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[摘 要] 结合数字计算机和RTDS的混合仿真需求，提出了实时混合仿真方案，即在保持计算机侧机电暂态仿真和RTDS侧电磁暂态仿真独立进行的同时，利用智能接口卡实现数据交互，保证二侧仿真同步。从仿真效果来看，能够满足仿真准确性要求。
[关 键 词] 数字计算机;RTDS;实时混合仿真
[中图分类号] TM743 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）28-0144-02
在实时仿真领域，数字计算机得到了广泛应用。但是单纯采用计算机进行仿真分析，无法完成大规模系统数据仿真分析。针对这一问题，还要引入数字仿真系统，即RTDS，通过实时混合仿真加强系统暂态仿真工具的运用，实现系统动态特性精确模拟，使采用数字计算机和RTDS进行复杂系统仿真分析存在的局限性得到突破。因此，需要加强二者的实时混合仿真研究，以便在一次仿真中同时完成系统机电暂态仿真和网络电磁暂态仿真，从而使系统仿真的准确性得到保证，达到提高计算机仿真技术水平的目标。
一、数字计算机和RTDS的混合仿真需求
在数字仿真分析方面，可以采用的仿真方法主要有两种，一种是数字计算机的机电暂态仿真，能够系统快速地就暂态特性及元件畸变特性展开分析，但在器件内部故障研究等方面存在局限性;另一种是RTDS电磁暂态仿真，能够用于对元器件内部故障过程等情况进行仿真分析，但受算法限制仿真规模有限，无法对大规模系统进行仿真分析。实现数字计算机和RTDS混合仿真，能够同时对复杂系统及内部元器件展开仿真分析，满足非线性瞬时系统研究需求。实际上，对数字计算机和RTDS进行混合仿真，并非是对系统各种波形数据进行精确重现，而是需要对系统稳态和暂态特性进行分析，从而提出科学的保护措施。想要达成这一目标，需要进行机电暂态和电磁暂态的实时混合仿真，从而对系统及设备的动态过程展开分析，得到瞬时仿真数据。采用传统的隐式积分迭代算法，能够在复杂电子计算机装置中插入暂态计算模块，但却无法达到实时混合仿真的目标。采用接口数據交互时序，对一个暂态网络进行仿真，另一个将处于停止状态，在数据交互周期前后交接变化量较大的情况下，将产生较大的交替计算误差，继而影响仿真结果精确性。因此，需要提出科学的实时混合仿真方案，以便使数字计算机和RTDS仿真能够同时开展。
二、基于数字计算机和RTDS的实时混合仿真方案
（一）实时混合仿真方案
结合实时混合仿真需求，可以采用智能接口卡进行数字计算机和RTDS的数据交互，在接口两侧同时进行暂态仿真，然后在固定时刻通过接口完成边界等值参数的交互。采用数字计算机为Intel P4个人计算服务器，具有实时仿真能力，并且含有PCI总线接口，采用快速机电暂态仿真程序，运行效率较高，对含2200节点系统进行仿真可以达到约8倍超实时。选用新一代RTDS，能够利用GTAI/GTAO卡完成模拟量输入/输出扩展，并对交互步长进行同步脉冲信号的发射，促使两侧同步仿真得以实现。智能接口卡核心为数字信号处理器DSP，包含多个A/D和
D/A通道，能够对交互时序、数据传输等进行控制，完成计算机侧数据滤波计算，利用FIFO内存实现与计算机的数据交互，并利用A/D和D/A与RTDS之间完成数据交互。在实时混合仿真过程中，将由RTDS侧进行仿真启动信号发送，经接口传递至计算机侧，促使两侧同时开展仿真，分别进行下一个步长计算，根据对方边界条件，可以对接口信息进行准备。具体来讲，计算机侧需要结合电磁侧条件判断能否进行同步信号接收，若能够接受将进行接口信息发送，否则将返回重新确认是否接收到同步信号。RTDS侧将确定是否累积至一个交互步长，达到一个步长后才会进行同步脉冲信号接收，否则将重新判断步长条件是否满足。计算机侧发送的接口经过接口卡D/A处理后，将被RTDS侧接收，成为下一步长计算的边界条件。与此同时，RTDS将通过GTAO进行接口信息发送，经过接口卡的D/A、采集和滤波处理后由计算机侧接收和上传，为下一步长计算做好准备。在整个过程中，RTDS时标是仿真开始的基准，从各交互步长开始由RTDS先完成同步脉冲信号发射，然后由两侧各自进行独立计算，在交互数据更新时刻进行数据交互，保证仿真同步。
（二）RTDS暂态仿真分析
在接口数据交互上，需要由RTDS进行同步信号的发送。而通过接口实现模拟量数据交互，需要保证接口量形式等值。实际上，电磁暂态过程涉及电压、电流等各种参数，仿真目的在于对暂态故障进行分析。而电磁暂态过程数量级为毫秒和秒级，分析时还要采用时域瞬时值进行仿真。按照系统接线情况，可以对能够实现各元件等值计算的电路进行连接，得到等值网络体系，包含各种电流源和纯电阻，得到式（1）G*U（t）=I（t），式中G指的是电网等值导纳矩阵，只有在电网拓扑结构发生改变时才会变化，I（t）为t时刻电网各节点注入电流列向量，U（t）为对应的节点电压向量[1]。结合方程，可以确定各元件电压和电流关系，然后完成等值网络求解。根据网络等值，RTDS侧能够对步长接口等值参数进行获取，然后进行瞬时交流电压源的合成分析。在接口交互的过程中，存在电磁暂态过程，如谐波等将对接口电压产生影响，因此需要发挥接口卡的滤波、采集等功能，使相关数值得到校正。
（三）计算机暂态仿真分析 在实时混合仿真期间，计算机侧主要需要根据RTDS侧信号开始仿真。在等值网络求解上，由于机电暂态仿真目的在于对系统正常运行状态下受故障干扰后能否恢复正常的能力进行分析，所以需要运用基波向量分析法完成系统静态或动暂态稳定分析。在系统变化频率不高的情况下，可以凭借网络支路电流和电压等变量对导納进行阻止，因此仿真系统由系统负荷和网络等元件数学模型构成，利用交替求解法能够完成暂态稳定分析，使系统暂态过程微分方程和网络方程交替迭代，最终确定计算步长时刻[2]。实际在机电暂态仿真过程中，对功角稳定性进行计算通常不会使电流零序分量进入系统网络，谐波等变量不会促使同步速电磁转矩的产生，因此经过网络将得到衰减，基本不会对系统稳定和振荡模式产生影响。结合这一因素，RTDS侧在向计算机侧进行接口功率注入时，仅对基波分量进行考量。
（四）接口数据交互分析
实际进行计算机和RTDS连接，采用GYNET数字量接口吉比特收发器网络，但想要满足在特定时间进行接口数据交互的条件，还要对RTDS固件模块功能的局限性进行突破。采用模拟量接口，可以利用拥有32×8路双向数据传输能力的智能接口卡进行数据交互，技术相对成熟，可以直接与RTDS的模拟量接口进行连接，达到已知接口的目标。但在接口数据交互方面，实现模拟量输出可能导致附加延时和误差的产生。为保证两侧能够实现仿真同步，还要使数据延时不超过交互步长，同时噪声幅值应当比迭代求解收敛判据1/10要小，才能避免实时仿真受误差影响。实际上，延时主要来自传输通道上的电压阶跃和A/D、D/A转换。在数据转换上，能够通过提高采样速率减少延时，但针对电压阶跃带来的延时，需要使连线电容得到减小或对D/A输出驱动力进行增强。针对接口数据传输误差，还要预先完成各通道固定误差测定，然后通过矫正消除或减小误差。采用数字滤波器，能够对传输通道噪声进行滤除。针对计算机侧，需要在混合仿真交互步长内第n个电磁暂态步长位置利用GTAI进行接口信息读入，并利用IIR滤波器完成数据噪声滤除[3]。针对RTDS侧，在接口卡采样时，应当保持50μs～200μs间隔，经过A/D转换后进行数据存储，并利用FIR滤波器完成数据冗余均值滤除。
（五）实时混合仿真效果
为验证方案效果，需要对机电侧包含9节点和电磁侧包含1回直流系统的交流系统进行实时混合仿真，该系统通过IEEE标准测试系统修改得到，包含两个交流区域。在RTDS中，可以完成系统电磁暂态仿真，然后对系统进行机电暂态仿真，并在换流母线位置完成接口数据交互。从仿真结果来看，实时混合仿真结果能够与全电磁仿真结果保持一致，即拥有基本相同的直流环流变高压母线电压幅值，暂态过程偏差最大仅为0.005，能够保证电磁暂态侧直流系统获得准确的边界条件，从而使计算结果的精确性得到保证。而从数据交互情况来看，从计算机侧向RTDS侧传输数据的误差不超过0.03%，从RTDS侧向计算机侧传输数据误差不超过0.01%，延时均在2 ms左右。比较全系统稳定性实时混合仿真结果和RTDS仿真结果可以发现，也拥有大致相似的稳定性过程，暂态偏差最大不超过3°。由此可见，采用上述实时混合仿真方案，能够对系统稳定性和动态过程进行可靠模拟。
综上所述，在对复杂计算机系统进行仿真分析时，采用实时混合仿真方法需要达到较高的仿真计算精度和速率要求。在实际制定仿真方案的过程中，还应结合计算机侧和RTDS侧仿真特点，适当降低电磁暂态接口的复杂性，采用模拟量接口交互形式时加强滤波处理，同时尽量减小固定误差，从而使混合仿真的可信度得到提高。
参考文献：
[1]卢山，周红彬，李刚.计算机仿真在混合星座覆盖分析中的应用[J].电子技术与软件工程，2016（10）：180-182.
[2]欧开健，张树卿，童陆园，等.基于并行计算机/RTDS的混合实时仿真不对称故障接口交互与实现[J].电工技术学报，2016，31（2）：178-185.
[3]胡一中，吴文传，张伯明.采用频率相关网络等值的RTDS-TSA异构混合仿真平台开发[J].电力系统自动化，2014，38（16）：88-93.
◎编辑 张 慧
[关 键 词] 数字计算机;RTDS;实时混合仿真
[中图分类号] TM743 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）28-0144-02
在实时仿真领域，数字计算机得到了广泛应用。但是单纯采用计算机进行仿真分析，无法完成大规模系统数据仿真分析。针对这一问题，还要引入数字仿真系统，即RTDS，通过实时混合仿真加强系统暂态仿真工具的运用，实现系统动态特性精确模拟，使采用数字计算机和RTDS进行复杂系统仿真分析存在的局限性得到突破。因此，需要加强二者的实时混合仿真研究，以便在一次仿真中同时完成系统机电暂态仿真和网络电磁暂态仿真，从而使系统仿真的准确性得到保证，达到提高计算机仿真技术水平的目标。
一、数字计算机和RTDS的混合仿真需求
在数字仿真分析方面，可以采用的仿真方法主要有两种，一种是数字计算机的机电暂态仿真，能够系统快速地就暂态特性及元件畸变特性展开分析，但在器件内部故障研究等方面存在局限性;另一种是RTDS电磁暂态仿真，能够用于对元器件内部故障过程等情况进行仿真分析，但受算法限制仿真规模有限，无法对大规模系统进行仿真分析。实现数字计算机和RTDS混合仿真，能够同时对复杂系统及内部元器件展开仿真分析，满足非线性瞬时系统研究需求。实际上，对数字计算机和RTDS进行混合仿真，并非是对系统各种波形数据进行精确重现，而是需要对系统稳态和暂态特性进行分析，从而提出科学的保护措施。想要达成这一目标，需要进行机电暂态和电磁暂态的实时混合仿真，从而对系统及设备的动态过程展开分析，得到瞬时仿真数据。采用传统的隐式积分迭代算法，能够在复杂电子计算机装置中插入暂态计算模块，但却无法达到实时混合仿真的目标。采用接口数據交互时序，对一个暂态网络进行仿真，另一个将处于停止状态，在数据交互周期前后交接变化量较大的情况下，将产生较大的交替计算误差，继而影响仿真结果精确性。因此，需要提出科学的实时混合仿真方案，以便使数字计算机和RTDS仿真能够同时开展。
二、基于数字计算机和RTDS的实时混合仿真方案
（一）实时混合仿真方案
结合实时混合仿真需求，可以采用智能接口卡进行数字计算机和RTDS的数据交互，在接口两侧同时进行暂态仿真，然后在固定时刻通过接口完成边界等值参数的交互。采用数字计算机为Intel P4个人计算服务器，具有实时仿真能力，并且含有PCI总线接口，采用快速机电暂态仿真程序，运行效率较高，对含2200节点系统进行仿真可以达到约8倍超实时。选用新一代RTDS，能够利用GTAI/GTAO卡完成模拟量输入/输出扩展，并对交互步长进行同步脉冲信号的发射，促使两侧同步仿真得以实现。智能接口卡核心为数字信号处理器DSP，包含多个A/D和
D/A通道，能够对交互时序、数据传输等进行控制，完成计算机侧数据滤波计算，利用FIFO内存实现与计算机的数据交互，并利用A/D和D/A与RTDS之间完成数据交互。在实时混合仿真过程中，将由RTDS侧进行仿真启动信号发送，经接口传递至计算机侧，促使两侧同时开展仿真，分别进行下一个步长计算，根据对方边界条件，可以对接口信息进行准备。具体来讲，计算机侧需要结合电磁侧条件判断能否进行同步信号接收，若能够接受将进行接口信息发送，否则将返回重新确认是否接收到同步信号。RTDS侧将确定是否累积至一个交互步长，达到一个步长后才会进行同步脉冲信号接收，否则将重新判断步长条件是否满足。计算机侧发送的接口经过接口卡D/A处理后，将被RTDS侧接收，成为下一步长计算的边界条件。与此同时，RTDS将通过GTAO进行接口信息发送，经过接口卡的D/A、采集和滤波处理后由计算机侧接收和上传，为下一步长计算做好准备。在整个过程中，RTDS时标是仿真开始的基准，从各交互步长开始由RTDS先完成同步脉冲信号发射，然后由两侧各自进行独立计算，在交互数据更新时刻进行数据交互，保证仿真同步。
（二）RTDS暂态仿真分析
在接口数据交互上，需要由RTDS进行同步信号的发送。而通过接口实现模拟量数据交互，需要保证接口量形式等值。实际上，电磁暂态过程涉及电压、电流等各种参数，仿真目的在于对暂态故障进行分析。而电磁暂态过程数量级为毫秒和秒级，分析时还要采用时域瞬时值进行仿真。按照系统接线情况，可以对能够实现各元件等值计算的电路进行连接，得到等值网络体系，包含各种电流源和纯电阻，得到式（1）G*U（t）=I（t），式中G指的是电网等值导纳矩阵，只有在电网拓扑结构发生改变时才会变化，I（t）为t时刻电网各节点注入电流列向量，U（t）为对应的节点电压向量[1]。结合方程，可以确定各元件电压和电流关系，然后完成等值网络求解。根据网络等值，RTDS侧能够对步长接口等值参数进行获取，然后进行瞬时交流电压源的合成分析。在接口交互的过程中，存在电磁暂态过程，如谐波等将对接口电压产生影响，因此需要发挥接口卡的滤波、采集等功能，使相关数值得到校正。
（三）计算机暂态仿真分析 在实时混合仿真期间，计算机侧主要需要根据RTDS侧信号开始仿真。在等值网络求解上，由于机电暂态仿真目的在于对系统正常运行状态下受故障干扰后能否恢复正常的能力进行分析，所以需要运用基波向量分析法完成系统静态或动暂态稳定分析。在系统变化频率不高的情况下，可以凭借网络支路电流和电压等变量对导納进行阻止，因此仿真系统由系统负荷和网络等元件数学模型构成，利用交替求解法能够完成暂态稳定分析，使系统暂态过程微分方程和网络方程交替迭代，最终确定计算步长时刻[2]。实际在机电暂态仿真过程中，对功角稳定性进行计算通常不会使电流零序分量进入系统网络，谐波等变量不会促使同步速电磁转矩的产生，因此经过网络将得到衰减，基本不会对系统稳定和振荡模式产生影响。结合这一因素，RTDS侧在向计算机侧进行接口功率注入时，仅对基波分量进行考量。
（四）接口数据交互分析
实际进行计算机和RTDS连接，采用GYNET数字量接口吉比特收发器网络，但想要满足在特定时间进行接口数据交互的条件，还要对RTDS固件模块功能的局限性进行突破。采用模拟量接口，可以利用拥有32×8路双向数据传输能力的智能接口卡进行数据交互，技术相对成熟，可以直接与RTDS的模拟量接口进行连接，达到已知接口的目标。但在接口数据交互方面，实现模拟量输出可能导致附加延时和误差的产生。为保证两侧能够实现仿真同步，还要使数据延时不超过交互步长，同时噪声幅值应当比迭代求解收敛判据1/10要小，才能避免实时仿真受误差影响。实际上，延时主要来自传输通道上的电压阶跃和A/D、D/A转换。在数据转换上，能够通过提高采样速率减少延时，但针对电压阶跃带来的延时，需要使连线电容得到减小或对D/A输出驱动力进行增强。针对接口数据传输误差，还要预先完成各通道固定误差测定，然后通过矫正消除或减小误差。采用数字滤波器，能够对传输通道噪声进行滤除。针对计算机侧，需要在混合仿真交互步长内第n个电磁暂态步长位置利用GTAI进行接口信息读入，并利用IIR滤波器完成数据噪声滤除[3]。针对RTDS侧，在接口卡采样时，应当保持50μs～200μs间隔，经过A/D转换后进行数据存储，并利用FIR滤波器完成数据冗余均值滤除。
（五）实时混合仿真效果
为验证方案效果，需要对机电侧包含9节点和电磁侧包含1回直流系统的交流系统进行实时混合仿真，该系统通过IEEE标准测试系统修改得到，包含两个交流区域。在RTDS中，可以完成系统电磁暂态仿真，然后对系统进行机电暂态仿真，并在换流母线位置完成接口数据交互。从仿真结果来看，实时混合仿真结果能够与全电磁仿真结果保持一致，即拥有基本相同的直流环流变高压母线电压幅值，暂态过程偏差最大仅为0.005，能够保证电磁暂态侧直流系统获得准确的边界条件，从而使计算结果的精确性得到保证。而从数据交互情况来看，从计算机侧向RTDS侧传输数据的误差不超过0.03%，从RTDS侧向计算机侧传输数据误差不超过0.01%，延时均在2 ms左右。比较全系统稳定性实时混合仿真结果和RTDS仿真结果可以发现，也拥有大致相似的稳定性过程，暂态偏差最大不超过3°。由此可见，采用上述实时混合仿真方案，能够对系统稳定性和动态过程进行可靠模拟。
综上所述，在对复杂计算机系统进行仿真分析时，采用实时混合仿真方法需要达到较高的仿真计算精度和速率要求。在实际制定仿真方案的过程中，还应结合计算机侧和RTDS侧仿真特点，适当降低电磁暂态接口的复杂性，采用模拟量接口交互形式时加强滤波处理，同时尽量减小固定误差，从而使混合仿真的可信度得到提高。
参考文献：
[1]卢山，周红彬，李刚.计算机仿真在混合星座覆盖分析中的应用[J].电子技术与软件工程，2016（10）：180-182.
[2]欧开健，张树卿，童陆园，等.基于并行计算机/RTDS的混合实时仿真不对称故障接口交互与实现[J].电工技术学报，2016，31（2）：178-185.
[3]胡一中，吴文传，张伯明.采用频率相关网络等值的RTDS-TSA异构混合仿真平台开发[J].电力系统自动化，2014，38（16）：88-93.
◎编辑 张 慧