CN105068443B - 一种用于半实物仿真的安全接口装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半实物仿真的安全接口装置及设计方法，所述装置由仿真器接口、受测光伏系统控制板接口、模拟信号转接板、接收数字信号转接板、发送数字信号转接板及外围接口供电等组成。应用本发明，将仿真器与光伏逆变系统的控制板接口连接，可以有效降低因为软硬件设计、连接错误导致的设备损坏风险，可充分地使用仿真机的模拟量精度，并提供了随机噪声的加入条件，提供了电气隔离，降低外部静电带来的风险；同时针对光伏控制板的模拟采样、数字信号特性以及控制板与仿真器应用电压范围的不同，专门采用了合适的放大器和光耦等隔离器件。本发明应用快捷有效，大大提高了工作效率，降低了误操作带来损失的可能，为半实物仿真领域提供一种简便、安全、可靠的转换装置及设计方法。

Description

一种用于半实物仿真的安全接口装置的设计方法

技术领域

本发明属于半实物仿真领域，具体涉及一种用于半实物仿真的安全接口装置的设计方法。

背景技术

随着集中式光伏发电系统与分布式光伏发电系统建设的逐步推进，装机容量稳步增加，光伏逆变器的应用量也随之大幅上涨。作为光伏发电系统中的技术含量最高的装置之一，光伏逆变器在整个系统中的稳定性要求也变得越来越严格。然而，受到研发实验室环境以及硬件条件的制约，其核心控制器及控制软件在批量应用前，一般无法得到全面、详尽的测试，可能存在受到现场偶发事件影响的风险，影响逆变器发电性能乃至整个电网的稳定性。

在传统的光伏逆变器控制系统研发中，工程师一般采用现场测试、长时间运行机器，以及使用软件模型代替真实逆变器模拟等方式对控制器稳定性进行测试，然而现场测试模拟真实故障状态的研发成本较高、测试操作人员及操作困难以及测试过程中存在高风险等问题。软件模拟由于数据迭代计算量大，模型准确性不一致等情况，仿真速度和精度都无法真实应用，仅能提供算法层面的依据。采用与受测控制板与半实物仿真器连接的方式，可以有效降低研发成本，增加系统测试的速度和准确性，降低测试过程中的风险，使得控制器可以经受长时间运行的考验。

现有控制板与半实物仿真器之间的接口装置大多是由半实物仿真器供应商提供的，由于供应商存在专业局限性，仅局限于信号通讯及接插件转换的目的，对受测控制板、输入输出信号等需转接环境不太清楚，因此绝大部分接口装置都是通过直接连接两端或使用简单接头转换器方式进行的，会产生以下几个问题：

1. 由于控制板及半实物仿真器通常采用IC芯片对输入信号进行逻辑或数字采集，电压电流存在一定限制要求，且一般不允许出现过压过流。而简单的接头转换器仅提供直连线路，没有进行过压过流保护，因此当有过电压误接触一端或发生短路故障时，很容易对半实物仿真器的端口造成损毁，造成设备事故和进度延误等危害。

2. 如果控制板的数字输出存在共模干扰，或控制板电源与仿真器电源存在电位差，则会造成数字信号存在问题的可能。通过高压隔离电路，可以滤除共模干扰，同时防护因控制板误接触过电压导致的半实物仿真器端口损毁情况的发生。

3. 半实物仿真器端口输出的模拟信号电压范围与控制器采样端口接收的电压范围不一定一致，如果迁就一方而都使用较小的电压范围输出，会造成另一方采样精度的下降，影响最终软件评估的结果。

为此，本发明根据光伏逆变器控制器特性，设计一种用于逆变器半实物仿真条件下的安全接口装置，实现过流过压保护、隔离以及电压变换功能，并特别适用于光伏逆变器的控制器，是模拟控制系统仿真的必需通用装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于半实物仿真的安全接口装置的设计方法。

本发明根据逆变器控制板和仿真器的模拟信号需求，设计了模拟信号转接板中的模拟信号调理电路及保护电路；同时根据控制信号和通讯需求，也设计了数字信号转接板中的保护电路和数字信号隔离电路（可根据箭头确定信号传递方向）。仿真器接口与模拟信号转接板，接收数字信号转接板、发送数字信号转接板连接，受测光伏系统控制板接口也连接模拟信号转接板、接收数字信号转接板、发送数字信号转接板，然后和外置相互隔离的两路电源等组成一套转换装置，从而有效、持续地连接被仿真控制系统与仿真环境，对控制器进行长时间的调试。

本发明提出的用于半实物仿真的安全接口装置，由模拟信号转接板1、接收数字信号转接板6、发送数字信号转接板10、仿真器接口11、受测光伏系统控制板接口12和仿真器供电接口13和受测光伏系统控制板供电接口14组成，其中：

模拟信号转接板1由模拟输入接口2、接口保护电路3、模拟信号调理电路4和模拟输出接口5依次连接组成；

接收数字信号转接板6由数字输入接口7、接口保护电路3、数字信号隔离电路8、接口保护电路3和数字输出接口9依次连接组成；

发送数字信号转接板10由数字输入接口7、接口保护电路3、数字信号隔离电路8、接口保护电路3和数字输出接口9依次连接组成；

仿真器接口11包含第一模拟信号接口与第一数字信号接口，第一模拟信号接口与模拟信号转接板1中的模拟输入接口2相连，第一数字信号接口输入端与接收数字信号转接板6中的数字输出接口9连接，第一数字信号接口的输出端与发送数字信号转接板10中的数字输入接口7连接；

受测光伏系统控制板接口12包含第二模拟信号接口与第二数字信号接口，第二模拟信号接口与模拟信号转接板1中的模拟输出接口5相连，第二数字信号接口的输出端与接收数字信号转接板6中的数字输入接口7连接，第二数字信号接口的输入端与发送数字信号转接板10中的数字输出接口9连接；

仿真器供电接口13分别向模拟信号转接1中的模拟输入接口2、接收数字信号转接板6中的数字输出接口9、发送数字信号转接板10中的数字输入接口7供电；受测光伏系统控制板供电接口14分别向模拟信号转接1中的模拟输出接口5、接收数字信号转接板6中的数字输入接口7、发送数字信号转接板10中的数字输出接口9供电；

模拟信号转换板1中的模拟信号调理电路4将模拟输入接口2和模拟输出接口5的电压隔离；接收数字信号转接板6中的数字信号隔离电路8将数字输入接口7和数字输出接口9的电压隔离；接收数字信号转接板10中的数字信号隔离电路8将数字输入接口7和数字输出接口9的电压隔离。

本发明提出的用于半实物仿真的安全接口装置听设计方法，所述安全接口装置通过隔离、差分运放及过流过压保护的系统连接方式，将受测光伏系统控制板与仿真器安全连接，其中，数字输入接口和数字输出接口采用隔离及过流过压保护的方式进行保护；模拟输入接口和模拟输出接口采用差分运放及过流过压保护的方式进行保护；具体步骤如下：

（1）安全接口装置中的部件采用符合安规等级的贴片接线排，安全接口装置在设计时使用瞬态抑制二极管防止过电压，同时通过瞬态抑制二极管与熔丝串联到底的保护方式，防止模拟信号转接板、接收数字信号转接板、发送数字信号转接板因短路、瞬间上电等情况产生的过电流或浪涌电流对受测光伏系统控制板及仿真器造成损毁；为此，根据仿真器供电接口电压最大值Us和受测光伏系统控制板供电接口电压最大值Uc，分别选择的瞬态抑制二极管应满足：

其中：tvs1为仿真器接口保护电路用瞬态抑制二极管，tvs2为控制板接口保护电路用瞬态抑制二极管；

熔断丝应满足：

其中：熔断丝熔断电流为I_f, Ic为控制板最大承受电流，Is为仿真器最大承受电流；

（2）接收数字信号转换板、发送数字信号转换板通过光耦隔离的方式进行电气隔离，同时将接收数字信号转换板、发送数字信号转换板两侧信号进行电压变换，使仿真器和受测光伏系统控制板能在最佳电压范围内工作；为此，根据信号传输频率fs和仿真器接收信号最大频率fr，以及光伏系统常规控制板所用通讯频率最大值fc，选择合适的光耦器件：

其中：光耦转换速率为ft；

（3）模拟信号通过差分运放方式采集仿真器输出的模拟信号传递给受测光伏系统控制板A/D采样，形成电压变换和高阻隔离。该方式在仿真器接口的模拟电压范围与受测光伏系统控制器采样端口需要的电压范围不一致时，也能保证充分利用仿真器输出精度，同时减少干扰影响；由于差分采用了高阻电阻，为防止过电流流通，形成了高阻隔离；根据模拟信号传输频率fa和仿真器发送模拟信号的最大频率far，选择合适的差分放大器：

其中：放大器转换速率为fo；

（4）仿真器和受测光伏系统控制板接口的电源在PCB（印刷电路板）设计上完全独立。

本发明所设计的安全接口装置，与现有不通过接口电路直接连接控制器与仿真器的方式有以下优点：

（1）能够有效利用仿真器数模转换器的精度。通过使用精确的模拟电路调理电压（见附图3）而不是通过内部模数转换器限制，可以使控制器获得更高精度的模拟量。

（2）提供了在仿真中增加随机噪声的条件。可以通过用环境噪声等电磁干扰辐射安全接口装置等方式，产生采样误差，达到测试控制系统的稳定性的目的。

（3）可以防止错误输出的模拟信号损坏控制器。防止模型建立过程中模拟量接口意外输出超出控制器接收能力的高电压损坏控制器。

（4）提供数字量的输入、输出接口。防止因参数设置错误导致仿真器或控制器损坏。

（5）提供模拟量、数字量的低强度电气隔离。防止因错误接线导致的问题，减少因静电损坏设备的可能性。通过差分运放方式实现模拟量的低强度电气隔离（见附图3），通过光耦实现数字量的低强度隔离（见附图4）。

（6）加入高压隔离及旁路电路，防止过电压因意外搭接到控制器或转接板时造成的误触电事故，当发生事故时，能及时保护受测控制板及半实物仿真器的端口。具体接口保护电路见附图2。

（7）特别根据光伏逆变器控制板对模拟量采集的需求，以及信号输入输出的需求，设计了包含数字输入和数字输出电路，以及模拟量输入电路，便于开展基于光伏逆变器控制板的半实物仿真，对控制板内部程序及算法进行验证。

（8）考虑模拟信号的采样要求，保证开关频率所造成的仿真器输出纹波模拟信号能够通过16倍频以上常规采样方法实现，采样频率应大于f_s×16，目前主流中等及大功率逆变器中，频率最高已知的达到了40kHz，因此设计模拟信号的运放带宽采样频率大于640kHz。

（9）在未采用光电隔离器的现有直连转换装置中，因各模块间地线相连，数字电路中尖峰噪声影响很大，系统信噪比较小。因此加入隔离光耦，一方面实现数字的高压隔离，另一方面可以提高系统信噪比。考虑数字信号的采样要求，保证控制板的控制信号能准确传递到仿真器中，以及保证预留通信接口的速率需求，由于为保证传输距离，一般485通信速率为9k-115k，因此设计隔离光耦的最大速率为5MHz。

附图说明

考虑数字IO口较多，且需要预留通讯接口，所以安全转换装置按标准16口进行设计并配置两路，配合了半实物仿真器对数字接口数量的需求以及控制板对关键模拟接口数量的需求。

图1为安全接口装置的整体结构图。

图2为模拟信号和数字信号的接口保护电路，用于防护过流过压对控制板及半实物仿真器造成损害。

图3为接口保护电路及模拟调理电路示意图，用于形成仿真器与控制板的低压隔离，并防止共模干扰。

图4为数字隔离电路的示意图，用于形成仿真器与控制板数字信号间的低压隔离，并防止共模干扰。

图中标号：1为模拟信号转接板，2为模拟输入接口，3为接口保护电路，4为模拟信号调理电路，5为模拟输出接口，6为接收数字信号转接板，7为数字输入接口，8为数字信号隔离电路，9为数字输出接口，10为发送数字信号转接板，11为仿真器接口，12为受测光伏系统控制板接口，13为仿真器供电接口，14为受测光伏系统控制板供电接口。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：仿真器供电接口电压最大值Us为10V，受测光伏系统控制板供电接口电压最大值Uc为3V；控制板最大承受电流Ic为0.2A，仿真器最大承受电流Is为20mA；信号传输频率fs为15kHz，仿真器接收信号最大频率fc为125kHz，控制板通讯频率最大值19.2kHz；模拟信号传输频率最大值fa为30kHz，仿真器发送模拟信号的最大频率far为125kHz.

图1中，仿真器接口是指与半实物仿真器连接的接口电路，使用多股信号线将仿真器与本发明进行电气连接。

图1中，被测控制器接口是指与受测的光伏逆变器控制器板连接的接口电路。

图1中，模拟输入接口是指接收仿真器模拟量输出的电路，由仿真器供电接口提供电压。

图1中，模拟输出接口是指向光伏逆变控制器输出模拟量的电路，由受测光伏系统控制板供电接口提供电压。

图1中，接口保护电路通过瞬态抑制二极管实现了被动的电压保护，防止过电压击穿仿真器接口和受测光伏系统控制板接口；同时通过在接口与地之间串联熔断器，防止因短路现象导致的过电流故障。

图1中，模拟信号调理电路采用高阻隔离及差分放大的原理，使得高电压无法在被隔离的两侧产生大电流，达到保护硬件的目的。

图1中，数字输入接口是指转接板接收数字量输入的电路。数字输出接口是输出数字信号的电路。数字信号隔离电路采用高速光耦隔离，达到保护两侧硬件的目的；同时通过隔离，实现仿真器供电接口与受测光伏系统控制板供电接口的电压隔离，使仿真器接口及受测光伏系统控制板接口各自工作在自身最优的范围内。

图1中，仿真器侧供电、被测控制器侧供电为相互隔离的外置电源。

图1中，接口保护电路参照图2，模拟信号调理电路参考图3，数字信号调理电路参考图4。

图2中，通过熔断丝实现过电流保护，熔断丝与瞬态抑制二极管对地串联，当出现过电压时，能直接短路至地，熔断丝同样能起到保护功能。瞬态抑制二极管应设计符合：

其中：tvs1为仿真器接口保护电路用瞬态抑制二极管，tvs2为控制板接口保护电路用瞬态抑制二极管。

图2中，熔断丝应设计符合：

其中：f1为控制板侧熔断丝，f2为仿真器侧熔断丝，熔断丝熔断电流为I_f1, I_f2。

图3中，采用高阻电阻，减小传递的电流，实现高阻隔离，同时利用差分放大器实现模拟信号的共模滤波。差分放大器应设计符合：

其中：放大器转换速率为fo；

图4中，采用光耦芯片实现数字信号的电气隔离。光耦芯片应设计符合：

其中：光耦转换速率为ft。

Claims (1)

1.一种用于半实物仿真的安全接口装置的设计方法，所述设计方法通过用于半实物仿真的安全接口装置实现，所述安全接口装置由模拟信号转接板(1)、接收数字信号转接板(6)、发送数字信号转接板(10)、仿真器接口(11)、受测光伏系统控制板接口(12)和仿真器供电接口(13)和受测光伏系统控制板供电接口(14)组成，其中：

模拟信号转接板(1)由模拟输入接口(2)、第一接口保护电路、模拟信号调理电路(4)和模拟输出接口(5)依次连接组成；

接收数字信号转接板(6)由数字输入接口(7)、第二接口保护电路、数字信号隔离电路(8)、第三接口保护电路和数字输出接口(9)依次连接组成；

发送数字信号转接板(10)由数字输入接口(7)、第四接口保护电路、数字信号隔离电路(8)、第五接口保护电路和数字输出接口(9)依次连接组成；

仿真器接口(11)包含第一模拟信号接口与第一数字信号接口，第一模拟信号接口与模拟信号转接板(1)中的模拟输入接口(2)相连，第一数字信号接口输入端与接收数字信号转接板(6)中的数字输出接口(9)连接，第一数字信号接口的输出端与发送数字信号转接板(10)中的数字输入接口(7)连接；

受测光伏系统控制板接口(12)包含第二模拟信号接口与第二数字信号接口，第二模拟信号接口与模拟信号转接板(1)中的模拟输出接口(5)相连，第二数字信号接口的输出端与接收数字信号转接板(6)中的数字输入接口(7)连接，第二数字信号接口的输入端与发送数字信号转接板(10)中的数字输出接口(9)连接；

仿真器供电接口(13)分别向模拟信号转接板(1)中的模拟输入接口(2)、接收数字信号转接板(6)中的数字输出接口(9)、发送数字信号转接板(10)中的数字输入接口(7)供电；受测光伏系统控制板供电接口(14)分别向模拟信号转接(1)中的模拟输出接口(5)、接收数字信号转接板(6)中的数字输入接口(7)、发送数字信号转接板(10)中的数字输出接口(9)供电；

模块信号调理电路(4)通过第六接口保护电路连接模拟输出接口(5)；

模拟信号转换板(1)中的模拟信号调理电路(4)将模拟输入接口(2)和模拟输出接口(5)的电压隔离；接收数字信号转接板(6)中的数字信号隔离电路(8)将数字输入接口(7)和数字输出接口(9)的电压隔离；接收数字信号转接板(10)中的数字信号隔离电路(8)将数字输入接口(7)和数字输出接口(9)的电压隔离；

其特征在于：所述安全接口装置通过隔离、差分运放及过流过压保护的系统连接方式，将受测光伏系统控制板与仿真器安全连接，其中，数字输入接口和数字输出接口采用隔离及过流过压保护的方式进行保护；模拟输入接口和模拟输出接口采用差分运放及过流过压保护的方式进行保护；具体步骤如下：

(1)安全接口装置中的部件采用符合安规等级的贴片接线排，安全接口装置在设计时使用瞬态抑制二极管防止过电压，同时通过瞬态抑制二极管与熔丝串联到底的保护方式，防止模拟信号转接板、接收数字信号转接板、发送数字信号转接板因短路、瞬间上电情况产生的过电流或浪涌电流对受测光伏系统控制板及仿真器造成损毁；为此，根据仿真器供电接口电压最大值Us和受测光伏系统控制板供电接口电压最大值Uc，分别选择的瞬态抑制二极管应满足：

U_s＜U_tvs1＜1.3U_s

U_c＜U_tvs2＜1.3U_c

其中：tvs1为仿真器接口保护电路用瞬态抑制二极管，tvs2为控制板接口保护电路用瞬态抑制二极管；

熔断丝应满足：

1.1I_c＜I_f＜1.25I_c

1.1I_s＜I_f＜1.25I_s

其中：熔断丝熔断电流为I_f,Ic为控制板最大承受电流，Is为仿真器最大承受电流；

(2)接收数字信号转换板、发送数字信号转换板通过光耦隔离的方式进行电气隔离，同时将接收数字信号转换板、发送数字信号转换板两侧信号进行电压变换，使仿真器和受测光伏系统控制板能在最佳电压范围内工作；为此，根据信号传输频率fs和仿真器接收信号最大频率fr，以及光伏系统常规控制板所用通讯频率最大值fc，选择合适的光耦器件：

16×f_s≤f_t

16×f_c≤f_t

f_r≤f_t

其中：光耦转换速率为ft；

(3)模拟信号通过差分运放方式采集仿真器输出的模拟信号传递给受测光伏系统控制板A/D 采样，形成电压变换和高阻隔离；该方式在仿真器接口的模拟电压范围与受测光伏系统控制器采样端口需要的电压范围不一致时，也能保证充分利用仿真器输出精度，同时减少干扰影响；由于差分采用了高阻电阻，为防止过电流流通，形成了高阻隔离；根据模拟信号传输频率fa和仿真器发送模拟信号的最大频率far，选择合适的差分放大器：

16×f_a≤f_o

f_ar≤f_o

其中：放大器转换速率为fo；

(4)仿真器和受测光伏系统控制板接口的电源在印刷电路板设计上完全独立。