CN111308910B - 电力系统仿真教学平台 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种电力系统仿真教学平台，电力系统仿真教学平台包括：上位机，所述上位机用于开发目标设备模型；实时仿真机，所述实时仿真机用于下载并运行所述目标设备模型；电力设备，所述实时仿真机与至少一所述电力设备通信连接，所述电力设备与所述实时仿真机构成仿真系统，所述上位机还用于显示所述仿真系统运行过程中的特征信号，所述特征信号至少基于所述目标设备模型的参数和所述电力设备的参数产生。本发明有利于教学电力设备真实应用环境与模型构建之间的关系以及如何构建模型。
Description
技术领域
本发明实施例涉及仿真领域，特别涉及一种电力系统仿真教学平台。
背景技术
电气系统专业教学涉及发电、输电、配电和用电等各环节，具有高电压、大电流、接线复杂、规模庞大、设备种类繁多等特点，电气专业的师生在做电气工程实验时，不可避免地面临强电威胁，这就给师生造成了安全隐患，加之真实电网不允许破坏性实验，因此，为了逼真再现电力工业各环节操作过程和运行状态，让学生了解电力工程运行，虚拟仿真成为了电气工程专业实验教学的重要手段，是当今各高等院校电气工程专业实验教学的发展方向。
目前，为了弥补传统教学仪器在创新型、设计型实验等方面的不足，使用基于虚拟仪器的仿真系统进行设计与实验，已成为当前实验平台建设与探索的热点，目前部分高校已经建立了相关的电气专业仿真教学平台。
本发明的发明人发现：目前的电气专业仿真教学平台都是基于全虚拟仿真教学，在教学演示过程中没有真实电力电子设备的参与，这使得对电力设备的模型构建仅能停留在理论层面上，与电力设备的真实应用环境脱节。
发明内容
本发明实施例提供一种电力系统仿真教学平台，有利于教学电力设备真实应用环境与模型构建之间的关系。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种电力系统仿真教学平台，包括：上位机，所述上位机用于开发目标设备模型；实时仿真机，所述实时仿真机用于下载并运行所述目标设备模型；电力设备，所述实时仿真机与至少一所述电力设备通信连接，所述电力设备与所述实时仿真机构成仿真系统，所述上位机还用于显示所述仿真系统运行过程中的特征信号，所述特征信号至少基于所述目标设备模型的参数和所述电力设备的参数产生。
另外，所述电力设备包括被控设备，所述目标设备模型包括控制算法模型，所述控制算法模型用于输出控制信号以控制所述被控设备，所述特征信号包括所述被控设备的电压信号或电流信号。如此，可通过对控制算法模型进行反复验证，演示如何提高控制算法的可靠性。
另外，所述被控设备包括执行器和与所述执行器连接的被控介质，所述特征信号包括所述执行器或所述被控介质的电压信号或电流信号。
所述上位机具有参数编辑模块，所述参数编辑模块用于调整所述目标设备模型的参数，且调整结果实时同步至所述实时仿真机中。如此，有利于及时获取调整结果所对应的特征信号，进而准确获知调整结果对特征信号的影响并考虑如何进行下一步调整，从而提升教学效率。
另外，所述电力设备包括控制器，所述目标设备模型包括被控设备模型，所述被控设备模型用于执行所述控制器输出的控制信号，所述特征信号包括所述被控设备的电压信号或电流信号。
另外，所述电力设备包括控制器和被控设备，所述控制器用于输出控制信号以控制所述被控设备，所述特征信号包括所述被控设备的电压信号或电流信号。
另外，所述电力系统仿真教学平台还包括：实时仿真软件、以太网交换机以及信号连接模块，所述上位机用于根据所述实时仿真软件构建所述目标设备模型，还用于通过所述以太网交换机与所述实时仿真机通信连接；所述实时仿真机通过所述信号连接模块与所述电力设备连接。
另外，所述实时仿真软件中内嵌有电力工具包，所述实时仿真软件至少基于所述电力工具包构建所述目标设备模型；其中，所述电力工具包包括脉冲事件补偿算法工具箱、电力变流器件和电机优化模型库或FPGA硬件解算器中的至少一种。
另外，所述上位机的数量为多台，且每一所述上位机与所述实时仿真机通信连接。
另外，所述实时仿真机包括软件部分和硬件部分，所述软件部分支持二次开发，所述硬件部件支持硬件扩充。如此，使得保证电力系统仿真教学平台具有可拓展性，有利于提高电力系统仿真教学平台的可利用率以及可达到的教学效果。
与现有技术相比，本发明实施例提供的技术方案具有以下优点：
本技术方案中，实时仿真机与至少一电力设备构成仿真系统，在运行仿真系统时，特征信号基于目标设备模型的参数和电力设备的参数产生，而电力设备的参数会受到环境因素以及自身构件物理特性的影响，因此根据特征信号的参数调整目标设备模型时，需要将环境因素和电力设备物理特性纳入模型构建所需考虑的因素中，有利于教学电力设备真实应用环境与模型构建之间的关系以及如何构建模型。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明一实施例提供的一种电力系统仿真教学平台的功能结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种电力系统仿真教学平台的教学流程示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有的教学演示过程仅停留在理论层面上，与电力设备的真实应用环境脱节。
为解决上问题，本发明实施提供一种电力系统仿真教学平台，实时仿真机与至少一电力设备构成仿真系统，在运行仿真系统时，特征信号基于目标设备模型的参数和电力设备的参数产生，而电力设备的参数会受到环境因素以及自身构件物理特性的影响，因此根据特征信号的参数调整目标设备模型时，需要将环境因素和电力设备物理特性纳入模型构建所需考虑的因素中，有利于教学电力设备真实应用环境与模型构建之间的关系以及如何构建模型。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
图1为本发明一实施例提供的一种电力系统仿真教学平台的功能结构示意图；图2为本发明一实施例提供的一种电力系统仿真教学平台的教学流程示意图。
参考图1，电力系统仿真教学平台包括：上位机11，上位机11用于开发目标设备模型；实时仿真机13，实时仿真机13用于下载并运行目标设备模型；电力设备14，实时仿真机13与至少一电力设备14通信连接，电力设备14与实时仿真机13构成仿真系统，上位机11还用于显示仿真系统运行过程中的特征信号，特征信号至少基于目标设备模型的参数和电力设备14的参数产生。
以下将结合附图对本发明实施例提供的电力系统仿真教学平台进行详细说明。
步骤21：在上位机11上进行模型开发。
本实施例中，上位机11对目标设备模型进行模拟仿真。上位机11包含教学上位机111和学生上位机112，教学上位机111和学生上位机112上都安装有实时仿真软件，以构建目标设备模型，两者的不同之处在于，教学上位机111能够控制学生上位机112，以进行操作演示。
本实施例中，上位机11具有参数编辑模块，参数编辑模块用于调整目标设备模型的参数，且调整结果实时同步至实时仿真机13中。如此，上位机11的操作者能够及时获取调整结果所对应的特征信号，进而准确获知上一调整对特征信号的影响并考虑如何进行下一步调整，从而提升教学效率。
需要说明的是，参数编辑模块既可以是实时仿真软件的一个功能模块，也可以是与实时仿真软件并列的一个编辑软件；此外，在其他实施例中，上位机能够根据特征信号自动调整目标设备模型的参数，不需要操作者参与。如此，使得学生能够通过上位机11内的信号界面观看电力系统内各类信号的自动化响应，有利于提高对系统实际运行状态的认知和理解。
本实施例中，实时仿真软件中内嵌有电力工具包，实时仿真软件至少基于电力工具包构建目标设备模型；其中，电力工具包包括脉冲事件补偿算法工具箱、电力变流器件和电机优化模型库或FPGA硬件解算器中的至少一种。
需要说明的是，在其他实施例中，电力系统仿真教学平台包括一台上位机或至少三台上位机，且每一上位机与实时仿真机通信连接。
步骤22：实时仿真机13下载模型。
本实施例中，电力系统仿真教学平台还包括以太网交换机12，上位机11通过以太网交换机12与实时仿真机13通信连接；其中，通信所用协议可以为TCP/IP协议。
此外，电力系统仿真教学平台还包括信号连接模块(未图示)，实时仿真机13通过信号连接模块与电力设备14连接；此外，电力系统仿真教学平台还包括多功能模拟量输入/输出模块、多功能数字量输入/输出模块等输入和输出(I/O)模块，以进行信号输入和输出。
上位机11在开发目标设备模型之后，生成目标设备模型对应的代码，并将生成的代码编译为仿真下位机(即实时仿真机13)上的可执行程序，实时仿真机13下载可执行程序。
本实施例中，在运行可执行程序之前，需要将实时仿真机13与所需的电力设备14连接；在其他实施例中，采用实时仿真机13运行可执行程序，以实现实时仿真。
本实施例中，电力设备14包括控制器141和被控设备142。其中，当可执行程序为控制算法模型时，需要将实时仿真机13与被控设备142连接；当可执行程序为被控设备模型时，需要将实时仿真机13与控制器141连接。
本实施例中，实时仿真机13包括软件部分和硬件部分，软件部分具有升级和扩充功能，支持二次开发，硬件部分支撑硬件扩充，例如第三方板卡扩充。如此，使得保证电力系统仿真教学平台具有可拓展性，有利于提高电力系统仿真教学平台的可利用率以及可达到的教学效果，以满足现代电力系统教学的要求。
其中，硬件部分主要包括CPU、FPGA以及I/O模块，软件部分主要为基于总线的实时操作系统。在支持二次开发和硬件扩充的情况下，实时仿真机13可满足包括扩展仿真规模、扩展实时仿真机13规模、增加硬件I/O数量和扩容总线等需求。
需要说明的是，实时仿真机13可以是一个或多个，当实时仿真机13具有多个时，多个实时仿真机13之间通信连接；此外，实时仿真机13可以对仿真过程中的仿真数据进行存储，上位机11可以随时回放存储的仿真数据。
步骤23：实时仿真机13下载控制算法模型，且与被控设备142连接。
本实施例中，进行快速控制原型(Rapid Control Prototype，RCP)研究。具体地，实时仿真机13与被控设备142通信连接，实时仿真机13内运行控制算法模型，控制算法模型用于输出控制信号以控制被控设备142，特征信号包括被控设备142的电压信号或电流信号。
由于被控设备142处于真实运行环境中，被控设备142的电压信号或电流信号不仅与控制信号有关，还与被控设备142所处的环境有关，因此，通过不断输出控制信号并采集被控设备142的电压信号或电流信号，能够对控制算法模型进行反复验证和调整，使得控制算法模型能够适用于真实环境下的被控设备142，进而提高控制算法模型的实用性以及改进被控设备142在运行过程中的性能。如此，有利于提升对真实应用环境和模型构建之间的关系的认知以及根据真实应用环境变化调整目标设备模型的能力。
本实施例中，被控设备142包括执行器和与执行器连接的被控介质，特征信号包括执行器或被控介质的电压信号或电流信号。此外，被控设备142可以是任意功率硬件。步骤24：实时仿真机13下载被控设备模型，并与控制器141连接。
具体地，在本发明另一实施例中进行硬件在环(Hardware-in-the-Loop，HiP)研究，实时仿真机13运行被控设备模型，被控设备模型执行控制器141输出的控制信号。
控制器141处于真实环境中时，被控设备模型所接收到的控制信号与控制器141的参数有关，而控制器141的参数受到控制器141所处的环境影响。如此，能够在不需要实物的情况下，通过向被控设备模型输入受环境影响的控制信号，模拟并获取被控设备模型的电压信号或电流信号，验证被控设备模型的可靠性和实用性。
需要说明的是，硬件在环研究和快速控制原型研究都属于半实物仿真。步骤25：实时仿真机13与被控设备142和控制器141连接。
本实施例中，对上述步骤所验证的控制算法模型和被控设备模型进行真实系统验证，以观察模型运行与真实设备运行之间的差异以及可能存在的问题，进行对其进行改善，起到更好的教学效果。
需要说明的是，在进行真实系统验证时，除控制器141和被控设备142以外的设备既可以是真实的，也可以是虚拟仿真的。
相对于仅有被控设备142或控制器141处于真实环境中，被控设备142和控制器141同时置于真实环境中时，使得环境因素对仿真系统的运行影响更大，如此，有利于进一步了解真实应用环境和模型构建之间的关系的认知以及进一步提升根据真实应用环境变化调整目标设备模型的能力。
本实施例中，实时仿真机13与至少一电力设备14构成仿真系统，在运行仿真系统时，特征信号基于目标设备模型的参数和电力设备14的参数产生，而电力设备14的参数会受到环境因素以及自身构件物理特性的影响，因此根据特征信号的参数调整目标设备模型时，需要将环境因素和电力设备14物理特性纳入模型构建所需考虑的因素中，有利于教学电力设备真实应用环境与模型构建之间的关系以及如何构建模型。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。
Claims (8)
1.一种电力系统仿真教学平台，其特征在于，包括：
上位机，所述上位机用于开发目标设备模型，所述上位机包括教学上位机和学生上位机，所述教学上位机和所述学生上位机都安装有实时仿真软件，以对目标设备模型进行模拟仿真；
实时仿真机，所述实时仿真机用于下载并运行所述目标设备模型；
电力设备，所述实时仿真机与至少一个所述电力设备通信连接，所述电力设备与所述实时仿真机构成仿真系统，所述上位机还用于显示所述仿真系统运行过程中的特征信号，所述特征信号至少基于所述目标设备模型的参数和所述电力设备的参数产生；
所述电力设备包括控制器，所述目标设备模型包括被控设备模型，所述被控设备模型用于执行所述控制器输出的控制信号，所述特征信号包括所述被控设备的电压信号或电流信号，所述控制器处于真实环境中，所述被控设备模型所接收到的所述控制信号与所述控制器的参数相关，所述控制器的参数与所述真实环境相关；
其中，所述电力设备包括被控设备，所述目标设备模型包括控制算法模型，所述控制算法模型用于输出控制信号以控制所述被控设备，所述特征信号包括所述被控设备的电压信号或电流信号，所述实时仿真机下载所述控制算法模型，且与所述被控设备连接；所述实时仿真机下载被控设备模型，并与所述控制器连接。
2.根据权利要求1所述的电力系统仿真教学平台，其特征在于，所述被控设备包括执行器和与所述执行器连接的被控介质，所述特征信号包括所述执行器或所述被控介质的电压信号或电流信号。
3.根据权利要求1所述的电力系统仿真教学平台，其特征在于，所述上位机具有参数编辑模块，所述参数编辑模块用于调整所述目标设备模型的参数，且调整结果实时同步至所述实时仿真机中。
4.根据权利要求1所述的电力系统仿真教学平台，其特征在于，所述电力设备包括控制器和被控设备，所述控制器用于输出控制信号以控制所述被控设备，所述特征信号包括所述被控设备的电压信号或电流信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电力系统仿真教学平台，其特征在于，还包括：实时仿真软件、以太网交换机以及信号连接模块，所述上位机用于根据所述实时仿真软件构建所述目标设备模型，还用于通过所述以太网交换机与所述实时仿真机通信连接；所述实时仿真机通过所述信号连接模块与所述电力设备连接。
6.根据权利要求5所述的电力系统仿真教学平台，其特征在于，所述实时仿真软件中内嵌有电力工具包，所述实时仿真软件至少基于所述电力工具包构建所述目标设备模型；其中，所述电力工具包包括脉冲事件补偿算法工具箱、电力变流器件和电机优化模型库或FPGA硬件解算器中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的电力系统仿真教学平台，其特征在于，所述上位机的数量为多台，且每一所述上位机与所述实时仿真机通信连接。
8.根据权利要求7所述的电力系统仿真教学平台，其特征在于，所述实时仿真机包括软件部分和硬件部分，所述软件部分支持二次开发，所述硬件部件支持硬件扩充。
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