探討基于數字計算機和RTDS的實時混合仿真

王鵬

[摘? ? ? ? ? ?要]? 結合數字計算機和RTDS的混合仿真需求，提出了實時混合仿真方案，即在保持計算機側機電暫態仿真和RTDS側電磁暫態仿真獨立進行的同時，利用智能接口卡實現數據交互，保證二側仿真同步。從仿真效果來看，能夠滿足仿真準確性要求。

[關? ? 鍵? ?詞]? 數字計算機;RTDS;實時混合仿真

[中圖分類號]? TM743? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）28-0144-02

在實時仿真領域，數字計算機得到了廣泛應用。但是單純采用計算機進行仿真分析，無法完成大規模系統數據仿真分析。針對這一問題，還要引入數字仿真系統，即RTDS，通過實時混合仿真加強系統暫態仿真工具的運用，實現系統動態特性精確模擬，使采用數字計算機和RTDS進行復雜系統仿真分析存在的局限性得到突破。因此，需要加強二者的實時混合仿真研究，以便在一次仿真中同時完成系統機電暫態仿真和網絡電磁暫態仿真，從而使系統仿真的準確性得到保證，達到提高計算機仿真技術水平的目標。

一、數字計算機和RTDS的混合仿真需求

在數字仿真分析方面，可以采用的仿真方法主要有兩種，一種是數字計算機的機電暫態仿真，能夠系統快速地就暫態特性及元件畸變特性展開分析，但在器件內部故障研究等方面存在局限性;另一種是RTDS電磁暫態仿真，能夠用于對元器件內部故障過程等情況進行仿真分析，但受算法限制仿真規模有限，無法對大規模系統進行仿真分析。實現數字計算機和RTDS混合仿真，能夠同時對復雜系統及內部元器件展開仿真分析，滿足非線性瞬時系統研究需求。實際上，對數字計算機和RTDS進行混合仿真，并非是對系統各種波形數據進行精確重現，而是需要對系統穩態和暫態特性進行分析，從而提出科學的保護措施。想要達成這一目標，需要進行機電暫態和電磁暫態的實時混合仿真，從而對系統及設備的動態過程展開分析，得到瞬時仿真數據。采用傳統的隱式積分迭代算法，能夠在復雜電子計算機裝置中插入暫態計算模塊，但卻無法達到實時混合仿真的目標。采用接口數據交互時序，對一個暫態網絡進行仿真，另一個將處于停止狀態，在數據交互周期前后交接變化量較大的情況下，將產生較大的交替計算誤差，繼而影響仿真結果精確性。因此，需要提出科學的實時混合仿真方案，以便使數字計算機和RTDS仿真能夠同時開展。

二、基于數字計算機和RTDS的實時混合仿真方案

（一）實時混合仿真方案

結合實時混合仿真需求，可以采用智能接口卡進行數字計算機和RTDS的數據交互，在接口兩側同時進行暫態仿真，然后在固定時刻通過接口完成邊界等值參數的交互。采用數字計算機為Intel P4個人計算服務器，具有實時仿真能力，并且含有PCI總線接口，采用快速機電暫態仿真程序，運行效率較高，對含2200節點系統進行仿真可以達到約8倍超實時。選用新一代RTDS，能夠利用GTAI/GTAO卡完成模擬量輸入/輸出擴展，并對交互步長進行同步脈沖信號的發射，促使兩側同步仿真得以實現。智能接口卡核心為數字信號處理器DSP，包含多個A/D和

D/A通道，能夠對交互時序、數據傳輸等進行控制，完成計算機側數據濾波計算，利用FIFO內存實現與計算機的數據交互，并利用A/D和D/A與RTDS之間完成數據交互。在實時混合仿真過程中，將由RTDS側進行仿真啟動信號發送，經接口傳遞至計算機側，促使兩側同時開展仿真，分別進行下一個步長計算，根據對方邊界條件，可以對接口信息進行準備。具體來講，計算機側需要結合電磁側條件判斷能否進行同步信號接收，若能夠接受將進行接口信息發送，否則將返回重新確認是否接收到同步信號。RTDS側將確定是否累積至一個交互步長，達到一個步長后才會進行同步脈沖信號接收，否則將重新判斷步長條件是否滿足。計算機側發送的接口經過接口卡D/A處理后，將被RTDS側接收，成為下一步長計算的邊界條件。與此同時，RTDS將通過GTAO進行接口信息發送，經過接口卡的D/A、采集和濾波處理后由計算機側接收和上傳，為下一步長計算做好準備。在整個過程中，RTDS時標是仿真開始的基準，從各交互步長開始由RTDS先完成同步脈沖信號發射，然后由兩側各自進行獨立計算，在交互數據更新時刻進行數據交互，保證仿真同步。

（二）RTDS暫態仿真分析

在接口數據交互上，需要由RTDS進行同步信號的發送。而通過接口實現模擬量數據交互，需要保證接口量形式等值。實際上，電磁暫態過程涉及電壓、電流等各種參數，仿真目的在于對暫態故障進行分析。而電磁暫態過程數量級為毫秒和秒級，分析時還要采用時域瞬時值進行仿真。按照系統接線情況，可以對能夠實現各元件等值計算的電路進行連接，得到等值網絡體系，包含各種電流源和純電阻，得到式（1）G*U（t）=I（t），式中G指的是電網等值導納矩陣，只有在電網拓撲結構發生改變時才會變化，I（t）為t時刻電網各節點注入電流列向量，U（t）為對應的節點電壓向量[1]。結合方程，可以確定各元件電壓和電流關系，然后完成等值網絡求解。根據網絡等值，RTDS側能夠對步長接口等值參數進行獲取，然后進行瞬時交流電壓源的合成分析。在接口交互的過程中，存在電磁暫態過程，如諧波等將對接口電壓產生影響，因此需要發揮接口卡的濾波、采集等功能，使相關數值得到校正。

（三）計算機暫態仿真分析

在實時混合仿真期間，計算機側主要需要根據RTDS側信號開始仿真。在等值網絡求解上，由于機電暫態仿真目的在于對系統正常運行狀態下受故障干擾后能否恢復正常的能力進行分析，所以需要運用基波向量分析法完成系統靜態或動暫態穩定分析。在系統變化頻率不高的情況下，可以憑借網絡支路電流和電壓等變量對導納進行阻止，因此仿真系統由系統負荷和網絡等元件數學模型構成，利用交替求解法能夠完成暫態穩定分析，使系統暫態過程微分方程和網絡方程交替迭代，最終確定計算步長時刻[2]。實際在機電暫態仿真過程中，對功角穩定性進行計算通常不會使電流零序分量進入系統網絡，諧波等變量不會促使同步速電磁轉矩的產生，因此經過網絡將得到衰減，基本不會對系統穩定和振蕩模式產生影響。結合這一因素，RTDS側在向計算機側進行接口功率注入時，僅對基波分量進行考量。

（四）接口數據交互分析

實際進行計算機和RTDS連接，采用GYNET數字量接口吉比特收發器網絡，但想要滿足在特定時間進行接口數據交互的條件，還要對RTDS固件模塊功能的局限性進行突破。采用模擬量接口，可以利用擁有32×8路雙向數據傳輸能力的智能接口卡進行數據交互，技術相對成熟，可以直接與RTDS的模擬量接口進行連接，達到已知接口的目標。但在接口數據交互方面，實現模擬量輸出可能導致附加延時和誤差的產生。為保證兩側能夠實現仿真同步，還要使數據延時不超過交互步長，同時噪聲幅值應當比迭代求解收斂判據1/10要小，才能避免實時仿真受誤差影響。實際上，延時主要來自傳輸通道上的電壓階躍和A/D、D/A轉換。在數據轉換上，能夠通過提高采樣速率減少延時，但針對電壓階躍帶來的延時，需要使連線電容得到減小或對D/A輸出驅動力進行增強。針對接口數據傳輸誤差，還要預先完成各通道固定誤差測定，然后通過矯正消除或減小誤差。采用數字濾波器，能夠對傳輸通道噪聲進行濾除。針對計算機側，需要在混合仿真交互步長內第n個電磁暫態步長位置利用GTAI進行接口信息讀入，并利用IIR濾波器完成數據噪聲濾除[3]。針對RTDS側，在接口卡采樣時，應當保持50μs～200μs間隔，經過A/D轉換后進行數據存儲，并利用FIR濾波器完成數據冗余均值濾除。

（五）實時混合仿真效果

為驗證方案效果，需要對機電側包含9節點和電磁側包含1回直流系統的交流系統進行實時混合仿真，該系統通過IEEE標準測試系統修改得到，包含兩個交流區域。在RTDS中，可以完成系統電磁暫態仿真，然后對系統進行機電暫態仿真，并在換流母線位置完成接口數據交互。從仿真結果來看，實時混合仿真結果能夠與全電磁仿真結果保持一致，即擁有基本相同的直流環流變高壓母線電壓幅值，暫態過程偏差最大僅為0.005，能夠保證電磁暫態側直流系統獲得準確的邊界條件，從而使計算結果的精確性得到保證。而從數據交互情況來看，從計算機側向RTDS側傳輸數據的誤差不超過0.03%，從RTDS側向計算機側傳輸數據誤差不超過0.01%，延時均在2 ms左右。比較全系統穩定性實時混合仿真結果和RTDS仿真結果可以發現，也擁有大致相似的穩定性過程，暫態偏差最大不超過3°。由此可見，采用上述實時混合仿真方案，能夠對系統穩定性和動態過程進行可靠模擬。

綜上所述，在對復雜計算機系統進行仿真分析時，采用實時混合仿真方法需要達到較高的仿真計算精度和速率要求。在實際制定仿真方案的過程中，還應結合計算機側和RTDS側仿真特點，適當降低電磁暫態接口的復雜性，采用模擬量接口交互形式時加強濾波處理，同時盡量減小固定誤差，從而使混合仿真的可信度得到提高。

參考文獻：

[1]盧山，周紅彬，李剛.計算機仿真在混合星座覆蓋分析中的應用[J].電子技術與軟件工程，2016（10）：180-182.

[2]歐開健，張樹卿，童陸園，等.基于并行計算機/RTDS的混合實時仿真不對稱故障接口交互與實現[J].電工技術學報，2016，31（2）：178-185.

[3]胡一中，吳文傳，張伯明.采用頻率相關網絡等值的RTDS-TSA異構混合仿真平臺開發[J].電力系統自動化，2014，38（16）：88-93.

◎編輯 張 慧