CN110673509A - 一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统及方法 - Google Patents

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苗风麟
李庆
贺敬
秦世耀
张金平
李春彦
王顺来
解鸿斌
李建立
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Abstract

一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统,所述电量变送器模拟系统分别与风电机组电气模型、主控制器相连,所述电量变送器模拟系统包括:模拟量采集模块、实时计算模块和通讯模块;所述模拟量采集模块用于:从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据;所述实时计算模块用于:基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值;所述通讯模块用于:将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器。本发明提供的技术方案解决了主控制器PLC外围接口及程序进行改动的问题,使得测试及评估结果更准确,具有更高的可信度,实现够适合不同类型风电机组主控制器。

Description

一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源接入与控制,具体涉及一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统及方法。
背景技术
主控系统作为风电机组控制的核心系统,需要对电网的电气状态量进行采集及监控,以控制风电机组的运行状态及工作模式,实现可靠安全的并网发电。目前主流风电机组主控系统一般通过两种方式获得电网状态相关电气量,第一种利用外接电量变送器获得,另外一种通过变流控制器采集并计算的方式获得。通过第二种方式获得的信息量较少,一般只包含线电压和频率信息,第一种方式则包含电压、电流、相位、频率、功率以及电能等多类信号,这些信号是主控系统获得电网状态的重要信息,同时在电网出现频率或电压异常情况下,能够作为控制目标参与闭环控制,实现对电网的有效支撑。
为缩减开发成本和现场调试时间,验证主控制器的控制性能并对其进行评估,目前能够利用控制器硬件在环仿真技术实现实验室环境的主控制器主要功能测试。中国发明专利申请CN106842985A,公开了一种基于软硬件在环的风电机组控制系统软件测试方法及装置,利用软件在环模块实现变流器系统模拟,利用数据通讯模块实现软件在环仿真模块与被测PLC之间的数据交换,该系统中被测PLC仅通过变流器内部状态获得电网部分状态信息;中国发明专利CN106980272A,公开了一种风电机组控制系统硬件在环模拟及测试平台,该专利采用RTDS建立电气模型,能够模拟电网故障工况,但传递给主控制器的电气量状态信息主要利用模拟量通道实现。
上述公开的专利中,主控系统进行电气状态量监测的方式与现场应用具有较大差别,获取的状态量不全可能会使主控系统的控制策略受到一定限制。采用模拟量的传输方式无法考虑实际应用中现场总线传输的延时问题,也不具有通用性,不同类型风电机组主控制器PLC外围接口及程序进行需要改动因此,在电网非正常运行工况下的主控制器性能测试及仿真结果不够准确。
发明内容
本发明提供的技术方案是:
一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统,所述电量变送器模拟系统分别与风电机组电气模型、主控制器相连,所述电量变送器模拟系统包括:
模拟量采集模块、实时计算模块和通讯模块;
所述模拟量采集模块用于:从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据;
所述实时计算模块用于:基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值;
所述通讯模块用于:将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器。
优选的,所述模拟量采集模块,还用于:
将所述瞬时值数据经过变比缩小至模拟信号输出电平范围内的信号。
优选的,所述实时计算模块,包括:
缓存子模块、基频傅里叶系数计算子模块和频率和幅值及角度检测子模块;
所述缓存子模块用于:将所述相电压及电流瞬时值数据进行缓存处理;
所述基频傅里叶系数计算子模块用于:根据所述相电压及电流瞬时值计算得到相电压、电流的有效值,以及正序电压、电流分量,进而得到正序有功、无功功率及功率因数;
所述频率、幅值及角度检测子模块用于:从所述相电压瞬时值获得电压矢量,根据所述电压矢量计算三相电压的正序、负序及零序分量,进而得到三相电压的不平衡度,计算出线电压及电压与电流之间的相位角之差。
一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟方法,包括:
通过模拟量采集模块从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据;
实时计算模块基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值;
将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器。
优选的,所述通过模拟量采集模块从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据,还包括:
将所述瞬时值数据经过变比缩小至模拟信号输出电平范围内的信号。
优选的,所述实时计算模块基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值,包括:
对所述相电压及电流瞬时值数据进行缓存处理;
基于所述相电压及电流瞬时值数据进行采集并缓存;
基于所述采集的相电压及电流瞬时值数据分别进行基频傅里叶系数计算和频率、幅值及角度检测。
优选的,所述基于所述相电压及电流瞬时值数据进行采集并缓存,还包括:
判断对缓存数据的采集点是否达到设定的采集点数;
若达到没有设定的采集点数,则返回基于所述相电压及电流瞬时值数据进行采集并缓存;
若达到设定的采集点数,则进行基频傅里叶系数计算和频率、幅值及角度检测。
优选的,所述基于所述采集的相电压及电流瞬时值数据分别进行基频傅里叶系数计算,包括:
基于所述缓存的相电压及电流瞬时值数据通过基频傅里叶系数能够计算得到相电压、电流的有效值;
基于所述相电压、电流的有效值,通过计算得到正序有功、无功功率及功率因数;
基于预先设定的传输方向分别对正、反向功率进行时间积分,得到正向和负向总电能
优选的,所述预先设定的传输方向,包括:
电能向电网传输方向为正向;
当发电功率大于零时,所述传输方向为正向功率;
当发电功率小于零时,所述传输方向为反向功率;
所述正向功率为发电功率,所述反向功率为从电网吸收功率。
优选的,所述将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器,包括:
将通讯模块中传输变量与实时仿真计算变量数值进行关联,实现将各电气变量通过通讯模块传输至主控制器。
优选的,在将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器之前,还包括:
基于半实物仿真平台的通讯板卡,确定通讯协议及关键参数;
建立半实物仿真平台与主控制器PLC之间的通讯连接;
所述关键参数包括通讯变量、数据类型、数据长度、数据地址及波特率。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1、一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统,所述电量变送器模拟系统分别与风电机组电气模型、主控制器相连,所述电量变送器模拟系统包括:模拟量采集模块、实时计算模块和通讯模块;所述模拟量采集模块用于:从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据;所述实时计算模块用于:基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值;所述通讯模块用于:将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器。本发明提供的技术方案解决了主控制器PLC外围接口及程序进行改动的问题,使得测试及评估结果更准确,具有更高的可信度,实现够适合不同类型风电机组主控制器。
附图说明
图1为本发明的一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统结构示意图;
图2为本发明的实时计算模块计算步骤流程图;
具体实施方式
针对半实物仿真平台上进行的风电机组主控制器测试及评估工作,控制器的硬件及软件的更改都会破坏与现场运行环境及软件代码的一致性,对测试及评估结果都会产生较大影响。因此,针对现有的技术缺陷,本发明提供一种基于半实物仿真平台的风电机组电量变送器的实现方法,在硬件模块及软件程序不更改情况下,在实验室环境复现主控制器运行环境,满足电能监测接口及变量需求,考虑通讯延时,有利于更准确的模拟主控制器通讯及电控逻辑。
为了更好地理解本发明,下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1:
本发明基于实时仿真设备为接入平台的主控制器提供电网状态监测功能,该实时仿真设备包括一个实时仿真控制器、一个模拟量采集模块及一个串口通信模块,各模块之间通过PCIe总线连接,其中实时仿真控制器实现对采集量的实时计算功能,同时能够对模拟量采集模块及串口通讯模块进行管理。
半实物仿真平台中采用一套实时仿真系统建立电磁暂态的电气系统模型如图1所示,能够输出三相电压及三相电流的模拟量,主控制器与电量变送器之间的通讯接口为Modbus串行RS485接口。电量变送器向主控制器PLC传送的变量包括总电能、功率、电压及电流有效值、电压不平衡度、功率因数及相位角等信息,主控制器电能监测具体变量如表1所示。
序号 名称 序号 名称
1 正向有功总电能 14 C相相电流
2 反向有功总电能 15 有功功率
3 正向无功总电能 16 无功功率
4 反向无功总电能 17 视在功率
5 电压不平衡度 18 功率因数
6 A相相电压 19 频率
7 B相相电压 20 AB相电压相位角
8 C相相电压 21 BC相电压相位角
9 AB相相电压 22 CA相电压相位角
10 BC相相电压 23 A相电压电流相位角
11 CA相相电压 24 B相电压电流相位角
12 A相相电流 25 C相电压电流相位角
13 B相相电流
表1
基于半实物仿真平台的主控制器电能监测实现的具体步骤为:
(1)采用模拟量采集模块采集电气模型实时仿真设备输出的机端三相电压及电流,设置采样率为10kHz,同时将采集的信号乘以一定倍数,实现信号到模型仿真变量的数据还原;
(2)在实时仿真控制器中,即图2中的实时计算模块,设定数据缓存点数为1000个,采用式(1~2)计算得到A相基频傅里叶系数,其中,T表示基频对应周期,f1表示基频频率,采用式(3)计算得到A相相电压有效值,其他两相计算公式相同,线电压有效值为相电压有效值的
Figure BDA0002206920760000062
倍;采用式(4~7)分别计算得到正序电压及正序电流的分量,采用式(8~9)计算得到正序有功及无功功率,根据功率的正负分类,进而对时间积分即可分别得到正向及反向总电能;采用式(10)得到功率因数;对数据流进行频率、幅值和角度检测,进而可以得到各相电压的矢量表达,利用对称分量法可以得到正序、负序电压有效值,采用式(11)便可得到电压不平衡度,其中U1、U2分别表示正序电压有效值、负序电压有效值;根据各相电压、电流的角度,可计算得到线电压的相位角以及某一相电压与电流相位角度差;
(3)通讯模块参数设置,根据主控制器PLC内部已设定好的具体传输变量地址,配置通讯模块中通讯协议,主要包括通讯变量名称、数据类型、数据长度、数据地址,设置通讯模块的关键参数,如波特率,本案例中波特率为19200bps;
(4)通讯模块数据关联设置,在实时仿真控制器中,将表1中的实时计算结果与通讯模块中传输变量进行地址关联,实现通讯传输量从实时计算模块中设定地址获得具体数值。
本发明已经过实验验证,具有较高的实施性,经测试,虚拟电量变送器模块能够在主控制器PLC一个刷新周期内完成一次数据传输。
Figure BDA0002206920760000061
式中,T为基频对应周期;f1为基频频率;t表示时间;ua表示a相电压;ua,sin和ua,cos为一个基波周期内a相电压基波分量的傅里叶系数;(这里仅给出a相电压的算式,其他相电压及相电流的计算方法与之相同)
Figure BDA0002206920760000071
Figure BDA0002206920760000072
式中,Ua1为基波相电压有效值;
Figure BDA0002206920760000073
Figure BDA0002206920760000074
式中,U1+,cos及U1+,sin为基波正序分量的电压矢量分量;
Figure BDA0002206920760000075
Figure BDA0002206920760000076
式中,i1+,cos及i1+,sin为基波正序分量的电流矢量分量;
Figure BDA0002206920760000077
式中,P1+为基波正序分量的有功功率;
Figure BDA0002206920760000078
式中,Q1+为基波正序分量的无功功率;
Figure BDA0002206920760000079
式中,为基波正序分量的功率因数;
Figure BDA00022069207600000711
式中,U1为正序电压有效值;U2为负序电压有效值。
实施例2:
一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统,所述电量变送器模拟系统分别与风电机组电气模型、主控制器相连,所述电量变送器模拟系统包括:
模拟量采集模块、实时计算模块和通讯模块;
所述模拟量采集模块用于:从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据;
所述实时计算模块用于:基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值;
所述通讯模块用于:将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器。
所述模拟量采集模块,还用于:
将所述瞬时值数据经过变比缩小至模拟信号输出电平范围内的信号。
所述实时计算模块,包括:
缓存子模块、基频傅里叶系数计算子模块和频率和幅值及角度检测子模块;
所述缓存子模块用于:将所述相电压及电流瞬时值数据进行缓存处理;
所述基频傅里叶系数计算子模块用于:根据所述相电压及电流瞬时值计算得到相电压、电流的有效值,以及正序电压、电流分量,进而得到正序有功、无功功率及功率因数;
所述频率、幅值及角度检测子模块用于:从所述相电压瞬时值获得电压矢量,根据所述电压矢量计算三相电压的正序、负序及零序分量,进而得到三相电压的不平衡度,计算出线电压及电压与电流之间的相位角之差。
实施例3
本发明基于半实物仿真平台,提供电量变送器模拟模块,辅助主控制器实现电网状态监测。半实物仿真平台的电气部分模型需要包含风电机组、变压器及电网模型,能够进行电磁暂态或机电暂态仿真,具有模拟量的输出模块。电量变送器模拟模块主要由模拟量采集模块、实时计算模块及通讯模块构成,可基于PLC架构或具有实时计算能力的硬件设备实现。
所述电量变送器模拟模块中的模拟量采集模块,从实时仿真系统中的风电机组电气模型部分采集低压侧的相电压及电流瞬时值数据,该瞬时值数据为经过一定变比缩小至模拟信号输出电平范围内的信号。采样率根据IEC 61400-21现场测试要求,应不低于2kHz。
所述电量变送器模拟模块中的实时计算模块,实现根据采集到的模拟量实时计算生成主控制器需求数据,进行计算的数据包含但不仅限于表1所示内容。实时计算实现步骤流程如图2所示。首先对采集的数据进行缓存处理,缓存数据长度必须大于一个周期,一个周期内采集点数越高,实时计算结果越精确,当达到设定的采集点数后,分别对大于一个周期的数据进行计算,包括基频傅里叶系数计算和频率、幅值及角度检测。
根据IEC 61400-21附录C提供的电压及功率计算方法,根据基频傅里叶系数能够计算得到相电压、电流的有效值,以及正序电压、电流分量,进而得到正序有功、无功功率及功率因数。定义电能向电网传输方向为正方向,功率大于零为正向功率,表示发电功率,功率小于零为反向功率,表示从电网吸收功率,分别对正、反向功率进行时间积分,即可得到正向及负向总电能。
通过频率、幅值及角度检测模块,能够获得电压频率,利用幅值及角度能够合成电压矢量,根据GB/T 15543-2008电能质量三相电压不平衡的国际标准,可以计算三相电压的正序、负序及零序分量,进而得到三相电压的不平衡度。另一方面,根据各相电压、电流的角度,能够计算出线电压及电压与电流之间的相位角之差。
所述电量变送器模拟模块中的通讯模块,实现将计算得到的变量通过现场总线方式传输至主控制器PLC。现场总线方式能够根据控制器PLC的需求进行配置,当前主控制器PLC大多采用的电量变送器的现场总线方式为Modbus RS485串行通讯。实现步骤包含两部分,首先基于半实物仿真平台的通讯板卡,确定通讯协议及关键参数,包括通讯变量、数据类型、数据长度、数据地址及波特率等内容,从而建立半实物仿真平台与主控制器PLC之间的通讯连接;其次,进行数据关联设置,将通讯模块中传输变量与实时仿真计算变量数值进行关联,实现将各电气变量通过通讯模块传输至主控制器。
显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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,均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统,其特征在于,所述电量变送器模拟系统分别与风电机组电气模型、主控制器相连,所述电量变送器模拟系统包括:
模拟量采集模块、实时计算模块和通讯模块;
所述模拟量采集模块用于:从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据;
所述实时计算模块用于:基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值;
所述通讯模块用于:将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器。
2.如权利要求1所述的一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统,其特征在于,所述模拟量采集模块,还用于:
将所述瞬时值数据经过变比缩小至模拟信号输出电平范围内的信号。
3.如权利要求1所述的一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟系统,其特征在于,所述实时计算模块,包括:
缓存子模块、基频傅里叶系数计算子模块和频率和幅值及角度检测子模块;
所述缓存子模块用于:将所述相电压及电流瞬时值数据进行缓存处理;
所述基频傅里叶系数计算子模块用于:根据所述相电压及电流瞬时值计算得到相电压、电流的有效值,以及正序电压、电流分量,进而得到正序有功、无功功率及功率因数;
所述频率、幅值及角度检测子模块用于:从所述相电压瞬时值获得电压矢量,根据所述电压矢量计算三相电压的正序、负序及零序分量,进而得到三相电压的不平衡度,计算出线电压及电压与电流之间的相位角之差。
4.一种用于半实物仿真平台的电量变送器模拟方法,其特征在于,包括:
通过模拟量采集模块从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据;
实时计算模块基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值;
将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器。
5.如权利要求4所述的一种用于半实物仿真平台的风电机组主控制器的控制方法,其特征在于,所述通过模拟量采集模块从风电机组电气模型采集低压侧相电压及电流的瞬时值数据,还包括:
将所述瞬时值数据经过变比缩小至模拟信号输出电平范围内的信号。
6.如权利要求5所述的一种用于半实物仿真平台的风电机组主控制器的控制方法,其特征在于,所述实时计算模块基于设定的主控制器需求变量,根据采集到的瞬时值数据计算生成所述需求变量的值,包括:
对所述相电压及电流瞬时值数据进行缓存处理;
基于所述相电压及电流瞬时值数据进行采集并缓存;
基于所述采集的相电压及电流瞬时值数据分别进行基频傅里叶系数计算和频率、幅值及角度检测。
7.如权利要求6所述的一种用于半实物仿真平台的风电机组主控制器的控制方法,其特征在于,所述基于所述相电压及电流瞬时值数据进行采集并缓存,还包括:
判断对缓存数据的采集点是否达到设定的采集点数;
若达到没有设定的采集点数,则返回基于所述相电压及电流瞬时值数据进行采集并缓存;
若达到设定的采集点数,则进行基频傅里叶系数计算和频率、幅值及角度检测。
8.如权利要求6所述的一种用于半实物仿真平台的风电机组主控制器的控制方法,其特征在于,所述基于所述采集的相电压及电流瞬时值数据分别进行基频傅里叶系数计算,包括:
基于所述缓存的相电压及电流瞬时值数据通过基频傅里叶系数能够计算得到相电压、电流的有效值;
基于所述相电压、电流的有效值,通过计算得到正序有功、无功功率及功率因数;
基于预先设定的传输方向分别对正、反向功率进行时间积分,得到正向和负向总电能。
9.如权利要求8所述的一种用于半实物仿真平台的风电机组主控制器的控制方法,其特征在于,所述预先设定的传输方向,包括:
电能向电网传输方向为正向;
当发电功率大于零时,所述传输方向为正向功率;
当发电功率小于零时,所述传输方向为反向功率;
所述正向功率为发电功率,所述反向功率为从电网吸收功率。
10.如权利要求4所述的一种用于半实物仿真平台的风电机组主控制器的控制方法,其特征在于,所述将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器,包括:
将通讯模块中传输变量与实时仿真计算变量数值进行关联,实现将各电气变量通过通讯模块传输至主控制器。
11.如权利要求4所述的一种用于半实物仿真平台的风电机组主控制方法,其特征在于,在将所述主控制器需求变量的值通过现场总线方式传输至主控制器之前,还包括:
基于半实物仿真平台的通讯板卡,确定通讯协议及关键参数;
建立半实物仿真平台与主控制器PLC之间的通讯连接;
所述关键参数包括通讯变量、数据类型、数据长度、数据地址及波特率。
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