CN113836713B - 一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，利用无线通信技术实现对安全稳定控制装置的标准化硬件在环仿真。本申请提供的仿真系统，包括实时数字仿真装置、实时仿真数据集中器、无线通信设备、测试终端设备和被测安全稳定控制装置，支持12个厂站的安全稳定控制装置同时进行仿真测试。利用无线通信设备建立无线网络，实时数字仿真装置与被测安全稳定控制装置通过实时仿真数据集中器、测试终端设备和无线网络进行信息交互，无需使用大量的外设板卡和通信电缆，简化仿真系统的设计和搭建，提高仿真效率和质量。

Description

一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统

技术领域

本申请涉及电力安全技术领域，具体涉及一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统。

背景技术

安全稳定控制装置用于监控电力系统的运行状态，当电力系统发生紧急状况时，采取一系列紧急控制措施保障电力系统的安稳运行。在投入使用之前对安全稳定控制装置进行全面的测试是非常重要的工作。安全稳定控制装置传统的测试方法包括继电保护测试、动模试验和基于RTDS(Real Time Digital Simulator，实时数字仿真)的硬件在环仿真试验。其中继电保护测试使用专用测试仪器加入电压和电流逐步进行测试，可以基本验证安全稳定控制装置逻辑的正确性，但是无法反映电力系统的动态变化结果。动模试验可以实时模拟电力系统的动作过程，但是受实验设备和场地限制无法模拟大型电力系统，且参数调整复杂。基于RTDS硬件在环仿真试验可以真实地反映系统的状态变化，对安全稳定控制装置进行全面的测试。

硬件在环仿真试验中RTDS与安全稳定控制装置连接，RTDS提供电网一次系统模型，安全稳定控制装置对电网的运行状态进行判定，做出相应的控制动作，电网的运行状态再根据控制动作进行变化，进而实现对安全稳定控制装置的实时仿真测试。但是安全稳定控制装置的控制策略复杂，模拟量和开关量规模庞大。传统的安全稳定控制装置硬件在环仿真需要构建大规模的实验系统，RTDS的外设与安全稳定控制装置的输入输入输出接口直接通过光纤、电缆等连接，所需RTDS的外设板卡数量庞大，接线复杂，导致仿真系统的设计和构建耗费时间久，仿真效率低。

发明内容

本申请提供了一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，以解决传统的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统效率低的问题。

一方面，本申请提供一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，包括：实时数字仿真装置、实时仿真数据集中器、无线通信设备、测试终端设备和被测安全稳定控制装置。实时数字仿真装置与实时仿真数据集中器双向通信，实时仿真数据集中器与测试终端设备通过无线通信设备提供的无线网络互联，测试终端设备与被测安全稳定控制装置双向通信。

实时数字仿真装置被配置为电网一次系统模型，提供仿真环境，并将电网一次系统模型提供的仿真信号发送给实时仿真数据集中器。

实时仿真数据集中器被配置为显示仿真信号，并将仿真信号发送到测试终端设备。

测试终端设备被配置为将仿真信号分发给被测安全稳定控制装置。

被测安全稳定控制装置被配置为根据仿真信号做出控制动作，产生控制信号，并将控制信号发送到测试终端设备。

测试终端设备被配置为将控制信号发送给实时仿真数据集中器。

实时仿真数据集中器被配置为显示控制信号，并将控制信号进行汇总后发送到实时数字仿真装置。

实时数字仿真装置中电网一次系统模型根据控制信号改变运行状态，将改变后的仿真信号重新发送给实时仿真数据集中器。

在一种实现方式中，仿真信号包括电网一次系统模型的母线电压信号、各间隔的电流信号以及交直流开关量运行信号。实时数字仿真装置将母线电压信号、各间隔电流信号和交直流开关量运行信号均转化为整型数据，通过通信接口传输给实时仿真数据集中器。

在一种实现方式中，实时仿真数据集中器将仿真信息分成若干个数据包，每个数据包包括被测厂站地址，并将数据包通过无线网络发送给测试终端设备。

在一种实现方式中，被测安全稳定控制装置包括一个稳控主机和若干个稳控从机；稳控从机将仿真信号发送给稳控主机，稳控主机根据仿真信号做出控制动作，产生控制信号，并通过稳控从机将控制信号发送给测试终端设备。

在一种实现方式中，测试终端设备根据被测厂站地址接收仿真信号，并将仿真信号根据配置进行筛选，将筛选后的仿真信号分别进行数模转换后发送给稳控从机。

在一种实现方式中，测试终端设备将各个稳控从机发送的控制信号填入通信协议通过无线网络发送给实时仿真数据集中器。

实时仿真装置与被测安全稳定控制装置传输的信号通过实时仿真数据集中器和测试终端设备进行管理分配，并通过无线网络进行传输，减少外设板卡与通信电缆的数量，简化仿真系统的设计和搭建。

另一方面，本申请还提供一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真方法，应用于上述基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，包括：

建立电网一次系统模型，提供仿真信号，仿真信号包括母线电压信号、各间隔的电流信号以及交直流开关量运行信号；

将仿真信号发送给被测安全稳定控制装置，被测安全稳定控制装置将控制信号反馈给电网一次系统模型，控制信号为被测安全稳定控制装置对仿真信号进行判定后发出的信号；

电网一次系统模型根据控制信号改变运行状态，并将改变后的仿真信号重新发送给被测安全稳定控制装置；

通过实时仿真数据集中器显示仿真信号和控制信号。

在一种实现方式中，将仿真信号发送给被测安全稳定控制装置包括：

实时数字仿真装置将仿真信号转化为整型数据，通过通信接口传输给实时仿真数据集中器；

实时仿真数据集中器将仿真信息分成若干个数据包，每个数据包包括被测厂站地址，并将数据包通过无线网络发送给测试终端设备；

测试终端设备根据被测厂站地址接收仿真信号，并将仿真信号根据配置进行筛选，将筛选后的仿真信号分别进行数模转换后发送给被测安全稳定控制装置。

在一种实现方式中，被测安全稳定控制装置将控制信号反馈给电网一次系统模型包括：

被测安全稳定控制装置将控制信号发送给测试终端设备；

测试终端设备将控制信号填入通信协议通过无线网络发送给实时仿真数据集中器；

实时仿真数据集中器将控制信号发送到实时数字仿真装置中的电网一次系统模型。

本申请提供一个完整的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统及方法，利用无线通信技术实现对安全稳定控制装置的标准化硬件在环仿真。本申请提供的仿真系统，包括实时数字仿真装置、实时仿真数据集中器、无线通信设备、测试终端设备以及被测安全稳定控制装置。利用无线通信设备建立无线网络，实时数字仿真装置与被测安全稳定控制装置通过实时仿真数据集中器、测试终端设备和无线网络进行信息交互，无需使用大量的外设板卡和通信电缆，简化仿真系统的设计和搭建，提高仿真效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统结构示意图；

图2为本申请实施例中5G试验网络时延测试平台的结构示意图；

图3为本申请实施例中一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真方法流程示意图；

图4为本申请实施例中将仿真信号发送给被测安全稳定控制装置的流程示意图；

图5为本申请实施例中被测安全稳定控制装置将控制信号反馈给电网一次系统模型的流程示意图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

为便于对本申请的技术方案进行说明，以下首先对本申请所用到的一些概念进行简要说明。

硬件在环仿真是一种半实物仿真，以实时处理器运行仿真模型，模拟被控对象的运行状态，并通过输入输出接口与实际的控制器相连。模拟的被控对象是对真实被控对象的准确模拟，与真实被控对象有一致的行为与输入输出关系，控制器可以像控制真实被控对象一样控制模拟的被控对象，实现控制器的性能测试。

电力系统中，为了减少损耗，厂站产生的电能通常采用高压输电的方式进行输送，再通过配电线路进行降压处理后分配给用户，因此电力线路被划分为不同的电压等级，每个电压等级下设有不同间隔，所述间隔由断路器、隔离开关、互感器以及避雷器等电力设备组成完整的电气回路。

三相电又称为三相交流电，是电能的一种输送形式，三相电信号是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流电信号组成的信号。

本申请提供的一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，参见图1，包括实时数字仿真装置1、实时仿真数据集中器2、无线通信设备3、测试终端设备4和被测安全稳定控制装置5。参见图3所示的仿真方法流程图，实时数字仿真装置1被配置为电网一次系统模型，用来提供仿真环境，所述电网一次系统模型是对电力系统中的一次设备建立模型，所述一次设备为直接生产、输送和分配电能的高压电气设备，例如发电机、变压器、互感器、断路器、隔离开关、母线、电力线缆以及输电线路等。所述电网一次系统模型提供例如母线电压信号、各间隔的电流信号以及交直流开关量运行信号等仿真信号。

参见图4，实时数字仿真装置1将所述仿真信号输送给实时仿真数据集中器2，以最多传输12个母线三相电压信号和72个间隔的三相电流信号，即最多支持12个厂站同时仿真为例，实时数字仿真装置1和实时仿真数据集中器2分别设有四个通信接口，每个接口传输3个母线三相电压信号和18个间隔的三相电流信号。实时数字仿真装置1与实时仿真数据集中器2利用1.25Gbps速率的私有协议传输数据，为了在不降低数据精度的情况下减小传输数据容量，实时数字仿真装置1将所述仿真信号转化为32位的整型数据输出，其中母线三相电压信号和间隔的三相电流信号的幅值和相角均为16位的整型数据，幅值和相角共同组成32位的整型数据，其中包含符号位，具体的实现方法参见表1。

表1

表1为实时数字仿真装置1与实时仿真数据集中器2中第一个通信接口发送数据组帧表，其他通信接口参考此通信接口的发送方式，分别传输母线三相电压信号4-6、7-9、10-12以及间隔19-36、37-54、55-72的模拟量和开关量数据。

实时仿真数据集中器2与测试终端设备4通过无线网络进行信息交互，所述无线网络为通过5G CPE(Customer Premise Equipment，客户前置设备)32和基站31构建的实验室5G试验网络。为了确保所述5G试验网络的通信时延能够满足远程仿真的要求，利用图2所示的测试平台，分别基于所述5G试验网络和商用5G网络对通信时延进行测试，测试结果参见表2。

表2

表2为5G试验网络的通信时延测试结果，其中，5G CPE采用的是华为CPE，稳控测试终端1和稳控测试终端2相隔5.5km，并且通过同一时源进行对时。以上测试结果表明，所述5G试验网络的通信时延不超过20ms。被测安全稳定控制装置5的计算时间通常为20ms左右，对以上测试网络的通信时延可以做到自适应，不需要进行补偿。

实时仿真数据集中器2设有两个通信接口，支持与两个5G CPE32同时通信，每个所述通信接口输出6个厂站的被测安全稳定控制装置5的仿真信号，即6个通信数据包。为了便于对通信数据进行处理，各个厂站的所述通信数据包发送时间均保持一致，发送间隔为5ms。每个厂站的所述通信数据包大小为256bytes，发送接收速率为400kbps，收发时间可以忽略不计。实时仿真数据集中器2通过管理软件对数据进行分发和显示。实时仿真数据集中器2与测试终端设备4的通信协议参见表3。

表3

测试终端设备4包括管理与通信模块、D/A模块、I/O模块、SV/GOOSE数字化采样模块以及220V交流电源模块，具备级联转发功能。参见图4和图5，测试终端设备4根据所述通信协议中的地址接收仿真数据，并对所述仿真数据根据配置进行筛选，将筛选后的仿真数据进行D/A转换后通过所述管理与通信模块分配给各个稳控从机52。稳控从机52将接收到的数据发送给稳控主机51，稳控主机51对仿真数据进行判定后发出控制信号，并将所述控制信号通过稳控从机52发送给测试终端设备4，测试终端设备4将各个稳控从机52发送的所述控制信号填入对应的通信协议位置，发送给实时仿真数据集中器2。测试终端设备4输出的对应关系参见表4。

表4

序号	通信数据	输出数据匹配
			1	对下级联	全部数据对下级联，根据配置筛选
2	对上转发	将各从机相关的动作信息填入对应通信协议位置转发
			3	本从机D/A模出	D/A模块±10V小信号或数字化模块SV信号输出
4	本从机I/O开入开出	I/O模块空接点或数字化模块GOOSE信号输出

实时仿真数据集中器2通过管理软件对接收到的所述控制信号进行显示，并将所述控制信号进行汇总，发送给实时数字仿真装置1的电网一次系统模型，所述电网一次系统模型受控制信号作用运行状态发生改变，并提供改变后的仿真信号。实时数字仿真装置1将所述改变后的仿真信号重新发送给实时仿真数据集中器2，重复本实施例中的上述过程，从而实现对安全稳定控制装置5的实时仿真测试。

本实施例还提供一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真方法，被应用于上述仿真系统，其工作原理与上述仿真系统一一对应，因而不再赘述。

本实施例提供了一个完整的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统及方法，能够利用无线通信技术实现对安全稳定控制装置的标准化硬件在环仿真。本申请提供的仿真系统，包括实时数字仿真装置1、实时仿真数据集中器2、无线通信设备3、测试终端设备4和被测安全稳定控制装置5，支持12个厂站的安全稳定控制装置同时进行仿真测试。利用无线通信设备3建立无线网络，实时数字仿真装置1与被测安全稳定控制装置5通过实时仿真数据集中器2、测试终端设备4和无线网络进行信息交互，无需使用大量的外设板卡和通信电缆，简化仿真系统的设计和搭建，提高仿真效率和质量。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述计算机程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，其特征在于，包括：实时数字仿真装置(1)、实时仿真数据集中器(2)、无线通信设备(3)、测试终端设备(4)和被测安全稳定控制装置(5)；所述实时数字仿真装置(1)与所述实时仿真数据集中器(2)双向通信；所述实时仿真数据集中器(2)与所述测试终端设备(4)通过所述无线通信设备(3)提供的无线网络互联；所述测试终端设备(4)与所述被测安全稳定控制装置(5)双向通信；

所述实时数字仿真装置(1)被配置为电网一次系统模型，提供仿真环境，并将所述电网一次系统模型提供的仿真信号发送给所述实时仿真数据集中器(2)；

所述实时仿真数据集中器(2)被配置为显示所述仿真信号，并将所述仿真信号发送到所述测试终端设备(4)；

所述测试终端设备(4)被配置为将所述仿真信号分发给所述被测安全稳定控制装置(5)；

所述被测安全稳定控制装置(5)被配置为根据所述仿真信号做出控制动作，产生控制信号，并将所述控制信号发送到所述测试终端设备(4)；

所述测试终端设备(4)被配置为将所述控制信号发送给所述实时仿真数据集中器(2)；

所述实时仿真数据集中器(2)被配置为显示所述控制信号，并将所述控制信号进行汇总后发送到所述实时数字仿真装置(1)；

所述实时数字仿真装置(1)中所述电网一次系统模型根据所述控制信号改变运行状态，将改变后的所述仿真信号重新发送给所述实时仿真数据集中器(2)。

2.根据权利要求1所述的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，其特征在于，所述仿真信号包括所述电网一次系统模型的母线电压信号、各间隔的电流信号以及交直流开关量运行信号；所述实时数字仿真装置(1)将所述母线电压信号、各间隔电流信号和交直流开关量运行信号均转化为整型数据，通过通信接口传输给所述实时仿真数据集中器(2)。

3.根据权利要求1所述的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，其特征在于，所述实时仿真数据集中器(2)将所述仿真信息分成若干个数据包，每个所述数据包包括被测厂站地址，并将所述数据包通过无线网络发送给所述测试终端设备(4)。

4.根据权利要求1所述的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，其特征在于，所述被测安全稳定控制装置(5)包括一个稳控主机(51)和若干个稳控从机(52)；所述稳控从机(52)将所述仿真信号发送给所述稳控主机(51)，所述稳控主机(51)根据所述仿真信号做出控制动作，产生控制信号，并通过所述稳控从机(52)将所述控制信号发送给所述测试终端设备(4)。

5.根据权利要求3或4所述的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，其特征在于，所述测试终端设备(4)根据所述被测厂站地址接收所述仿真信号，并将所述仿真信号根据配置进行筛选，将筛选后的仿真信号分别进行数模转换后发送给所述稳控从机(52)。

6.根据权利要求4所述的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真系统，其特征在于，所述测试终端设备(4)将各个所述稳控从机(52)发送的控制信号填入通信协议通过无线网络发送给所述实时仿真数据集中器(2)。

7.一种基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真方法，应用于权利1-6任一项所述的仿真系统，其特征在于，包括：

建立电网一次系统模型，提供仿真信号，所述仿真信号包括母线电压信号、各间隔的电流信号以及交直流开关量运行信号；

将所述仿真信号发送给所述被测安全稳定控制装置(5)，所述被测安全稳定控制装置(5)将所述控制信号反馈给所述电网一次系统模型，所述控制信号为所述被测安全稳定控制装置(5)对所述仿真信号进行判定后发出的信号；

所述电网一次系统模型根据所述控制信号改变运行状态，并将改变后的仿真信号重新发送给所述被测安全稳定控制装置(5)；

通过所述实时仿真数据集中器(2)显示所述仿真信号和所述控制信号。

8.根据权利要求7所述的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真方法，其特征在于，将所述仿真信号发送给所述被测安全稳定控制装置(5)包括：

所述实时数字仿真装置(1)将所述仿真信号转化为整型数据，通过通信接口传输给所述实时仿真数据集中器(2)；

所述实时仿真数据集中器(2)将所述仿真信息分成若干个数据包，每个所述数据包包括被测厂站地址，并将所述数据包通过无线网络发送给所述测试终端设备(4)；

所述测试终端设备(4)根据所述被测厂站地址接收所述仿真信号，并将所述仿真信号根据配置进行筛选，将筛选后的仿真信号分别进行数模转换后发送给所述被测安全稳定控制装置(5)。

9.根据权利要求7所述的基于无线通信的安全稳定控制装置硬件在环仿真方法，其特征在于，所述被测安全稳定控制装置(5)将所述控制信号反馈给所述电网一次系统模型包括：

所述被测安全稳定控制装置(5)将所述控制信号发送给测试终端设备(4)；

所述测试终端设备(4)将所述控制信号填入通信协议通过无线网络发送给所述实时仿真数据集中器(2)；

所述实时仿真数据集中器(2)将所述控制信号发送到所述实时数字仿真装置(1)中的所述电网一次系统模型。

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