CN111859700B - 一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统，包括：实时数字仿真器、光测量仿真接口、合并单元和控制保护装置；实时数字仿真器模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号，将多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至光测量仿真接口；光测量仿真接口将仿真通讯协议转换成光测量直流输电工程实际使用的通讯协议；合并单元对多路电气量信号进行合并和同步处理，并将处理后的电气量信号输出至控制保护装置；控制保护装置接收合并单元发送的电气量信号。本发明实现了直流输电工程光测量高速采样环节的精确模拟，可输出高采样频率的电气量至工程用的光学互感器合并单元，满足直流工程快速保护测试需求，实现方法简单，操作方便。

Description

一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，尤其是涉及一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统。

背景技术

近几年，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统由于其灵活可控等优点得到了全世界范围内的广泛应用。为了适应柔性直流输电系统快速控制的特点，保障柔性直流输电系统的安全可靠运行，一般会在工程中配置高精度响应快的光学测量单元，特别是直流光学电流互感器，用于实现柔性直流输电系统的相关快速电流控制及保护。

光学测量单元主要是用于采集直流输电系统中的直流电流、谐波电流以及电压量等，采集单元通过IEC60044-8标准通讯格式(链路层为FT3格式)发送数据至直流控制及保护设备中。相对常见的电子式和电磁式等测量单元，光学测量单元通过磁光效应和反射式干涉原理实现被测量量的感应和测量，具有精度高、响应快和抗干扰能力强等优点。为了充分测试柔性直流输电系统的快速控制及保护功能和性能，必须将光学测量单元接入闭环测试系统中。

在以往的柔性直流输电闭环试验系统中，往往只能通过光电转换接口，实现将仿真器输出的信号接入控制保护系统，还未见有直接从仿真器输出光信号接入控制保护系统的方法。

目前主要是通过两种接口技术方案实现闭环仿真：光-电或者光-电-光的接口方式。其中，光-电接口实现方式，一般是用于交流模拟量输出，以交流母线A相电压UA为例，通过仿真器的模拟量输出板卡，将光转换成不超过±10V电信号后，经功放装置放大信号后接入控制保护系统。光-电-光的接口实现方式，一般是用于直流模拟量输出，以直流极母线电流IDH为例，通过仿真器的模拟量输出板卡，将光转换成不超过±10V电信号后，接入直流测量系统，再经电光转换装置，转成光信号后接入控制保护装置。

以上两种仿真接口实现方法仅适用于仿真输出电气量经电子式、电磁式或电容式测量装置接入到控制保护系统，而对于工程采用光测量装置的接口，若采用以上两种方式，将无法满足高精度测量的高速通讯，测量回路延时较大，与工程实际测量不一致，导致测试结果失真不可靠，严重制约了光测量装置在闭环试验系统中的测试以及快速直流保护测试。

因此，亟需设计一种仿真系统实现工程光测量高速采样环节的精确模拟，以解决光测量装置的工程中测试结果失真不可靠的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统，以解决直流输电工程中光测量的测试结果失真及不可靠的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统，包括：

实时数字仿真器、光测量仿真接口、合并单元和控制保护装置；

所述实时数字仿真器模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号，将所述多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至所述光测量仿真接口；

所述光测量仿真接口将所述仿真通讯协议转换成光测量直流输电工程实际使用的通讯协议；

所述合并单元对所述多路电气量信号进行合并和同步处理，并将处理后的电气量信号输出至所述控制保护装置；

所述控制保护装置接收所述合并单元发送的电气量信号。

可选地，所述实时数字仿真器包括模拟量输出模块，用于将所述多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至所述光测量仿真接口。

可选地，还包括：配置模块，用于对所述模拟量输出模块进行通道配置和通讯配置。

可选地，所述光测量仿真接口包括通讯协议转换模块，用于将所述仿真通讯协议转换成光测量直流输电工程实际使用的通讯协议。

可选地，所述实时数字仿真器模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号具体包括：所述实时数字仿真器选择直流输电工程光测量的多路电气量，经过采样比例系数放大后，再转换为整型数据量，模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号。

可选地，将所述多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至所述光测量仿真接口之前还包括：根据配置模块对所述模拟量输出模块进行通道配置和通讯配置。

可选地，所述实时数字仿真器的仿真步长小于或等于2.5μs。

可选地，所述多路模拟量信号为12路。

可选地，所述多路模拟量信号为48路。

可选地，所述光测量仿真接口采用FPGA开发板。

本发明提供了一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统，包括：实时数字仿真器、光测量仿真接口、合并单元和控制保护装置；所述实时数字仿真器模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号，将所述多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至所述光测量仿真接口；所述光测量仿真接口将所述仿真通讯协议转换成光测量直流输电工程实际使用的通讯协议；所述合并单元对所述多路电气量信号进行合并和同步处理，并将处理后的电气量信号输出至所述控制保护装置；所述控制保护装置接收所述合并单元发送的电气量信号。

本发明提供的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，带来的有益效果是：

(1)实时数字仿真器与光测量工程的光对光接口，更贴近直流输电工程的实际情况。接口通讯协议与实际工程一致，可完整模拟工程实际的测量回路，具有高拟真优点，提高了整个闭环测试系统的精确性；可输出高采样频率的电气量至工程用的光学互感器合并单元，满足直流工程快速保护测试需求，实现方法简单，操作方便。

(2)测量采样率更高。从传统常见的几十kHz采样频率到目前可至少支持100kHz及以上的采样频率，为工程快速直流保护的功能和性能测试提供了重要的仿真接口；

(3)模拟量输出能力更强。从传统的一块仿真板卡输出的12路模拟量通道，提高到一块板卡输出48路信号，可实现更多高精度模拟量的输出；

(4)接线简单操作方便。从传统常见的大量电缆信号接线，精简为仅需几根光纤就可实现大量高精度模拟量的传输，接线更简单，操作更安全方便。

附图说明

图1为本发明一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统的构成示意图；

图2为本发明一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统与传统仿真接口的对比图；

图3为本发明一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统的模拟量输出模块的示意图；

图4为本发明一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统的光测量仿真接口的示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统，以解决直流输电工程中光测量的测试结果失真及不可靠的技术问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图2，目前主要是通过两种接口技术方案实现闭环仿真：光-电或者光-电-光的接口方式。

其中，光-电接口实现方式，一般是用于交流模拟量输出，以交流母线A相电压UA为例，通过仿真器的模拟量输出板卡，将光转换成不超过±10V电信号后，经功放装置放大信号后接入控制保护系统。

光-电-光的接口实现方式，一般是用于直流模拟量输出，以直流极母线电流IDH为例，通过仿真器的模拟量输出板卡，将光转换成不超过±10V电信号后，接入直流测量系统，再经电光转换装置，转成光信号后接入控制保护装置。

以上两种仿真接口实现方法仅适用于仿真输出电气量经电子式、电磁式或电容式测量装置接入到控制保护系统，而对于工程采用光测量装置的接口，若采用以上两种方式，将无法满足高精度测量的高速通讯，测量回路延时较大，与工程实际测量不一致，导致测试结果失真不可靠，严重制约了光测量装置在闭环试验系统中的测试以及快速直流保护测试。

本发明实施例提供了一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统，包括：实时数字仿真器、光测量仿真接口、合并单元和控制保护装置；所述实时数字仿真器模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号，将所述多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至所述光测量仿真接口；所述光测量仿真接口将所述仿真通讯协议转换成光测量直流输电工程实际使用的通讯协议；所述合并单元对所述多路电气量信号进行合并和同步处理，并将处理后的电气量信号输出至所述控制保护装置；所述控制保护装置接收所述合并单元发送的电气量信号。

工程实际的直流光学电流互感器主要是基于磁光效应实现对被测电流的感应和测量，具有较高的测量准确度、较大的动态范围及较好的暂态特性。本实施例利用实时数字仿真器中的微秒级小步长的模拟量输出模块，模拟直流光学电流互感器测量输出的多路高精度的电气量信号。

请参阅图1，本实施例提供的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，包含实时数字仿真器、光测量仿真接口、工程用的合并单元及控制保护装置，通过光纤连接各组成部件，构成直流输电工程光测量的高精度闭环仿真系统。本实施例提供的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，实现了实时仿真器与光测量系统的光对光接口，满足工程高速采样及快速直流保护的闭环测试需求。

本实施例中，实时数字仿真器中包含具有微秒级小步长的模拟量输出模块，利用模拟量输出模块，模拟工程实际的直流光学电流互感器测量输出的多路高精度的电气量信号，并将多路电气量信号输出至光测量仿真接口，利用光测量仿真接口将仿真用的Aurora通讯协议转换成工程测量实际使用的协议；经过光测量仿真接口的多路电气量信号，然后经过多路光纤分别接入工程用的合并单元，再经合并单元分别接入不同的控制和保护装置中。

本实施例中，光测量仿真接口将多路电气量信号输出至工程用合并单元；光测量仿真接口输出至合并单元的通讯协议(链路层为FT3格式的IEC60044-8标准通讯协议)和传输信号与直流输电工程的现场测量系统完全一致。本实施例所建立的闭环仿真高精度光测量系统，完全保留了现场测量的关键通讯环节，保障试验系统中关键的光测量环节的真实性，可用于模拟现场光测量发生的通讯异常的等工况，满足闭环测试需求。

请参阅图3，本实施例中，通过实时数字仿真器的微秒级小步长模拟量输出模块，产生多路高精度电气量的模拟信号，保障测量源头输出的模拟量数据精度。将多路电气量的模拟信号输出前，需对模拟量输出模块的输出通道和通讯进行参数配置，模拟量输出模块中一般采用≤2.5us的仿真步长，选择直流输电系统的直流电流、桥臂电流等光测量电气量，如附图3所示，经过采样比例系数放大后，再通过数据类型转换将浮点型转成整型数据量，根据模拟量输出模块中的通道配置参数(选择从第1～12路输出该电气量)，通过微秒级小步长的模拟量输出模块，经仿真的Aurora协议和光纤将多路电气量的模拟信号输出至光测量仿真接口。

另外，本实施例中通过采用32bit对实时数字仿真器的微秒级小步长的模拟量输出模块进行通讯配置，具体如下：

1)bit[16:1]：设置采样周期(采样频率)；如100kHz对应10us，则bit[16:1]＝10us＝1010；

2)bit[23:17]：设置通讯延时，一般设置通道传输延时为100ns，用于完成各个通道之间的同步，采用默认设置bit[23:17]＝0000001(100ns)；

3)bit[24]：设置FT3协议的一个数据块block中，传输几个数据位；

4)bit[26:25]：设置发送端口FT3协议数据块数量(1～3)；bit[26:25]＝01＝1个数据块；

5)bit[28:27]：设置接收端口FT3协议数据块数量(1～3)；bit[28:27]＝01＝1个数据块；

bit[24]＝1＝R0～R3＝4个数据位(4*16bit)；bit[24]＝0＝R0～R7＝8个数据位(8*16bit)；

6)bit[29:30]：设置发送端和接收端的极性，一般采用默认bit[29:30]＝00；

7)bit＝[31:32]：设置通讯波特率，bit[31:32]＝11＝20Mbit/s；

(00＝2.5Mbit/s，01＝5Mbit/s，10＝10Mbit/s；11＝20Mbit/s)。

以输出模块外接的采样频率为100kHz，通讯波特率为20Mbit/s的FT3协议为例，32bit的配置如表1和表2所示：

表1 Bit32～bit17的配置

32	31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17
																1	1	0	0	0	1	0	1	1	0	0	0	0	0	0	1

表2 Bit16～bit1的配置

16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
																0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	0

请参阅图4，本实施例中，光测量仿真接口的硬件部分实现方法如附图4所示，通过采用FPGA开发板，编程实现仿真通讯协议(如Aurora协议)与工程光测量用通讯协议(如常见的IEC60044-8协议)的转换。实时数字仿真器通过1对光纤输出12路或48路(在微秒级小步长模拟量输出模块中进行配置选择)高精度模拟量至1块光测量仿真接口；再通过协议转换模块中的协议转换程序，实现12路或48路模拟量信号经过12对光纤接入直流输电工程用的合并单元。

值得说明的是，由于通讯协议转换涉及到适应不同的仿真器和工程通讯协议，有多种通讯转换组合，这些都属于本专利的思想和发明内容，都在本专利的保护范围之内。

本实施例中，通过实时数字仿真器模拟产生直流输电工程光测量的高精度电气量的模拟信号，利用实时数字仿真器中的微秒级小步长模拟量输出模块将实时数字仿真器产生的电气量信号根据工程光测量的参数和通讯要求进行数字化的通讯处理后输出；通过基于FPGA开发板的通讯协议转换模块，实现仿真通讯协议到直流输电工程光测量实际使用的通讯协议的转换，实现实时数字仿真器输出的高精度模拟量信号按照工程通讯协议的高采样率输出，完整模拟了直流输电工程光测量系统的关键传输环节。

相对目前常见的两种闭环仿真接口技术方案，本实施例具有以下优点：

(1)实时数字仿真器与光测量工程的光对光接口，更贴近直流输电工程的实际情况。接口通讯协议与实际工程一致，可完整模拟工程实际的测量回路，具有高拟真优点，提高了整个闭环测试系统的精确性；可输出高采样频率的电气量至工程用的光学互感器合并单元，满足直流工程快速保护测试需求，实现方法简单，操作方便。

(2)测量采样率更高。从传统常见的几十kHz采样频率到目前可至少支持100kHz及以上的采样频率，为工程快速直流保护的功能和性能测试提供了重要的仿真接口；

(3)模拟量输出能力更强。从传统的一块仿真板卡输出的12路模拟量通道，提高到一块板卡输出48路信号，可实现更多高精度模拟量的输出；

(4)接线简单操作方便。从传统常见的大量电缆信号接线，精简为仅需几根光纤就可实现大量高精度模拟量的传输，接线更简单，操作更安全方便。

本发明实施例提供了一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统，可用在包含光测量设备的高压直流输电系统的闭环仿真试验中，填补了含光测量环节的闭环仿真技术的空白，实现了直流输电工程中光测量高速采样环节的精确模拟，可输出高采样频率的电气量信号至直流输电工程用的光学互感器合并单元，满足直流输电工程的高速采样及快速直流保护的闭环测试需求，实现方法简单，操作方便。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种直流输电工程光测量的闭环仿真系统，其特征在于，包括：

实时数字仿真器、光测量仿真接口、合并单元和控制保护装置；

所述实时数字仿真器模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号，将所述多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至所述光测量仿真接口，所述多路模拟量信号为12路或48路，所述仿真通讯协议为Aurora通讯协议；

所述实时数字仿真器的仿真步长小于或等于2.5μs；

所述光测量仿真接口将所述仿真通讯协议转换成光测量直流输电工程实际使用的通讯协议，所述实际使用的通讯协议为IEC60044-8协议；

所述合并单元对所述多路电气量信号进行合并和同步处理，并将处理后的电气量信号输出至所述控制保护装置；

所述控制保护装置接收所述合并单元发送的电气量信号。

2.根据权利要求1所述的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，其特征在于，所述实时数字仿真器包括模拟量输出模块，用于将所述多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至所述光测量仿真接口。

3.根据权利要求2所述的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，其特征在于，还包括：配置模块，用于对所述模拟量输出模块进行通道配置和通讯配置。

4.根据权利要求3所述的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，其特征在于，所述光测量仿真接口包括通讯协议转换模块，用于将所述仿真通讯协议转换成光测量直流输电工程实际使用的通讯协议。

5.根据权利要求4所述的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，其特征在于，所述实时数字仿真器模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号具体包括：所述实时数字仿真器选择直流输电工程光测量的多路电气量，经过采样比例系数放大后，再转换为整型数据量，模拟出直流输电工程光测量的多路电气量信号。

6.根据权利要求5所述的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，其特征在于，将所述多路电气量信号通过仿真通讯协议输出至所述光测量仿真接口之前还包括：根据配置模块对所述模拟量输出模块进行通道配置和通讯配置。

7.根据权利要求1所述的直流输电工程光测量的闭环仿真系统，其特征在于，所述光测量仿真接口采用FPGA开发板。