一种电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103336460 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103336460 A *CN103336460A* (21)申请号 201310191087.0 (22)申请日 2013.05.21 G05B 19/042(2006.01) (71)申请人 中国南方电网有限责任公司电网技 术研究中心 地址 510623 广东省广州市珠江新城华穗路 6 号 申请人 清华大学 (72)发明人 欧开健 梁旭 胡云 周仲晖 李伟 张树卿 贾旭东 (74)专利代理机构 北京远大卓悦知识产权代理 事务所 ( 普通合伙 ) 11369 代理人 史霞 (54) 发明名称 一。

2、种电磁机电混合实时仿真数字化接口的控 制方法 (57) 摘要 本发明公开了一种电磁机电混合实时仿真数 字化接口的控制方法， 包括以下步骤 ： 在数字化 接口中设置数字电位器、 通讯模块、 延时检测模 块、 接通切断控制器、 电磁仿真数据采集电路和机 电暂态仿真数据采集电路， 控制器 ； 将通讯模块 与接通切断控制器之间通过高速总线连接 ； 接通 切断控制器接通通讯模块 ； 控制器比对电磁仿真 数据和机电暂态仿真数据进行时标比对 ； 接通切 断控制器切断通讯模块的通讯连接， 控制器计算 电磁仿真数据传递耗时， 对耗时做出耗时补偿 ； 在控制器中对将补偿后的电磁仿真数据与机电暂 态仿真数据进行数据。

3、混合 ； 控制器检测数字电位 器的噪声误差。本发明的方法能够有效控制延时 和噪声。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103336460 A CN 103336460 A *CN103336460A* 1/1 页 2 1. 一种电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 用于对实时数字仿真仪采集到 的电磁仿真数据与机电暂态仿真数据进行数字化连接， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 步骤一、 在数字化接口中设置数字电位器、 通讯模块、 。

4、延时检测模块、 接通切断控制器、 电磁仿真数据采集电路和机电暂态仿真数据采集电路， 控制器 ； 步骤二、 将通讯模块与接通切断控制器之间通过高速总线连接 ； 步骤三、 接通切断控制器接通通讯模块， 使得电磁仿真数据采集电路采集到的电磁仿 真数据通过通讯模块传递给机电暂态仿真数据， 控制器记录电磁仿真数据和机电暂态仿真 数据的混合数据， 数字电位器用于将数据中的所有模拟信号转换成数字信号 ； 步骤四、 控制器比对电磁仿真数据和机电暂态仿真数据进行时标比对， 当时标差值超 过阈值时， 判定为电磁仿真系统和机电仿真系统之间存在定时误差， 则混合数据中的两种 数据失去同步， 判定为混合仿真不合理 ； 。

5、步骤五、 接通切断控制器切断通讯模块的通讯连接， 控制器计算电磁仿真数据传递耗 时， 对耗时做出耗时补偿 ； 步骤六、 在控制器中对将补偿后的电磁仿真数据与机电暂态仿真数据进行数据混合， 得到混合实时仿真数据 ； 步骤七、 控制器检测数字电位器的噪声误差， 若噪声误差超过阈值， 则开启接口平台电 磁屏蔽装置。 2. 根据权利要求 1 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 其特征在 于， 利用数字信号进行通讯接口交换数据。 3. 根据权利要求 1 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 其特征在 于， 数字接口采用 GTFPGA 接口卡与实时数字仿真仪光纤连接。 4. 根据。

6、权利要求 3 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 其特征在 于， GTFPGA 卡具备 PCI 总线接口， 直接插在用于机电暂态仿真的计算机上， 计算机通过 PCI 总线可以读取 GTFPGA 卡上实时数字仿真仪的数据， 同时也可以将计算机的计算结果通过 PCI 总线送至 GTFPGA 卡， 并通过光纤接口送至实时数字仿真仪。 5. 根据权利要求 4 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 其特征在 于， 数字化接口板固化有一个 PCI Express X1 接口， 支持 PCI Express X1.1 和 2.0 协议。 6. 根据权利要求 5 所述的电磁机电混合实。

7、时仿真数字化接口的控制方法， 其特征在 于， 电磁暂态仿真针对局部电气元件， 而机电仿真针对包括包含该局部电气元件在内的整 体电路， 将所述机电仿真和所述电磁仿真之间的母线上设置混合仿真的数字接口。 7. 根据权利要求 6 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 其特征在 于， 电磁仿真数据采集电路采集到的电磁仿真数据与机电暂态仿真数据互相传递。 8. 根据权利要求 1 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 其特征在 于， 耗时补偿是通过先将电磁仿真数据和机电仿真数据存储在控制器中， 然后延时发出耗 时短者的方式实现的。 权 利 要 求 书 CN 103336460 A 。

8、2 1/5 页 3 一种电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法 技术领域 0001 本发明涉及一种电磁机电混合实时仿真， 尤其是涉及电磁机电混合实时仿真数字 化接口的控制方法。 背景技术 0002 电磁-机电暂态混合实时仿真代表了电力系统仿真的发展方向， 基于电磁-机电 暂态混合实时仿真的交直流电网仿真技术研发试验系统将为大电网安全防御提供强大的 系统支持。南方电网技术中心和清华大学联合承担了 “十一五” 国家科技支撑计划重大项 目课题 17 子课题， 对基于 RTDS- 数字计算服务器接口的电磁 - 机电暂态混合实时仿真进行 开发， 为本次项目打下了良好的基础。 0003 2007 年 1。

9、0 月， 南方电网仿真实验室着手开始设计和研制中国南方电网 (110kV 及 以上)交直流电力系统实时仿真平台， 平台简称为SMRT(Super Mixed Real-Time)。 该实时 仿真平台将基于 RTDS 电磁暂态实时仿真和基于并行数字计算机的机电暂态实时仿真通过 设计的接口设备相连接， 能够对大规模交直流混合电力系统进行真实的模拟和连续的实时 仿真以满足南方电网直流和交流系统控制器和保护及各种自动化设备的试验和参数整定、 各种运行方式和安全对策的规划、 各种故障及非正常运行方式的再现和对策研究等需要。 0004 然后， 如何确保混合状态良好， 数字接口非常关键， 特别是数字接口的合。

10、理控制直 接印象了两种仿真数据的混合效果。 发明内容 0005 本发明针对现有技术的弊端， 提供一种电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制 方法。通过这种控制方法， 能够让电磁机电的混合效果最大化。 0006 为此， 本发明提供了一种电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 用于对 实时数字仿真仪采集到的电磁仿真数据与机电暂态仿真数据进行数字化连接， 包括以下步 骤 ： 0007 步骤一、 在数字化接口中设置数字电位器、 通讯模块、 延时检测模块、 接通切断控 制器、 电磁仿真数据采集电路和机电暂态仿真数据采集电路， 控制器 ； 0008 步骤二、 将通讯模块与接通切断控制器之间通过高速总线连。

11、接 ； 0009 步骤三、 接通切断控制器接通通讯模块， 使得电磁仿真数据采集电路采集到的电 磁仿真数据通过通讯模块传递给机电暂态仿真数据， 控制器记录电磁仿真数据和机电暂态 仿真数据的混合数据， 数字电位器用于将数据中的所有模拟信号转换成数字信号 ； 0010 步骤四、 控制器比对电磁仿真数据和机电暂态仿真数据进行时标比对， 当时标差 值超过阈值时， 判定为电磁仿真系统和机电仿真系统之间存在定时误差， 则混合数据中的 两种数据失去同步， 判定为混合仿真不合理 ； 0011 步骤五、 接通切断控制器切断通讯模块的通讯连接， 控制器计算电磁仿真数据传 递耗时， 对耗时做出耗时补偿 ； 说 明 书。

12、 CN 103336460 A 3 2/5 页 4 0012 步骤六、 在控制器中对将补偿后的电磁仿真数据与机电暂态仿真数据进行数据混 合， 得到混合实时仿真数据 ； 0013 步骤七、 控制器检测数字电位器的噪声误差， 若噪声误差超过阈值， 则开启接口平 台电磁屏蔽装置。 0014 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 利用数字信 号进行通讯接口交换数据。 0015 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 数字接口采 用 GTFPGA 接口卡与实时数字仿真仪光纤连接。 0016 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 。

13、GTFPGA 卡具 备 PCI 总线接口， 直接插在用于机电暂态仿真的计算机上， 计算机通过 PCI 总线可以读取 GTFPGA 卡上实时数字仿真仪的数据， 同时也可以将计算机的计算结果通过 PCI 总线送至 GTFPGA 卡， 并通过光纤接口送至实时数字仿真仪。 0017 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 数字化接口 板固化有一个 PCI Express X1 接口， 支持 PCI Express X1.1 和 2.0 协议。 0018 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 电磁暂态仿 真针对局部电气元件， 而机电仿真针对包括包含该局部。

14、电气元件在内的整体电路， 将所述 机电仿真和所述电磁仿真之间的母线上设置混合仿真的数字接口。 0019 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 电磁仿真数 据采集电路采集到的电磁仿真数据与机电暂态仿真数据互相传递。 0020 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 耗时补偿是 通过先将电磁仿真数据和机电仿真数据存储在控制器中， 然后延时发出耗时短者的方式实 现的。 0021 本发明提供的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法， 根据接口控制， 保 证两种仿真数据之间进行高速数据交换 ； 保证控制器可以对计算机的机电暂态和 RTDS( 实 时数字。

15、仿真仪 ) 的电磁暂态计算结构进行分析和管理 ； 制定了计算机和 RTDS 的同步机制， 开发定时同步系统， 保证了两个系统的同步实时运行 ； 对数据精度和同步时间精度进行分 析研究， 制定了完善的误差治理方案。 附图说明 0022 图 1 为本发明所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的结构示意图 ； 0023 图 2 为本发明的数字接口原理框图 ； 0024 图 3 为本发明的待仿真的整体电路架构图。 具体实施方式 0025 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明， 以令本领域技术人员参照说明书文 字能够据以实施。 0026 如图 1、 图 2 和图 3 所示， 本发明公开了一种电磁机电混合。

16、实时仿真数字化接口的 控制方法， 用于对实时数字仿真仪采集到的电磁仿真数据与机电暂态仿真数据进行数字化 连接， 包括以下步骤 ： 说 明 书 CN 103336460 A 4 3/5 页 5 0027 步骤一、 在数字化接口中设置数字电位器、 通讯模块、 延时检测模块、 接通切断控 制器、 电磁仿真数据采集电路和机电暂态仿真数据采集电路， 控制器 ； 这种交直流混合输电 系统电磁暂态 (RTDS)/ 机电暂态 ( 并行计算机 ) 混合实时仿真试验平台是通用性强， 开放 性好， 扩展能力突出 ( 可扩展至 3744 路 DA/AD 通道 ) 的嵌入式高性能分布式通信平台 ； 特 别是能够实现交直。

17、流输电系统电磁暂态 (RTDS)/ 机电暂态 ( 数字计算机 ) 混合实时仿真系 统的接口技术规范。 0028 在 SMRT 平台下， RTDS 用来完成重要设备和局部系统的电磁暂态实时仿真， 为了 与机电暂态侧接口交互， 需要配备一定的模拟量输入、 输出通道以便同接口卡进行数据交 换。新一代的 RTDS 中， 模拟量输入 / 输出可通过 Gigabit Transceiver Analogue Input/ Output(GTAI/AO) 卡 方 便 扩 展。RTDS 还 通 过 GTAO 或 Gigabit Transceiver Digital Output(GTDO) 卡在每个设定的交。

18、互步长发送同步脉冲信号， 以维持两侧仿真的同步性。 0029 嵌入式高性能并行交互接口通讯平台主要功能是进行电磁、 机电两侧接口数据的 传输和处理， 以及故障 / 事件信息的开关量编码传输。本项目使用的接口卡包含一个 DSP 处理器， 可用于数据传输控制、 交互时序控制和机电暂态侧数据滤波计算等。此外， 嵌入式 高性能并行交互接口通讯平台良好的扩展性和通用性， 为实际物理装置、 控制器接入测试， 以及后续的功能扩展提供了实现的物理接口。 0030 对于 RTDS 与数字计算机两个独立仿真平台进行混合仿真的数据交互， 无论采用 何种通讯方式， 需要考虑如下三方面通讯性能。 0031 (1) 延时。

19、 0032 接口延迟指的是一次单向数据传输全过程的时间， 即通信附加延时。 当延时过大， 与混合仿真交互步长可比或在同一数量级时， 电磁暂态、 机电暂态两侧仿真系统的时标会 出现明显的误差， 即两侧仿真系统的定时误差， 两侧系统的交互失去同步， 从原理上讲， 此 时实时混合仿真是不合理的。 0033 一般地， 模拟量通讯从仿真一侧到对侧数据传输全过程包括如下 4 个环节 ： 单侧 进行一个交互步长时间的仿真计算， 然后按预先配置好的通道， 通过总线操作将数据写到 总线上的专用通信卡 ； 通信卡的 DSP 读取数据后， 由 D/A 转化将数字量转化为模拟量， 通过 模拟量通道传输到对侧通信卡端，。

20、 包括模拟量信号在传输路径上的建立过程 ； 对侧经过 A/ D 转化将接口信号转化为数字量 ； 最后对侧通过总线操作读取接口数据。从实现上， 可以分 别压缩上述 4 个主要环节的耗时， 以减小接口数据传输全过程的误差。 0034 (2) 噪声 0035 数据传输全过程的噪声主要来自于 D/A、 A/D 过程， 主要原因包括芯片、 环境电磁 干扰等。使 D/A 或 A/D 产生高频噪声的原因是， 数字电位器内部使用了一个电荷泵， 由它给 存储器提供初始化电压， 并且给芯片提供偏压 ； 而电荷泵上模拟开关的通、 断受高频振荡器 的控制， 高频振荡器就在滑动端上产生了高频噪声。数字电位器内部的热噪声。

21、源与振荡频 率有关， 它也会造成噪声误差。 此外信号传输过程中受到的电磁干扰， 传输阻抗不匹配等也 会引起噪声误差。 0036 从目前芯片技术和电子器件制作工艺发展看， 采用更新性能更好、 精度更高的元 器件， 可以减小数据传输过程中某一环节的噪声来抑制数据传输全过程的噪声。 此外， 良好 的电磁环境、 接口平台电磁屏蔽或缩短模拟量信号传输路径等可以减小接口通讯平台受到 说 明 书 CN 103336460 A 5 4/5 页 6 的电磁干扰， 从而减小数据传输全过程的噪声水平。 0037 (3) 偏置 0038 偏置即固定误差， 是接口电路中数字、 模拟电路中各单元电路元器件性能的偏差 造成。

22、的数据传输全过程单方向的固定误差， 即通道数据传输线性度不理想， 多由模拟开关 的导通电阻阻值误差、 运放零漂、 信号在传输过程中的衰减等引起。 0039 本发明双侧接口数据通过通讯平台交换是混合仿真每一个交互步长计算的起始， 这个过程引入的数据传输误差 ( 包括噪声和偏置两部分 ) 直接反映在电磁暂态、 机电暂态 两侧仿真计算边界条件上。就单侧仿真计算而言， 每一步长仿真模型迭代求解的最大误差 为仿真计算迭代收敛判据， 若接口数据交互误差远小于该判据， 则可以忽略接口数据交互 误差。 0040 步骤二、 将通讯模块与接通切断控制器之间通过高速总线连接 ； 0041 步骤三、 接通切断控制器接。

23、通通讯模块， 使得电磁仿真数据采集电路采集到的电 磁仿真数据通过通讯模块传递给机电暂态仿真数据， 控制器记录电磁仿真数据和机电暂态 仿真数据的混合数据， 数字电位器用于将数据中的所有模拟信号转换成数字信号 ； 0042 步骤四、 控制器比对电磁仿真数据和机电暂态仿真数据进行时标比对， 当时标差 值超过阈值时， 判定为电磁仿真系统和机电仿真系统之间存在定时误差， 则混合数据中的 两种数据失去同步， 判定为混合仿真不合理 ； 0043 步骤五、 接通切断控制器切断通讯模块的通讯连接， 控制器计算电磁仿真数据传 递耗时， 对耗时做出耗时补偿 ； 0044 步骤六、 在控制器中对将补偿后的电磁仿真数据。

24、与机电暂态仿真数据进行数据混 合， 得到混合实时仿真数据 ； 0045 步骤七、 控制器检测数字电位器的噪声误差， 若噪声误差超过阈值， 则开启接口平 台电磁屏蔽装置。 0046 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 利用数字信 号进行通讯接口交换数据。 0047 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 数字接口采 用 GTFPGA 接口卡与实时数字仿真仪光纤连接。 0048 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， GTFPGA 卡具 备 PCI 总线接口， 直接插在用于机电暂态仿真的计算机上， 计算机通过 PCI 总线。

25、可以读取 GTFPGA 卡上实时数字仿真仪的数据， 同时也可以将计算机的计算结果通过 PCI 总线送至 GTFPGA 卡， 并通过光纤接口送至实时数字仿真仪。 0049 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 数字化接口 板固化有一个 PCI Express X1 接口， 支持 PCI Express X1.1 和 2.0 协议。 0050 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 电磁暂态仿 真针对局部电气元件， 而机电仿真针对包括包含该局部电气元件在内的整体电路， 将所述 机电仿真和所述电磁仿真之间的母线上设置混合仿真的数字接口。 0051 优。

26、选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 电磁仿真数 据采集电路采集到的电磁仿真数据与机电暂态仿真数据互相传递。 0052 优选的是， 所述的电磁机电混合实时仿真数字化接口的控制方法中， 耗时补偿是 说 明 书 CN 103336460 A 6 5/5 页 7 通过先将电磁仿真数据和机电仿真数据存储在控制器中， 然后延时发出耗时短者的方式实 现的。 0053 本发明利用的GTFPGA接口板卡， 板卡的光纤接口可以通过光纤连接RTDSGPC卡上 的光纤接口， 通过该接口可以同 RTDS 进行数字量的交换， 交换协议可以从 RTDS 公司采购。 0054 GTFPGA 接口板卡。

27、支持多达两个业界标准的 PowerPC440 处理器模块的 FPGA 产 品。每个处理器集成了 32KB 指令和 32KB 数据缓存， 在 550MHz 时钟频率下可提供高达 1， 100DMIPS 的性能。与 PowerPC440 模块紧密耦合的是新的集成 5x2 纵横开关式交换处理器 互连架构， 支持并发的 I/O 和存储器访问。这一高度集成的创新互连架构包括专用的主 / 从处理器局部总线接口、 支持独立发送 / 接收通道的四个 DMA 端口， 以及一个支持高性能、 低延迟点对点连接的专用存储器总线接口。 0055 尽管本发明的实施方案已公开如上， 但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列 运用， 它完全可以被适用于各种适合本发明的领域， 对于熟悉本领域的人员而言， 可容易地 实现另外的修改， 因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下， 本发明并不限 于特定的细节和这里示出与描述的图例。 说 明 书 CN 103336460 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103336460 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103336460 A 9 。