CN102722627A - 一种电力一次系统数字物理混合仿真通用接口系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力一次系统数字物理混合仿真通用接口系统，属于电力系统实时仿真技术领域。包括：高速通信卡，用于接收实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果和实际电力系统的测量结果，并将其发送给实时数字仿真平台；信号分配器，用于接收计算和测量结果，并将其发送给功率放大通道，功率放大通道将计算结果放大到所要求的功率等级，用于与实际电力系统进行功率交换；传感测量通道，用于对实际电力系统的相关电压和/或电流量进行测量。本发明通用接口系统保证了数字仿真与物理仿真的同步性、实时性和接口系统的通讯精度及通讯距离，保证了接口参数性能等级提升的便利性和接口系统对低频分量功率放大的跟踪精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力一次系统数字物理混合仿真通用接口系统，属于电力系统实时仿真技术领域。
背景技术
在电力系统的实时数字仿真平台（DDRTS）与待测硬件设备进行电力一次系统数字物理混合仿真的过程中，需要实现以下过程：
（1）接口系统对待测硬件设备物理模拟的实际电力系统（或元件）的电压和/或电流量进行测量、采样，传递给实时数字仿真平台，实时数字仿真平台利用电压和/或电流量对虚拟电力系统进行电磁暂态仿真数字计算。
（2）接口系统对实时数字仿真平台数字计算得到的虚拟电力系统的电压和/或电流量进行转换、放大，传递给待测硬件设备，待测硬件设备利用接口系统功率放大后的电压和/或电流量进行物理运行。
从上述过程可知，接口系统在数字仿真和物理仿真之间承担数据交互的功能，接口系统的工作性能直接决定了电力一次系统数字物理混合仿真的效果。研究和实验表明：电力一次系统数字物理混合仿真对接口系统的交互速度、数据处理和功率放大功能有较高的要求。为了适应kW-MW范围功率等级的电力一次系统数字物理混合仿真的研究和应用需求，迫切需要一种通用接口系统。
专利公开号为CN201010145887.5、名称为《一种电磁暂态与机电暂态混合实时仿真接口进程控制系统》的专利申请，公开了一种连接两类数字仿真之间的接口交互系统，但无法与物理仿真（即功率级的电力一次设备）直接交互。
发明内容
本发明的目的是提出一种电力一次系统数字物理混合仿真通用接口系统，综合高速通信卡、信号分配器、功率放大通道、传感测量通道等的功能，以实现数电力一次系统数字物理混合仿真。
本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真通用接口系统，包括：
高速通信卡，用于接收来自实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送给信号分配器，同时接收来自信号分配器的对实际电力系统中待测硬件设备的测量结果，并将该测量结果发送给实时数字仿真平台；
信号分配器，用于接收来自高速通信卡的上述计算结果，并将该计算结果发送给功率放大通道，同时接收来自传感测量通道的对实际电力系统中待测硬件设备的测量结果，并将该测量结果发送给高速通信卡；
功率放大通道，用于接收信号分配器发送的上述计算结果，并将该计算结果放大到实际电力系统所要求的功率等级，该放大后的计算结果用于替代虚拟电力系统与实际电力系统进行真实的功率交换；
传感测量通道，用于对实际电力系统中的待测硬件设备的电压和/或电流进行测量，并将测量结果发送给信号分配器；
所述的高速通信卡与所述的信号分配器之间通过光纤连接，信号分配器与所述的功率放大通道和传感测量通道之间分别通过数据线连接，功率放大通道与待测硬件设备之间通过电缆连接。
上述通用接口系统中，所述的高速通信卡，包括：
程序存储器，用于存储中央处理器的程序代码，程序存储器与中央处理器相连接；
数据存储器，用于存储中央处理器的数据，数据存储器与中央处理器相连接；
并行总线接口控制器，用于根据计算机并行总线协议，接收或发送中央处理器与所述的实时数字仿真平台之间的通信数据，并行总线接口控制器与中央处理器相连接；
中央处理器，用于通过并行总线接口控制器接收所述的实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送至网络控制器，同时通过网络控制器和光信号收发器接收实际电力系统的测量结果，并将该测量结果通过并行总线接口控制器发送至实时数字仿真平台；
网络控制器，用于将中央处理器产生的信号转换成网络协议后，发送至光信号收发器，同时接受光信号收发器的信号，并发送至中央处理器，网络控制器与中央处理器相连接；
光信号收发器，用于将网络控制器的电信号转换成光信号后，将光信号发送至所述的信号分配器，同时将接收自信号分配器的光信号转换成电信号后发送至网络控制器，光信号收发器与所述的信号分配器相连接。
上述通用接口系统中，所述的信号分配器，包括：
电源模块，用于为信号分配器提供电源；
通讯模块，用于接收所述的高速通信卡中光信号收发器的光信号，并将光信号转换为电信号，将电信号经过自定义总线发送至数模转换器，同时通过自定义总线接受模数转换器的电信号，将电信号转换为光信号，发送至所述的高速通讯卡中的光信号收发器；
模数转换器，将传感测量通道送来对实际电力系统测量得到的模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号发送给通讯模块，再通过所述的高速通信卡发送至实时数字仿真平台；
数模转换模块，将实时数字仿真平台通过所述的高速通信卡经通讯模块送来的数字信号转换成模拟信号，并将该模拟信号发送至功率放大通道；
电源模块、通讯模块、数模转换器和模数转换模块分别通过自定义总线相连接。
上述通用接口系统中，所述的功率放大通道，包括：
电源模块，用于为功率放大通道提供电源；
采样转换模块，用于将所述的信号分配器中的数模转换器的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号通过自定义总线传输给信号处理模块；
信号处理模块，用于读取采样转换模块的数字信号，并将该数字信号调制成脉宽调制波形，将该脉宽调制波形通过光耦隔离输出到逆变器，用于对逆变器的触发控制；
整流器，用于将电网提供的三相工频交流电转换为直流电，为逆变器提供电压稳定的直流电；
逆变器，用于将整流器输出的直流电调制为功率级的脉宽调制波形，该脉宽调制波形的低频分量与信号分配器输出的上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配，对计算结果进行功率放大；
滤波器，采用电感和电容滤波，用于滤除逆变器输出的脉宽调制波形中的高频成分，输出与上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配的电压波形；
采样转换模块与信号处理模块以及信号处理模块与逆变器之间分别通过自定义数据总线连接；整流器与逆变器以及逆变器与滤波器之间通过电缆连接。
本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真通用接口系统，其优点是：
1、本发明通用接口系统中采用并行总线接口控制器、高性能中央处理器以及网络控制器，具有准确的定时机制和很高的通讯速度，保证了数字仿真与物理仿真两个仿真系统的同步性和实时性。
2、本发明通用接口系统中采用光纤通讯技术，降低了信号的传输衰耗，保证了接口系统的通讯精度及通讯距离。
3、本发明通用接口系统中的功率放大通道一次电路采用整流器-逆变器的结构，具有良好的通用性，保证了通过更换升级电力电子元件而对电压、电流、功率等参数性能等级提升的便利性。
4、本发明通用接口系统中的功率放大通道二次控制算法采用脉宽调制方法，具有良好的准确性和灵活性，保证了接口系统对虚拟电力系统计算结果中的低频分量功率放大的跟踪精度，以及进一步设计和实现功率放大通道的接口算法的便利性。
5、本发明通用接口系统通过功率放大通道和传感测量通道，将实际电力设备的功率系统和虚拟数字仿真的信号系统连接起来，实现了将数字仿真与物理仿真两种就截然不同的仿真形式的混合。
附图说明
图1是本发明提出的通用接口系统在电力一次系统数字物理混合仿真系统中的原理结构图。
图2是本发明通用接口系统中高速通信卡的结构示意图。
图3是本发明通用接口系统中信号分配器的结构示意图。
图4是本发明通用接口系统中放大通道的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的电力一次系统数字物理混合仿真通用接口系统，其在电力一次系统数字物理混合仿真系统中的原理结构图如图1所示，包括：
高速通信卡，用于接收来自实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送给信号分配器，同时接收来自信号分配器的对实际电力系统中待测硬件设备的测量结果，并将该测量结果发送给实时数字仿真平台；
信号分配器，用于接收来自高速通信卡的上述计算结果，并将该计算结果发送给功率放大通道，同时接收来自传感测量通道的对实际电力系统中待测硬件设备的测量结果，并将该测量结果发送给高速通信卡；
功率放大通道，用于接收信号分配器发送的上述计算结果，并将该计算结果放大到实际电力系统所要求的功率等级，该放大后的计算结果用于替代虚拟电力系统与实际电力系统进行真实的功率交换；
传感测量通道，用于对实际电力系统中的待测硬件设备的电压和/或电流进行测量，并将测量结果发送给信号分配器；
所述的高速通信卡与所述的信号分配器之间通过光纤连接，信号分配器与所述的功率放大通道和传感测量通道之间分别通过数据线连接，功率放大通道与待测硬件设备之间通过电缆连接。
本发明的通用接口系统中，所述的高速通信卡的结构示意图如图2所示，包括：
程序存储器，用于存储中央处理器的程序代码，程序存储器与中央处理器相连接；
数据存储器，用于存储中央处理器的数据，数据存储器与中央处理器相连接；
并行总线接口控制器，用于根据计算机并行总线协议，接收或发送中央处理器与所述的实时数字仿真平台之间的通信数据，并行总线接口控制器与中央处理器相连接；
中央处理器，用于通过并行总线接口控制器接收所述的实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送至网络控制器，同时通过网络控制器和光信号收发器接收实际电力系统的测量结果，并将该测量结果通过并行总线接口控制器发送至实时数字仿真平台；
网络控制器，用于将中央处理器产生的信号转换成网络协议后，发送至光信号收发器，同时接受光信号收发器的信号，并发送至中央处理器，网络控制器与中央处理器相连接；
光信号收发器，用于将网络控制器的电信号转换成光信号后，将光信号发送至所述的信号分配器，同时将接收自信号分配器的光信号转换成电信号后发送至网络控制器，光信号收发器与所述的信号分配器相连接。
本发明的通用接口系统中，所述的信号分配器的结构示意图如图3所示，包括：
电源模块，用于为信号分配器提供电源，其输入为220伏交流电压，输出为正5伏、正负15伏和正负24伏直流电压；
通讯模块，用于接收所述的高速通信卡中光信号收发器的光信号，并将光信号转换为电信号，将电信号经过自定义总线发送至数模转换器，同时通过自定义总线接受模数转换器的电信号，将电信号转换为光信号，发送至所述的高速通讯卡中的光信号收发器；
模数转换器，将通讯模块送来的模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号通过所述的高速通信卡发送至实时数字仿真平台；
数模转换模块，将实时数字仿真平台通过所述的高速通信卡送来的数字信号转换成模拟信号，并将该模拟信号发送至通讯模块；
电源模块、通讯模块、数模转换器和模数转换模块分别通过自定义总线相连接。
本发明的通用接口系统中，所述的功率放大通道的结构示意图如图4所示，包括：
电源模块，用于为功率放大通道提供电源，其输入为220伏交流电压，输出为正5伏、正负15伏和正负24伏直流电压；
采样转换模块，用于将所述的信号分配器中的数模转换器的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号通过自定义总线传输给信号处理模块；
信号处理模块，用于读取采样转换模块的数字信号，并将该数字信号调制成脉宽调制波形，将该脉宽调制波形通过光耦隔离输出到逆变器，用于对逆变器的触发控制；
整流器，采用三相桥式的电路拓扑和直流母线电压恒定的控制策略，用于将电网提供的三相工频交流电转换为直流电，为逆变器提供电压稳定的直流电；功率可以双向流动；
逆变器，采用三相桥式的电路拓扑，触发控制由信号处理模块提供，用于将整流器输出的直流电调制为功率级的脉宽调制波形，该脉宽调制波形的低频分量与信号分配器输出的上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配，对计算结果进行功率放大；
滤波器，采用电感和电容滤波，用于滤除逆变器输出的脉宽调制波形中的高频成分，输出与上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配的电压波形；
采样转换模块和信号处理模块是功率放大通道的二次部分，采样转换模块与信号处理模块以及信号处理模块与逆变器之间分别通过自定义数据总线连接；整流器、逆变器和滤波器是功率放大通道的一次部分，整流器与逆变器以及逆变器与滤波器之间通过电缆连接。信号处理模块与逆变器之间的光耦连接实现二次电路和一次电路的光电隔离。
本发明通用接口系统中测量传感通道，包括电源模块和电流传感器，用于为电流传感器提供电源（为正负12伏直流电压）以及测量待测硬件设备的实际电力系统中某些支路（例如从功率放大通道流入实际电力系统）的电流大小，并将测量信号传输给信号分配器的模数转换模块。
本发明的通用接口系统的一个实施例中，高速通信卡所用的主要部件如下：
中央处理器采用美国TI公司的数字信号处理器（DSP），型号为TMS320DM642；
程序存储器采用美国SST公司型号为SST39VF040的快速存储器；
数据存储器采用美国Microchip公司型号为93LC66B的可电擦除的快速存储器；
并行总线接口控制器采用美国PLX公司型号为PEX8112的接口芯片；
网络控制器采用美国DAVICOM公司型号为DM9000A的太网接口芯片；
光信号收发器采用中国武汉灵创公司的多模收发器，型号为L-TR0323。
信号分配器所用的主要部件如下：
通讯模块分别采用美国TI公司型号为TMS320VC33的数字信号处理器（DSP）；美国DAVICOM公司型号为DM9000A的太网接口芯片以及中国武汉灵创公司型号为L-TR0323的多模收发器；
数模转换器采用美国BB公司的16位精度的数字量/模拟量转换芯片，型号为DAC7744E；
模数转换器采用美国ADI公司的16位精度的模拟量/数字量转换芯片，型号为AD7656；
电源模块采用美国TI公司型号为TPS54310PWP的电源芯片。
功率放大通道所用的主要部件如下：
采样转换模块采用美国ADI公司的16位精度的模拟量/数字量转换芯片，型号为AD7865；
信号处理模块采用美国TI公司型号为TMS320F2812的数字信号处理器（DSP）；
整流器采用芬兰VACON公司型号为NX3124-211的轻型直流整流控制器；
逆变器中的电力电子开关元件采用德国SEMIKRON公司型号为SKM150GB12T4的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）；
滤波器采用3mH的电感和4.7μF的电容。
测量传感通道所用的主要部件如下：
电流传感器采用南京奇霍科技有限公司型号为CS150EK1的霍尔传感器。
Claims (4)
1.一种电力一次系统数字物理混合仿真通用接口系统，其特征在于该通用接口系统包括：
高速通信卡，用于接收来自实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送给信号分配器，同时接收来自信号分配器的对实际电力系统中待测硬件设备的测量结果，并将该测量结果发送给实时数字仿真平台；
信号分配器，用于接收来自高速通信卡的上述计算结果，并将该计算结果发送给功率放大通道，同时接收来自传感测量通道的对实际电力系统中待测硬件设备的测量结果，并将该测量结果发送给高速通信卡；
功率放大通道，用于接收信号分配器发送的上述计算结果，并将该计算结果放大到实际电力系统所要求的功率等级，该放大后的计算结果用于替代虚拟电力系统与实际电力系统进行真实的功率交换；
传感测量通道，用于对实际电力系统中的待测硬件设备的电压和/或电流进行测量，并将测量结果发送给信号分配器；
所述的高速通信卡与所述的信号分配器之间通过光纤连接，信号分配器与所述的功率放大通道和传感测量通道之间分别通过数据线连接，功率放大通道与待测硬件设备之间通过电缆连接。
2.如权利要求1所述的通用接口系统，其特征在于其中所述的高速通信卡，包括：
程序存储器，用于存储中央处理器的程序代码，程序存储器与中央处理器相连接；
数据存储器，用于存储中央处理器的数据，数据存储器与中央处理器相连接；
并行总线接口控制器，用于根据计算机并行总线协议，接收或发送中央处理器与所述的实时数字仿真平台之间的通信数据，并行总线接口控制器与中央处理器相连接；
中央处理器，用于通过并行总线接口控制器接收所述的实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果，并将该计算结果发送至网络控制器，同时通过网络控制器和光信号收发器接收实际电力系统的测量结果，并将该测量结果通过并行总线接口控制器发送至实时数字仿真平台；
网络控制器，用于将中央处理器产生的信号转换成网络协议后，发送至光信号收发器，同时接受光信号收发器的信号，并发送至中央处理器，网络控制器与中央处理器相连接；
光信号收发器，用于将网络控制器的电信号转换成光信号后，将光信号发送至所述的信号分配器，同时将接收自信号分配器的光信号转换成电信号后发送至网络控制器，光信号收发器与所述的信号分配器相连接。
3.如权利要求1所述的通用接口系统，其特征在于其中所述的信号分配器，包括：
电源模块，用于为信号分配器提供电源；
通讯模块，用于接收所述的高速通信卡中光信号收发器的光信号，并将光信号转换为电信号，将电信号经过自定义总线发送至数模转换器，同时通过自定义总线接受模数转换器的电信号，将电信号转换为光信号，发送至所述的高速通讯卡中的光信号收发器；
模数转换器，将传感测量通道送来对实际电力系统测量得到的模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号发送给通讯模块，再通过所述的高速通信卡发送至实时数字仿真平台；
数模转换器，将实时数字仿真平台通过所述的高速通信卡经通讯模块送来的数字信号转换成模拟信号，并将该模拟信号发送至功率放大通道；
电源模块、通讯模块、数模转换器和模数转换模块分别通过自定义总线相连接。
4.如权利要求1所述的通用接口系统，其特征在于其中所述的功率放大通道，包括：
电源模块，用于为功率放大通道提供电源；
采样转换模块，用于将所述的信号分配器中的数模转换器的模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号通过自定义总线传输给信号处理模块；
信号处理模块，用于读取采样转换模块的数字信号，并将该数字信号调制成脉宽调制波形，将该脉宽调制波形通过光耦隔离输出到逆变器，用于对逆变器的触发控制；
整流器，用于将电网提供的三相工频交流电转换为直流电，为逆变器提供电压稳定的直流电；
逆变器，用于将整流器输出的直流电调制为功率级的脉宽调制波形，该脉宽调制波形的低频分量与信号分配器输出的上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配，对计算结果进行功率放大；
滤波器，采用电感和电容滤波，用于滤除逆变器输出的脉宽调制波形中的高频成分，输出与上述实时数字仿真平台对虚拟电力系统的计算结果相匹配的电压波形；
采样转换模块与信号处理模块以及信号处理模块与逆变器之间分别通过自定义数据总线连接；整流器与逆变器以及逆变器与滤波器之间通过电缆连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121010 |