浅谈仿真现状和发展

浅谈系统仿真的现状和发展一、系统仿真技术发展的现状工程系统仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构和流体计算仿真、多物理场以及虚拟布置和装配维修等技术一起，在贯穿产品的设计、制造和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也在满足越来越高和越来越复杂的要求。因此，工程系统仿真技术也就迅速地发展到了协同仿真阶段。其主要特征表现为：1、控制器和被控对象的联合仿真：MATLAB＋AMESIM，可以覆盖整个自动控制系统的全部要求。2、被控对象的多学科、跨专业的联合仿真：AMESIM＋机构动力学＋CFD＋THERMAL＋电磁分析3、实时仿真技术实时仿真技术是由仿真软件与仿真机等半实物仿真系统联合实现的，通过物理系统的实时模型来测试成型或者硬件控制器。4、集成进设计平台现代研发制造单位，尤其是设计研发和制造一体化的大型单位，引进PDM/PLM系统已经成为信息化建设的潮流。在复杂的数据管理流程中，系统仿真作为CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，与上下游工具配合。5、超越仿真技术本身工程师不必是精通数值算法和仿真技术的专家，而只需要关注自己的专业对象，其他大量的模型建立、算法选择和数据前后处理等工作都交给软件自动完成。这一技术特点极大地提高了仿真的效率，降低了系统仿真技术的应用门槛，避免了因为不了解算法造成的仿真失败。6、构建虚拟产品在通过建立虚拟产品进行开发和优化过程中，关注以各种特征值为代表的系统性能，实现多方案的快速比较。二、系统仿真技术的发展趋势1、屏弃单专业的仿真单一专业仿真将退出系统设计的领域，专注于单一专业技术的深入发展。作为总体优化的系统级设计分析工具，必要条件之一是跨专业多学科协同仿真。2、跟随计算技术的发展随着计算技术在软硬件方面的发展，大型工程软件系统开始有减少模型的简化、减少模型解藕的趋势，力争从模型和算法上保证仿真的准确性。更强更优化的算法，配合专业的库，将提供大型工程对象的系统整体仿真的可能性。在高性能计算方面，将支持包括并行处理、网格计算技术和高速计算系统等技术。3、平台化要求仿真工具能够提供建模、运算、数据处理（包括二次开发后的集成和封装）、数据传递等全部仿真工作流程要求的功能，并且通过数据流集成在更大的PDM/PLM平台上。同时，在时间尺度上支持全开发流程的仿真要求，在空间尺度上支持不同开发团队甚至是交叉型组织架构间的协同工作以及数据的管理。4、整合和细分市场整合化：将出现主流的标准工具。其特征是功能涵盖了现代工业领域的主要系统仿真需求，并与其他主流软件工具通过接口或后台关系数据库级别的数据交互，有协同工作的能力；软件自身的技术进展迅速，具有强大的发展后劲。专业化：随着市场需求的细分，走专业化道路，将出现极专业的工具。这些工具将在某些具体的专业领域提供深入研究的特殊支持，如开发特殊的库或模型，专注于具有鲜明行业特征的技术，满足特殊的行业标准。将出现整合型工具和专业化工具互补的局面。5、智能化将引进更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不断改进GUI，让软件使用者直接体验到数值计算专家开发的后台工具提供的强大功能，同时减少软件学习和使用的困难。提供易学易用的强大工具。6、丰富的二次开发选项提供源代码级的二次开发支持，开放的架构满足不同用户的专业开发要求。在强大的工具平台上，根据自身的需要，进行二次开发。这已经是目前许多研发单位开发专有技术的标准方式。今后的系统仿真工具必须支持用户在进行二次开发的时候，从源代码级别开始的创新和工程化定制，并能够通过封装集成到原有平台中去。这种技术将成为用户在实现知识和技术组织内共享和传承的同时，保护自身知识产权的必然选择。电力系统实时仿真系统技术的现状和发展我的专业是电气工程，下面我就结合电气工程方面来谈谈电力系统数字仿真的现状与发展。一、电力系统实时仿真系统技术。1.国内的发展现状我国电力系统实时仿真的发展历程基本跟踪了国际上电力系统实时仿真发展不同阶段的最新技术，基本情况如下：20世纪60年代初，由前苏联援助电科院建成了我国最大的电力系统动态模拟实验室；80年代初，为了对我国正在建设的500kV输电系统进行电磁暂态方面的分析和研究，电科院和武汉高压研究所从美国PTI公司分别引进了TNA设备；80年代中期，为了配合我国葛上直流工程的系统调试和工程投运后的事故调查与分析及运行人员的培训，从原瑞士BBC公司(现ABB)引进了早期的数模混合式高压直流模拟仿真设备；1996年，为了对我国正在建设的三峡工程的输配电工程进行实时仿真研究，电科院从加拿大TEQSIM公司引进了先进的数模混合式仿真系统；90年代中期，为了跟踪国际上电力系统实时仿真技术发展的潮流和500kV系统继电保护现场调试及例行检验的需要，少数电力企业和电科院、国家电力公司电力自动化研究院以及一些高校引进了少量的RTDS装置；目前，电科院正致力于开发全数字实时仿真系统。2.典型的全数字实时仿真系统2.1RTDS系统RTDS是国际上最早研制出的全数字实时仿真装置，其技术主要依托于加拿大Manitoba直流研究中心。RTDS的并行处理器采用NEC公司的高速信号处理器和AD公司的SHARCAD21062高速信号处理器，处理器主板及软件均自行开发。这样做的好处是可以充分利用DSP的硬件资源，但在计算机芯片技术飞速发展的今天，这种开发模式不利于硬件的升级换代。RTDS的软件核心是EMTDC，图形界面是PSCAD。2.2HYPERSIM系统加拿大魁北克的TEQSIM公司的技术依托于魁北克水电研究所(1REQ)。IREQ建立了目前世界上最大的数模混合式实时仿真系统。TEQSIM公司在其数模混合式实时仿真技术的基础上，为了适应电力系统实时仿真技术发展的潮流，也于近期开发出了全数字电力系统实时仿真系统(HYPERSIM)。HYPERSIM硬件采用基于共享存储器的多CPU超级并行处理计算机如SGl2000或多CPU的并行计算用的Alpha工作站。主要用于电力系统电磁暂态仿真，仿真的规模可以相当大，也可以用于装置试验。其中基于SGl3200服务器的HYPERSIM也可用于直流系统动态特性仿真。HYPERSIM的软件核心是EMTP程序。2.3ARENE系统ARENE是法国电力公司(EDF)研究开发的全数字实时仿真系统。该系统的硬件平台为HP公司生产的基于多处理器的HP-CONVEX并行处理计算机。到目前为止，该并行处理计算机的最大CPU数量已达到64个。ANENE系统的硬件全部采用市场上能买到的标准组件(如HP的并行处理计算机、I／O接口板等)，EDF只研究用于实时仿真电力系统的算法及相关软件。同时，该实时仿真系统还提供了基于C语言的用户自定义功能，使用该功能，用户可以自己定义新的元件模型。ARENE的软件核心也是EMTP程序。2.4基于PC平台的实时仿真系统目前比较成熟的电力系统全数字实时仿真系统硬件设备采用DSP或基于RISC技术的工作站、服务器，硬件设备开销比较大。为了节约硬件设备开销，电科院、日本三菱电公司、加拿大哥伦比亚大学等单位正在采用商用微机(PC)作为硬件平台来开发研制电力系统全数字实时仿真系统。该系统由多台高档微机通过高速网络连接实现并行处理的集群计算机。其优点是价格便宜，可扩展性好，但技术相对复杂。目前均处于研究阶段，还没有形成产品，但这项技术是未来全数字实时仿真的一个发展方向。二、电力系统仿真技术的发展趋势随着电力系统的发展，对电力系统的安全可靠提出了更高的要求；同时，随着电力系统大量先进的控制装置的应用，如FACTS和电力电子装置、直流输电系统、继电保护装置、安全稳定监控装置等，对电力系统仿真技术提出了新的要求。1.电磁暂态与机电暂态混合仿真基于基波、单相和相量模拟技术的电力系统机电暂态仿真程序不能仿真HVDC和FACTS等电力电子装置的快速暂态特性和MOV等非线性元件引起的波形畸变特性。目前的仿真程序对HVDC和FACTS的模拟采用的是准稳态模型。电磁暂态仿真程序受模型与算法的限制，其仿真规模不大，一般进行电磁暂态仿真时，都要对电力系统进行等值化简。随着直流输电和FACTS等电力电子装置和其他非线性元件广泛应用于电力系统，这些元件引起的波形畸变及其快速暂态过程对系统机电暂态过程的影响越来越大，相互独立的电力系统电磁暂态仿真程序和机电暂态仿真程序，已难以适应现代电力系统对仿真的要求。因此，很有必要开发能进行仿真电磁暂态过程和机电暂态过程混合仿真的电力系统仿真软件。电磁暂态与机电暂态混合仿真的发展有两种趋势：一种是由成熟的电磁暂态程序向机电暂态方向发展，使电磁暂态程序同时具备机电暂态过程的数学模型和仿真能力，以克服电磁暂态程序仿真规模小的不足。主要思路是把大规模电力系统分为需要进行电磁暂态仿真的子系统和仅进行机电暂态仿真的子系统，分别进行电磁暂态仿真和机电暂态仿真，在各子系统的交界处进行电磁暂态仿真和机电暂态仿真的交接。另一种趋势是由成熟的机电暂态程序向电磁暂态方向发展，主要思路是在机电暂态程序中对电力电子等元件对机电暂态过程有重要影响的快速暂态过程和非线性特性进行电磁暂态模拟，以提高机电暂态程序的仿真精度。2.全过程动态仿真在电力系统远距离输电容量不断增加、输电网络重载问题日益突出的情况下，暂态稳定及电力系统在暂态稳定之后的长过程动态稳定性(包括电压稳定性问题)将逐步成为电力系统安全稳定运行的主要问题，威胁电力系统的安全稳定运行。分析电力系统的长过程动态稳定性问题，避免发生大面积停电事故(如1996年美国西部联合电网发生的两次大面积停电事故)，以及研究防止事故扩大的有效措施(即第3道防线)，必将成为电力系统计算分析的一项重要内容。因此，电力系统长过程仿真程序的开发是非常必要的。早期的电力系统长过程仿真软件，一般都忽略了扰动开始阶段的机电暂态过程，假设全网的机电振荡已平息，系统频率一致等。然而，电力系统的动态过程(从机电暂态过程到长过程动态)是一个连续的过程，并不是截然分开的。机电暂态过程对中长期过程有影响，中长期过程对后续新的暂态过程也有作用。因此，在长过程仿真中，必然要对机电暂态过程进行仿真。因此，要求开发实用的电力系统全过程动态仿真软件。电力系统全过程动态仿真就是把电力系统的机电暂态过程、中期过程和长期过程有机地统一起来进行仿真。其特点是要实现快速的机电暂态过程和慢速的中长期动态过程统一仿真。这是典型的刚性系统，需要采用具有自动变阶变步长技术的刚性数值积分方法。3.大规模实时仿真系统电力系统大量先进的控制和测量装置，如FACTS控制装置、直流输电控制装置、继电保护装置、安全稳定监控装置(包括广域测量装置等)都要由电磁暂态和机电暂态的实时仿真装置进行试验验证，才能投入实际系统使用。因此，发展数字式或数模混合式电力系统实时仿真装置都是必须的。但是，目前的实时仿真装置(包括全数字和数模混合式)的仿真规模都不大，在大电网仿真试验时，都要进行大规模的等值化简，使实时仿真装置的应用，特别是大电网机电暂态和动态特性仿真研究方面，受到了很大的限制。因此，需要发展大规模电力系统实时仿真装置。由于受试验室规模和物理设备的限制，数模混合式电力系统实时仿真装置的仿真规模不可能无限扩大。然而，随着计算机软硬件技术的快速发展、计算技术的不断提高、仿真技术的日益完善，全数字式电力系统实时仿真装置可望具备对大规模电力系统进行实时仿真的能力。