CN208432876U - 直流配电网实时仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种直流配电网实时仿真系统，包括：实时仿真器、仿真接口设备、I/O合并单元、子站控制保护设备、多协调控制保护设备，以及监控系统装置；其中，所述实时仿真器包括：实时数字仿真器RTDS，吉比特收发器板卡GTFPGA，现场可编程门阵列FPGA；通过上述各装置的连接、配合工作模拟出直流配电网的实际运行工况及换流器及直流变压器的精确控制及运行特性，为直流配电网研究提供一种仿真平台。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种直流配电网实时仿真系统。
背景技术
随着可再生能源和分布式电源的不断渗透，以分布式可再生能源和微电网为重点的多元电力供应架构将逐步改变传统配电网形态，使得未来配电网呈现功率双向、智能互动的关系。直流配电网一方面因其采用电力电子快速控制技术能够灵活接入分布式电源、直流负荷，另一方面因其能够控制配电网直接闭环的运行，具有比交流配电网网状结构更高的可靠性。因此，无论是在控制灵活性还是运行可靠性方面，直流配电网都比现有的交流配电网更能适应未来配电网发展的需要。
然而目前直流配电网研究较输电网研究相对滞后，直流配电网的仿真研究缺乏技术手段和平台，导致难以精确评估配电网在交直流并联运行情况下对电网系统的影响。因此，提供一种直流配电网的仿真平台是目前亟需解决的技术问题。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种直流配电网实时仿真系统为直流配电网仿真研究提供有效的技术手段。所述仿真系统的各个部分组件的使用及相互的连接结构设置实现了对直流配电网的实时仿真，能够对直流配电网的特性进行更深入的研究，并且保证了高速的计算和传输效率。
本实用新型实施例提供了一种直流配电网实时仿真系统，其特征在于，包括：
实时仿真器、仿真接口设备、I/O合并单元、子站控制保护设备、多协调控制保护设备，以及监控系统装置；
其中，所述实时仿真器包括：实时数字仿真器RTDS，吉比特收发器板卡GTFPGA，现场可编程门阵列FPGA；所述实时数字仿真器RTDS与所述吉比特收发器板卡GTFPGA连接，所述吉比特收发器板卡GTFPGA与所述现场可编程门阵列FPGA连接；
其中，所述实时数字仿真器RTDS与所述仿真接口设备连接，所述仿真接口设备分别与所述I/O合并单元、所述子站控制保护设备、所述多协调控制保护设备和所述监控系统装置连接，所述I/O合并单元分别与所述子站控制保护设备、所述多协调控制保护设备和所述监控系统装置连接，所述现场可编程门阵列FPGA与所述子站控制保护设备连接，所述子站控制保护设备与所述多协调控制保护设备连接，所述多协调控制保护设备与所述监控系统装置连接。
优选地，所述实时数字仿真器RTDS与所述吉比特收发器板卡GTFPGA双向连接，所述吉比特收发器板卡GTFPGA与所述现场可编程门阵列FPGA双向连接；所述实时数字仿真器RTDS与所述仿真接口设备双向连接，所述仿真接口设备与所述I/O合并单元双向连接，所述I/O合并单元与所述子站控制保护设备双向连接，所述现场可编程门阵列FPGA与所述子站控制保护设备双向连接，所述子站控制保护设备与所述多协调控制保护设备双向连接，所述多协调控制保护设备与所述监控系统装置双向连接。
优选地，所述子站控制保护设备包含阀级控制保护设备和站级控制保护设备，其中所述阀级控制保护设备与所述站级控制保护设备双向连接，所述实时仿真器的所述现场可编程门阵列FPGA与所述阀级控制保护设备双向连接，所述站级控制保护设备与所述多协调控制保护设备双向连接。
优选地，所述仿真接口设备包含高速模拟量输出卡GTAO，高速数字量输出装置GTDO，高速数字量输入卡GTDI；所述实时仿真器中的所述实时数字仿真器RTDS的第一输出端与所述高速模拟量输出卡GTAO的输入端连接，所述实时数字仿真器RTDS的第二输出端与所述高速数字量输出装置GTDO的输入端连接，所述高速数字量输入卡GTDI与所述实时数字仿真器RTDS的输入端连接。
优选地，所述直流配电网实时仿真系统还包括：操作台，所述操作台与所述实时仿真器连接。
优选地，所述直流配电网实时仿真系统还包括：系统级控制装置，所述系统级控制装置分别与所述仿真接口设备、所述I/O合并单元、所述监控系统装置连接。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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是本实用新型第一实施例提供的一种直流配电网实时仿真系统的示意图；
图2是本实用新型又一实施例提供的一种直流配电网实时仿真系统的示意图；
图3是本实用新型又一实施例提供的一种直流配电网实时仿真系统的示意图。
其中，实时仿真器100、实时数字仿真器RTDS110、吉比特收发器板卡GTFPGA120、现场可编程门阵列FPGA130、仿真接口设备200、高速模拟量输出卡GTAO210、高速数字量输出装置GTDO220、高速数字量输入卡GTDI230、I/O合并单元300、子站控制保护设备400、阀级控制保护设备410、站级控制保护设备420、多协调控制保护设备500、监控系统装置600、操作台700、系统及控制800。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在本实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能或作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。
本实施例提供了一种直流配电网实时仿真系统，请参阅图1，在本实施例中，所述直流配电网实时仿真系统包括：
实时仿真器、仿真接口设备、I/O合并单元、子站控制保护设备、多协调控制保护设备，以及监控系统装置；
其中，所述实时仿真器包括：实时数字仿真器RTDS，吉比特收发器板卡GTFPGA，现场可编程门阵列FPGA；所述实时数字仿真器RTDS与所述吉比特收发器板卡GTFPGA连接，所述吉比特收发器板卡GTFPGA与所述现场可编程门阵列FPGA连接；
其中，所述实时数字仿真器RTDS与所述仿真接口设备连接，所述仿真接口设备分别与所述I/O合并单元、所述子站控制保护设备、所述多协调控制保护设备和所述监控系统装置连接，所述I/O合并单元分别与所述子站控制保护设备、所述多协调控制保护设备和所述监控系统装置连接，所述现场可编程门阵列FPGA与所述子站控制保护设备连接，所述子站控制保护设备与所述多协调控制保护设备连接，所述多协调控制保护设备与所述监控系统装置连接。
通过所述系统能够模拟出直流配电网的实际运行工况及对换流器与直流变压器的精确控制及运行特性，为直流配电网研究提供一种仿真平台。
实时仿真器100包括：实时数字仿真器RTDS(Real Time Digital Simulator)110、现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable a Gate Array)120和吉比特收发器板卡GTFPGA130。其中，所述吉比特收发器板卡GTFPGA为基于吉比特的收发器板卡GTFPGA(Gigabit Transceiver FPGA)。其中，实时数字仿真器RTDS110与仿真接口设备200双向连接，实时数字仿真器RTDS110与基于吉比特的收发器板卡GTFPGA120双向连接，基于吉比特的收发器板卡GTFPGA120与现场可编程门阵列FPGA130双向连接。
优选地，所述实时数字仿真器RTDS110与所述吉比特收发器板卡GTFPGA120双向连接，所述吉比特收发器板卡GTFPGA120与所述现场可编程门阵列FPGA130双向连接；所述实时数字仿真器RTDS110与所述仿真接口设备200双向连接，所述仿真接口设备200与所述I/O合并单元300双向连接，所述I/O合并单元300与所述子站控制保护设备400双向连接，所述现场可编程门阵列FPGA130与所述子站控制保护设备400双向连接，所述子站控制保护设备400与所述多协调控制保护设备500双向连接，所述多协调控制保护设备500与所述监控系统装置600双向连接。
子站控制保护设备400包含阀级控制保护设备410和站级控制保护设备420，其中阀级控制保护设备410与站级控制保护设备420双向连接，实时仿真器100中的现场可编程门阵列FPGA130与阀级控制保护设备410双向连接，站级控制保护设备420与多协调控制保护设备500双向连接。
仿真接口设备200包含千兆高速模拟量输出卡GTAO210、高速数字量输出装置GTDO220、高速数字量输入卡GTDI230。其中，所述高速模拟量输出卡GTAO为千兆高速模拟量输出卡GTAO。其中，实时仿真器100中的实时数字仿真器RTDS110第一输出端与高速模拟量输出卡GTAO210的输入端连接，实时仿真器100中的实时数字仿真器RTDS110第二输出端与高速数字量输出装置GTDO220输入端连接，高速数字量输入卡GTDI230与实时数字仿真器RTDS110的输入端连接。
其中，实时仿真器100根据获取的直流配电网数字模型进行直流配电网模拟。实时仿真器100向仿真接口设备200发送模拟量信号和第一数字量信号，同时接收仿真接口设备发送的第二数字量信号。
上述直流配电网数字模型包括：同步发电机、交流变压器、换流器、直流变压器，直流线路、风力发电设备、光伏发电设备、储能设备、交流负荷、直流负荷等。其中，实时数字仿真器RTDS110可以开展同步发电机、交流变压器、直流线路、风力发电设备、光伏发电设备、储能设备、交流负荷、直流负荷的仿真模拟计算。现场可编程门阵列FPGA可以完成换流器、直流变压器的仿真模拟计算。实时数字仿真器RTDS通过光纤连接的吉比特收发器板卡GTFPGA传送计算得出的换流器节点电压和桥臂电流给现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA通过光纤连接吉比特收发器板卡GTFPGA将计算得出的等效电压和等效电阻传送给实时数字仿真器RTDS。通过上述方式，实时数字仿真器RTDS中完成整个直流配电网模拟。
上述的模拟量信号包括电源、交/直流线路、交/直流变压器、换流器的电压、电流和功率，第一数字量信号包括直流配电网断路器、隔离开关的开关量信号。
上述的第二数字量信号包括保护动作信号，换流器、直流变压器的启停和闭锁信号，运行方式或控制方式变换后断路器变位信号。
仿真接口设备可实现光信号转换成电信号，具体地，仿真接口设备用于将实时仿真器100发送出的模拟量和数字量的光信号转换为电信号。其中，将转换后的模拟量信号分别送给子站控制保护设备、多协调控制保护设备、监控系统装置，将转换后的数字量电信号送入I/O合并单元。
I/O合并单元用于将接收到的数字量的电信号转换为光信号，统一通过光纤送给子站控制保护设备、多协调控制保护设备，监控系统装置。
优选地，上述I/O合并单元包含光电转换模块，该模块可实现电信号转换为光信号。
优选地，上述I/O合并单元接收的数字量信号为：直流配电网断路器、隔离开关的开关量信号。
子站控制保护设备具有用于对换流器、直流变压器等设备控制和保护的功能。此外，子站控制保护设备通过I/O合并单元可检测交直流电网的状态。
优选地，子站控制保护设备通过I/O合并单元检测直流配电网中各开关刀闸开合状态。
子站控制保护设备接收来自仿真接口设备发送出的模拟量，进行逻辑运算，用于完成各类保护功能；同时子站控制保护设备接收仿真接口设备发送出的模拟量和多协调控制保护设备发送的系列控制方式指令，进行代数运算完成各类控制功能。
优选地，子站控制保护设备收来自仿真接口设备送出电压、电流，通过逻辑运算判断是否到达保护定值，若超过保护定值则启动保护动作逻辑或告警，发送保护跳闸指令给实时仿真器，实时仿真器通过控制相应的开关跳闸，将故障隔离，保障直流配电网正常运行。子站控制保护设备同时将保护动作和告警信号上送给多协调控制保护设备。
优选地，子站控制保护设备接收接收来自仿真接口设备送出电压、电流，同时接收多协调控制保护设备发送的运行方式、控制模式、功率指令、电压指令等系列的控制方式指令，通过系列代数运算，在站级控制保护设备中完成电压外环控制、功率的外环控制，电流内环控制，以及锁相环控制。
子站控制保护设备的站级控制保护设备将输出的参考电压指令发送给阀级控制保护设备，子站控制保护设备的阀级控制保护设备接收到站级控制保护设备输出的参考电压指令，同时接收现场可编程门阵列FPGA发送的子模块电容电压，通过逻辑算生成触发脉冲。
具体的，阀级控制保护设备主要用于对柔性直流换流阀模型中子模块的开通和关断的控制。阀级控制保护设备接收站级控制保护设备输出的参考电压指令并采用最近电平逼近原则计算出当前时刻需要开通和关断的子模块数，同时接收现场可编程门阵列FPGA发送的子模块电容电压完成子模块电容电压排序计算，最后依据开通关断的子模块数及子模块电容电压排序结果，生成子模块开通和关断的触发脉冲信号，传送给现场可编程门阵列FPGA。电容电压排序可以避免换流器内部出现电容电压不稳定现象。
现场可编程门阵列FPGA用于模拟换流器、直流变压器，接收阀级控制保护设备发送的触发脉冲信号，根据触发脉冲信号实现对换流器、直流变压器电压、电流的控制。
具体的，可编程门阵列FPGA根据触发脉冲控制换流器、直流变压器的子模块开通和关断，多子模块的开通关断组合构成了换流器、直流变压器输出电压电流的变化，从而实现对换流器、直流变压器的电压、电流的控制。
所述换流器可以是柔性直流换流器、电压源型换流器或者其他本领域公知的换流器类型。
现场可编程门阵列FPGA将通过逻辑运行的等效值电源和等效电阻发送给实时数字仿真器进行全网的仿真模拟。
优选的，现场可编程门阵列FPGA采用戴维南等效计算得到网络等效电路的等效电压源和等效电阻，通过吉比特收发器板卡GTFPGA传送给实时数字仿真器RTDS。实时数字仿真器RTDS接收可编程门阵列FPGA通过吉比特收发器板卡GTFPGA传送的等效电压源和等效电阻，结合外部网络共同完成对整改直流配电网的仿真模拟。
多协调控制保护设备接收子站控制保护设备发送的状态量，对系统进行状态评估，根据评估结果向实时仿真器发送控制指令，并发送系统状态信息给监控系统装置。
具体的，多协调控制保护设备接收来自子站控制保护设备的开关刀闸的开合状态、接收电压、电流和功率等通过逻辑运算对系统进行状态评估，根据评估结果向实时仿真器发送运行方式、控制模式、功率指令、电压指令、升降速率、顺控指令等各种控制指令。多协调控制保护设备向实时仿真器发送各指令是通过先将信号发送至子站控制保护设备，再通过I/O合并单元和仿真接口设备，最后送至实时仿真器。
优选的，多协调控制保护设备向监控系统发送开关刀闸的状态信息，电压、电流和功率模拟量。
监控系统装置接收上送的保护启动和告警信息，同时接收多协调控制保护设备发送的开关刀闸的状态信息，电压、电流和功率模拟量等对直流配电网进行实时监控，实时显示直流配电网的运行状态。运行人员可以直接对监控系统装置进行操作下发运行方式、控制模式、功率指令、电压指令、升降速率、顺控指令给多协调控制保护设备，并实时显示出直流配电网的运行工况。
优选的，上述仿真系统还包括：操作台700，该操作台与实时仿真设备100双向连接，其中：
操作台用于搭建直流配电网数字模型，并包括设置直流配电网模型参数；
实时仿真设器用于从操作台获取直流配电网数字模型。
通过上述的操作台还可以在模拟的直流配电网中设置各类故障，模拟实际直流配电网运行可能出现的故障。上述实时仿真器还能够记录直流配电网运行的各状态量数据及波形。
可选的，上述操作台700的显示界面可以显示仿真模拟设备的直流配电网运行状态以及试验波形。具体的，实时仿真器将仿真模拟出来的直流配电网状态量信息及波形发送给操作台，通过操作台界面直观显示仿真结果，有利于人机交互。
优选的，上述仿真系统还包括：系统级控制装置800，该系统级控制装置与仿真接口设备、I/O合并单元，监控系统装置连接，其中：
系统级控制装置用于接收来自仿真接口设备的模拟量信号，取用其中新能源及储能等电源信息进行逻辑运算，对直流配电网状态进行预测，根据预测结果向实时仿真器发送功率优化控制指令。
上述系统级控制装置向实时仿真器发送用于控制直流配电网的功率优化控制指令，通过监控系统装置、多协调控制保护设备、子站控制保护设备发送至实时仿真器。
上述的系统级控制装置主要功能包括：数据采集、状态检测、控制功能及预测计算以及故障录波等。
上述的系统级控制装置功能还包括遥调和遥控功能。具体的，该系统级控制装置将接收的模拟量进行运行状态预测计算后将结果向监控系统装置发送遥控命令，如直接发送断路器开合命令等，还可以发出遥调命令，如实时仿真器发送设备调节指令，同时下发功率参考值和节点电压参考值等。
优选的，上述监控系统装置可以用于接收系统级控制装置发送的直流配电网状态预测结果，同时也可以显示该预测结果。
上述监控系统装置能够实现运行状态监视、控制操作、故障及异常工况处理等功能。
通过所述监控系统装置，工作人员能够看到实时仿真器中模拟直流配电网的运行状态，并根据运行状态来控制直流配电网运行，工作人员通过修改和设置监控设备操作界面参数，实现对直流配电网功率及节点电压的控制，实现人机交互，更有利于实时监视和控制。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种直流配电网实时仿真系统，其特征在于，包括：
实时仿真器、仿真接口设备、I/O合并单元、子站控制保护设备、多协调控制保护设备，以及监控系统装置；
其中，所述实时仿真器包括：实时数字仿真器RTDS，吉比特收发器板卡GTFPGA，现场可编程门阵列FPGA；所述实时数字仿真器RTDS与所述吉比特收发器板卡GTFPGA连接，所述吉比特收发器板卡GTFPGA与所述现场可编程门阵列FPGA连接；
其中，所述实时数字仿真器RTDS与所述仿真接口设备连接，所述仿真接口设备分别与所述I/O合并单元、所述子站控制保护设备、所述多协调控制保护设备和所述监控系统装置连接，所述I/O合并单元分别与所述子站控制保护设备、所述多协调控制保护设备和所述监控系统装置连接，所述现场可编程门阵列FPGA与所述子站控制保护设备连接，所述子站控制保护设备与所述多协调控制保护设备连接，所述多协调控制保护设备与所述监控系统装置连接。
2.根据权利要求1所述的直流配电网实时仿真系统，其特征在于，所述实时数字仿真器RTDS与所述吉比特收发器板卡GTFPGA双向连接，所述吉比特收发器板卡GTFPGA与所述现场可编程门阵列FPGA双向连接；
所述实时数字仿真器RTDS与所述仿真接口设备双向连接，所述仿真接口设备与所述I/O合并单元双向连接，所述I/O合并单元与所述子站控制保护设备双向连接，所述现场可编程门阵列FPGA与所述子站控制保护设备双向连接，所述子站控制保护设备与所述多协调控制保护设备双向连接，所述多协调控制保护设备与所述监控系统装置双向连接。
3.根据权利要求1或2所述的直流配电网实时仿真系统，其特征在于，
所述子站控制保护设备包含阀级控制保护设备和站级控制保护设备，其中所述阀级控制保护设备与所述站级控制保护设备双向连接，所述实时仿真器的所述现场可编程门阵列FPGA与所述阀级控制保护设备双向连接，所述站级控制保护设备与所述多协调控制保护设备双向连接。
4.根据权利要求1或2所述的直流配电网实时仿真系统，其特征在于，
所述仿真接口设备包含高速模拟量输出卡GTAO，高速数字量输出装置GTDO，高速数字量输入卡GTDI；所述实时仿真器中的所述实时数字仿真器RTDS的第一输出端与所述高速模拟量输出卡GTAO的输入端连接，所述实时数字仿真器RTDS的第二输出端与所述高速数字量输出装置GTDO的输入端连接，所述高速数字量输入卡GTDI与所述实时数字仿真器RTDS的输入端连接。
5.根据权利要求1或2所述的直流配电网实时仿真系统，其特征在于，
还包括：操作台，所述操作台与所述实时仿真器连接。
6.根据权利要求1或2所述的直流配电网实时仿真系统，其特征在于，
还包括：系统级控制装置，所述系统级控制装置分别与所述仿真接口设备、所述I/O合并单元、所述监控系统装置连接。
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2018
- 2018-07-24 CN CN201821182780.6U patent/CN208432876U/zh active Active
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