CN108509699A - 中压混合式直流断路器分断过程仿真装置及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中压混合式直流断路器分断过程仿真装置，包含一人机交互平台，确定分断过程仿真所需的参数；一分断过程仿真模块，进行分断过程的仿真；一后处理模块，显示分断过程的仿真结果；一优化模块，对分断过程进行优化计算。还公开了其仿真方法，该仿真方法基于混合式直流断路器的分断原理，针对混合式直流断路器的分断过程，能系统全面的进行仿真计算及优化分析，为断路器相关参数的设计及元器件的选型提供参考。

Description

中压混合式直流断路器分断过程仿真装置及仿真方法

技术领域

本发明涉及中压混合式直流断路器分断过程仿真装置及仿真方法，属于混合式断路器分断过程中的仿真计算及优化设计领域，为混合式断路器相关参数的设计及元器件的选型提供参考，并预期断路器的分断状况及试验结果。

背景技术

近年来，随着直流系统的发展，混合式直流断路器成为保障直流系统安全稳定可靠运行的关键设备之一。它兼备机械开关良好的静态特性和电力电子门极可关断器件良好的动态特性，可以在几个毫秒内切断故障电流对系统进行保护。但是混合式直流断路器的设计还停留于传统方式或者未成体系。

传统的产品开发需要反复的图纸设计、样机制造、型式试验以及试验结果分析，对于混合式断路器，其分断过程中的关键参数确定更是通过反复的分断过程试验和结果分析以保证其可靠性，这将消耗大量的人力物力且产品的开发周期长，需要的试验费用昂贵。

现有的仿真仍处于在电力系统软件中搭建简单模型进行仿真，手动输入参数调整优化，没有针对混合式直流分断过程仿真分析及相关过程优化计算的较为系统全面的仿真方法。

发明内容

针对上述方法存在的不足或缺陷，本发明基于混合式断路器的分断原理，目的之一在于提供一种中压混合式直流断路器分断过程仿真装置。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：中压混合式直流断路器分断过程仿真装置，包括顺序连接的

人机交互平台，能够显示用户设计的混合式直流断路器拓扑方案模块，并提供分断过程仿真所需的仿真参数；

分断过程仿真模块，获取仿真参数建立仿真任务，启动后台仿真程序进行仿真；

后处理模块，显示分断过程仿真结果，向用户显示分断过程中特征量的时域波形，并将关键的技术参数以数据形式显示；

所述的后处理模块上连接有优化模块，所述的优化模块进行零电压过程优化与零电流过程优化；

人机交互平台确定分断过程仿真所需的参数，将混合式直流断路器主回路拓扑方案模块与相应的仿真参数建立联系，并调用分断过程仿真模块和优化模块进行分断过程的仿真分析及优化计算，分断过程仿真模块进行分断过程的仿真，后处理模块显示分断过程的仿真结果，优化模块对分断过程进行优化计算。

所述的合式直流断路器分断过程仿真装置，其拓扑方案模块包括主电流支路，换流支路以及能量吸收支路。

所述的合式直流断路器分断过程仿真装置，其换流支路为单独的零电压换流支路、单独的零电流换流支路或零电压换流支路与零电流换流支路的混合。

本发明的目的之二在于提供一种集参数输入、仿真分析、优化计算及结果显示为一体的自动、全面、系统的混合式直流断路器分断过程仿真方法，实现对断路器分断性能的预测并对断路器相关参数的设计和优化提供指导，这将大大提升企业自主创新能力、节约企业研发成本及缩短企业研发周期。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：混合式直流断路器分断过程仿真方法，步骤为：

a），在人机交互平台上根据混合式直流断路器拓扑方案选择相应支路以搭建仿真电路，设定仿真参数，调用分断过程仿真子界面；

b），分断过程仿真模块获取仿真参数建立仿真任务，启动后台仿真程序进行仿真，通过后处理模块显示混合式断路器的分断过程仿真结果，显示分断过程中机械开关S1、S2、电容C、晶闸管T、压敏电阻MOV以及主回路电流和电压特征量的时域波形；

c），使用后处理模块进行零电压过程优化与零电流过程优化；

d），参数优化之后，在人机交互平台上调用后台仿真程序，显示优化后混合式断路器的分断过程仿真结果，并与优化前的结果进行对比。

所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其步骤c）为使用后处理模块求解真空开关电流在过零前一小段时间内的di/dt、电流过零后真空开关的介质恢复电压及dv/dt，以考察真空开关触头在分断过程中的烧蚀、介质恢复特性及换流过程对晶闸管的影响，进而根据相应参数对器件进行选型。

所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其零电压过程优化以机械开关S1不同电流Ic1条件下的零电压换流时间tc1为目标，获取对应最优的零电压换流过程参数：机械开关S1的电弧电压U1、机械开关S1支路的等效电阻R1、机械开关S1支路的等效电感L1、半导体开关T的门槛电压U2、半导体开关T支路的等效电阻R2、半导体开关T支路的等效电感L2，并向用户显示换流过程的特征量变化曲线及相应参数值，所述零电压换流过程参数最大值、最小值以及优化步长可以由系统给定，也可以由用户自行设定。

所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其零电流过程优化以机械开关S2不同电流Ic2条件下的零电流换流时间tc2、反压时间tr或电流零点时的电流变化率与电压变化率乘积(di/dt0)*(du/dt0) 为目标，获取对应最优的零电流换流过程参数：换流电容C、换流电容C上的预充电压Uc0、换流电感L和换流电阻R，并向用户显示换流过程的特征量变化曲线及相应参数值，所述零电流换流过程参数最大值、最小值以及优化步长可以由系统给定，也可以由用户自行设定。

所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其仿真参数包含混合式直流断路器所在的电力系统参数、混合式直流断路器主电流支路参数、混合式直流断路器换流电路参数、混合式直流断路器能量吸收支路参数以及混合式直流断路器内部动作时序参数。

其中，所述的仿真参数为所述人机交互平台提供的一组初始值。

其中，所述的仿真参数为用户通过所述人机交互平台的参数对话框输入的相应值。

本发明涉及的中压混合式直流断路器分断过程仿真方法能应用在所有混合式直流断路器产品设计中，具有广泛的应用前景与实用价值。与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供了一种集参数输入、仿真分析、优化计算及结果显示为一体的自动、全面、系统的混合式直流断路器分断过程仿真方法，实现了对断路器分断性能的预测并对断路器相关参数的设计和优化提供指导；

2、本发明涉及的中压混合式直流断路器分断过程仿真方法能应用在所有混合式直流断路器产品设计中，具有广泛的应用前景与实用价值；

3、本发明实现了整个混合式断路器的标准化设计，有利于整个断路器的可靠性与互换性，从而提高整个断路器的可用率；

4、本发明所提供的仿真方法缩短了产品的开发周期，减小了试验成本，减轻了人力物力。

附图说明

图1为混合式断路器仿真方法流程图；

图2为混合式直流断路器主回路拓扑图；

图3为混合式直流断路器主回路结构框图；

图4为零电压过程中机械开关S1电流示意图；

图5为零电流换流过程中机械开关S2电流及电压示意图。

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。

参照图1、图2所示，本发明公开了一种混合式直流断路器分断过程仿真装置，包括顺序连接的

人机交互平台10，能够显示用户设计的混合式直流断路器拓扑方案模块11，并提供分断过程仿真所需的仿真参数12；

分断过程仿真模块20，获取仿真参数12建立仿真任务，启动后台仿真程序进行仿真；

后处理模块30，显示分断过程仿真结果；向用户显示分断过程中特征量的时域波形，并将关键的技术参数以数据形式显示；

所述的后处理模块30上连接有优化模块40，所述的优化模块40进行零电压过程优化41与零电流过程优化42；

人机交互平台10确定分断过程仿真所需的参数，将混合式直流断路器主回路拓扑方案模块11与相应的仿真参数12建立联系，并调用分断过程仿真模块20和优化模块40进行分断过程的仿真分析及优化计算，分断过程仿真模块20进行分断过程的仿真，后处理模块30显示分断过程的仿真结果，优化模块40对分断过程进行优化计算。

所述的拓扑方案模块11包括主电流支路，换流支路以及能量吸收支路。所述的换流支路为单独的零电压换流支路、单独的零电流换流支路或零电压换流支路与零电流换流支路的混合。

本发明还公开了一种集参数输入、仿真分析、优化计算及结果显示为一体的自动、全面、系统的混合式直流断路器分断过程仿真方法，实现对断路器分断性能的预测并对断路器相关参数的设计和优化提供指导。对如图3所示的混合式直流断路器主回路结构进行分断过程的仿真，步骤为

a），在人机交互平台10上根据混合式直流断路器拓扑方案选择相应支路以搭建仿真电路，设定仿真参数12，调用分断过程仿真子界面。

所述的仿真参数12包含混合式直流断路器所在的电力系统参数、混合式直流断路器主电流支路参数、混合式直流断路器换流电路参数、混合式直流断路器能量吸收支路参数以及混合式直流断路器内部动作时序参数。

其中，仿真参数12可以是所述人机交互平台10提供的一组初始值，也可以是为用户通过所述人机交互平台10的参数对话框输入的相应值。

b），分断过程仿真模块20获取仿真参数12建立仿真任务，启动后台仿真程序进行仿真，通过后处理模块30显示混合式断路器的分断过程仿真结果，显示分断过程中机械开关S1、S2、电容C、晶闸管T、压敏电阻MOV以及主回路电流和电压特征量的时域波形。

所述的机械开关S1、S2、电容C、晶闸管T、压敏电阻MOV包含了所有混合式断路器可能具有的元件；其中混合式断路器必须有压敏电阻MOV，有机械开关S1与S2中的一个或两个，有零电压回路与零电流回路中的一个或两个，而晶闸管T是零电压回路中的典型元件，有零电压回路则有晶闸管T有，没有零电压回路，则没有晶闸管T，同样，电容C是零电流回路中的典型元件，有零电流回路则有电容C，没有零电流回路，则没有。

c），使用后处理模块30进行零电压过程优化41与零电流过程优化42，即使用后处理模块30求解真空开关电流在过零前一小段时间内的di/dt、电流过零后真空开关的介质恢复电压及dv/dt，以考察真空开关触头在分断过程中的烧蚀、介质恢复特性及换流过程对晶闸管的影响，进而根据相应参数对器件进行选型。

其中，零电压过程优化41以机械开关S1不同电流Ic1条件下的零电压换流时间tc1为目标，获取对应最优的零电压换流过程参数：机械开关S1的电弧电压U1、机械开关S1支路的等效电阻R1、机械开关S1支路的等效电感L1、半导体开关T的门槛电压U2、半导体开关T支路的等效电阻R2、半导体开关T支路的等效电感L2，并向用户显示换流过程的特征量变化曲线及相应参数值，所述零电压换流过程参数最大值、最小值以及优化步长可以由系统给定，也可以由用户自行设定。

其中，零电流过程优化42以机械开关S2不同电流Ic2条件下的零电流换流时间tc2、反压时间tr或电流零点时的电流变化率与电压变化率乘积(di/dt0)*(du/dt0) 为目标，获取对应最优的零电流换流过程参数：换流电容C、换流电容C上的预充电压Uc0、换流电感L和换流电阻R，并向用户显示换流过程的特征量变化曲线及相应参数值，所述零电流换流过程参数最大值、最小值以及优化步长可以由系统给定，也可以由用户自行设定。

d），参数优化之后，在人机交互平台10上调用后台仿真程序，显示优化后混合式断路器的分断过程仿真结果，并与优化前的结果进行对比。

在一个实施例中，如图3所示，针对该拓扑结构的混合式直流断路器进行仿真计算。

首先启动matlab软件，进入人机交互平台10，根据混合式直流断路器拓扑方案选择相应支路以搭建仿真电路，设定仿真参数12；仿真参数12包含混合式直流断路器所在的电力系统参数、混合式直流断路器主电流支路参数、混合式直流断路器换流电路参数、混合式直流断路器能量吸收支路参数以及混合式直流断路器内部动作时序参数。据此首先由系统提供一组初始值，然后根据需求在人机交互平台10的参数对话框输入相应参数值。

拓扑方案与仿真参数确定后，在平台上点击“分断过程仿真”，调用分断过程仿真子界面。

分断过程仿真模块20获取仿真参数建立仿真任务，点击“分断过程初步仿真”启动后台仿真程序进行仿真，通过后处理模块30显示混合式断路器的分断过程仿真结果，显示分断过程中机械开关S1、S2、电容C、晶闸管T、压敏电阻MOV以及主回路电流和电压特征量的时域波形。

使用后处理模块30求解真空开关电流在过零前一小段时间内的di/dt、电流过零后真空开关的介质恢复电压及dv/dt，以考察真空开关触头在分断过程中的烧蚀、介质恢复特性及换流过程对晶闸管的影响，进而根据相应参数对器件进行选型。

对该混合式直流断路器零电压换流支路中的机械开关S1支路的等效电感L1与半导体开关T支路的等效电感L2进行优化设计。在人机交互平台10上点击“零电压过程优化计算”启动零电压过程优化模块子界面。选择优化参数L1与L2，L1与L2的最大值、最小值以及步长先由系统给定，用户再根据需要在参数对话框中输入相应参数值。

如图4所示，零电压过程优化41以机械开关S1不同电流Ic1条件下的零电压换流时间tc1为目标，获取对应最优的零电压换流过程参数。点击“仿真计算”，后处理模块30显示零电压换流时间tc1随优化参数的变化图，并以表格形式给出零电压优化过程中L1与L2的最优参数值。

对该混合式直流断路器零电流换流支路中的换流电容C与换流电感L进行优化设计。在人机交互平台10上点击“零电流过程优化计算”启动零电流过程优化42模块子界面。选择优化参数C与L，C与L的最大值、最小值以及步长先由系统给定，用户再根据需要在参数对话框输入相应参数值。

如图5所示，零电流过程优化42以机械开关S2不同电流Ic2条件下的零电流换流时间tc2、反压时间tr或电流零点时的电流变化率与电压变化率乘积(di/dt0)*(du/dt0)为目标，获取对应最优的零电流换流过程参数。

点击“仿真计算”，后处理模块30显示反压时间tr随优化参数的变化图，并以表格形式给出零电流优化过程中的C与L最优参数值。同时，用户可以根据需要查看其它特征量随参数的变化图。

参数优化之后，点击人机交互平台上的“分断过程优化仿真”调用后台仿真程序，显示优化后混合式断路器的分断过程仿真结果，并与优化前的结果进行对比。

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，均应包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.混合式直流断路器分断过程仿真装置，其特征在于：包括顺序连接的

人机交互平台（10），显示用户设计的混合式直流断路器拓扑方案模块（11），并提供分断过程仿真所需的仿真参数（12）；

分断过程仿真模块（20），获取仿真参数（12）建立仿真任务，启动后台仿真程序进行仿真；

后处理模块（30），显示分断过程仿真结果；

所述的后处理模块（30）上连接有优化模块（40），所述的优化模块（40）进行零电压过程优化（41）与零电流过程优化（42）；

人机交互平台（10）确定分断过程仿真所需的参数，分断过程仿真模块（20）进行分断过程的仿真，后处理模块（30）显示分断过程的仿真结果，优化模块（40）对分断过程进行优化计算。

2.根据权利要求1所述的合式直流断路器分断过程仿真装置，其特征在于，所述的拓扑方案模块（11）包括主电流支路，换流支路以及能量吸收支路。

3.根据权利要求2所述的合式直流断路器分断过程仿真装置，其特征在于，所述的换流支路为单独的零电压换流支路、单独的零电流换流支路或零电压换流支路与零电流换流支路的混合。

4.一种如权利要求1所述混合式直流断路器分断过程仿真装置的仿真方法，其特征在于：步骤为

a），在人机交互平台（10）上根据混合式直流断路器拓扑方案选择相应支路以搭建仿真电路，设定仿真参数（12），调用分断过程仿真子界面；

b），分断过程仿真模块（20）获取仿真参数（12）建立仿真任务，启动后台仿真程序进行仿真，通过后处理模块（30）显示混合式断路器的分断过程仿真结果，显示分断过程中机械开关S1、S2、电容C、晶闸管T、压敏电阻MOV以及主回路电流和电压特征量的时域波形；

c），使用后处理模块（30）进行零电压过程优化（41）与零电流过程优化（42）；

d），参数优化之后，在人机交互平台（10）上调用后台仿真程序，显示优化后混合式断路器的分断过程仿真结果，并与优化前的结果进行对比。

5.根据权利要求4所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其特征在于，所述的步骤c）为使用后处理模块（30）求解开关电流在过零前一小段时间内的di/dt、电流过零后开关的介质恢复电压及dv/dt，考察开关触头在分断过程中的烧蚀、介质恢复特性及换流过程对晶闸管的影响，进而根据相应参数对器件进行选型。

6.根据权利要求5所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其特征在于，所述的零电压过程优化（41）以机械开关S1不同电流Ic1条件下的零电压换流时间tc1为目标，获取对应最优的零电压换流过程参数，并向用户显示换流过程的特征量变化曲线及相应参数值。

7.根据权利要求5所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其特征在于，所述的零电流过程优化（42）以机械开关S2不同电流Ic2条件下的零电流换流时间tc2、反压时间tr或电流零点时的电流变化率与电压变化率乘积(di/dt0)*(du/dt0) 为目标，获取对应最优的零电流换流过程参数，并向用户显示换流过程的特征量变化曲线及相应参数值。

8.根据权利要求4或5或6或7所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其特征在于，所述的仿真参数（12）包含混合式直流断路器所在的电力系统参数、混合式直流断路器主电流支路参数、混合式直流断路器换流电路参数、混合式直流断路器能量吸收支路参数以及混合式直流断路器内部动作时序参数。

9.根据权利要求8所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其特征在于，所述的仿真参数（12）为所述人机交互平台（10）提供的一组初始值。

10.根据权利要求8所述的合式直流断路器分断过程仿真方法，其特征在于，所述的仿真参数（12）为用户通过所述人机交互平台（10）的参数对话框输入的相应值。