CN103368148A - 一种适用于电力电子设备仿真的保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种适用于电力电子设备仿真的保护系统。该系统包括：主保护子系统、后备保护子系统和冗余保护子系统；主保护子系统分别与数字仿真器和接口电路连接；所述主保护子系统和冗余保护子系统之间进行信息交换，所述后备保护子系统与接口电路进行信息交换，所述接口电路与电力电子设备连接。本发明提供的混合仿真系统采用硬件和软件资源，实现对接口过电压进行保护，以达到合理利用资源，提升仿真的可靠性的目的，并且解决仿真时极易导致损坏设备，仿真可靠性不高的问题。

Description

一种适用于电力电子设备仿真的保护系统

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种适用于电力电子设备仿真的保护系统。

背景技术

随着仿真技术的进步，各种实时数字仿真工具和物理仿真装置越来越多的应用到电力电子仿真领域，仿真规模和研究领域得到极大拓展。数模混合仿真作为其中一种先进的仿真方法，既可对系统进行全数字仿真，也可对物理装置进行仿真试验，优化了电力系统的模拟过程。

由于电力电子设备本身都是由功率器件组成，在对其进行数模混合仿真时，接口电压会很高，稳态电压一般在100V左右，一般的元器件一般都无法承受，而暂态过程时电压可能更高，因此仿真时极易导致损坏设备，仿真可靠性不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于电力电子设备仿真的保护系统，本发明提供的混合仿真系统采用硬件和软件资源，实现对接口过电压进行保护，以达到合理利用资源，提升仿真的可靠性的目的，并且解决仿真时极易导致损坏设备，仿真可靠性不高的问题。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种适用于电力电子设备仿真的保护系统，其改进之处在于，所述保护系统包括：

主保护子系统：用于保护仿真设备免受过电压损坏；

后备保护子系统：用于在主保护子系统失效后动作，通过电压钳制电路限制接口过电压；

冗余保护子系统：用于动态预警和延时自动断电，保护仿真设备；

所述主保护子系统分别与数字仿真器和接口电路连接；所述主保护子系统和冗余保护子系统之间进行信息交换，所述后备保护子系统与接口电路进行信息交换，所述接口电路与电力电子设备连接。

其中，所述主保护子系统包括数据输入单元、电压采样单元、瞬时值计算单元、平均值计算单元、动作判定单元和动作输出单元；所述数据输入单元、电压采样单元、瞬时值计算单元、动作判定单元和动作输出单元依次连接，所述瞬时值计算单元和平均值计算单元为并行计算模块，所述平均值计算单元分别与电压采样单元和动作判定单元连接。

其中，所述数据输入单元包括依次连接的电压测量电路、第一滤波电路、放大电路、第二滤波电路和A/D转换器；所述数据输入单元用于电压采集，并完成电压的采样、放大和滤波。

其中，所述电压测量电路采用电压传感器；所述第一滤波电路和第二滤波电路均采用滤波器；所述放大电路采用放大器。

其中，所述电压采样单元用于在规定时间内接口电压进行采样并完成相电压与线电压的变换；变换的结果作为瞬时值计算单元和平均值计算单元的输入信号。

其中，所述瞬时值计算单元用于完成电压信号的瞬时值计算，并将结果输出给动作判定单元；瞬时值计算单元的动作判据如下：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{inter}}=U_m\sin \mathrm{\ωt}\\ U_{\mathrm{act}}\≥2U_{\mathrm{inter}}\end{array}\right.$     ①；

其中：U_inter为接口电压，U_m为接口电压瞬时值、U_act为动作电压、ω为角频率；

所述瞬时值计算单元的保护动作电压设定值为2 pu，时间窗宽度为0.1s，计数脉冲为6。

其中，所述平均值计算单元通过计算得到电压在一个周波的平均值，并将结果输出给动作判定单元；平均值计算单元的动作判据包括：

一级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avrl}}=1.8U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{act}}\≥U_{\mathrm{avrl}}\\ T_{\mathrm{lastl}}\≥20\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ②；

二级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avr}2}=1.6U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{avrl}}>U_{\mathrm{act}}\≥U_{\mathrm{avr}2}\\ T_{\mathrm{last}2}\≥40\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ③；

三级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avr}3}=1.4U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{avr}2}>U_{\mathrm{act}}\≥U_{\mathrm{avr}3}\\ T_{\mathrm{last}3}\≥60\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ④；

其中：U_avr1、U_avr2和U_avr3分别表示第一级、第二级和第三极保护接口电压在一个周波的平均值；T_last1、T_last2和T_last3分别表示第一级、第二级和第三极保护接口电压在一个周波的过电压持续时间；

所述平均值计算单元的动作值基准值1.4pu，每一级电压极差0.2pu，三级保护的动作时间分别为20ms、40ms、60ms。

其中，所述动作判定单元基于瞬时值计算单元和平均是计算单元的动作判据：

<1>对瞬时值进行判定和计数，若满足动作值，则由动作输出单元输出动作值；

<2>对平均值达进行判定，达到动作值，无需计数，进行动作。

其中，所述后备保护子系统包括串联的电压钳制电路和限流电阻，所述电压钳制电路采用稳压二极管；所述限流电阻的阻值≤10Ω，当取1Ω时效果最佳。

其中，所述冗余子系统包括串联的看门狗电路和D触发器，所述看门狗电路采用看门狗定时器实现。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1.采用数模混合实时仿真，是目前进行电力电子设备仿真实验研究的最有效方式，接口可靠性是保证仿真精度和安全性的保障。

2.本发明提供的一种适用于电力电子设备仿真的保护系统，该保护系统包括主保护、后备保护、冗余保护三个子系统，三个子系统之间互为补充，极大提高了电力电子设备数模混合仿真时接口的稳定性和可靠性。

3、采用硬件和软件资源，实现对接口过电压进行保护，达到合理利用资源，提升仿真的可靠性的目的，解决仿真时极易导致损坏设备，仿真可靠性不高的问题。

附图说明

图1是本发明提供的适用于电力电子设备仿真的保护系统的结构图；

图2是本发明提供的数据输入单元的结构示意图；

图3是本发明提供的主保护子系统电路逻辑框图；

图4是本发明提供的后备保护子系统示意图；

图5是本发明提供的冗余保护子系统示意图。

具体实施方式

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。

本发明提供的适用于电力电子设备仿真的保护系统的结构图如图1所示，主要包括三个部分，即主保护、后备保护、冗余保护三个子系统，主保护子系统分别与数字仿真器和接口电路连接；所述主保护子系统和冗余保护子系统之间进行信息交换，所述后备保护子系统与接口电路进行信息交换，所述接口电路与电力电子设备连接。三个子系统之间互为补充，极大提高了电力电子设备数模混合仿真时接口的稳定性和可靠性。

（一）主保护子系统：

主保护子系统逻辑框图如图3所示，包括数据输入单元、电压采样单元、瞬时值计算单元、平均值计算单元、动作判定单元和动作输出单元；数据输入单元、电压采样单元、瞬时值计算单元、动作判定单元和动作输出单元依次连接，瞬时值计算单元和平均值计算单元为并行计算模块，平均值计算单元分别与电压采样单元和动作判定单元连接。主保护系统（主动保护）为整个保护系统核心，后备保护为被动保护，不与主保护发生直接联系，冗余保护主要保证主保护正常运行，与主保护子系统之间存在信息交换。

（1）数据输入单元的结构示意图如图2所示，包括依次连接的电压测量电路、第一滤波电路、放大电路、第二滤波电路和A/D转换器；数据输入单元用于电压采集，并完成电压的采样、放大和滤波，具体的：数据输入单元的电压测量电路首先对接口电压进行测量，再经第一滤波电路滤除谐波或毛刺信号，然后对电压幅值进行变换成符合A/D转换器转换需要的电压信号，变换完后经第二滤波电路再次滤波，最后输入给A/D转换器。

（2）电压采样单元：用于在规定时间内接口电压进行采样并完成相电压与线电压的变换；变换的结果作为瞬时值计算单元和平均值计算单元的输入信号。电压采样单元对t-Δt（一般为一个仿真步长T）到t内接口电压U_inter进行采样并完成相电压与线电压的变换。变换结果作为瞬时值计算单元和平均值计算单元的输入信号。

（3）瞬时值计算单元：用于完成电压信号的瞬时值计算，并将结果输出给动作判定单元；瞬时值计算单元的动作判据如下：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{inter}}=U_m\sin \mathrm{\&omega;t}\\ U_{\mathrm{act}}\&GreaterEqual;{2U}_{\mathrm{inter}}\end{array}\right.$     ①；

其中：U_inter为接口电压，U_m为接口电压瞬时值、U_act为动作电压、ω为角频率，在满足上述公式的情况下瞬时值计算单元动作。

瞬时值计算单元的保护动作电压设定值为2 pu（pu表示标幺值），时间窗宽度为0.1s，计数脉冲为6。当接口电压瞬时值超过2pu后就对其进行计数，如果一个计数周期内过电压脉冲峰值达到6个，保护装置动作。若过电压脉冲小于6，则计数器清零，则由电压采样单元继续采样。

（4）平均值计算单元：通过计算得到电压在一个周波的平均值，并将结果输出给动作判定单元；

过电压对设备的破坏包括两个方面：过电压峰值和过电压的持续时间。为解决极端情况下瞬时值保护的死区，采用平均值保护作为后备保护，计算接口电压的平均值作为动作判据，达到动作值立刻动作。平均值保护动作电压设定值根据过电压持续时间设定，其动作判据分为三级：

一级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avrl}}=1.8U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{act}}\&GreaterEqual;U_{\mathrm{avrl}}\\ T_{\mathrm{lastl}}\&GreaterEqual;20\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ②；

二级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avr}2}=1.6U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{avrl}}>U_{\mathrm{act}}\&GreaterEqual;U_{\mathrm{avr}2}\\ T_{\mathrm{last}2}\&GreaterEqual;40\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ③；

三级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avr}3}=1.4U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{avr}2}>U_{\mathrm{act}}\&GreaterEqual;U_{\mathrm{avr}3}\\ T_{\mathrm{last}3}\&GreaterEqual;60\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ④；

其中：U_avr1、U_avr2和U_avr3分别表示第一级、第二级和第三极保护接口电压在一个周波的平均值；T_last1、T_last2和T_last3分别表示第一级、第二级和第三极保护接口电压在一个周波的过电压持续时间。

电压平均值越高，电压持续时间越短，动作值基准值1.4pu，每一级电压极差0.2pu，动作时间分别为20ms、40ms、60ms，这样既可保护仿真设备，也可以避免保护频繁动作，提高了仿真可靠性。

（5）动作判定单元基于瞬时值计算单元和平均是计算单元的动作判据：

<1>对瞬时值进行判定和计数，若满足动作值，则由动作输出单元输出动作值；

<2>对平均值达进行判定，达到动作值，无需计数，进行动作。

（二）后备保护子系统实现：

由于主保护子系统属于软件保护，为更好的保护接口及物理仿真设备，保护接口加设了后备保护子系统，如图4所示，后备保护子系统的主要目的是在主保护失效后动作，通过电压钳制电路物理上限制接口过电压。后备保护子系统包括电压钳制电路和限流电阻，电压钳制电路主要由稳压二极管组成，当放大器输出电压大于设定值，稳压二极管被击穿，电压被钳位，从而达到保护硬件的目的。为限流和提高稳压效果，在钳制电路中串接限流电阻R₁，限流电阻的阻值越大，电路稳压性能越好，但输入与输出压差也会过大，耗电也就越多，经过试验，一般限流电阻R₁的阻值不超过10Ω，当R₁取值为1Ω时，效果最佳。图4中的A系统为数字仿真器+放大器输出端、B系统为电力电子设备。

（三）冗余保护子系统实现：

冗余保护子系统示意图如图5所示，为保证保护系统安全运行，在冗余保护子系统中设置看门狗电路，正常运行时，仿真保护系统每间隔一定时间（约为100ms）向看门狗芯片发送一次脉冲，并定时清零，一旦仿真程序出现程序跑飞或死机，则计数器未及时清零，看门狗电路将输出预警信号，冗余保护系统利用看门狗的动态监测原理,结合D触发器，组成可靠的动态预警系统和延时自动断电机制，极大提高了运行可靠性。

最后应当说明的是：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应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述保护系统包括：

主保护子系统：用于保护仿真设备免受过电压损坏；

后备保护子系统：用于在主保护子系统失效后动作，通过电压钳制电路限制接口过电压；

冗余保护子系统：用于动态预警和延时自动断电，保护仿真设备；

所述主保护子系统分别与数字仿真器和接口电路连接；所述主保护子系统和冗余保护子系统之间进行信息交换，所述后备保护子系统与接口电路进行信息交换，所述接口电路与电力电子设备连接。

2.如权利要求1所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述主保护子系统包括数据输入单元、电压采样单元、瞬时值计算单元、平均值计算单元、动作判定单元和动作输出单元；所述数据输入单元、电压采样单元、瞬时值计算单元、动作判定单元和动作输出单元依次连接，所述瞬时值计算单元和平均值计算单元为并行计算模块，所述平均值计算单元分别与电压采样单元和动作判定单元连接。

3.如权利要求2所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述数据输入单元包括依次连接的电压测量电路、第一滤波电路、放大电路、第二滤波电路和A/D转换器；所述数据输入单元用于电压采集，并完成电压的采样、放大和滤波。

4.如权利要求3所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述电压测量电路采用电压传感器；所述第一滤波电路和第二滤波电路均采用滤波器；所述放大电路采用放大器。

5.如权利要求2所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述电压采样单元用于在规定时间内接口电压进行采样并完成相电压与线电压的变换；变换的结果作为瞬时值计算单元和平均值计算单元的输入信号。

6.如权利要求2所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述瞬时值计算单元用于完成电压信号的瞬时值计算，并将结果输出给动作判定单元；瞬时值计算单元的动作判据如下：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{inter}}=U_m\sin \mathrm{\&omega;t}\\ U_{\mathrm{act}}\&GreaterEqual;{2U}_{\mathrm{inter}}\end{array}\right.$     ①；

其中：U_inter为接口电压，U_m为接口电压瞬时值、U_act为动作电压、ω为角频率；

所述瞬时值计算单元的保护动作电压设定值为2pu，时间窗宽度为0.1s，计数脉冲为6。

7.如权利要求2所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述平均值计算单元通过计算得到电压在一个周波的平均值，并将结果输出给动作判定单元；平均值计

算单元的动作判据包括：

一级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avrl}}=1.8U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{act}}\&GreaterEqual;U_{\mathrm{avrl}}\\ T_{\mathrm{lastl}}\&GreaterEqual;20\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ②；

二级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avr}2}=1.6U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{avrl}}>U_{\mathrm{act}}\&GreaterEqual;U_{\mathrm{avr}2}\\ T_{\mathrm{last}2}\&GreaterEqual;40\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ③；

三级保护判据：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{avr}3}=1.4U_{\mathrm{inter}}\\ U_{\mathrm{avr}2}>U_{\mathrm{act}}\&GreaterEqual;U_{\mathrm{avr}3}\\ T_{\mathrm{last}3}\&GreaterEqual;60\mathrm{ms}\end{array}\right.$     ④；

其中：U_avr1、U_avr2和U_avr3分别表示第一级、第二级和第三极保护接口电压在一个周波的平均值；T_last1、T_last2和T_last3分别表示第一级、第二级和第三极保护接口电压在一个周波的过电压持续时间；

所述平均值计算单元的动作值基准值1.4pu，每一级电压极差0.2pu，三级保护的动作时间分别为20ms、40ms、60ms。

8.如权利要求2所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述动作判定单元基于瞬时值计算单元和平均是计算单元的动作判据：

<1>对瞬时值进行判定和计数，若满足动作值，则由动作输出单元输出动作值；

<2>对平均值达进行判定，达到动作值，无需计数，进行动作。

9.如权利要求1所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述后备保护子系统包括串联的电压钳制电路和限流电阻，所述电压钳制电路采用稳压二极管；所述限流电阻的阻值≤10Ω，当取1Ω时效果最佳。

10.如权利要求1所述的适用于电力电子设备仿真的保护系统，其特征在于，所述冗余子系统包括串联的看门狗电路和D触发器，所述看门狗电路采用看门狗定时器实现。

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