复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法

复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法
【专利摘要】本发明提出一种复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法，旨在解决现有复杂配电网多时间尺度建模、仿真、以及复杂配电网仿真精度与效率方面的问题。本发明提出了复杂配电网多时间尺度数模混合仿真方案，设计了数模混合接口装置及协调机制，可以有效实现复杂配电网设备(如含复杂拓扑结构、新型控制策略等的电力电子设备)的多时间尺度实时仿真以及包含风机、光伏、燃气轮机等分布式电源、电动汽车并/离网及与配电网交互影响的多时间尺度仿真分析。该发明从能够推动新一代配电网最前沿新技术的发展，提高配电网运行控制与分析水平，从配电网规划、设计、调控运行等角度对电网生产经营、管理提供更有力、更长远、更深入的支撑。
【专利说明】
复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种仿真系统及其仿真方法，具体涉及一种复杂配电网多时间尺度数 模混合仿真系统及其仿真方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着供电需求增长及配电网技术的发展，配电网规模不断扩大、结构日益 复杂，其规模大、节点多、设备杂、运行方式多的特点日益突出。同时，可再生能源并网技术、 新型电力电子技术的发展迅猛;在配电网侧，大量的分布式电源、微电网、大容量充电器、储 能系统等接入，配电网运行方式日益复杂，配电网结构和参数具有明显的分散性、不对称性 和多元性。
[0003] 配电网多时间尺度仿真是提高运行和分析决策能力的有力工具。现阶段的配电网 多时间尺度仿真方法主要有两种:配电网物理仿真和配电网全数字多时间尺度仿真。物理 仿真是采用实际的物理真型设备或者等比例缩小的物理设备进行仿真模拟的过程，仿真结 果精细、可信度高;但缺点是受限于仿真规模，周期长，硬件设备往往比较昂贵，维护和操作 难度较大;配电网全数字多时间尺度仿真成本低、计算快速、耗时短，可以仿真较大规模的 配电网网络，但是由于仿真对象复杂性的限制，仿真计算结果的准确性不如物理仿真；同 时，由于配电网本身具有规模大、设备类型多、结构与参数不对称等特点，以及含复杂控制 策略的分布式电源接入，导致配电系统多时间尺度实时仿真的实现较为困难。
[0004] 复杂配电网仿真过程具有较为鲜明的多时间尺度特性，包括稳态仿真和暂态仿 真；而暂态仿真又可分为电磁多时间尺度过程与机电多时间尺度过程。与传统电力系统相 比，复杂配电网有其自身特点，主要体现在：1)新型元件种类繁多且形式各异，既有静止的 直流型电源，又有旋转的交流电机;2)复杂配电网控制复杂，包括分布式电源逆变器及储能 元件自身的控制、电力电子设备的控制以及网络层面的电压与频率调节等;3)大部分分布 式电源需通过电力电子变流器向电网或负荷供电;4)许多分布式电源的出力具有间歇性和 随机性，往往需要储能设备、功率补偿装置以及其它种类分布式电源的配合才能达到较好 的动、静态性能;5)中小容量的分布式电源大多接入中低压配电网，此时网络参数与负荷的 不对称性大大增加，此外，用户侧的分布式电源可能通过单相逆变器并网，更加剧了系统的 不对称性。
[0005] 因此，复杂配电网的运行状态会随着环境条件的变化、负荷需求的增减、电源出力 的调整、运行方式的改变以及故障或扰动的发生而不断变化，其多时间尺度过程也将更为 复杂，相对于传统电力系统，复杂配电网的时间尺度跨度更大，动态过程间的耦合更紧密。 如图1示意了复杂配电网不同仿真过程对应的时间尺度。近年来，随着供电需求增长及配电 网技术的发展，配电网规模不断扩大、结构日益复杂，其规模大、节点多、设备杂、运行方式 多的特点日益突出。同时，可再生能源、新能源技术发展与投入力度的加大，在配电网侧，大 量的分布式电源、微电网、大容量充电器、储能系统等接入配电网，运行方式日益复杂，配电 网结构和参数具有明显的独特性、不对称性和多元性。
[0006] 配电网暂态仿真是提高运行能力和分析决策能力的有力工具。现阶段的配电网暂 态仿真方法主要有两种:配电网物理仿真和配电网全数字暂态仿真。物理仿真是采用实际 的物理真型设备或者等比例缩小的物理设备进行仿真模拟的过程，仿真结果精细、可信度 高，但缺点是受限于仿真规模，周期长，硬件设备往往比较昂贵，维护和操作难度较大;配电 网全数字暂态仿真成本低，计算迅速，耗时短，可以仿真较大规模的配电网网络，但是由于 仿真对象复杂性的限制，仿真计算结果的准确性不如物理仿真，精度不够，同时，由于配电 网本身具有规模大、设备类型、结构与参数具有不对称等特点，以及含复杂控制策略的分布 式电源接入，导致配电系统暂态实时仿真的实现较为困难。
[0007] 复杂配电网暂态过程具有较为鲜明的时间尺度特性，可分为电磁暂态过程与机电 暂态过程。与传统电力系统相比，复杂配电网有其自身特点，主要体现在：1)新型元件种类 繁多且形式各异，既有静止的直流型电源，又有旋转的交流电机;2)复杂电网控制复杂，包 括分布式电源及储能元件自身的控制，电力电子变流器的控制以及网络层面的电压与频率 调节等;3)大部分分布式电源需通过电力电子变流器向电网或负荷供电；4)许多分布式电 源的出力具有间歇性和随机性，往往需要储能设备、功率补偿装置以及其它种类分布式电 源的配合才能达到较好的动、静态性能;5)中小容量的分布式电源大多接入中低压配网，此 时网络参数与负荷的不对称性大大增加，此外，用户侧的分布式电源可能通过单相逆变器 并网，更加剧了系统的不对称性。
[0008] 因此，复杂配电网的运行状态会随着环境条件的变化、负荷需求的增减、电源出力 的调整、运行方式的改变以及故障或扰动的发生而不断变化，其暂态过程也将更为复杂，相 对于传统电力系统其时间尺度跨度更大，动态过程间的耦合更紧密。如图1示意了复杂配电 网不同暂态过程对应的时间尺度。
[0009] 在电网数字仿真、模拟仿真与数模混合仿真方面，已有典型的相关发明如下：
[0010] (1)发明申请号：201310153712.2,发明名称:基于全网数据的配电网仿真研究分 析系统及方法。此项发明公开了配电网数字仿真系统中数据层、平台层、应用层等各层次的 技术特征。但该技术面向传统配电网稳态过程仿真，不具备分布式电源、电力电子装置、柔 性交直流设备等元件的详细模型，仿真速度慢，无法实现配电网实时仿真与暂态仿真。
[0011] (2)发明申请号：201410602141.0,发明名称:复杂配电网模拟仿真系统。此项发明 公开了配电网模拟仿真系统中电源模拟单元、线路模拟单元、负荷模拟单元、控制模拟单 元、保护模拟单元等5大模块的技术特征。然而，对于该配电网模拟仿真系统，设备造价高， 占地面积大，仿真场景单一，无法实现配电网多类场景仿真。
[0012] (3)发明申请号：201310283532.6，发明名称:一种功率级数模混合仿真系统。此项 发明公开了数模混合仿真系统中硬件电路与数字模型的技术特征，侧重于阐述功率连接接 口的拓扑结构和工作原理。然而，利用该数模混合仿真系统进行暂态仿真，存在数字侧与模 拟侧之间不同步的问题。此外，现有技术面向对象为输电网，在元件建模、过程建模、算法求 解、功能设置等方面无法满足具备多分段、多联接、多运行状态，高R/X比、规模大、结构复 杂、点多面广等特征的复杂配电网仿真需求。
[0013] 可以看出，上述发明均具有一定的缺陷，因此，需要寻求新的仿真系统及仿真方 法。

【发明内容】

[0014] 为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种复杂配电网多时间尺度数模混 合仿真系统及其仿真方法，该方法对于传统配电网单元部分，采用多时间尺度数字多时间 尺度实时仿真，对于内部机理尚未研究深入、不容易用数字公式表达、建模难度大、仿真精 度高的设备和网络则采用物理真型或等比例缩小的物理模拟设备进行模拟，数字部分和模 拟部分通过数模混合接口单元及同步机制进行联合实时仿真。
[0015] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0016] 本发明提供一种复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其改进之处在于:所 述数模混合仿真系统用于实现交流电网、直流电网、交直流混合电网的基于单一电压等级、 多电压等级的多时间尺度数模混合仿真，所述数模混合仿真系统包括：
[0017] 数字仿真系统:用于对含分布式电源的配电网进行数模混合暂态仿真；
[0018] 数模混合接口装置:用于数据协调和时间一致性的同步；
[0019] 物理模拟电路:用于搭建复杂配电网拓扑结构；
[0020] 底层设计模块:用于对数字仿真系统的仿真层提供实时同步仿真技术和对数字仿 真系统和数模混合接口装置提供基于FPGA的时间调整技术；
[0021] 所述数字仿真系统和物理模拟电路通过数模混合接口装置连接，构成硬件在环路 的多时间尺度仿真系统。
[0022]进一步地:所述数字仿真系统的设计包括：交互层设计、建模层设计和仿真层设 计;所述交互层设计用于负责与用户的可视化交互，并采用建模层所建立的元件模型图形， 搭建仿真电路，进行仿真元件参数设置;建模层设计用于负责仿真元件数学建模、元件的参 数定义、参数估计和验证以及元件图形外观的设计;所述仿真层设计为在交互层的指令下， 基于建模层所建立的仿真元件数学模型，参考相应的仿真元件参数设置，对交互层所搭建 的仿真电路进行仿真计算，包括电气系统与控制系统并行计算的设计和基于FPGA的数字框 架的设计。
[0023]进一步地:底层设计模块采用基于可逻辑编程的FPGA进行硬件加速数字仿真，同 时采用多FPGA分区并行的方法来加速配电网系统级数字仿真速度。
[0024]进一步地:所述数模混合接口装置包括：
[0025]数据采集单元:用于将模拟建模层搭建的仿真电路的电压和电流信号进行采集并 传送给数字仿真系统；
[0026] 功率放大单元：用于实现数字仿真系统电流信号功率放大，将数字信号变为真实 的电流信号参与物理模拟电路的运行；
[0027] 开关信号单元：用于实现数字仿真系统和物理模拟电路之间开关信号的隔离传 送。
[0028] 进一步地:所述数据采集单元包括依次连接的数据缓冲区，A/D数据采集器和电压 调理单元;物理模拟电路的电压和电流信号经过互感器或传感器转变为低电压或低电流信 号，传送到数模混合接口装置，数模混合接口装置的AD数据采集器将模拟信号转变为数字 信号，数模采集单元的数据缓冲区暂时缓存上述数字信号；
[0029] 所述功率放大单元包括依次连接的D/A数模转换器和功率放大器;首先数字仿真 系统的信号通过DA数模转换器，将数字仿真系统的电流数字信号转换为模拟的电压信号， 模拟的电压信号通过电流功率放大器转换为与数字量相对应的电流；
[0030] 所述开关信号单元采用隔离器件进行隔离，所述开关信号单元的作用为：1)将数 字仿真系统的开关指令直接下发给物理模拟电路执行;2)将物理模拟电路的开关状态传送 给上位机的数字部分。
[0031] 进一步地:采用基于FPGA的时间调整技术达到数字仿真系统和物理模拟电路实时 同步的目的，基于FPGA的时间调整技术为:高速FPGA记录数字仿真系统的读取信号，并根据 读取信号记录数字系统的计算周期时间，在数字仿真系统下一次读取到来之前的时间点△ T准时驱动A/DA/D信号转换器，将模拟数据进行AD转换，提供给数字仿真系统。
[0032] 进一步地:所述物理模拟电路用于实现多个电压等级配电网模拟仿真，包括电源 模拟单元、线路模拟单元、负荷模拟单元、保护模拟单元、监控模拟单元和物理同步模块;所 述物理模拟电路能够仿真的对象包括单一电压等级或者多个电压等级的无源配电网、有源 配电网、闭环运行配电网、交直流混合配电网配电网类型。
[0033]进一步地:为所述物理模拟电路设计端子柜，端子柜中的端子与电力物理元件的 接线端口连接，在所述端子柜上画上每个元件标示符号，并贴上名称和接线端口号。
[0034]进一步地:为每个电力物理元件设计唯一对应的模型，根据所需设计的模型结构 进行画线连接，上位机自动识别出元件间的连接关系，并生成连接列表，所述连接列表包含 每个元件的编号、元件的端口号，以及各个元件各个端口之间的连接关系。
[0035]进一步地:上位机根据电力物理元件间的拓扑关系自动生成接线列表的过程为： 上位机根据电力物理元件序号由小到大依次遍历所有元件，并且根据端口号由小到大依次 遍历元件所有端口，形成连接列表，并将首次遍历到的元件序号和端口号记为新节点的主 元件序号和端口号。
[0036] 进一步地:所述复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统的仿真功能包括：1)物 理模拟电路监控数字仿真系统:模型实时潮流运行状态仿真全部在数字仿真系统进行，物 理模拟电路监控与保护装置对数字仿真系统的运行状态进行监控，如果数字仿真系统运行 某时刻发生事件或故障，则物理模拟电路真实的监控和保护装置依照该事件或故障及时动 作，并将动作信号通过数模混合接口装置装置传递到数字仿真系统，达到对物理模拟电路 监控与保护装置进行测试的目的；2)数字仿真系统监控物理模拟电路:物理模拟电路按照 既定的场景搭建仿真拓扑，其运行状态通过数模混合接口装置传送到数字仿真系统，数字 仿真系统的监控与保护模块对物理模拟的真实运行状态进行监测，达到数字仿真系统对物 理模拟电路进行监控的目的；3)复杂配电网数字暂态和稳态分别计算的数模混合仿真：系 统分为计算复杂配电网电网模型的仿真计算机和用于计算机电暂态和电磁暂态模型的实 时仿真机，两个系统通过高速通讯联接，实时仿真系统通过功率放大器与物理模拟电路连 接。
[0037] 本发明还提供一种复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统的仿真方法，其改进 之处在于，所述仿真方法包括下述三种场景：（1)复杂配电网运行在数字仿真系统的数模混 合仿真；（2)复杂配电网运行在物理模拟设备部分的数模混合仿真；（3)复杂配电网数字暂 态和稳态分别计算的数模混合仿真；以以上三种基本形式为基础，数字仿真系统和物理模 拟电路中的模块均独立运行，并且数字仿真系统整体或部分参与物理模拟电路的数模混合 仿真，物理模拟电路的全部或部分设备参与数字仿真系统的数模混合仿真。
[0038] 与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
[0039] (1)本发明提出的一种复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法， 可以实现对大规模复杂配电网进行多时间尺度实时仿真，仿真实时性高、精确度高、稳定性 好；
[0040] (2)本发明提出的一种复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法， 将难以准确建模的设备用等比例缩放的物理真型设备进行模拟，将其余部分用数字仿真模 拟，可以实现数模多时间尺度仿真之间的同步，实时、高效、简便，同时不失准确性；
[0041] (3)本发明可实现包含传统配电网及分布式电源、微电网、电动汽车/充放电装置、 智能化设备/系统、自动化/信息化系统、直流电网、交直流混合电网、闭环运行电网、电力电 子逆变装置等新要素的复杂配电网稳态、多时间尺度仿真试验；
[0042] (4)本发明仿真功能全面，包含具备不同拓扑、不同接地方式下配电网的故障、动 静态潮流等仿真功能，可以实现无穷大电源或孤立运行的一个或多个电压等级配电网的仿 真分析；
[0043] (5)本发明仿真结果可重复、可靠、真实，能够客观的反映真实复杂配电网的运行 规律与特性；
[0044] (6)本发明采用的技术前沿、装备成熟可靠，仿真系统易于实现，采用模块化设计， 拓扑改变方式灵活，操作便利；
[0045] (7)本发明提出的一种复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法， 数字部分采用基于多CPU的并行分布式仿真以及基于FPGA的小步长数字仿真实现，模拟部 分用经过缩放的物理真型设备模拟，通过由数据采集单元、电流功率放大单元以及开关信 号单元组成的数模混合接口进行连接，可以保证数字仿真过程与模拟系统实际运行时间保 持一致，仿真速度快，最大程度保证了多时间尺度仿真贴近真实运行工况。
【附图说明】
[0046] 图1是复杂配电网各动态过程时间尺度示意图；
[0047] 图2是本发明提供的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法具体 实施例示意图；
[0048]图3是本发明提供的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法原理 图；
[0049] 图4是本发明提供的复杂配电网数模混合仿真系统总体结构图；
[0050] 图5是本发明提供的基于FPGA小步长数字暂态仿真部分原理图；
[0051 ]图6是本发明提供的基于FPGA的数字侧仿真架构图；
[0052]图7是本发明提供的复杂配电网数字仿真求解框架图；
[0053] 图8是本发明提供的复杂配电网电气系统与控制系统并行计算方法图；
[0054] 图9是本发明提供的复杂配电网设备元件多时间尺度建模方法技术图；
[0055] 图10是本发明提供的变步长仿真算法流程图；
[0056]图11是本发明提供的数据共享前后各处理器缓存状态比较图；
[0057]图12是本发明提供的基于FPGA的时间调整策略图；
[0058] 图13本发明提供的电网电源模拟装置构成图；
[0059] 图14是本发明提供的分布式电源模拟装置构成图；
[0060] 图15是本发明提供的线路模拟单元构成构成图；
[0061] 图16是本发明提供的负荷模拟单元构成图；
[0062] 图17是本发明提供的物理模拟设备灵活拓扑结构设计方法流程图；
[0063]图18是本发明提供的数模混合接口装置原理图；
[0064] 图19是本发明提供的复杂配电网运行在数字仿真部分的数模混合仿真示意图；
[0065] 图20是本发明提供的复杂配电网运行在模拟设备部分的数模混合仿真示意图；
[0066] 图21是本发明提供的复杂配电网数字暂态和稳态分别计算的数模混合仿真示意 图。
【具体实施方式】
[0067] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0068] 以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够 实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例 仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以 变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发 明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同 物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语"发明"来表示，这仅仅是 为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任 何单个发明或发明构思。
[0069] 本发明提出了一种复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法，该方 法对于传统配电网单元部分，采用多时间尺度数字多时间尺度实时仿真，对于内部机理尚 未研究深入、不容易用数字公式表达、建模难度大、仿真精度高的设备和网络则采用物理真 型或等比例缩小的物理模拟设备进行模拟，数字部分和模拟部分通过数模混合接口单元及 同步机制进行联合实时仿真。下面分别详细说明主要涉及的3个部分：
[0070] (1)复杂配电网数模混合仿真中数字侧部分
[0071] 1)为了对含分布式电源的配电网进行多时间尺度仿真，仿真步长要求较小，尤其 是对含高频开关信号的电力电子接口分布式电源的多时间尺度仿真。本发明中采用基于 FPGA(Field Programmable Gate Array)的仿真技术，底层利用FPGA的可编程逻辑资源实 现硬件加速，仿真步长可以达到5ys以下。
[0072] 2)由于仿真步长较小，仿真计算量增大，为了保证仿真速度与外接物理仿真装置 的实时同步性，内部采用模型分解技术，对配电网数字模型进行优化分块，以馈线、变电站 及所属馈线、若干变电站构成的供电区域、整个配电系统为仿真对象进行数字分割，分割过 程可以依据复杂度和计算量均衡、问题研究需要的原则进行，分割后的分区模块可以采用 多CPU分块计算的方法进行高速并行运算与加速。对仿真模型进行不同角度拆分时，仿真模 型的运行状态和仿真结果不同，不同模型所在CPU间的同步直接影响仿真的效果，并且功率 接口的延迟也为仿真造成影响，所以本发明针对仿真同步问题进行了详细的考虑与设计。
[0073] 3)为实现复杂配电网多时间尺度仿真，需对配电网设备元件进行多时间尺度建 模。根据分布式电源、电力电子装置、充电粧等复杂配电网设备元件的内部机理，以及其在 复杂配电网各类响应过程中的动态或静态特性，建立复杂配电网设备元件多时间尺度模 型，表现形式包括微分方程、非线性代数方程、分段线性方程等。
[0074] (2)物理真型模拟。对于运行机理不明晰，建模复杂，难以表达的物理单元可以用 物理系统或设备进行模拟。配电网物理真型模拟是基于相似原理采用等比例缩放的物理设 备来模拟实际运行的配电网设备。根据相似理论，一个配电系统的静态、动态与多时间尺度 物理量与另一配电系统的相应物理量之间存在固定的比例系数，当两个配电系统或设备在 几何、性能、结构、行为过程等方面具有一定的相似性时，可以从其中一种配电系统或设备 推理另一等比例的配电系统或设备的特性。因此，可以根据经济性原则，用等比例缩小的物 理真型设备模拟实际的物理设备性能。本发明设置并进行物理多时间尺度性能模拟的设备 和系统包括6类单元：电源模拟单元、线路模拟单元、负荷模拟单元、事件模拟事件模拟单 元、保护模拟单元、监控模拟单元。每个模拟单元包括的装置类型及数量根据需要模拟的电 网规模确定。各模块间相互独立，在应用中根据需要模拟仿真的设备类型，将各模块的相关 装置直接联接或嵌套组成计划的电网拓扑，并调整装置参数、控制策略，搭建出需要的复杂 配电网拓扑结构。
[0075] 考虑到需要仿真的对象包括单一电压等级或者多个电压等级的传统无源配电网、 有源配电网、闭环运行配电网、交直流混合配电网等配电网类型，建立的复杂配电网模拟仿 真系统也需要包括上述类型的各个组成单元、拓扑结构并具有相应的运行特性。针对这个 特点，构建模块化的具有灵活建模、拓扑可变可控、参数可调可控特点的复杂配电网模拟仿 真系统，系统与供电电网（即电力网）完成电气隔离，通过电力电子逆变电源从供电电网取 电，内部形成一个频率、电压、电流、时间标度等与电力网完全无关的、独立的模拟电力系 统，系统额定电压0-1500V之间的一个或多个电压，如可采用1100￥、400￥、100￥三个电压等 级，构建的系统电压可以包括一个或多个电压;模拟装置的绝缘水平不低于1500V，工作电 压范围为0-1500V电压。电源模拟单元模拟交流同步发电系统、交流无穷大电源/配电网上 级电网以及分布式电源、直流电源等配电网的各类电源;线路模拟单元模拟变电站、开关、 馈线、变压器等的等效阻抗；负荷模拟单元模拟稳定或一定规律变化的各个电压等级的有 功、无功交流负荷以及直流负荷;事件模拟事件模拟单元模拟配电网相间短路、接地短路、 断路、风险、跳闸、负荷投切等事件以及需要试验的装置设备故障和动作;保护模拟单元模 拟配电网继电保护及整定策略;监控模拟单元模拟配电网的监测、通信、控制系统、SCADA系 统等，实时采集模拟配电网的用电信息采集，负荷管理、线损分析、负荷预测、电价制定策略 等。
[0076] 由于物理模拟仿真系统不可避免要根据需求改变拓扑结构，针对现有技术的不 足，本发明提供了一种配电网物理模拟仿真系统拓扑实现方法，为配电网仿真提供所需要 的多种拓扑结构，视拓扑改动节点的数量和改动特点，上位机软件自动生成接线方案，并生 成接线列表，根据列表在端子柜中将元件各端进行连接。
[0077] (3)数模混合接口及同步技术。为了构成硬件在环的数字和物理混合协同仿真，需 要使用数模混合接口。数模混合接口主要作用是运行数据协调和时间一致性的同步，将从 物理侧采集的电压、电流和开关信息经过采集和转换后传送给数字侧，以及将数字侧数字 信息经过电流功率放大器传送到模拟侧进行实时运行，保证数字软件仿真系统和物理模拟 侧仿真在同一个时间断面上进行实时仿真。
[0078] 数模混合接口主要包括三个部分:数据采集单元、功率放大单元和开关信号单元。 数据采集单元负责将物理模拟电路的电压、电流和开关信号进行采集并传送给数字仿真系 统。功率放大单元主要实现数字仿真系统部分电流信号功率放大，将数字信号变为真实的 电压、电流和开关信号参与模拟电路的运行。开关信号单元实现数字系统和物理模拟设备 之间开关信号的隔离传送。
[0079] 复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统需要数字部分与模拟部分，以及数字部 分之间的实时同步，实时同步技术通过三个方面实现，数字部分实现方法包括:变步长技术 和分布式数据共享技术，数字部分与模拟部分的实时同步则是通过数模混合接口实现，实 现方法是依靠 FPGA的时间调整策略。
[0080] 实施例
[0081 ]图2为本发明的一个具体实施案例。图中，以10kV配电网为例，示意了复杂配电网 多时间尺度数模混合仿真系统及其仿真方法的基本思路:图中的大规模复杂配电网络部分 采用数字仿真，包括连接线部分、开关、出线等，图中虚线框中所示表示为较复杂、建模难度 大、仿真精度要求高的风电、光伏、充电粧、储能、负荷等单元使用经过缩放的物理模型设备 进行仿真。
[0082]图3表明了本发明的基本原理，复杂配电网的数字仿真部分和物理模型仿真部分 通过数模混合接口及同步单元进行连接。数字部分中实现变电站、负荷、分布式电源、开关、 监测点、等效联接点等的数字仿真，这些模块采用传统的、成熟的数字模型进行仿真，或者 对新型设备（如分布式电源)进行数字验证仿真。复杂配电网的模拟仿真部分对电力线路、 调压设备、分布式电源、负荷、各种物理模型设备进行物理模拟仿真。相对于数字部分来说， 物理模拟仿真采用强电压、强电流，与数字部分对接，需要通过数模混合接口及同步单元， 数模混合接口及同步单元将数字部分的电压、电流信号等比例放大成真实的强电压、强电 流，与物理模型仿真系统进行对接，反过来，物理模型仿真系统的强电压、强电流信号也通 过数模混合接口及同步单元等比例变换为数字电压、数字电流信号与数字仿真仿真进行对 接，实现复杂配电网实时的多时间尺度数模混合仿真。
[0083] 一、复杂配电网数模混合仿真系统总体结构
[0084]复杂配电网数模混合仿真系统总体结构如图4所示。根据内容8.2-8.4，总体结构 包括数字系统部分、数模混合接口部分和物理模拟部分。
[0085]数字系统部分包括:交互层的设计、建模层的设计和仿真层的设计。其中，交互层 设计包括模块选择、参数设置和可视化界面的设计。建模层的设计包括多时间尺度建模和 模型参数估计与验证。仿真层的设计包括：电气系统与控制系统并行计算方法的设计和基 于FPGA的数字框架的设计，是并行分解协调仿真的基础。这三个方面的设计工作决定了上 位机软件的整体架构。
[0086]数模混合接口主要包括三个部分:数据采集单元、功率放大单元和开关信号单元。 数据采集单元负责将物理模拟电路的电压和电流信号进行采集并传送给数字仿真系统。功 率放大单元主要实现数字仿真系统部分电流信号功率放大，将数字信号变为真实的电流信 号参与模拟电路的运行。开关信号单元实现数字系统和物理模拟设备之间开关信号的隔离 传送。
[0087] 物理模拟部分主要包括：电源模拟单元、线路模拟单元、事件模拟单元、负荷模拟 单元、保护模拟单元、和监控模拟单元等。各模块间相互独立，在应用中基于相似定理模拟 仿真的设备类型，将各模块的相关装置直接联接或嵌套组成计划的电网拓扑，并调整装置 参数、控制策略，搭建出需要的复杂配电网拓扑结构。
[0088] 二、复杂配电网数模混合仿真中数字侧部分 [0089] (1)基于FPGA的数字仿真架构：
[0090] 其中，数字仿真部分的原理如图5所示，采用的是基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的多时间尺度数字实时仿真，将预仿真的配电网络分解为若干个子网络，子网 络之间通过通讯线进行连接，每个子网络的仿真放在FPGA的一个基本解算单元中进行运 算，各个基本解算单元之间的结果通过通讯线共享，达到并行仿真运算的目的。FPGA由大量 基本可编程逻辑单元、可编程I/O以及内部连线构成，辅以嵌入式块RAM、内嵌硬核以及各种 IP(Intellectual Property)软核，拥有完全可配置的并行硬件结构、分布式内存结构以及 流水线结构，可实现高速数值计算。基于FPGA的快速多时间尺度仿真采用节点法作为电磁 多时间尺度仿真的框架，结合FPGA自身特点，采用如图6所示的系统级并行、模块级并行以 及底层并行的设计架构，提高仿真速度，从而实现电磁多时间尺度的快速仿真方法。
[0091] 1)系统级并行
[0092] 系统级并行是指根据系统的结构特点，通过系统分割、并行求解及多速率求解等 手段，尽可能降低大规模系统的求解规模，提升计算速度，保证仿真实时性，并确定系统在 多片FPGA上的基本分配情况。此后可对分配到FPGA上的多个子系统进行系统再划分，进一 步提升计算速度。每个子系统都可拥有独立的计算资源，这样可充分利用每片FPGA的计算 资源。
[0093] 2)模块级并行
[0094]图7给出了基于FPGA的基本解算单元的求解过程框图。每个基本解算单元都由若 干个硬件功能模块构成。基于节点法的求解流程可分为3部分。在STEP_I中，元件类模块负 责计算历史量电流源，判断开关状态，并生成历史量电流源列向量。在STEP_II中，进行线性 方程组求解，计算节点电压。在STEP_III中，通过STEP_II中计算出的节点电压更新每类元 件的支路电压和支路电流，用于下一时步的计算。不难发现，STEP_I和STEP_III的虚线框部 分中，各种元件类模块的计算完全独立，易于实现并发处理。
[0095] 3)底层并行
[0096] 底层并行主要指在整个系统各个模块的底层基本操作中，充分提炼可并发的操 作，从代数运算层面复杂运算公式的并行化处理，到数据读写层面分布式内存的利用均会 涉及。同时，内部采用模型分解技术，对配电网数字模型进行分割分块，以馈线、变电站及所 属馈线、若干变电站构成的供电区域、整个配电系统为仿真对象进行小步长实时仿真分割， 分割过程可以依据复杂度和计算量均衡、问题研究需要的原则进行，分割后的分区模块可 以采用多FPGA分块计算的方法进行系统级并行加速。
[0097] 4)电气系统与控制系统并行
[0098]为了保证复杂配电网数模混合仿真中数字侧的实时性，本发明发明中采用复杂配 电网电气系统与控制系统并行计算方法。在每一个步长上，可利用前一时步的控制系统输 出量将电气系统积分到该时步，同时也直接使用前一时步电气系统的输出量将控制系统积 分到该时步。此时，不仅电气系统的解算存在一个步长的时延，控制系统的解算同样也存在 时延。为了解决步长延时带来的仿真精度误差，本发明中对于控制系统使用由上一时步电 气系统的输出经过数值积分或插值而得到的预测值作为该时步输入，再将控制系统积分到 该时步，此时由于控制系统的解算也是基于前一时步电气系统的输出量，因此可以实现电 气系统与控制系统的并行求解，对于电气量的预测可使用各种显式的数值积分方法，也可 以使用线性或非线性插值算法。这种电气与控制系统并行计算策略能达到串行程序的计算 精度。整个计算过程将按图8中所示的[1]&[1']->[2]&[2']的时序依次进行，图中步骤[1] 与[Γ]、[2]与[2']均可实现并行求解。
[0099] (2)复杂配电网设备元件的多时间尺度建模
[0100] 复杂配电网设备元件的多时间尺度建模方法如图9所示。根据分布式电源、储能、 电力电子装置(如：电动汽车充电粧)等复杂配电网设备元件的内部机理，以及其在复杂配 电网各类响应过程中的动态或静态特性，形成复杂配电网设备元件多时间尺度建模需求， 建立以需求时间尺度划分的复杂配电网设备元件模型，表现形式包括微分方程、非线性代 数方程、分段线性方程等。在实际的建模过程中，可以针对不同的仿真目的和应用场合，选 择所需要的动态过程，使得模型在精确性和复杂性上达到较好的平衡。
[0101] (3)实时同步技术
[0102] 复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统需要数字仿真系统与物理模拟电路，以 及数字仿真系统之间的实时同步，实时同步技术通过三个方面实现：
[0103] 1)变步长技术：
[0104] 本发明提出采用变步长的电磁多时间尺度仿真方法。以一种考虑多重开关动作的 变步长电磁多时间尺度仿真方法为例，利用线性插值技术获取开关动作时刻，采用编程较 易实现的后退欧拉法，在开关动作后连续利用变步长后退欧拉法试探积分并消除数值振 荡。该方法具备处理多重开关动作和抑制数值振荡的能力，同时对仿真步长具有较好的适 应性。其基本原理如下：当系统某一步仿真遇到开关动作时，首先利用线性插值技术求解开 关动作时刻的系统解，并通过两次变步长后退欧拉法试探积分求解正确的系统状态;然后， 在下一步仿真中再连续利用两次变步长后退欧拉法来抑制数值振荡。
[0105] 图9为考虑多重开关动作的变步长仿真过程图，半步长0.5 △ t内出现多个开关动 作，即动作发生在抑制数值振荡的过程中。根据不同的开关动作情况，本发明提出考虑多重 开关动作的变步长仿真算法，其仿真步骤如下：
[0106] l)t时刻到t+Δ t时刻积分过程中，检测到首个开关动作时间tzi;2)线性插值到tzi 时刻时域解X(tzi)，并计算后退欧拉法变步长值hi = 0.5(t+A t-tzi) ;3)改变开关状态，修 改节点导纳矩阵，采用变步长后退欧拉法向前试探积分一次。若出现开关动作则改变开关 状态重新积分，直到无开关动作为止;4)后退欧拉法向前积分，若没有检测到开关动作，转 入第7)步；否则，转入第5)步;5)线性插值到开关动作时刻t zl的时域解X(tzl)，计算后退欧 拉法变步长值hi = t+At-tzl;6)后退欧拉法向前试探积分一次。若出现开关动作则改变开 关状态重新积分，直到无开关动作为止;7)采用连续两次半步长(h = 0.5 At)后退欧拉法仿 真，若再遇到开关动作返回第2)步;8)定步长阶段(h= At)采用稳定性较好的隐式梯形积 分法继续仿真。
[0107] 其中，2)、4)步采用线性插值技术求解开关动作时刻^1的系统时域解乂(^1)，由下 式计算：
[0108] X{t^X{t) + (-^-\X{t ^h)-X{t)\ h '
[0109] 式中，h代表仿真步长，X(t)、X(t+h)分别代表t、t+h时刻的系统时域解。
[0110] 上述仿真算法流程中，首先检测系统上一步是否有开关动作，若无则采用隐式梯 形法向前仿真，若有则按照算法中的后退欧拉法仿真。若开关动作发生在仿真时刻末尾，则 该开关动作在下一时刻首端处理。
[0111] 2)复杂配电网并行计算中数据同步与共享技术
[0112] 复杂配电网数模混合仿真涉及到数字侧的快速并行仿真计算以及物理侧的极短 延时响应，数据量很大，并且各模块需要及时更新。如图11所示为完成一个读写周期前后各 处理器内存缓存的状态。基于内存数据控制算法特点及系统架构和总的结构，单块内存被 划分为若干块，分别对应着总线上不同的板卡。每块主控卡(MC，Master Card)只能对内存 中与其板卡号一致的内存块进行写操作，而对其它内存块只能进行读操作。每个内存块分 成若干个数据块，每个数据块可以存储一个SDB(SD卡的数据字节)周期中从总线接收的数 据。HMC内存块用来存放来自外部测量系统传输过来的数据。
[0113] 3)基于FPGA的时间调整策略
[0114] 为了达到数字部分和模拟部分实时同步的目的，数字部分对实时模拟数据的读取 时刻尽量与模拟部分设备的波形接近，这就要求数模混合仿真接口具备协调功能。传统的 方法是采用高速A/D信号转换器，PFGA驱动A/D信号转换器尽量快地轮番读取实时模拟数 据，并且实时更新数据存储区，这样的优点是逻辑简单，保证数字系统任何时候读取的数据 都是最新的，但是缺点是:A/D信号转换器转换速度越高成本越高，而且FPGA和A/D信号转换 器频繁重复工作，转换出大量无用的数据，大大增加综合成本。本发明所提基于FPGA的时间 调整策略如图12所示:为了保证稳定性，数字仿真系统采用步长相对变化不大的运算，其计 算周期在较短时间内认为是固定的，例如每个计算周期时间为T，其读取实时数据的时间也 为T，高速FPGA记录数字仿真系统的读取信号，并根据读取信号记录数字系统的计算周期时 间，高速FPGA能够记录并准确计算出周期为T，误差为纳秒级，高速FPGA记录时间，并且在数 字系统下一次读取到来之前的某个时间点A T准时驱动A/D信号转换器（△ T的值可人工设 定），将模拟数据进行AD转换，提供给数字仿真系统，这样可以做到时间关系量化，提高工作 效率。
[0115] 三、物理模拟电路
[0116] 2.1系统电压等级
[0117] 系统额定电压等级包含一个或多个，应用中可同时采用一个或多个电压等级，如 可采用1100￥、400￥、100￥三个电压等级。
[0118] 对于同时存在两个电压等级的配电模拟仿真系统，以采用1100V、400V、100V中的 两个为电压等级为例，在模拟电源处采用升压变压器将电压升至1100V，用1100V电源模拟 110kV(或220kV)高压配电网，经过三卷变压器降压或二圈变压器，将1100V降至400V或是 100V。用400V模拟35-kV配电网或中压配电网，或是用100V模拟10kV中压配电网，实现模拟 两个电压等级的功能。也可不经升压器，直接从电力电子逆变电源处取得400V电压，而经降 压变压器变为100V电压，400V模拟35kV电网或中压配电网，100V模拟中压或低压配电网。
[0119] 2.2物理设备组成
[0120] (1)电源模拟单元
[0121] 电源模拟单元包括电网电源模拟装置、分布式电源模拟装置等。
[0122] (a)电网电源模拟装置
[0123] 电网电源模拟装置主要由电力电子逆变电源、升压变压器和储能装置共同组成。 复杂配电网模拟系统至少包括一个电网电源模拟装置。
[0124] 电力电子逆变电源，包括两种类型，应用中这两种类型可同时应用也可只应用其 中的一种。类型一米用交一直一交(AC-DC-AC)变换方式从供电网取电向模拟系统供电，类 型二采用交-直逆变装置(AC-DC)加上直-交逆变装置(DC-AC)共同组成电力电子逆变电源。 如图12所示。
[0125] (b)分布式电源模拟装置
[0126] 分布式电源模拟装置采用两类实现方式，同一个系统中可以采用其中的一类或二 类同时采用。
[0127] 方式一为统一模式，即采用电力电子逆变电源接入供电网，采用交一直一交(AC-DC-AC)变换方式从供电网取电，然后按照既定的控制方法模拟不同类型的分布式电源向模 拟系统供电。其中光伏、光热和风电可采用恒压、恒流或功率控制模式，燃汽轮机可采用同 步电机控制方式模拟同步电机功率、频率响应特性。
[0128] 方式二为独立模式，即不同的分布式电源采用不同的实现方式。例如，燃汽轮机发 电可采用电力电子逆变电源;光伏、光热采用交一直逆变器+直交逆变器方式，交一直逆变 器模拟光伏、光热发电，直一交逆变器模拟直流与交流系统的并网装置;风电可采用电动机 拖动发电机模拟风力发电方式。如图13所示。
[0129] (2)线路模拟单元
[0130] 线路模拟单元包括变电站模拟单元及电力线路模拟单元，其中变电站模拟单元主 要由主变、接地单元以及开关组成；电力线路模拟单元主要由馈线、开关、变压器以及无功 补偿装置、调压装置等组成。如图15所示。本发明将变电站模拟单元归于线路模拟单元，也 可以独立于线路模拟单元单独作为一个模块。
[0131] (3)负荷模拟单元
[0132] 负荷模拟单元分为二类实现方式，类型一为主体采用电阻、电感、电容串并联组成 的可控模拟负荷装置，称为线性模拟负荷装置;类型二采用电力电子逆变器作为模拟负荷， 电力电子逆变器根据设置的规则、负荷响应特性从模拟电网吸收有功、无功，应用中可直接 将电力电子逆变器二次侧接到模拟系统的供电电网或模拟电源出线等位置上，实现能源的 回收利用，称为电力电子逆变负荷装置。
[0133] 线性模拟负荷装置主要包括变压器和可编程负荷模拟调节装置。如图16所示。
[0134] (4)故障模拟单元
[0135] 事件模拟主要包括故障模拟和设备动作模拟，故障模拟包括三相短路、两相短路、 单相接地短路、单相断线、两相断线等事件模拟，也包括过电压、过负荷、低电压、三相不平 衡、无功不足、电压暂降、电压闪变、电压波动、谐波现象的模拟，设备动作模拟主要包括负 荷投切、分布式电源投切、空载长线投切、开关投切、变压器投切、充电装置/储能装置投切、 线损等的事件模拟。
[0136] 事件模拟通过事件模拟装置实现，例如电网性能模拟、安全稳定模拟通过调节模 拟电源出力、模拟三相电压及负荷、调节负荷模拟装置三相及单相功率、调节无功补偿装 置、调节谐波发生器等实现，设备动作模拟通过控制负荷、分布式电源、变压器等接入模拟 电网的开关的断、合实现。
[0137] (5)保护模拟单元
[0138] 主要设备自身保护装置、物理模拟系统的二次保护。
[0139] 保护模拟单元包括两部分，一是设备自身的保护功能，主要是设备过热、过电压， 即当设备的运行温度及运行电压可能危害到设备安全时，通过断路器将设备从模拟电网中 切除。二是模拟电网的保护，主要是模拟电网的二次保护。模拟电网的保护主要由集成到断 路器中的继电保护、电压/电流检测与比较判断功能以及独立的故障分析/决策装置、模拟 电网监测主站构成，在模拟电网出现电网故障特征时，按照设置的保护动作规则、故障诊断 分析程序进行分析判断，进而动作于开关跳闸、合闸，从而实现模拟电网的二次保护。
[0140] (6)监控模拟单元
[0141] 监控模拟单元主要包括低压PT(电压互感器）、低压CT(电流互感器）、通信、终端以 及监测与控制系统。
[0142] 低压PT就能满足电压从0 - 1500V测量要求，低压CT应能满足0 - 1000A电流测量要 求，配置时，PT和CT均按三相配置，PT测量相电压。
[0143] 通信可采用有线通信方式，也可采用无线通信方式，组成局域网实现设备间、设备 与监测控制系统间的通信。
[0144] 2.3物理模拟系统的拓扑结构设计
[0145] 为了实现物理模拟部分的灵活拓扑结构设计，本发明提出一种灵活拓扑结构设计 方法，其思想为：
[0146] (1)将端子柜中的端子与配电网物理元件的接线端子进行物理连接。
[0147] (2)为了保证物理连接的正确性，以及与所设计拓扑结构的一致，在上位机软件根 据所设计拓扑结构的接线特点，自动生成"接线列表"，列表包含每个元件的编号、端子号， 以及不同元件各个端子之间的连接关系。基本方法为:为每个物理元件设计唯一对应的模 型，软件中集合所需的所有元件模型，根据所需设计的拓扑结构进行画线连接，软件自动识 别出元件间的连接关系，并生成"连接列表"，列表包含每个元件的编号、元件的端口号，以 及各个元件各个端口之间的连接关系。
[0148] (3)根据"接线列表"在端子柜中对配电网物理元件间进行连接，构成与上位机所 设计拓扑结构一致的物理元件拓扑结构。
[0149] 其实现方法的流程图如图17所示。
[0150] 四、复杂配电网数模混合接口装置
[0151]复杂配电网数模混合接口装置硬件实现如图18所示。主要包括三个部分:数据采 集单元、功率放大单元和开关信号单元。
[0152]数据采集单元:物理模拟电路的电压和电流信号经过互感器或传感器转变为低电 压或低电流信号，传送到数模混合接口装置，数模混合接口装置的AD数据采集单元将模拟 信号转变为数字信号，数模采集单元数据缓冲部分可暂时缓存这些数字信号，缓冲作用使 得高速工作的处理器与慢速的外部数据处理设备能够协调工作，保证数据传送的完整性。
[0153] 功率放大单元的主要任务是实现数字仿真器输出功率放大，将数字信号变为真实 的电流信号参与模拟电路的运行，首先通过DA数模转换器件，将数字仿真系统的电流数字 信号转换为模拟的电压信号，模拟的电压信号通过电流功率放大器转换为与数字量相对应 的电流，比如:50A电流，经过DA数模转换器件转换为有效值为5V的电压信号，5V的电压信号 经过10A/V比率的电流功率放大器，放大为50A的电流信号，50A的电流信号注入到模拟电网 运行。
[0154] 开关信号单元:开关信号单元采用隔离器件进行隔离，隔离器件包含光耦、继电器 等。其作用有两个方面：（1)将数字仿真系统的开关指令直接下发给模拟开关器件执行，比 如断路器、空气开关等；（2)将物理模拟电路的开关状态传送给上位机数字仿真系统，比如 断路器跳闸之后，数字仿真系统通过数模混合接口接收到期状态，同步的将数字仿真系统 进行更改。
[0155] 五、复杂配电网数模混合仿真系统仿真方法
[0156] 复杂配电网数模混合仿真系统实现硬件在环的仿真功能，其实现形式可以根据运 行场景的需要进行变化，场景举例：
[0157] (1)复杂配电网运行在数字仿真部分的数模混合仿真:数字部分按照既定的场景 进行仿真模型搭建、实时潮流、运行状态仿真全部在数字部分进行，其运行状态通过数模混 合接口装置反映到物理模拟部分，物理模拟部分监控与保护装置对数字部分的运行状态进 行监控。如果数字部分运行某时刻发生"事件或故障"，则物理模拟部分真实的监控和保护 装置依照该"事件或故障"及时动作，并将动作信号通过模拟接口装置传递到数字部分，数 字部分接收到物理模拟部分的动作信号后，按照动作后的仿真模型进行仿真计算，达到对 物理模拟部分监控与保护装置进行测试的目的，其原理如图19所示；
[0158] (2)复杂配电网运行在模拟设备部分的数模混合仿真:物理模拟部分按照既定的 场景搭建仿真拓扑，物理模拟带电运行后，其运行状态通过数模混合接口装置传送到数字 部分，数字部分的监控与保护模块对物理模拟的真实运行状态进行监测，物理模拟部分"事 件和事件模拟装置"根据仿真需要在某个时刻发生某个事件，比如短路，则数字部分实时监 测到该信号，并发出保护动作指令，保护动作指令通过数模混合接口装置传送到物理模拟 部分真实的保护装置，该保护装置动作，隔离故障点，达到数字部分对物理模拟部分进行监 控的目的，其原理如图20所示。
[0159] (3)复杂配电网数字暂态和稳态分别计算的数模混合仿真：系统分为计算复杂配 电网电网模型的仿真计算机，和用于计算机电暂态和电磁暂态模型的实时仿真机，两个系 统通过高速通讯联接，实时仿真系统通过功率放大器与物理模拟设备连接，从而可以完成 大规模多尺度的仿真系统，并可以完成硬件在环的仿真系统，其原理如图21所示。
[0160] 另外，以以上三种基本形式为基础，数字部分和物理模拟各个模块均可独立运行， 并且数字部分可以整体或部分参与物理模拟部分的数模混合仿真，物理模拟部分的全部或 部分设备亦可以参与数字部分的数模混合仿真，根据仿真需求，配置灵活可变。
[0161] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对 本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的【具体实施方式】进 行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请 待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:所述数模混合仿真系 统用于实现交流电网、直流电网、交直流混合电网的基于单一电压等级、多电压等级的多时 间尺度数模混合仿真，所述数模混合仿真系统包括： 数字仿真系统:用于对含分布式电源的配电网进行数模混合暂态仿真； 数模混合接口装置:用于数据协调和时间一致性的同步； 物理模拟电路:用于搭建复杂配电网拓扑结构； 底层设计模块:用于对数字仿真系统的仿真层提供实时同步仿真技术和对数字仿真系 统和数模混合接口装置提供基于FPGA的时间调整技术； 所述数字仿真系统和物理模拟电路通过数模混合接口装置连接，构成环路的多时间尺 度仿真系统。2. 如权利要求1所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:所述数 字仿真系统的设计包括:交互层设计、建模层设计和仿真层设计;所述交互层设计用于负责 与用户的可视化交互，并采用建模层所建立的元件模型图形，搭建仿真电路，进行仿真元件 参数设置;建模层设计用于负责仿真元件数学建模、元件的参数定义、参数估计和验证以及 元件图形外观的设计;所述仿真层设计为在交互层的指令下，基于建模层所建立的仿真元 件数学模型，参考相应的仿真元件参数设置，对交互层所搭建的仿真电路进行仿真计算，包 括电气系统与控制系统并行计算的设计和基于FPGA的数字框架的设计。3. 如权利要求1所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:底层设 计模块采用基于可逻辑编程的FPGA进行硬件加速数字仿真，同时采用多FPGA分区并行的方 法来加速配电网系统级数字仿真速度。4. 如权利要求1所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:所述数 模混合接口装置包括： 数据采集单元：用于将模拟建模层搭建的仿真电路的电压和电流信号进行采集并传送 给数字仿真系统； 功率放大单元：用于实现数字仿真系统电流信号功率放大，将数字信号变为真实的电 流信号参与物理模拟电路的运行； 开关信号单元:用于实现数字仿真系统和物理模拟电路之间开关信号的隔离传送。5. 如权利要求4所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:所述数 据采集单元包括依次连接的数据缓冲区，A/D数据采集器和电压调理单元;模拟仿真电路物 理模拟电路的电压和电流信号经过互感器或传感器转变为低电压或低电流信号，传送到数 模混合接口装置，数模混合接口装置的AD数据采集器将模拟信号转变为数字信号，数模采 集单元的数据缓冲区暂时缓存上述数字信号； 所述功率放大单元包括依次连接的D/A数模转换器和功率放大器;首先数字仿真系统 的信号通过DA数模转换器，将数字仿真系统的电流数字信号转换为模拟的电压信号，模拟 的电压信号通过电流功率放大器转换为与数字量相对应的电流； 所述开关信号单元采用隔离器件进行隔离，所述开关信号单元的作用为：1)将数字仿 真系统的开关指令直接下发给物理模拟电路执行;2)将物理模拟电路的开关状态传送给上 位机的数字部分。6. 如权利要求1所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:采用基 于FPGA的时间调整技术以实现数字仿真系统和物理模拟电路实时同步的目的，基于FPGA的 时间调整技术为:高速FPGA记录数字仿真系统的读取信号，并根据读取信号记录数字系统 的计算周期时间，在数字仿真系统下一次读取行为到来之前的时间点A T准时驱动A/D信号 转换器，将模拟数据进行AD转换，提供给数字仿真系统。7. 如权利要求1所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:所述物 理模拟电路用于实现多个电压等级配电网模拟仿真，包括电源模拟单元、线路模拟单元、负 荷模拟单元、保护模拟单元、监控模拟单元和物理同步模块;所述物理模拟电路能够仿真的 对象包括单一电压等级或者多个电压等级的无源配电网、有源配电网、闭环运行配电网、交 直流混合配电网配电网类型。8. 如权利要求1所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:为所述 物理模拟电路设计端子柜，端子柜中的端子与电力物理元件的接线端口连接，在所述端子 柜上画上每个元件标示符号，并贴上名称和接线端口号。9. 如权利要求8所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:为每个 电力物理元件设计唯一对应的模型，根据所需设计的模型结构进行画线连接，上位机自动 识别出元件间的连接关系，并生成连接列表，所述连接列表包含每个元件的编号、元件的端 口号，以及各个元件各个端口之间的连接关系。10. 如权利要求9所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:上位 机根据电力物理元件间的拓扑关系自动生成接线列表的过程为:上位机根据电力物理元件 序号由小到大依次遍历所有元件，并且根据端口号由小到大依次遍历元件所有端口，形成 连接列表，并将首次遍历到的元件序号和端口号记为新节点的主元件序号和端口号。11. 如权利要求1所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统，其特征在于:所述 复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统的仿真功能包括:1)物理模拟电路监控数字仿真 系统:模型实时潮流运行状态仿真全部在数字仿真系统进行，物理模拟电路监控与保护装 置对数字仿真系统的运行状态进行监控，如果数字仿真系统运行某时刻发生事件或故障， 则物理模拟电路真实的监控和保护装置依照该事件或故障及时动作，并将动作信号通过数 模混合接口装置装置传递到数字仿真系统，达到对物理模拟电路监控与保护装置进行测试 的目的；2)数字仿真系统监控物理模拟电路:物理模拟电路按照既定的场景搭建仿真拓扑， 其运行状态通过数模混合接口装置传送到数字仿真系统，数字仿真系统的监控与保护模块 对物理模拟的真实运行状态进行监测，达到数字仿真系统对物理模拟电路进行监控的目 的；3)复杂配电网数字暂态和稳态分别计算的数模混合仿真：系统分为计算复杂配电网电 网模型的仿真计算机和用于计算机电暂态和电磁暂态模型的实时仿真机，两个系统通过高 速通讯联接，实时仿真系统通过功率放大器与物理模拟电路连接。12. -种采用权利要求1所述的复杂配电网多时间尺度数模混合仿真系统的仿真方法， 其特征在于，所述仿真方法包括下述三种场景：（1)复杂配电网运行在数字仿真系统的数模 混合仿真；（2)复杂配电网运行在物理模拟设备部分的数模混合仿真；（3)复杂配电网数字 暂态和稳态分别计算的数模混合仿真；以上三种基本形式为基础，数字仿真系统和物理模 拟电路中的模块均独立运行，并且数字仿真系统整体或部分参与物理模拟电路的数模混合 仿真，物理模拟电路的全部或部分设备参与数字仿真系统的数模混合仿真。
【文档编号】G06Q50/06GK105932666SQ201610331069
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】盛万兴, 刘科研, 孟晓丽, 董伟杰, 李雅洁, 叶学顺, 刘永梅, 刁赢龙, 贾东梨, 胡丽娟, 何开元
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司