、B、C、D表示系数矩阵。
式(3)的输入量和输出量分别为式(4)的输出量和输入量，式(4)的输入量和输出量分别为式(3)的输出量和输入量。大写字母表示电气量，小写字母表示信号量，因此，式(3)和(4)并不能直接耦合。
根据式(1)-(4)得到下式(5)，进而实现了信号模块中信号量与电气模块中电气量的耦合：
Figure BDA0003141155830000091
其中，转换系数矩阵Z中各转换系数的值由转换系数表查表得到。
转换系数表如下表1所示：
表1转换系数表
Figure BDA0003141155830000092
其中，μ是转移电压比；r是转移电阻；g是转移电导；a是转移电流比。VCVS为电压控制电压源，CCVS为电流控制电压源，VCCS为电压控制电流源，CCCS为电流控制电流源；受控源的类型由信号模块输出的信号量x以及电气模块所需的输入电气量X决定，可由受控源类型表查表得到，受控源类型表如下表2所示：
表2受控源类型表
Figure BDA0003141155830000093
Figure BDA0003141155830000101
实施例二
图1为本实施例提供的用于仿真系统信号量和电气量耦合的系统示意图，参照图1，该系统包括：电气-信号转换模块和信号-电气转换模块。
电气-信号转换模块用于将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量，包括：
对电气模块中的电气量进行测量，得到信号量，信号量与电气量满足下式(1)：
y＝kY (1)
其中，y为测量得到的信号量，Y为电气模块的电气量，k为测量系数。一般，k＝1。
如图2所示，可直接利用仿真系统中的测量模块。测量模块的选择方法如下：
当信号模块所需信号量y为电压量时采用电压测量模块；
当信号模块所需信号量y为电流量时采用电流测量模块；
当信号模块所需信号量y为其他信号量时采用相应的测量模块。信号-电气转换模块用于将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源，包括：根据下式(2)进行等效：
Figure BDA0003141155830000102
其中，X是受控电压源输出电压U和受控电流源输出电流I构成的向量，x是受控源控制电压u和控制电流i构成的向量，Z是转换系数矩阵，a1、a2、a3和a4是转换系数，转换系数的值由转换系数表查表得到。转换系数表如下表1所示：
表1转换系数表
Figure BDA0003141155830000111
其中，μ是转移电压比；r是转移电阻；g是转移电导；a是转移电流比。VCVS为电压控制电压源，CCVS为电流控制电压源，VCCS为电压控制电流源，CCCS为电流控制电流源；受控源的类型由信号模块输出的信号量x以及电气模块所需的输入电气量X决定，可由受控源类型表查表得到，受控源类型表如下表2所示：
表2受控源类型表
Figure BDA0003141155830000112
如图3所示，可直接利用仿真系统中的受控源，将信号模块中的信号量作为控制信号输入到受控源的控制端，通过控制端的控制信号对受控源的输出进行控制，则受控源输出量的大小可以反映控制信号的大小，进而将信号模块转换为等效的受控源。该等效受控源的输出量为电气量，将其送入电气模块。
电气-信号转换模块将电气模块中的电气量转换为信号量反馈到仿真系统的信号模块，进而实现信号模块和电气模块的耦合，从而实现信号量和电气量的连接。具体包括：信号模块的状态方程为下式(3)所示：
Figure BDA0003141155830000121
电气模块的状态方程为下式(4)所示：
Figure BDA0003141155830000122
其中，x为信号模块的状态矩阵及输出信号量，y为信号模块的输入信号量；Y为电气模块的状态矩阵及输出电气量，X为电气模块的输入电气量，A、B、C、D表示系数矩阵；
式(3)的输入量和输出量分别为式(4)的输出量和输入量，式(4)的输入量和输出量分别为式(3)的输出量和输入量；
根据式(1)-(4)得到下式(5)，进而实现了信号模块中信号量与电气模块中电气量的耦合：
Figure BDA0003141155830000123
其中，转换系数矩阵Z中各转换系数的值由转换系数表查表1得到。
以利用微分方程搭建的双轴励磁发电机及利用仿真系统中原有电气模块搭建的无穷大系统为例，对本发明进行验证。利用微分方程搭建的双轴励磁发电机为信号模块，利用仿真系统中原有电气模块搭建的无穷大系统为电气模块，两者之间无法之间相连，利用本发明所涉及耦合方法与耦合模型，将双轴励磁发电机该信号模块等效为受控电流源，从而与无穷大系统进行耦合即可形成双轴励磁发电机及其单机无穷大系统的仿真模型，如图4所示。以双轴励磁发电机及其单机无穷大系统的高压侧发生突然三相短路故障为例，对本发明进行验证。图5是得到的双轴励磁发电机的转速波形，可以看到在故障切除后，系统逐渐恢复到稳定，运行结果正确，验证了该耦合方法及耦合模型的正确性。
本领域技术人员应能理解上述输入框的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的输入框应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于仿真系统信号量和电气量耦合的方法，其特征在于，包括：
将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量；
将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源，通过将转换后的信号量作为受控源的输入，将受控源的输出与仿真系统的电气模块相连，从而实现信号量和电气量的连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量包括：
对电气模块中的电气量进行测量，得到信号量，信号量与电气量满足下式(1)：
y＝kY (1)
其中，y为测量得到的信号量，Y为电气模块的电气量，k为测量系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源，包括：根据下式(2)进行等效：
Figure FDA0003141155820000011
其中，X是受控电压源输出电压U和受控电流源输出电流I构成的向量，x是受控源控制电压u和控制电流i构成的向量，Z是转换系数矩阵，a1、a2、a3和a4是转换系数，转换系数的值由转换系数表查表得到。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将转换后的信号量作为受控源的输入，将受控源的输出与仿真系统的电气模块相连，包括：
信号模块的状态方程为下式(3)所示：
Figure FDA0003141155820000012
电气模块的状态方程为下式(4)所示：
Figure FDA0003141155820000021
其中，x为信号模块的状态矩阵及输出信号量，y为信号模块的输入信号量；Y为电气模块的状态矩阵及输出电气量，X为电气模块的输入电气量，A、B、C、D表示系数矩阵；
式(3)的输入量和输出量分别为式(4)的输出量和输入量，式(4)的输入量和输出量分别为式(3)的输出量和输入量；
根据式(1)-(4)得到下式(5)，进而实现了信号模块中信号量与电气模块中电气量的耦合：
Figure FDA0003141155820000022
其中，转换系数矩阵Z中各转换系数的值由转换系数表查表得到。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述转换系数表如下表1所示：
表1转换系数表
Figure FDA0003141155820000023
其中，μ是转移电压比；r是转移电阻；g是转移电导；a是转移电流比。VCVS为电压控制电压源，CCVS为电流控制电压源，VCCS为电压控制电流源，CCCS为电流控制电流源；受控源的类型由信号模块输出的信号量x以及电气模块所需的输入电气量X决定，可由受控源类型表查表得到，受控源类型表如下表2所示：
表2受控源类型表
Figure FDA0003141155820000031
6.一种用于仿真系统信号量和电气量耦合的系统，其特征在于，包括：电气-信号转换模块和信号-电气转换模块；
电气-信号转换模块用于将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量；
信号-电气转换模块用于将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源；
信号-电气转换模块使信号模块中的信号量转换为相应受控源输出的电气量，将其送入仿真系统的电气模块；电气-信号转换模块将电气模块中的电气量转换为信号量反馈到仿真系统的信号模块，进而实现信号模块和电气模块的耦合，从而实现信号量和电气量的连接。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电气-信号转换模块用于将仿真系统的电气模块中电气量转换为信号量，包括：
对电气模块中的电气量进行测量，得到信号量，信号量与电气量满足下式(6)：
y＝kY (6)
其中，y为测量得到的信号量，Y为电气模块的电气量，k为测量系数；
测量模块的选择方法如下：
当信号模块所需信号量y为电压量时采用电压测量模块；
当信号模块所需信号量y为电流量时采用电流测量模块；
当信号模块所需信号量y为其他信号量时采用相应的测量模块。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述信号-电气转换模块用于将仿真系统的信号模块等效为对应的受控源包括：根据下式(7)进行等效：
Figure FDA0003141155820000041
其中，X是受控电压源输出电压U和受控电流源输出电流I构成的向量，x是受控源控制电压u和控制电流i构成的向量，Z是转换系数矩阵，a1、a2、a3和a4是转换系数，转换系数的值由转换系数表查表得到。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述信号-电气转换模块使信号模块中的信号量转换为相应受控源输出的电气量，将其送入仿真系统的电气模块；电气-信号转换模块将电气模块中的电气量转换为信号量反馈到仿真系统的信号模块，进而实现信号模块和电气模块的耦合，具体包括：信号模块的状态方程为下式(8)所示：
Figure FDA0003141155820000042
电气模块的状态方程为下式(9)所示：
Figure FDA0003141155820000043
其中，x为信号模块的状态矩阵及输出信号量，y为信号模块的输入信号量；Y为电气模块的状态矩阵及输出电气量，X为电气模块的输入电气量，A、B、C、D表示系数矩阵；
式(8)的输入量和输出量分别为式(9)的输出量和输入量，式(9)的输入量和输出量分别为式(8)的输出量和输入量；
根据式(6)-(9)得到下式(10)，进而实现了信号模块中信号量与电气模块中电气量的耦合：
Figure FDA0003141155820000044
其中，转换系数矩阵Z中各转换系数的值由转换系数表查表得到。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述转换系数表如下表3所示：
表3转换系数表
Figure FDA0003141155820000051
其中，μ是转移电压比；r是转移电阻；g是转移电导；a是转移电流比。VCVS为电压控制电压源，CCVS为电流控制电压源，VCCS为电压控制电流源，CCCS为电流控制电流源；受控源的类型由信号模块输出的信号量x以及电气模块所需的输入电气量X决定，可由受控源类型表查表得到，受控源类型表如下表4所示：
表4受控源类型表
Figure FDA0003141155820000052
。
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