CN106681153A - 自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，包括互相连接的计算单元、同步时钟信号单元和接口单元；接口单元包括数字量输入接口单元、数字量输出接口单元、模拟量输入接口单元和模拟量输出接口单元；同步时钟信号单元具有用于与外部电力系统实时仿真平台相连的接口，用于接受电力系统实时仿真平台输出的同步时钟信号，并根据接收到的同步时钟信号为接口单元和信号计算单元提供各类频率的时钟信号；计算单元用于根据接收到的输入量以及预先设置的控制算法生成控制信号；本发明公开的自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，解决了在电力系统实时仿真平台进行变频数模混合仿真时现有控制器不能够正确工作的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力系统控制技术领域，更具体地，涉及一种自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器。
背景技术
电力系统实时仿真是指其仿真时间尺度与实际电力系统运行的时间尺度完全相同的仿真过程。二十世纪90年代以来，电力系统实时仿真技术得到了快速发展并逐步得到推广应用。目前，在我国应用最为广泛的电力系统实时仿真系统主要有RTDS(加拿大研制)和ADPSS(中国电力科学研究院研制)。电力系统实时仿真系统均可通过相应的物理接口接入外置物理装置，通过与外置物理装置联合协同工作完成数模混合闭环仿真实验。
在进行电力电子化电力系统仿真实验时，需要观察到高频开关器件运行中的过渡过程，由于仿真实验所需计算量过大，导致电力系统实时仿真系统的仿真运行时间长度大于电力系统实际运行的时间长度，并导致电力系统实时仿真系统的实际运行频率降低，由于现有外置控制器未能和电力系统实时仿真系统进行时间尺度同步，现有外置控制器仍按照预设的自身固定的频率运行，在这种情况下，外置的物理装置的运行频率与电力系统实时仿真系统的频率不同，将导致外置物理装置与电力系统实时仿真系统工作节拍不匹配，外置控制器的控制信号时序与仿真系统运行的时序之间产生错乱，不能实现相互之间的协同工作，导致混合闭环仿真实验的结果错误，实验失败。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，其目的在于解决在电力系统实时仿真系统的运行频率与实际电力系统运行频率不同的情况下进行数模混合闭环仿真时，现有外置物理控制器与电力系统实时仿真系统因时序不一致而不能协同工作的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，包括计算单元、同步时钟信号单元和接口单元；
其中，接口单元的第一端与同步时钟信号单元第一端的相连，第二端与计算单元的第一端相连，第三端用于连接外部电力系统实时仿真系统；计算单元的第二端与同步时钟信号单元的第二端相连；
其中，同步时钟信号单元用于根据外部电力系统实时仿真系统的同步时钟信号、以及接口单元与计算单元所预设的频率，生成同步信号，使得接口单元和计算单元与电力系统实时仿真系统保持时钟同步；
其中，计算单元用于根据接口单元采样获得的电力系统运行状态量、开关量、以及预置的或下载的待仿真控制算法计算出与电力系统实时仿真系统工作时序相匹配的控制量，并通过接口单元将该控制量反馈到外部电力系统实时仿真系统，由外部电力系统实时仿真系统根据该控制量完成数模混合闭环仿真，实现外置控制器与电力系统实时仿真系统之间的协同工作；
待仿真的控制算法通过外部上位机下载到外置物理控制器的计算单元中并存储；
接口单元作为所述外置物理控制器与外部电力系统实时仿真平台之间的交互通道，用于根据同步时钟信号单元提供的上述同步信号实时调整接口单元的采样周期，以自适应外部电力系统实时仿真系统的实际运行频率。
优选的，上述自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，其接口单元与计算单元之间采用高速光纤通道连接，以实现数据的快速交互以及一次侧与二次侧的电气隔离；
在现有技术下，一次侧与二次侧的隔离主要由电压互感器(PT)、电流互感器(CT)实现，但由于本装置涉及频率的变化，PT和CT均基于50Hz，在频率较低时PT、CT涡流损耗过大易导致信号畸变，通过在接口单元与计算单元之间采用高速光纤通道实现一次侧与二次侧的电气隔离。
优选的，上述自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，其接口单元包括面向电力系统实时仿真系统的并列的模拟量输出接口、模拟量输入接口、数字量输出接口和数字量输入接口；
其中，数字量输入接口包括依次连接的电阻网络和基于DSP的高速处理单元；数字量输出接口包括依次连接的电阻网络和基于DSP的高速处理单元；
模拟量输入接口包括依次连接的电阻网络、模数转换单元、基于DSP的高速处理单元；模拟量输出接口包括依次连接的电阻网络、数模转换单元和基于DSP的高速处理单元；
其中，电阻网络用于将电力系统输出的一次侧信号通过分压的方式转换为低电压；现有技术大多采用阻容网络实现该功能并同时实现滤波功能，但由于本装置涉及频率的变化，阻容网络会随着信号频率的变化而变化，因此阻容电路将导致输入量的幅值和相位变化；本发明中采用电阻网络可以很好的保证幅值和相位不随频率的变化而发生改变；因此本发明采用电阻网络完成分压功能，而在基于DSP的高速处理单元采用数字滤波算法完成滤波功能。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明所提供的自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，通过同步信号处理、一次侧与二次侧的隔离处理，使该外置物理控制器在具有现有控制器的功能外，还能够自适应系统的频率变化，使得外置物理控制器与电力系统实时仿真系统之间协同工作，解决了在外置物理控制器与电力系统实时仿真系统变频联合仿真过程中，由于仿真实验计算量过大导致的电力系统实时仿真系统的运行频率与实际电力系统运行频率出现较大偏差而不同步导致的不能协调工作的问题；
为验证在电力系统实时仿真系统中新型元件数学模型、外置物理控制器控制策略、电力系统实时仿真系统中新型元件和外置物理控制器协同工作的正确性和有效性提供了有效可靠的验证工具，从而为新型元件数学模型、控制策略、新型元件和外置物理控制器协同工作等方面的实际运用提供有效可靠的仿真依据。
(2)本发明所提供的自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，通过其接口单元对模拟量输入接口和模拟量输出接口的处理，使得模拟量的幅值和相位在变频仿真过程中不会因为频率的改变而造成畸变；另一方面，其接口单元的采样周期与计算单元的计算周期均通过同步时钟信号实现自适应频率的变化，从而实现电力系统实时仿真系统与外置物理控制器正确、有效地协同工作。
附图说明
图1是ADPSS电力系统实时仿真系统与实施例提供的外置物理控制器协同进行闭环仿真实验的连接关系示意图；
图2是实施例提供的自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器的接口单元各接口的数据流向示意图；
图3是实施例提供的自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器的计算单元示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，包括互相连接的控制信号计算单元、同步时钟信号发生单元和接口单元；图1所示是实施例提供的这种外置物理控制器在电力系统全数字仿真系统(Advanced Digital PowerSystem Simulator，ADPSS)上实际应用的连接关系示意图；
本实施例提供的外置物理控制器，其接口单元用于实现外置物理控制器与ADPSS系统实时仿真系统的数据信息交互，包括与ADPSS系统相连的模拟量输出接口、模拟量输入接口，数字量输出接口和数字量输入接口；该接口单元的所包括的各类接口的内部功能框图接口单元如图2所示；
具体的，模拟量输出接口包括电阻网络、模数转换单元和基于DSP的高速处理单元，由16位模组转换芯片构成的模数转换单元用于根据同步时钟信号、配合电阻网络完成对ADPSS系统实时仿真系统输出模拟量的采集，基于DSP芯片的高速处理单元通过数字滤波算法完成对采样信号的预处理，滤除部分噪声，并通过高速光纤通信信道将预处理后的相位和幅值发送到计算单元。
模拟量输入接口包括电阻网络、数模转换单元和基于DSP的高速处理单元；其中，基于DSP芯片的高速处理单元根据计算单元发送的由高速光纤通信信道传输的控制量，以及同步时钟信号，控制由16位模数转换芯片构成的模数转换单元将控制信号由数字量转换为模拟量，并通过电阻网络将模拟量反馈到ADPSS系统中。
数字量输出接口包括电阻网络和基于DSP的高速处理单元；其中，基于DSP的高速处理单元通过数字滤波算法完成对采样信号的预处理，滤除部分噪声，并通过高速光纤通信信道将预处理后的采样值发送到计算单元。
数字量输入接口包括电阻网络和基于DSP的高速处理单元；其中，基于DSP的高速处理单元根据计算单元发送的由高速光纤通信信道传输的控制量以及同步时钟信号，并通过电阻网络将控制信号数字量发送到ADPSS系统。
本实施例的外置物理控制器，其同步时钟信号发生单元采用基于DSP高速处理芯片的嵌入式系统构成，根据ADPSS系统输出的同步时钟信号以及接口单元和计算单元的预设频率，通过软件实现锁相环功能，并根据需求生成与各接口、计算单元的频率同步的时钟信号，并通过高速光纤通信信道传输，以保证外置物理控制器各接口和计算单元的工作频率，使得外置物理控制器与ADPSS系统实现协同工作。
本实施例的外置物理控制器，其计算单元如图3所示意的，包括由EEPROM芯片、RAM芯片及DSP芯片构成的计算系统，其中，EEPROM和SRAM用于存储，DSP用于数字信号处理；
通过外部上位机将待仿真的控制算法下载到计算单元中，并在控制单元的EEPROM中存储。计算单元根据与外部ADPSS系统相连的接口单元提供的采样信号，以及待仿真的控制算法完成计算，产生与待仿真算法对应的控制量，通过高速光纤通信信道将控制量通过接口单元发送到ADPSS系统，以控制闭环仿真实验。
在与ADPSS系统协调完成闭环仿真实验时，由于计算单元与接口单元间通过高速光纤通信信道进行数据交互，实现了控制器与ADPSS电力系统实时仿真系统的电气隔离，起到避免一次侧的过电压现象对二次侧控制装置造成损坏的作业。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种自适应电力系统实时仿真平台变频仿真的外置物理控制器，其特征在于，包括计算单元、同步时钟信号单元和接口单元；
所述接口单元的第一端与同步时钟信号单元第一端的相连，第二端与计算单元的第一端相连，第三端用于连接外部电力系统实时仿真系统；计算单元的第二端与同步时钟信号单元的第二端相连；
所述同步时钟信号单元用于根据外部电力系统实时仿真系统提供的同步时钟信号、以及接口单元与计算单元所预设的频率生成同步信号，使得接口单元和计算单元与外部电力系统实时仿真系统保持时钟同步；
所述计算单元用于根据接口单元采样获得的电力系统运行状态量、开关量、以及预置的或下载的待仿真控制算法计算出与外部电力系统实时仿真系统工作时序相匹配的控制量，通过接口单元将所述控制量反馈到外部电力系统实时仿真系统；
待仿真的控制算法通过外部上位机下载到所述计算单元中并存储；
所述接口单元作为所述外置物理控制器与外部电力系统实时仿真系统之间的交互通道，根据同步时钟信号单元提供的所述同步信号实时调整接口单元的采样周期，以匹配外部电力系统实时仿真系统的实际运行频率。
2.如权利要求1所述的外置物理控制器，其特征在于，所述接口单元与计算单元之间采用高速光纤通道连接，以实现数据的快速交互以及一次侧与二次侧的电气隔离。
3.如权利要求1或2所述的外置物理控制器，其特征在于，所述接口单元包括面向外部电力系统实时仿真系统的并列的模拟量输出接口、模拟量输入接口、数字量输出接口和数字量输入接口；
其中，数字量输入接口包括依次连接的电阻网络和基于DSP的高速处理单元；数字量输出接口包括依次连接的电阻网络和基于DSP的高速处理单元；
模拟量输入接口包括依次连接的电阻网络、模数转换单元、基于DSP的高速处理单元；模拟量输出接口包括依次连接的电阻网络、数模转换单元和基于DSP的高速处理单元。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200214 |
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