一种多模式一体化混合实时仿真平台

本发明属于电力系统仿真领域，特别涉及一种适用于硬件在环的电磁-机电多模式一体化混合实时仿真平台。

背景技术：

区域电网互联使电网的规模越来越大，各个地区电网的关联性增加，很难再孤立地考虑局部电网的安全问题。如交流系统控制很少只针对个别元件，即使是针对单个元件的继电保护设备，它的动作行为也可能对整个电网的动态特性产生影响。实际上，电网中任何一个局部条件的变化都可能引起整体行为的改变；同时，高压直流输电、大功率电力电子，如：svc、tcsc设备和各种快速自动控制装置的应用越来越广泛，系统中各种速度的行为，慢速和快速的暂态过程交织，也使得电网的动态特性日趋复杂。

电力设备供应商往往只关注设备的功能特性，而对于这些设备与实际电网的相互作用及其对电网带来的影响却缺乏充分的认识或关注度不足，因此，有必要从电网运行的角度组织对其进行仿真试验。通过对电力系统仿真试验研究，可全面掌握电力一二次设备原理特性，对运行中出现的问题及时进行研究分析，并提出反措，成为电力系统控制保护技术自主创新的平台。

大电网仿真中无论是装置级仿真需求、或是系统级仿真需求，单一的仿真手段已不能满足，即便是多种仿真技术手段和平台结合，仍难以满足上述需求。

技术实现要素：

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种多模式一体化混合实时仿真平台，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多模式一体化混合实时仿真平台，该平台包括：

实时仿真核心模块，用于接收外围设备输入转化的数据，与所述外围设备通信，所述实时仿真核心模块包括仿真计算，其中，所述仿真计算的计算内核为meet，所述meet为超实时机电暂态仿真工具；

嵌入式高性能通信平台，用于当所述meet与所述外围设备的通信闭环时，对输入和输出的数据转化或反转化；

外围设备，用于与所述嵌入式高性能通信平台数据交互。

进一步的，所述meet用于采用控制语句与固定列的文本格式数据进行数字建模。

进一步的，所述meet解算不超过15000个节点的大电网系统，支持单独的离线机电暂态仿真，连续稳定运行大于48小时。

进一步的，所述外围设备，至少包括：商用仿真器、电网安全稳定控制系统、物理控制器、物理保护装置、电力一次设备、facts设备等动模仿真系统。

进一步的，所述仿真计算的变量包括状态量、代数量、输出量，其中，所述状态量、代数量、输出量存储在存储器上，通过数据总线进行共享和发送。

进一步的，所述实时仿真核心模块与所述外围设备通信，包括：

所述嵌入式高性能通信平台将数据总线上的逻辑量、整数、浮点数转化为开关量、模拟量或数字量存储在存储器上，通过数据总线将开关量、模拟量或数字量进行共享和输出给所述外围设备；

反向接口则通过反向转化，将所述外围设备的输入数据输入到所述仿真计算的计算核心。

进一步的，所述商用仿真器与所述嵌入式高性能通信平台数据交互之前，基于所述商用仿真器的专用接口协议和数据交互规则，建立所述嵌入式高性能通信平台的硬件驱动和数据交互机制。

进一步的，所述meet与所述外围设备的通信闭环包括：meet与商用仿真器的通信闭环、meet与商用仿真器-动模仿真系统/facts设备的闭环、安全稳定控制系统/物理保护装置-meet-商用仿真器的通信闭环。

进一步的，所述meet与商用仿真器的通信闭环，包括：

s11：设置电磁暂态仿真步长为dt，机电暂态仿真步长为dt，且满足dt＝n×dt，其中，n是非零正整数，电磁暂态仿真与机电暂态仿真交互步长为dt；在所述步骤s11之前，电磁暂态仿真中在接口处用电压源等值机电暂态侧子网，机电暂态仿真中在接口处用功率源等值电磁暂态侧子网；

s12：机电暂态侧解算一个仿真步长dt，得到接口量电压幅值和电压相位；

s13：电磁暂态侧解算n个计算步长dt，得到接口处单步长基波功率p1、p2、p3、……、pn；

s14：利用电磁暂态侧接口处交互步长起始时刻基波功率p0和交互步长中各电磁暂态步长基波功率p1、p2、p3、……、pn，计算得到电磁暂态侧接口功率

s15：嵌入式高性能通信平台实时读取meet接口量电压幅值、电压相位；

s16：嵌入式高性能通信平台接收到电压幅值、电压相位后发送到商用仿真器的输入/输出通信模块；

s17：商用仿真器的输入/输出通信模块接收到电压幅值和电压相位后进行电磁仿真并更新边界条件；

s18：嵌入式高性能通信平台实时读取到电磁暂态侧接口功率后转发至meet程序进行仿真求解和边界条件更新；

s19：进入下一交互步长的解算，重复所述步骤s12-s18。

进一步的，所述meet与商用仿真器-动模仿真系统/facts设备的闭环，包括：

s20：重复所述步骤s11-s19；

s21：商用仿真器经自带的i/o模块输出各状态量到传感测量模块/功率放大器，其中，所述各状态量包括开关量、模拟量和数字量；

s22：传感测量模块/功率放大器将所述各状态量接收并发送到动模仿真系统/facts设备；

s23：动模仿真系统/facts设备的所述各状态量经模数转换或功率缩小后送至所述商用仿真器；

s24：进入下一交互步长的解算，重复所述步骤s12-s23。

进一步的，所述安全稳定控制系统/物理保护装置-meet-商用仿真器的通信闭环，包括：

s31：重复所述步骤s11-s19；

s32：嵌入式高性能通信平台通过数据总线实时读取meet仿真数字量，并将所述数字量转化为所述模拟量发送至安全稳定控制系统/物理保护装置；

s33：嵌入式高性能通信平台实时读取安全稳定控制系统/物理保护装置仿真所述模拟量，并将所述模拟量转化为所述数字量发送至meet；

s34：进入下一交互步长的解算，重复所述步骤s31-s33。

进一步的，所述步骤s11、s20和s31之前必须进行硬件安装，其中，所述硬件安装包括：

用光纤把嵌入式高性能通信平台的fpga通信卡光口连接到所述商用仿真器的与所述商用仿真器相连的开放光口，所述嵌入式高性能通信平台采用中断机制实时读取/发送meet与所述商用仿真器的双侧状态数据。

进一步的，所述步骤s32之前必须进行硬件安装，其中，所述步骤s32之前进行的所述硬件安装包括：

采用光纤将嵌入式高性能通信平台的pci-e扩展卡与数模信号转换箱连接；

采用端子排线将数模信号转换箱的模拟量输出端与安全稳定控制系统/物理保护装置的模拟量输入端连接；

采用端子排线把数模信号转换箱的模拟量输入端与安全稳定控制系统/物理保护装置的模拟量输出端连接。

本发明的有益效果：通过该平台，弥补了机电暂态仿真不能对高压直流、柔性直流系统、facts设备和装置进行准确细致模拟的缺陷；解决了全电磁暂态仿真平台建模复杂度高、模型参数维护难度大、仿真规模受限、经效比低等不足和问题；多模式混合实时仿真平台适用于系统级暂态特性相关问题的研究和控制保护技术的研发，系统级保护装置的测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据现本发明实施例的一种多模式一体化混合实时仿真平台的结构示意图；

图2示出了根据现本发明实施例的交直流大电网计算核心接入facts设备元件的仿真模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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、2所示，一种多模式一体化混合实时仿真平台，包括：

实时仿真核心模块，用于接收外围设备输入转化的数据，与所述外围设备通信，所述实时仿真核心模块包括仿真计算，其中，所述仿真计算的计算内核为meet，所述meet为超实时机电暂态仿真工具；

嵌入式高性能通信平台，与所述外围设备通信，用于当所述meet与所述外围设备的通信闭环时，对输入和输出的数据转化或反转化；

外围设备，用于与所述嵌入式高性能通信平台数据交互。

在本发明的一些实施例中，所述meet用于采用控制语句与固定列的文本格式数据进行数字建模。

在本发明的一些实施例中，所述meet解算不超过15000个节点的大电网系统，支持单独的离线机电暂态仿真，连续稳定运行大于48小时。

在本发明的一些实施例中，所述外围设备，至少包括：商用仿真器、电网安全稳定控制系统、物理控制器、物理保护装置、电力一次设备、facts设备等动模仿真系统。

在本发明的一些实施例中，所述仿真计算的变量包括状态量、代数量、输出量，其中，所述状态量、代数量、输出量存储在存储器上，通过数据总线进行共享和发送。

在本发明的一些实施例中，所述实时仿真核心模块与所述外围设备通信，包括：

所述嵌入式高性能通信平台将数据总线上的逻辑量、整数、浮点数转化为开关量、模拟量或数字量存储在存储器上，通过数据总线将开关量、模拟量或数字量进行共享和输出给所述外围设备；

反向接口则通过反向转化，将所述外围设备的输入数据输入到所述仿真计算的计算核心。

在本发明的一些实施例中，所述商用仿真器与所述嵌入式高性能通信平台数据交互之前，基于所述商用仿真器的专用接口协议和数据交互规则，建立所述嵌入式高性能通信平台的硬件驱动和数据交互机制。

在本发明的一些实施例中，所述meet与所述外围设备的通信闭环包括：meet与商用仿真器的通信闭环、meet与商用仿真器-动模仿真系统/facts设备的闭环、安全稳定控制系统/物理保护装置-meet-商用仿真器的通信闭环。如图1所示，meet与商用仿真器的通信闭环模块为，嵌入式高性能通信平台与商用仿真器自带专用接口交互，以及嵌入式高性能通信平台与商用仿真器自带专用接口交互后，通过数据总线与交直流大电网多模式一体化混合实时仿真核心交互；meet与商用仿真器-动模仿真系统/facts设备的闭环模块包括meet与商用仿真器的通信模块和动模仿真系统/facts设备模块交互，动模仿真系统/facts设备模块包括电力一次设备动模仿真系统与传感量测、功率放大等模块交互，传感量测、功率放大等模块通过开关量/模拟量与meet与商用仿真器的通信模块交互，电力一次设备动模仿真系统与meet与商用仿真器的时标通信模块通过数字量等交互；安全稳定控制系统/物理保护装置-meet-商用仿真器的通信闭环包括安全稳定控制系统、物理控制器、物理保护装置通过开关量、模拟量、数字量等与meet与商用仿真器的通信模块交互。

meet与商用仿真器的通信闭环，包括：

s11：设置电磁暂态仿真步长为dt，机电暂态仿真步长为dt，且满足dt＝n×dt，其中，n是非零正整数，电磁暂态仿真与机电暂态仿真交互步长为dt；在所述步骤s11之前，电磁暂态仿真中在接口处用电压源等值机电暂态侧子网，机电暂态仿真中在接口处用功率源等值电磁暂态侧子网；

s12：机电暂态侧解算一个仿真步长dt，得到接口量电压幅值和电压相位；

s13：电磁暂态侧解算n个计算步长dt，得到接口处单步长基波功率p1、p2、p3、……、pn；

s14：利用电磁暂态侧接口处交互步长起始时刻基波功率p0和交互步长中各电磁暂态步长基波功率p1、p2、p3、……、pn，计算得到电磁暂态侧接口功率

s15：嵌入式高性能通信平台实时读取meet接口量电压幅值、电压相位；

s16：嵌入式高性能通信平台接收到电压幅值、电压相位后发送到商用仿真器的输入/输出通信模块；

s17：商用仿真器的输入/输出通信模块接收到电压幅值和电压相位后进行电磁仿真并更新边界条件；

s18：嵌入式高性能通信平台实时读取到电磁暂态侧接口功率后转发至meet程序进行仿真求解和边界条件更新；

s19：进入下一交互步长的解算，重复所述步骤s12-s18。meet与商用仿真器-动模仿真系统/facts设备的闭环，包括：

s20：重复所述步骤s11-s19；

s21：商用仿真器经自带的i/o模块输出各状态量到传感测量模块/功率放大器，其中，所述各状态量包括开关量、模拟量和数字量；

s22：传感测量模块/功率放大器将所述各状态量接收并发送到动模仿真系统/facts设备；

s23：动模仿真系统/facts设备的所述各状态量经模数转换或功率缩小后送至所述商用仿真器；

s24：进入下一交互步长的解算，重复所述步骤s12-s23。

安全稳定控制系统/物理保护装置-meet-商用仿真器的通信闭环，包括：

s31：重复所述步骤s11-s19；

s32：嵌入式高性能通信平台通过数据总线实时读取meet仿真数字量，并将所述数字量转化为所述模拟量发送至安全稳定控制系统/物理保护装置；

s33：嵌入式高性能通信平台实时读取安全稳定控制系统/物理保护装置仿真所述模拟量，并将所述模拟量转化为所述数字量发送至meet；

s34：进入下一交互步长的解算，重复所述步骤s31-s33。

在本发明的一些实施例中，所述步骤s11、s20和s31之前必须进行硬件安装，其中，所述硬件安装包括：用光纤把嵌入式高性能通信平台的fpga通信卡光口连接到所述商用仿真器的与所述商用仿真器相连的开放光口，所述嵌入式高性能通信平台采用中断机制实时读取/发送meet与所述商用仿真器的双侧状态数据。

在本发明的一些实施例中，所述步骤s32之前必须进行硬件安装，其中，所述步骤s32之前进行的所述硬件安装包括：采用光纤将嵌入式高性能通信平台的pci-e扩展卡与数模信号转换箱连接；采用端子排线将数模信号转换箱的模拟量输出端与安全稳定控制系统/物理保护装置的模拟量输入端连接；采用端子排线把数模信号转换箱的模拟量输入端与安全稳定控制系统/物理保护装置的模拟量输出端连接。

多模式一体化混合实时仿真平台计算核心为多模式、多尺度混合实时仿真，“多模式”指将多种建模方式求解计算模式的仿真进行接口，联立对一个大电网进行仿真模拟，电磁-机电建模，机电+电磁+物理装置建模是典型的多模式建模方式，多模式建模有节约仿真资源、灵活组网等特点。

电力系统实质上是一个集电磁暂态、机电暂态、中长期动态等多个时间尺度为一体的复杂的大规模非线性系统，“多尺度”模式的数字仿真应采用不同的建模细度，如对所需研究系统进行小步长精细建模，而对于外部大系统可采用机电仿真程序进行仿真计算的机电-电磁混合仿真，同时不同的建模细度在求解步长时存在步长转换和平滑接口等问题。

如图1所示，电网实际物理装置和待测装置，需要外围扩展接口将这些外围设备和装置接入混合实时仿真计算核心。

如图2所示，电网部分为电磁暂态仿真与大规模发输配用电网机电暂态仿真接口，针对大容量电力电子设备接入的现状和趋势，如新能源接入、轻型直流投运等，通过多模式、多尺度混合适时仿真接口进一步具体化接入facts设备元件的仿真模块。

多模式一体化混合实时仿真平台的计算核心是多模式、多尺度混合实时仿真接口，将不同模式的仿真技术结合起来，多模式一体化混合仿真实时仿真平台组件主要包括：(1)交直流大电网多模式一体化混合仿真实时仿真核心(2)嵌入式高性能通信平台(3)商用仿真器3部分。

(1)交直流大电网多模式一体化混合仿真实时仿真核心

此计算内核为超实时机电暂态仿真工具meet(mixedelectromechanicalelectromagneticrealtimesimulation)，meet采用控制语句与固定列的文本格式数据进行数字建模，在大规模网络建模和编辑时易于批量处理，该程序可解算不超过15000节点大电网系统，支持单独的离线机电暂态仿真，连续长时间稳定运行＞48小时，可快速建立初稳态等特点。

(2)嵌入式高性能通信平台

嵌入式高性能通信平台为基于fpga板卡与pci-e扩展板卡自主开发的实时通信系统，主要功能是实现meet与商用仿真器、电网安稳系统、物理控制器、物理保护装置、电力一次设备、动模仿真系统、等外围设备的通信闭环。对计算机平台上的机电暂态仿真meet和模块化facts设备元件仿真(硬件平台为计算机或dsp、fpga系统)，可以将混合实时仿真计算核心的计算机系统的数据总线通过基于嵌入式的高性能通讯平台扩展，经过输出和量测转化，与外围设备双向交换数据。

交直流大电网多模式混合实时仿真计算中包含状态量、代数量、输出量在内的变量均在存储器上存储，并可以通过数据总线进行共享和送出，同样，外围设备也可将接口量输入到混合实时仿真计算核心，与混合实时仿真计算核心构成闭环，其数据交互过程概括为：

1)嵌入式高性能通信平台将数据总线上的逻辑量、整数、浮点数转化为模拟量或遵循一定协议的数字量均在存储器上存储，通过数据总线进行共享和送出给外围设备；

2)反向接口则通过反向转化，将外围设备的输出量输入到计算核心；从而实现外围设备接口数据双向流动，相接形成闭环。

(3)商用仿真器

meet与商用仿真器的通信闭环，包括：

硬件安装流程：用光纤把嵌入式高性能通信平台的fpga通信卡光口连接到商用仿真器的与其相连的开放光口，嵌入式高性能通信平台采用中断机制实时读取/发送meet与商用仿真器的双侧状态数据；

s11：设置电磁暂态仿真步长为dt，机电暂态仿真步长为dt，且满足dt＝n×dt，其中，n是非零正整数，电磁暂态仿真与机电暂态仿真交互步长为dt；在所述步骤s11之前，电磁暂态仿真中在接口处用电压源等值机电暂态侧子网，机电暂态仿真中在接口处用功率源等值电磁暂态侧子网；

s12：机电暂态侧解算一个仿真步长dt，得到接口量电压幅值和电压相位；

s13：电磁暂态侧解算n个计算步长dt，得到接口处单步长基波功率p1、p2、p3、……、pn；

s14：利用电磁暂态侧接口处交互步长起始时刻基波功率p0和交互步长中各电磁暂态步长基波功率p1、p2、p3、……、pn，计算得到电磁暂态侧接口功率

s15：嵌入式高性能通信平台实时读取meet接口量电压幅值、电压相位；

s16：嵌入式高性能通信平台接收到电压幅值、电压相位后转发至商用仿真器的输入/输出通信模块；

s17：商用仿真器的输入/输出通信模块接收到电压幅值和电压相位后进行电磁仿真并更新边界条件；

s18：嵌入式高性能通信平台实时读取到电磁暂态侧接口功率后转发至meet程序进行仿真求解和边界条件更新；

s19：进入下一交互步长的解算，重复所述步骤s12-s18。

meet与商用仿真器-动模仿真系统/facts设备的闭环，包括：

s20：重复步骤s11-s19，在进行步骤s20前要进行和步骤s11前一样的硬件安装。

s21：商用仿真器经自带的i/o模块输出各状态量到传感测量模块/功率放大器，其中，所述各状态量包括开关量、模拟量和数字量；

s22：传感测量模块/功率放大器将所述各状态量接收并发送到动模仿真系统/facts设备；

s23：动模仿真系统/facts设备的所述各状态量经模数转换或功率缩小后送至所述商用仿真器；

s24：进入下一交互步长的解算，重复步骤s12-s23。

安全稳定控制系统/物理保护装置-meet-商用仿真器的通信闭环，包括：

s31：重复步骤s11-s19，在进行步骤s31前要进行和步骤s11前一样的硬件安装。

s32：用光纤把嵌入式高性能通信平台的pci-e扩展卡连接到数模信号转换箱；

s33：用端子排线把数模信号转换箱的开关量/模拟量输出端连接到安全稳定控制系统/物理保护装置的开关量/模拟量输入端，其中，模拟量至少包括开关量；

s34：用端子排线把数模信号转换箱的开关量/模拟量输入端连接到安全稳定控制系统/物理保护装置的开关量/模拟量输出端；

其中，上述s32-s34为硬件安装过程为进行下边步骤s35做准备工作。

s35：嵌入式高性能通信平台通过数据总线实时读取meet仿真状态数据，并将这些数字状态量转化为模拟量发送至安全稳定控制系统/物理保护装置；

s36：嵌入式高性能通信平台实时读取安全稳定控制系统/物理保护装置仿真状态数据，并将这些模拟状态量转化为数字量发送至meet。

s37：进入下一交互步长的解算，重复步骤s31-s36。

本发明通过该平台，弥补了机电暂态仿真不能对高压直流、柔性直流系统、fact5设备和装置进行准确细致模拟的缺陷；解决了全电磁暂态仿真平台建模复杂度高、模型参数维护难度大和计算资源占用大、仿真规模受限、经效比低等不足和问题；多模式混合实时仿真平台适用于系统级暂态特性相关问题的研究和控制保护技术的研发，系统级保护装置的测试。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。