CN105652685B - 一种动态模拟实验用功能模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动态模拟实验用功能模拟装置，所述装置包括MOV功能模拟模块、保护间隙GAP功能模拟模块和快速旁路电子开关功能模拟模块；所述MOV功能模拟模块、所述保护间隙GAP功能模拟模块、以及所述快速旁路电子开关功能模拟模块依次并联。本装置集成3种功能模块，同时适用于串联补偿装置、故障电流限制器动模试验。
Description
技术领域：
本发明涉及一种功能模拟装置，具体讲涉及一种用于模拟动态模拟实验系统中MOV、保护间隙和快速旁路开关的装置。
背景技术：
电力系统动态模拟试验是研究分析电力系统的重要手段。物理的动态模拟实验通过实际物理模型分析模拟系统的动态特性。物理模型通常包括发电机、输电线路、变压器、断路器及用电负荷等，这些模型必须能够真实地体现原电力系统元件的特性。为保证这一点，物理模型通常采用与原型一致或相似的物理实体，例如，用电动发电机模拟发电机，用电感和电容π型组合模拟输电线路，等等。
加装串联补偿装置的动态模拟实验线路中需要配置MOV实现限压，配置放电间隙以保护MOV和动态模拟实验线路中的电容器免受过电压及过热损坏。
加装故障电流限制器的动态模拟实验线路中，不仅需要配置MOV实现限压，配置放电间隙保护MOV和动态模拟实验线路中的电容器免受过电压及过热损坏，还需配置快速旁路电子开关使动态模拟实验线路中的电抗器投入工作，起到限流作用。
动态模拟实验中，串联补偿装置或故障电流限制器所用到的MOV、保护间隙以及快速旁路电子开关的功能模拟，需要用特殊的方法实现。这是因为，如果采用普通低压ZnO电阻模拟MOV，会面临以下困难：
1.低压ZnO电阻产品参数分散性大，在保护区内的动态电阻大，与电力系统中实际应用的大容量MOV的动态电阻相差甚远。
2.低压ZnO电阻的吸收容量通常很小，定做大容量ZnO电阻成本很高，而且ZnO电阻在试验中很容易损坏，需要不断更换。
3.动态模拟实验希望模型参数可调，以便适用不同的试验，如果用低压ZnO电阻模拟MOV，不同的试验需要定做不同的ZnO电阻。
如果采用普通低压间隙来模拟保护间隙，会面临以下困难：
间隙触发受串联补偿装置或故障电流限制器的控制保护系统的控制，即控制保护系统产生相关保护动作之后能控制间隙正确触发，如果用低压间隙来完成这样的模拟，其控制系统设计非常复杂。
间隙触发需要有很好的稳定性和击穿电压的一致性，用低压间隙来完成这样的模拟，其低压间隙击穿电压的随机性、分散性大。
快速旁路电子开关的功能模拟会面临以下困难：
实际线路中，故障电流限制器快速电子开关是通过控制保护系统阀电子柜和TE板接口控制大功率晶闸管，在动态模拟模型中也可以采用该方式来实现，但该方式在动态模拟模型中实现起来接线复杂，在模型中使用实际应用的大功率晶闸管也很浪费。
针对上述不足，需要提供一种功能模拟装置用于模拟动态模拟实验系统中的MOV、保护间隙和快速开关，同时方便控制系统接入。
发明内容：
为了克服现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种动态模拟实验用功能模拟装置：
本发明提供的技术方案是：一种动态模拟实验用功能模拟装置，其改进之处在于：所述装置包括MOV功能模拟模块、保护间隙GAP功能模拟模块和快速旁路电子开关功能模拟模块；所述MOV功能模拟模块、所述保护间隙GAP功能模拟模块、以及所述快速旁路电子开关功能模拟模块依次并联。
优选的，所述MOV功能模拟模块包括：第一电源转换模块、模拟量测量模块、人机界面模块、CPU模块、第一驱动模块、第一功率放大模块；
所述第一电源转换模块的输入端接220V交流电源，其输出端分别连接并提供电源给所述模拟量测量模块、所述人机界面模块、所述CPU模块以及所述第一驱动模块；
所述模拟量测量模块用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器分别采集所述第一功率放大模块两端的电压和回路电流并发送给所述CPU模块进行数据处理；
所述人机界面模块用人机交互交互界面与所述CPU模块通讯，实现MOV导通电压的设定、MOV阻抗特性参数的设定、MOV电压和MOV电流模拟量的在线监测、电路板芯片的监测及外围电路的故障信息告警；
所述CPU模块接收所述模拟量测量模块的测量数据，并将所述人机界面模块设定的MOV导通电压和MOV阻抗特性参数进行数据运算处理，制定控制策略，输出PWM脉冲信号给所述第一驱动模块，同时上传电路板芯片及外围电路故障的检测信息给所述人机界面模块；
所述第一驱动模块接收所述CPU模块的PWM信号，控制所述第一功率放大模块的导通角度；
所述第一功率放大模块与模拟线路串联电容相连，用于模拟动态模拟试验用MOV。
进一步，所述第一功率放大模块为额定电流为200A、额定电压为1200V的IGBT功率器件。
进一步，所述第一电源转换模块将所述220V交流电源转换为1.8V、3.3V、5V和15V的直流电源后分别接入到所述模拟量测量模块、所述人机界面模块、所述CPU模块以及所述第一驱动模块。
进一步，所述CPU模块的控制策略包括如下步骤：
S1，比较所述模拟量测量模块测得的电压值和所述人机界面模块设定的MOV导通电压值；
S2，根据比较结果，确定进行步骤S3或步骤S4；
S3，当所述模拟量测量模块测得的电压值小于所述人机界面模块设定的MOV导通电压值时，闭合PWM脉冲产生模块的输出；
S4，当所述模拟量测量模块测得的电压值大于或等于所述人机界面模块设定的MOV导通电压值时，在电压-阻抗表中查找与该电压值对应的阻抗值，根据对应阻抗值在阻抗-占空表中查找对PWM信号占空比，并驱动脉冲产生模块产生相应的PWM信号。
优选的，所述保护间隙GAP功能模拟模块包括第二电源转换模块、第一光通信模块、第一逻辑处理模块、第二驱动模块、第二功率放大模块；
所述第二电源转换模块的输入端接220V交流电源，其输出端分别连接并提供电源给所述第一光通信模块、所述第一逻辑处理模块、以及所述第二驱动模块；
所述第一光通信模块接收串联补偿装置控制保护系统的触发光信号，并将所述光信号转换为电信号输出给所述第一逻辑处理模块；
所述第一逻辑处理模块接收所述第一光通信模块输出的触发信号，并根据所述触发信号输出PWM脉冲信号给所述第二驱动模块；
所述第二驱动模块接收所述第一逻辑处理模块输出的PWM脉冲信号，并根据所述PWM脉冲信号控制所述第二功率放大模块的导通角度；
所述第二功率放大模块与模拟线路串联电容相连，用于模拟动态模拟试验用GAP。
进一步，所述第二电源转换模块将所述220V交流电源转换为1.8V、3.3V、5V、以及15V的直流电源后分别接入到所述第一光通信模块、所述第一逻辑处理模块、以及所述第二驱动模块。
优选的，所述快速旁路电子开关功能模拟模块包括第三电源转换模块、第二光通信模块、第二逻辑处理模块、第三驱动模块、第三功率放大模块；
所述第三电源转换模块的输入端接220V交流电源，其输出端分别连接并提供电源给所述第二光通信模块、所述第二逻辑处理模块、以及所述第三驱动模块；
所述第二光通信模块接收阀基电子柜的触发光信号，并将所述光信号转换为电信号输出给所述第二逻辑处理模块；
所述第二逻辑处理模块接收所述第二光通信模块输出的触发信号，并根据所述触发信号输出PWM脉冲信号给所述第三驱动模块；
所述第三驱动模块接收所述第二逻辑处理模块输出的PWM脉冲信号，并根据所述PWM脉冲信号控制所述第三功率放大模块的导通角度；
所述第三功率放大模块与模拟线路串联电容相连，用于模拟动态模拟试验用快速旁路电子开关。
进一步，所述第三电源转换模块将所述220V交流电源转换为1.8V、3.3V、5V、以及15V的直流电源后分别接入到所述第二光通信模块、所述第二逻辑处理模块、以及所述第三驱动模块。
和最接近的现有技术比，本发明具有如下有益效果：
(1)多功能、多用途：本装置集成3种功能模块，同时适用于串联补偿装置、故障电流限制器动模试验。
(2)阻抗特性高准确性：根据MOV阻抗特性制定控制策略，MOV模拟功能基本能准确实际MOV阻抗特性曲线。
(3)可设置多种阻抗特性：阻抗特性可选择，可以模拟不同型号的MOV阻抗特性。
(4)拐点电压可设定：MOV模拟功能运行范围宽，放电功率等级大。
(5)可视化操作界面：操作界面采用触摸液晶显示屏，控制电路采用数字电路，操作和调试方便。
(6)模型接入方便，各功能模块可以直接入控制保护体统，不需中间转接环节。
(7)一致性好，可以很好解决用低压间隙用于模型时，击穿电压的随机性、分散性大缺点。
附图说明：
图1为本发明的装置拓扑结构图；
图2为本发明应用于串补模型线路中的原理图；
图3为本发明应用于故障电流限制器模型线路中的原理图；
图4为MOV功能模拟模块硬件基本架构图；
图5为本发明的MOV功能模块模拟的MOV伏安特性曲线示意图；
图6为图5中CPU模块的控制策略原理图；
图7为保护间隙功能模拟模块硬件基本结构图；
图8为快速旁路电子开关功能模拟模块硬件基本结构图。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实施例对本发明的内容做进一步地说明。
本装置主要由3大模块组成如图1所示：MOV功能模拟模块1；保护间隙GAP功能模拟模块2；快速旁路电子开关功能模拟模块3；
动态模拟系统可根据模拟线路的需要选择使用不同的功能模块；
如图2所示：在串补模型线路中可将本装置的MOV功能模拟模块并联在线路的串补电容两端，保护间隙GAP功能模拟模块一端与串补电容一端连接，另一端与线路的电抗器相连。
MOV功能模拟模块用于保护串补电容免受过电压的损害。如果由于雷击、操作或线路故障使串补电容两端的电压出现过电压，达到MOV的拐点电压即MOV的导通电压，MOV的阻值会迅速降低，引起过电压的电流几乎全部通过MOV，串补电容两端电压几乎不再上升，串补电容得到保护。
保护间隙GAP功能模拟模块主要用于保护MOV。MOV限制电压的同时，吸收大量的电流，其电阻特性呈现非线性。随着MOV导通大电流时间的增加，其两端的电压也会有所增加；MOV在通过大电流的同时，吸收了大量的能量，由于MOV吸收能量的能力有限，能量过大时，MOV将损坏，严重时发生爆炸，因此需要保护间隙动作放电，来限制过电压。
保护间隙的动作由如下两种方式触发：(1)当被保护对象两端的电压超过某一限值；(2)通过MOV的放电能量超过一定值。保护间隙触发电弧击穿，同时启动旁路开关闭合。
如图3所示：在模拟故障电流限制器模型线路中可将本装置的MOV功能模拟模块并联在线路的串联电容两端，将本装置的保护间隙GAP功能模拟模块的一端与串联电容一端相连，另一端与电抗器一端相连；将本装置的快速旁路电子开关功能模拟模块与保护间隙GAP功能模拟模块并联。
线路正常工作时电抗L与串联电容C等效阻抗为零；当线路故障时，快速旁路电子开关和快速旁路开关将电容器旁路，使用电抗来限制故障电流的上升。
MOV和保护间隙GAP的功能与串补模型中的功能一致。
1、MOV功能模拟模块实现方式：如图4所示：MOV功能模拟模块硬件基本架构分两部分即控制部分和功率放大部分。控制部分包含①第一电源电路模块、②模拟量测量模块、③人机界面模块、④CPU模块和⑤第一驱动模块。功率放大部分是⑥第一功率放大模块。
①第一电源转换模块：接入220V交流电源转换1.8V、3.3V、5V、15V等不同直流电压电源供②模拟量测量模块、③人机界面模块、④CPU模块和⑤第一驱动模块需要使用。
②模拟量测量模块：通过电流和电压霍尔元件采集⑦第一功率放大模块测两端电压和回路中电流信号发送给⑤CPU模块进行数据处理。
③人机界面模块：利用人机交互界面与⑤CPU模块通讯，实现MOV导通电压、MOV阻抗特性类型等参数设定、MOV电压和MOV电流模拟量在线监测和监测控制电路板主要芯片及重要外围电路的故障信息告警。
④CPU模块：利用数据处理芯片接收②模拟量测量模块的测量数据，并与③人机界面模块所设定的拐点电压和MOV阻抗特性参数进行数据运算处理，制定出控制策略，即发出PWM脉冲信号给⑤第一驱动模块，同时上传控制电路板主要芯片及外围电路故障的检测信息给②人机界面模块。
⑤第一驱动模块：接收④CPU模块的PWM信号，控制⑥第一功率放大模块的导通角度。
⑥第一功率放大模块：与模拟线路串联电容两端相连接，控制极受⑤第一驱动模块控制导通，受控器件为开关均可控大功率电力电子器件。
图4中CPU模块的控制策略如图5所示：
MOV电压测量值(即第一功率放大模块的电压测量值)与人机界面设定的MOV导通电压值在CPU模块进行计算比较，当MOV电压测量值小于MOV导通电压设定值时，驱动脉冲产生模块闭锁，脉冲产生模块实为一个受控开关电路；当MOV电压测量值大于MOV导通电压设定值时，根据MOV电压测量值在电压-阻抗表中查找对应的阻抗值，根据对应阻抗值在阻抗-占空表中查找对PWM信号占空比，然后驱动脉冲产生电路产生相应的PWM脉冲信号输出给第一驱动模块。
本发明采用200A/1200V的IGBT器件作为第一功率放大模块，模拟出用于动态模拟试验用的MOV，其特性曲线如图6所示。
2、保护间隙(GAP)功能模拟模块实现：
如图7所示，保护间隙(GAP)功能模拟模块硬件基本架构分两部分，即控制部分和功率放大部分。控制部分包含①第二电源转换模块、②第一光通信模块、③第一逻辑处理模块、④第二驱动模块。功率放大部分是⑤第二功率放大模块。
①第二电源转换模块：接入220V交流电源转换1.8V、3.3V、5V、15V等不同直流电压电源供②第一光通信模块、③第一逻辑处理模块和④第二驱动模块需要使用。
②第一光通信模块：接收串联补偿装置控制保护系统触发光信号，转换为电信号，传输给③第一逻辑处理模块；接收③第一逻辑处理模块发出的触发控制相关的检查信息的电信号转换为光信号，传输给串联补偿装置控制保护系统。
③第一逻辑处理模块：接收②第一光通信模块转发过来的触发信号，输出PWM脉冲信号给④第二驱动模块。
④第二驱动模块：接收PWM脉冲信号控制⑤第二功率放大模块的导通角度。
⑤第二功率放大模块：与模拟线路串联电容两端相连接，控制极受④第二驱动模块控制，受控器件为可控大功率电力电子器件，申请者利用106A/1200V反并联晶闸管实现。
3、快速旁路功能开关功能模拟模块实现：
如附图8所示，快速旁路功能开关功能模拟模块硬件基本架构分两部分，即控制部分和功率放大部分。控制部分包含①第三电源转换模块、②第二光通信模块、③第二逻辑处理模块、④第三驱动模块。功率放大部分是⑤第三功率放大模块。
①第三电源转换模块：接入220V交流电源转换1.8V、3.3V、5V、15V等不同直流电压电源供②第二光通信模块、③第二逻辑处理模块和④第三驱动模块需要使用。
②第二光通信模块：接收阀基电子柜触发光信号，转换为电信号，传输给③第二逻辑处理模块；接收③第二逻辑处理模块发出的触发控制相关的检查信息的电信号转换为光信号，传输给阀基电子柜。
③第二逻辑处理模块：接收②第二光通信模块转发过来的触发信号，输出PWM脉冲信号给④第三驱动模块。
④第三驱动模块：接收PWM脉冲信号控制⑤第三功率放大模块的导通角度。
⑤第三功率放大模块：与模拟线路串联电容两端相连接，控制极受④第三驱动模块控制，受控器件为可控大功率电力电子器件，申请者利用106A/1200V反并联晶闸管实现。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种动态模拟实验用功能模拟装置，其特征在于：所述装置包括MOV功能模拟模块、保护间隙GAP功能模拟模块和快速旁路电子开关功能模拟模块；所述MOV功能模拟模块、所述保护间隙GAP功能模拟模块、以及所述快速旁路电子开关功能模拟模块依次并联；
所述MOV功能模拟模块包括：第一电源转换模块、模拟量测量模块、人机界面模块、CPU模块、第一驱动模块、第一功率放大模块；
所述第一电源转换模块的输入端接220V交流电源，其输出端分别连接并提供电源给所述模拟量测量模块、所述人机界面模块、所述CPU模块以及所述第一驱动模块；
所述模拟量测量模块用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器分别采集所述第一功率放大模块两端的电压和回路电流并发送给所述CPU模块进行数据处理；
所述人机界面模块用人机交互交互界面与所述CPU模块通讯，实现MOV导通电压的设定、MOV阻抗特性参数的设定、MOV电压和MOV电流模拟量的在线监测、电路板芯片的监测及外围电路的故障信息告警；
所述CPU模块接收所述模拟量测量模块的测量数据，并将所述人机界面模块设定的MOV导通电压和MOV阻抗特性参数进行数据运算处理，制定控制策略，输出PWM脉冲信号给所述第一驱动模块，同时上传电路板芯片及外围电路故障的检测信息给所述人机界面模块；
所述第一驱动模块接收所述CPU模块的PWM信号，控制所述第一功率放大模块的导通角度；
所述第一功率放大模块与模拟线路串联电容相连，用于模拟动态模拟试验用MOV。
2.如权利要求1所述的一种动态模拟实验用功能模拟装置，其特征在于：
所述第一功率放大模块为额定电流为200A、额定电压为1200V的IGBT功率器件。
3.如权利要求1所述的一种动态模拟实验用功能模拟装置，其特征在于：
所述第一电源转换模块将所述220V交流电源转换为1.8V、3.3V、5V和15V的直流电源后分别接入到所述模拟量测量模块、所述人机界面模块、所述CPU模块以及所述第一驱动模块。
4.如权利要求1所述的一种动态模拟实验用功能模拟装置，其特征在于：
所述CPU模块的控制策略包括如下步骤：
S1，比较所述模拟量测量模块测得的电压值和所述人机界面模块设定的MOV导通电压值；
S2，根据比较结果，确定进行步骤S3或步骤S4；
S3，当所述模拟量测量模块测得的电压值小于所述人机界面模块设定的MOV导通电压值时，闭合PWM脉冲产生模块的输出；
S4，当所述模拟量测量模块测得的电压值大于或等于所述人机界面模块设定的MOV导通电压值时，在电压-阻抗表中查找与该电压值对应的阻抗值，根据对应阻抗值在阻抗-占空表中查找对PWM信号占空比，并驱动脉冲产生模块产生相应的PWM信号。
5.如权利要求1所述的一种动态模拟实验用功能模拟装置，其特征在于：
所述保护间隙GAP功能模拟模块包括第二电源转换模块、第一光通信模块、第一逻辑处理模块、第二驱动模块、第二功率放大模块；
所述第二电源转换模块的输入端接220V交流电源，其输出端分别连接并提供电源给所述第一光通信模块、所述第一逻辑处理模块、以及所述第二驱动模块；
所述第一光通信模块接收串联补偿装置控制保护系统的触发光信号，并将所述光信号转换为电信号输出给所述第一逻辑处理模块；
所述第一逻辑处理模块接收所述第一光通信模块输出的触发信号，并根据所述触发信号输出PWM脉冲信号给所述第二驱动模块；
所述第二驱动模块接收所述第一逻辑处理模块输出的PWM脉冲信号，并根据所述PWM脉冲信号控制所述第二功率放大模块的导通角度；
所述第二功率放大模块与模拟线路串联电容相连，用于模拟动态模拟试验用GAP。
6.如权利要求5所述的一种动态模拟实验用功能模拟装置，其特征在于：
所述第二电源转换模块将所述220V交流电源转换为1.8V、3.3V、5V、以及15V的直流电源后分别接入到所述第一光通信模块、所述第一逻辑处理模块、以及所述第二驱动模块。
7.如权利要求1所述的一种动态模拟实验用功能模拟装置，其特征在于：
所述快速旁路电子开关功能模拟模块包括第三电源转换模块、第二光通信模块、第二逻辑处理模块、第三驱动模块、第三功率放大模块；
所述第三电源转换模块的输入端接220V交流电源，其输出端分别连接并提供电源给所述第二光通信模块、所述第二逻辑处理模块、以及所述第三驱动模块；
所述第二光通信模块接收阀基电子柜的触发光信号，并将所述光信号转换为电信号输出给所述第二逻辑处理模块；
所述第二逻辑处理模块接收所述第二光通信模块输出的触发信号，并根据所述触发信号输出PWM脉冲信号给所述第三驱动模块；
所述第三驱动模块接收所述第二逻辑处理模块输出的PWM脉冲信号，并根据所述PWM脉冲信号控制所述第三功率放大模块的导通角度；
所述第三功率放大模块与模拟线路串联电容相连，用于模拟动态模拟试验用快速旁路电子开关。
8.如权利要求7所述的一种动态模拟实验用功能模拟装置，其特征在于：
所述第三电源转换模块将所述220V交流电源转换为1.8V、3.3V、5V、以及15V的直流电源后分别接入到所述第二光通信模块、所述第二逻辑处理模块、以及所述第三驱动模块。
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