CN204856494U - 能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统 - Google Patents

Abstract

一种能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，包括物理侧仿真接口、物理侧调理机箱、数字侧调理机箱、数字侧仿真接口，所述物理侧仿真接口与所述物理侧调理机箱之间的各条数字侧三相电压电流输出线路中分别串联有误差消除电路，所述数字侧仿真接口与所述数字侧调理机箱之间的各条物理侧三相电压电流输出线路中也分别串联有误差消除电路。本实用新型的数模混合仿真接口能消除功率型数字物理混合仿真信号远距离传输过程中产生的幅值和相位的偏差，提高数字物理混合仿真系统的稳定性和仿真的精确性。

Description

能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统

技术领域

本实用新型涉及功率型数字物理混合仿真技术领域，具体涉及一种能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统。

背景技术

随着大规模风电并网、微电网、大电网互联、以及特高压交直流混合输电的实施，电力系统的并网设备和网架结构变得越来越复杂。为了保证大量新型设备投入复杂电网后能安全稳定地运行，必须采取合理的仿真手段对其相互作用的机理和运行控制技术等进行多方面的研究。电力系统物理模拟仿真采用与原型系统标幺值参数相等的模拟系统，利于对新型设备建模，可以更加准确地反应装置的特性，但是其投资大、建模周期长、也很难对大规模系统进行仿真。实时数字仿真的特点是搭建模型比较方便、投资周期短、灵活性高，能够实现较大规模的系统仿真，但是对于数学建模不太完善的新型设备无法进行准确的模拟。因此考虑实施实时数字仿真与物理模拟仿真相结合的数字物理混合仿真，对新型设备和复杂电网进行仿真分析。

如图1所示，功率型数字物理混合仿真系统包含三个部分：数字仿真子系统、物理仿真子系统和数模混合仿真接口系统。物理仿真子系统采用实际物理元件模拟目标系统中那些数学模型未知的新型设备或者高频电力电子变换器；数字仿真子系统采用数值计算技术按步长求解目标系统内剩余各点的电压、电流、有功、无功等物理量；数模混合仿真接口系统将前述两者结合起来，负责它们之间信号的交互，使得整套仿真系统能够正常、准确的描述目标系统。监控后台与物理仿真子系统和数字仿真子系统分别相连，监控后台负责总体的协调控制。

数模混合仿真接口系统负责数字仿真子系统和物理仿真子系统之间的信号交互。如图2所示，数模混合仿真接口系统由物理仿真接口、物理侧调理机箱、数字侧调理机箱、数字仿真接口组成。数字仿真子系统通过数字仿真接口与数模混合仿真接口系统相连，物理仿真子系统通过物理仿真接口与数模混合仿真接口系统相连。物理仿真接口通过两组三相电压线路、两组三相电流线路与物理侧调理机箱相连，数字仿真接口也通过两组三相电压线路、两组三相电流线路与数字侧调理机箱相连。

数字仿真子系统是由实时数字仿真设备RTDS搭建的仿真平台。数字仿真接口包含了RTDS的内部板卡。RTDS内部板卡的作用之一是对信号进行D/A转换、A/D转换，即将数字仿真子系统发出的数字信号转换为模拟信号，将物理仿真子系统发来的模拟信号转换为数字信号。在这个过程中，因为采样时间、串行通信以及板卡串联等因素会造成信号相位延迟。

数字物理混合仿真系统物理侧功率波动很大，容易对信号传输和测量产生干扰，需要使物理仿真子系统和数字仿真子系统保持一定的距离。同时由于物理仿真子系统采用实际设备进行仿真，一些设备体积较大或者对运行环境要求十分严格，所以物理仿真子系统有时距离数字仿真子系统较远，两者通过数模混合仿真接口系统中的传输电缆连接，电缆类型通常为屏蔽双绞线。由信号在电缆中的传输时间所带来的相位延迟以及长距离传输带来的幅值变动不能忽视。

图2中数字侧调理机箱和物理侧调理机箱的作用都是进行电压、电流信号转换以及滤波的作用。因为直接远距离传输电压信号，易受噪声干扰，且线路阻抗会产生电压降，引起电压衰减，造成信号失真，无法满足信号高精度传输的要求。而直接远距离传输电流信号，抗干扰能力较强，且电流信号受线路阻抗的影响较小，因而在数字物理混合仿真接口系统中所有的信号都是转换为5～20mA的电流源信号传输的。滤波则是为了过滤掉信号传输过程中带入的高频噪声分量，但是滤波环节同样会产生相位延迟。由此可见调理机箱中的信号转换以及滤波环节也会引入信号相位的延迟。

在实际的仿真过程中，物理仿真子系统有时候需要模拟电网的故障过程，在故障的暂态过程中，电流和电压均会出现一定的谐波分量，这些谐波分量信号也是需要准确传输的。而不同频率的信号在传输过程中产生的相位延迟和幅值影响均不相同，因此很可能在经过传输和转换以后叠加出来的波形和原始信号波形相差甚远，给仿真结果带来巨大影响。

即在实际的数模混合仿真接口系统中，信号远距离传输、滤波、A/D转换、D/A转换以及RTDS内部模块的延时等不可避免，信号延时时间越长，数字物理混合仿真系统越容易出现振荡和发散情况，另外，由于信号在远距离电缆中传输不仅会带来相位的延迟，还会带来幅值上的变动，这会都会对仿真结果的准确性造成影响。因此，如何减小甚至消除信号传递过程中产生的相位延迟和幅值变动对于数字物理混合仿真系统的稳定、精确运行至关重要的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统。

本实用新型的技术问题通过如下技术方案实现：一种能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，包括物理侧仿真接口、物理侧调理机箱、数字侧调理机箱、数字侧仿真接口，所述物理侧仿真接口通过物理侧三相电压电流输入线路和数字侧三相电压电流输出线路与所述物理侧调理机箱相连，所述数字侧仿真接口通过数字侧三相电压电流输入线路和物理侧三相电压电流输出线路与所述数字侧调理机箱相连，所述物理侧调理机箱通过电缆与所述数字侧调理机箱相连，其特征在于，所述物理侧仿真接口与所述物理侧调理机箱之间的各条数字侧三相电压电流输出线路中分别串联有误差消除电路，所述数字侧仿真接口与所述数字侧调理机箱之间的各条物理侧三相电压电流输出线路中也分别串联有误差消除电路。

所述误差消除电路的输入端还设有用于将输入的信号转换成电压源信号的转换模块，电压源信号也即一种电压信号，这里主要为了与输入转换模块的电压信号区别。

所述误差消除电路为有源补偿电路，所述有源补偿电路由由运算放大器构成的幅值校正电路和相位校正电路组成，所述幅值校正电路与和所述相位校正电路串联。

所述运算放大器为高速型运算放大器，高速型运算放大器相比于通用性运算放大器，具有较高的转换速率和较宽的频率响应范围，适用于具有A/D转换、D/A转换电路的场合。

作为所述有源补偿电路的较佳实施方式，所述相位校正电路由高速型运算放大器OP1、电阻R1、R2、电容C1、C2组成，高速型运算放大器OP1的同向输入端与电容C1同电阻R1的并联单元相连，电容C1同电阻R1的并联单元的另一端为所述相位校正电路的输入端，高速型运算放大器OP1的反向输入端接公共端，电容C2和电阻R2并联后串接在高速型运算放大器OP1的输出端和同向输入端之间，高速型运算放大器OP1的输出端为所述相位校正电路的输出端。

所述幅值校正电路由高速型运算放大器OP2、电阻R3、R4组成，电阻R3的一端为所述幅值校正电路的输入端，另一端与高速型运算放大器OP2的同向输入端相连，高速型运算放大器OP2的反向输入端与公共端相连，电阻R4串联在高速型运算放大器OP2的输出端和同向输入端之间，高速型运算放大器OP2的输出端为所述幅值校正电路的输出端。

所述幅值校正电路的输入端与所述相位校正电路的输出端相连。

作为本实用新型的较佳实施方式：所述电阻为滑动变阻器。

所述转换模块和所述误差消除电路设置在与其相近的数字侧或物理侧调理机箱中。

相对于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

1)本实用新型的数模混合仿真接口能消除功率型数字物理混合仿真信号远距离传输过程中产生的幅值和相位的偏差，提高数字物理混合仿真系统的稳定性和仿真的精确性；

2)本实用新型的误差消除电路结构简单，采用滑动变阻器，可以实时调节以便同步比较物理侧仿真接口和数字侧仿真接口的输入输出波形之间的偏差，以便更好的消除信号传输过程中产生的误差；

3)本实用新型的误差消除通过有源补偿电路实现，相比于无源电路它不但能够实现信号幅值的补偿，而且性能更好；本实用新型有源补偿电路采用两级运算放大器串联，使得有源补偿电路具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，避免给信号带来失真；

4)本实用新型采用硬件消除信号传输误差，相比于采用软件技术消除信号输出的情况，本实用新型能够实时对比误差消除前后的信号；

5)本实用新型除了能够精确消除基波信号的传输误差外，还能在一定程度上消除基频附近频带信号的传输误差，使数字物理混合仿真系统在模拟电力系统故障暂态过程的时候具有良好的效果。

附图说明

图1为数字物理混合仿真系统的结构框图；

图2为数模混合仿真接口系统的结构框图；

图3为本实用新型误差消除电路的原理框图；

图4为本实用新型较佳实施例的误差消除电路的电路原理图；

图5为数字仿真子系统通过本实用新型的数模混合仿真接口向物理仿真子系统发送三相电压信号和三相电流信号的信号传输流程图，电压信号在电缆中均以电流形式传输；

图6为物理仿真子系统通过本实用新型的数模混合仿真接口向数字仿真子系统发送三相电压信号和三相电流信号的信号传输流程图，电压信号在电缆中均以电流形式传输。

具体实施方式

数模混合仿真接口系统包括物理侧仿真接口、物理侧调理机箱、数字侧调理机箱、数字侧仿真接口。物理侧仿真接口通过物理侧电压电流输入线路即u_1a、u_1b、u_1c和i_1a、i_1b、i_1c和数字侧三相电压电流输出线路u_2aˊ、u_2bˊ、u_2cˊ和i_2aˊ、i_2bˊ、i_2cˊ与物理侧调理机箱相连，数字侧仿真接口通过数字侧三相电压电流输入线路u_2a、u_2b、u_2c和i_2a、i_2b、i_2c和物理侧三相电压电流输出线路u_1aˊ、u_1bˊ、u_1cˊ和i_1aˊ、i_1bˊ、i_1cˊ与数字侧调理机箱相连。物理侧调理机箱通过电缆与数字侧调理机箱相连。

为了消除数模混合仿真接口系统在A/D转换、D/A转换、电压-电流转换以及滤波等过程中产生的相位延迟和电流源信号在电缆中长距离传输造成的幅值变动，本实用新型在物理侧仿真接口与物理侧调理机箱之间的各条数字侧三相电压电流输出线路中即u_2aˊ、u_2bˊ、u_2cˊ和i_2aˊ、i_2bˊ、i_2cˊ线路中分别串联误差消除电路，如图5所示，还在数字侧仿真接口与数字侧调理机箱之间的各条物理侧三相电压电流输出线路中也即u_1aˊ、u_1bˊ、u_1cˊ和i_1aˊ、i_1bˊ、i_1cˊ线路中分别串联误差消除电路，如图6所示。

本实用新型的误差补充电路为有源补偿电路(称为有源补偿电路主要因为运算放大器为有源电路元件)，由由高速型运算放大器组成的幅值校正电路和相位校正电路组成，如图3所示，幅值校正电路和相位校正电路串联，幅值校正电路的输入端与相位校正电路的输出端相连。

有源补偿电路的相位校正电路和幅值校正电路的电路原理图如图4所示。

相位校正电路由高速型运算放大器OP1、电阻R1、R2、电容C1、C2组成，高速型运算放大器OP1的同向输入端与电容C1同电阻R1的并联单元相连，电容C1同电阻R1的并联单元的另一端为相位校正电路的输入端，高速型运算放大器OP1的反向输入端接公共端，电容C2和电阻R2并联后串接在高速型运算放大器OP1的输出端和同向输入端之间，高速型运算放大器OP1的输出端为相位校正电路的输出端。

幅值校正电路由高速型运算放大器OP2，电阻R3、R4组成，电阻R3的一端为幅值校正电路的输入端，另一端与高速型运算放大器OP2的同向输入端相连，高速型运算放大器OP2的反向输入端与公共端相连，电阻R4串联在高速型运算放大器OP2的输出端和同向输入端之间，高速型运算放大器OP2的输出端为所述幅值校正电路的输出端。

本实用新型有源补偿电路不限于图4的具体形式，也可由其它由运算放大器组成的幅值校正和相位校正电路组成。

上述有源补偿电路中的电阻由可调式滑动变阻器或者经过计算后确定的定值电阻组成。有源补偿电路中采用高速型运算放大器，是因为它相比于通用性运算放大器具有更高的转换速率和更宽的频率响应，适用于具有A/D转换、D/A转换电路的场合。有源补偿电路中采用两级运算放大器串联，使有源补偿电路具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使其对电压源信号除了相位、幅值补偿外，还避免了输入信号的失真，充分考虑了数模混合仿真接口系统当中信号都是以低电压、小电流形式传输的实际情况。

根据运算放大器的特点可以得到该有源补偿电路在复频域下的传递函数如式(1)所示，可知其在基频50Hz时的频率响应幅值增益为式(2)，相位补偿为式(3)。通过合理设置滑动变阻器以及电容的大小，可以使得幅值增益刚好补偿信号在长距离传输过程中造成的幅值偏差。相位补偿的数值则可以根据数模混合仿真接口系统中的延时大小来设定，使得信号在数模混合仿真接口系统中的总延时和相位补偿的数值满足式(4)的关系，式(4)的时间的单位为毫秒，角度的单位为弧度。

$G\left(S\right)=\frac{R_2{R}_4}{R_1{R}_3}\×\frac{1+{\mathrm{SC}}_1{R}_1}{1+{\mathrm{SC}}_2{R}_2}---\left(1\right)$

$M=\frac{R_2{R}_4}{R_1{R}_3}\×\frac{\sqrt{1+{(2\×\mathrm{\π}\×50\×C_1{R}_1)}^2}}{1+{(2\×\mathrm{\π}\×50\×C_2{R}_2)}^2}---\left(2\right)$

对于有源补偿电路根据其频率响应伯德图可知，虽然在设计时是以基频信号为标准来补偿相位和幅值的，但由于其幅频响应和相频响应具有一定的过渡区间，因此对基频附近频带内的信号仍然具有补偿作用，只是补偿效果相比于基波分量要稍差一些。因此，本实用新型的有源补偿电路除了能够主要消除基频信号在传输过程中的误差，还能在一定程度上消除基频附近频带信号例如直流、三次、五次信号的传输误差，满足了数字物理混合仿真系统在模拟一些暂态过程时需要准确传输非基频信号的要求。

本实用新型有源补偿电路在选取电子元件参数时中，应遵循先补偿相位延迟再补偿幅值变化的原则，可以先将C₁R₁的数值调节到1，如

可先根据数字侧仿真接口输入的信号波形的相位和物理侧仿真接口输出的信号波形的相位差异调节C₂和R₂的大小，使得数字仿真子系统发出或接收的信号同物理仿真子系统接收或发出的信号相位保持一致，最后调节R₃和R₄的大小，以使两边信号的幅值保持一致，这样操作更方便于理论分析和实际调节。

在数模混合仿真接口系统中，A相、B相、C相的电压信号和A相、B相、C相的电流信号均以电流源信号形成在电缆中传输，而本实用新型的有源补偿电路只能针对电压源信号进行相位和幅值补偿，所以在相应的调理机箱中必须配置将输入的信号转换成电压源信号的转换模块，该转换模块和前述有源补偿电路都设置在与其相近的数字侧或物理侧调理机箱中。

Claims (8)

1.一种能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，包括物理侧仿真接口、物理侧调理机箱、数字侧调理机箱、数字侧仿真接口，所述物理侧仿真接口通过物理侧三相电压电流信号传输线路和数字侧三相电压电流信号传输线路与所述物理侧调理机箱相连，所述数字侧仿真接口通过数字侧三相电压电流信号传输线路和物理侧三相电压电流信号传输线路与所述数字侧调理机箱相连，所述物理侧调理机箱通过电缆与所述数字侧调理机箱相连，其特征在于，所述物理侧仿真接口与所述物理侧调理机箱之间的各条数字侧三相电压电流输出线路中分别串联有误差消除电路，所述数字侧仿真接口与所述数字侧调理机箱之间的各条物理侧三相电压电流输出线路中也分别串联有误差消除电路；

所述误差消除电路为有源补偿电路，所述有源补偿电路由由运算放大器构成的幅值校正电路和相位校正电路组成，所述幅值校正电路与和所述相位校正电路串联。

2.根据权利要求1所述的能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，其特征在于，所述误差消除电路的输入端还设有用于将输入的信号转换成电压源信号的转换模块。

3.根据权利要求2所述的能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，其特征在于，所述运算放大器为高速型运算放大器。

4.根据权利要求3所述的能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，其特征在于，所述相位校正电路由高速型运算放大器OP1、电阻R1、R2、电容C1、C2组成，高速型运算放大器OP1的同向输入端与电容C1同电阻R1的并联单元相连，电容C1同电阻R1的并联单元的另一端为所述相位校正电路的输入端，高速型运算放大器OP1的反向输入端接公共端，电容C2和电阻R2并联后串接在高速型运算放大器OP1的输出端和同向输入端之间，高速型运算放大器OP1的输出端为所述相位校正电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，其特征在于，所述幅值校正电路由高速型运算放大器OP2、电阻R3、R4组成，电阻R3的一端为所述幅值校正电路的输入端，另一端与高速型运算放大器OP2的同向输入端相连，高速型运算放大器OP2的反向输入端与公共端相连，电阻R4串联在高速型运算放大器OP2的输出端和同向输入端之间，高速型运算放大器OP2的输出端为所述幅值校正电路的输出端。

6.根据权利要求5所述的能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，其特征在于，所述幅值校正电路的输入端与所述相位校正电路的输出端相连。

7.根据权利要求6所述的能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，其特征在于，所述电阻为滑动变阻器。

8.根据权利要求7所述的能消除仿真信号远距离传输误差的数模混合仿真接口系统，其特征在于，所述转换模块和所述误差消除电路设置在与其相近的数字侧或物理侧调理机箱中。