专利名称：：一种电能质量及节能设备的综合实验平台的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种电能质量及节能设备的综合实验平台，属于电能质量控制、改善设备的实验方法及实验平台领域。
背景技术：
：电能质量是一个系统问题，不仅与负荷有关，而且与系统的网络结构、系统参数和运行方式等有关，因此，考核电能质量设备不仅需要测试设备的各种电气参数和性能，更重要的一点是将设备置于电力系统中，综合衡量设备的运行功能及各项性能指标。因此需要将电能质量设备的考核建立在基于电力系统的实时仿真模拟平台上，并应提供具有高电压、大电流的实验能力。随着电能质量控制设备和各种电力节能设备在电力系统中大量推广应用，传统的仅从设备制造角度对设备的考核方法已不能适应现代电力系统发展的需要。如何从电力系统的角度把握这类设备的运行与控制，对这类设备的功能作用进行评价至关重要。例如，无功补偿设备的投运给某电网的电压稳定控制和降低网损等具有明显效益，需要考核与评估的问题很多，除了设备的安全、可靠指标外，关系到电力系统运行与控制方面的问题有(1)如何定量标定对电网电压改善效果；(2)如何定量降低网损的大小及其节能效益；(3)设备投入电网后，与电网的参数是否适配，是否存在谐波放大或谐振等问题；(4)设备投运后对电网继电保护的影响等。又如，对电能质量治理设备的试验分为型式试验、出厂试验和现场试验，由于考核方法和设备的限制，许多试验无法进行。总之在产品设计阶段难以进行评估的试验项目很多，如谐波抑制效果试验，由于缺乏大功率谐波源难以进行，即使具备大功率谐波源，但无法针对实际系统注入谐波，因而考核的标准或过严、或偏松，因此导致很多电能质量设备的标准难以制定，或标准的可操作性差，导致标准缺乏约束力。对节能类电气设备考核通常需要直接带载运行，这类电气设备产生的节能效果大多来自负载本身，如风机水泵类的管网系统、照明光学系统等，对这类设备的考核需要模拟各类负载特性。建立电能质量及节能设备综合实验平台需要解决如下问题，其一如何为被考核设备提供一种符合实际运行条件的电网环境，将被考核设备置于虚拟电力系统中，进行各种接近实际工况的运行考核；被考核设备的各种运行状态反馈到虚拟电力系统中，实时考核和评价被考核设备在电力系统的运行及控制情况，并根据其结果进行效益评估。其二是如何构建数字式大功率电子负载，用于模拟任意负载特性。因此需要解决以下问题1)如何构建所需的虚拟数字电力系统环境；构建电能质量及节能设备综合实验平台的核心问题之一是构建虚拟数字电力系统。通过构建一种实时仿真的输入、输出信号与被考核设备的接口，使被考核电气设备在虚拟数字电力系统中表现为一种元件的约束关系(电压、电流的伏安特性/微分一代数模型)参与到实时仿真计算中，按照实时计算的节点电压、电流代数方程，通过电力电子系统的快速可控性，提供被考核设备运行时所需的能量流动与交换。一方面，被考核设备节点电压与支路电流通过电压/电流互感器、模数转换器A/D及光电隔离(光隔)等环节，转换为弱电信号输入给虚拟数字电力系统，用于控制输入量，形成实时数字计算的边界条件。另一方面，虚拟数字电力系统各节点电压信号由端口输出，通过大功率电力电子接口装置进行功率放大，为被考核设备供电，形成被考核电气设备所需电力系统环境。2)如何为实验平台提供高电压、大功率电力电子接口装置；在电能质量综合试验平台中，大功率电力电子接口装置受控于虚拟数字电力系统，为被考核电气设备所需的电力系统环境提供能量并完成所需能量的输入与回馈。为实现电能质量设备考核目标，综合实验平台所需的大功率电力电子电源要求具有快速响应、能提供任意波形等特点。3)如何为实验平台提供高电压、大功率非线性电力电子负荷；实验平台的另一关键部件是大功率非线性负荷，该负荷应能受控于实时计算系统，并可模拟各类负载特性，为实验平台提供负载环境。无论是电力系统环境还是负载模拟环境，大功率电力电子接口装置将实现能量交换与回馈，使整个实验系统所需耗能最小。
发明内容本发明针对电能质量及节能设备的特点和难以实验等问题，提出了一种电能质量及节能设备的综合实验平台，它是基于人工智能机器人思想，采用大功率电力电子接口装置，取代传统的功率放大器。在提高接口电气参数的同时，实现较大容量功率的吞吐，解决了数字一物理混合仿真中功率放大器的性能限制问题。将实验平台视为智能机器人，按照机器人的感知单元、规划单元、执行单元三部分对实验平台结构和功能进行划分。实验平台机器人根据感观到的系统信息，规划下一步的运行，并通过执行单元付诸实现。利用实验过程的可重复性及实验平台机器人的自学能力，通过多次实验逐步逼近的方法，使实验过程最终到达所要求的运行条件。最终实验平台根据符合实验要求的参数，分析电能质量设备的性能，完成实验过程。本发明的技术方案是一种电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于包括实时数字仿真子系统和动态物理模拟子系统，其中，动态物理模拟子系统中有大功率电力电子接口装置和被考核设备，大功率电力电子接口装置是实时数字仿真子系统的输入、输出数据信号和被考核设备之间的接口。如上所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于-实时数字仿真子系统包括数字仿真单元、监控设备B、数字等效受控源和输出端口，输出端口和数字等效受控源电连接，监控设备B分别与数字仿真单元、数据库和数据分析电连接；动态物理模拟子系统内被考核设备中控制环节和基本电路电连接，基本电路与大功率电力电子接口装置相互电连接；动态物理模拟子系统中还有监控设备A，其与大功率电力电子接口装置、控制环节、数据库和数据分析电连接；还包括全局控制单元，全局控制单元主要分为人机界面、数据库和数据分析三部分。如上所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于实时数字仿真子系统中输出端口的信号，通过模数转换器A/D和光隔传输给大功率电力电子接口装置；其中，模数转换器A/D、光隔和大功率电力电子接口装置之间的顺序电连接，形成硬件接口。如上所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于大功率电力电子接口装置根据实时数字仿真子系统传来的端口信号及本地信号，控制接口运行，将端口信号放大到实际现场水平。如上所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于被考核设备产生的补偿信号通过电压/电流互感器、光隔和模数转换器A/D传到实时数字仿真子系统，实时数字仿真子系统将该补偿信号作为数字等效受控源反馈到实时数字仿真子系统的输出端口；其中，电压/电流互感器、光隔、模数转换器A/D和数字等效受控源之间的顺序电连接，形成软件接口。如上所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于大功率电力电子接口装置采用全控器件IGBT驱动单元和续流二极管构成三相整流+逆变结构，主要由隔离变压器、整流电路、逆变电路及接口控制单元组成；整流电路通过隔离变压器接交流系统，逆变电路接被考核设备基本电路；接口控制单元接收来自实时数字仿真子系统的信号，并分别与整流电路和逆变电路连接；当需要大功率非线性负荷时，将三相整流电路与逆变电路互换。如上所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于采用连续一离散模型分离法。如上所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于综合实验平台采用人工智能机器人体系结构，按功能分为感知单元、规划单元和执行单元三部分，规划单元和执行单元相互连接，并都与感知单元分别连接；感知单元包括实时数字仿真监测，被考核设备监测和大功率电力电子接口装置监测，均通过监控设备A、B实现；规划单元主要包括全局控制单元中的数据分析；执行单元主要包括接口控制单元。如上所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于综合实验平台机器人具有无导师指导情况下的自学习能力。本发明的工作原理是本发明的动态物理模拟子系统在实时数字仿真子系统的控制下，在其网络端口形成相应的模拟电压、电流信号；大功率电力电子接口装置将该信号放大到被考核设备现场的运行水平。实时数字仿真子系统构成的虚拟电力系统的运行参数发送给动态物理模拟子系统，并对系统各元件的运行状态进行实时参数辨识，在每个仿真步长取动态物理模拟子系统交界点的电流作为节点注入电流，将其运行状态加入到实时数字仿真子系统的仿真计算中，实现实验室条件下对电能质量及节能设备进行测试考核实验。通过大功率电力电子接口装置在实时数字仿真子系统的输入、输出数据信号与被考核设备之间的对接，使被考核设备在虚拟数字电力系统中表现为一种元件的约束关系(电压电流的伏安特性/微分一代数模型)参与实时仿真的计算，按照实时计算的节点电压电流代数方程，通过大功率电力电子接口装置的快速可控性提供被考核设备运行时所需的能量流动与交换。综合实验平台的理论基础为替代定理，即用电压源或电流源来代替一条支路或者电路的某一部分。实时数字仿真子系统的边界条件在己知端口电流或电压的条件下，由动态刷新的电流源或电压源代替。实时数字仿真子系统用于建立被考核设备的电力系统实时仿真模型；被考核设备中的控制环节分析来自监控系统的运行数据，指导基本电路运行，基本电路与大功率电力电子接口装置相连。全局控制单元配合监控设备对平台的运行状态进行监控，消除大功率电力电子接口装置时滞和放大误差，达到测试实验要求的水平。实时数字仿真子系统输入和输出信号均为数字或弱电模拟信号，输入、输出信号通道通过模数转换器A/D和光隔，能有效避免外部干扰信号对实时数字仿真子系统的影响，能提供稳定的直流电源。本发明采用大功率电力电子接口装置代替传统混合仿真中的功率放大器，其本质上是背靠背变流器；变流器受控于实时数字仿真子系统输出的边界电压数字信号，在该信号的控制下可输出任意波形。大功率电力电子接口装置的能量取自电网，根据被考核设备额定电压、功率的大小可任意调节，所以大功率电力电子接口装置的电气参数可达到被考核设备现场运行的水平，并能够根据实际情况与动态物理子系统进行四象限的有功、无功交换，实现现场运行环境的构建及模拟。由于大功率电力电子接口装置采用变流器结构，整流和逆变电路可随意控制互为转换，因此大功率电力电子接口装置可兼作大功率非线性负荷，非线性负荷由被测设备驱动，而负荷的性质、参数则由实时数字仿真子系统控制，该负荷在实时数字仿真子系统的控制下，可模拟各类负载特性，为实验平台提供负载环境。其中，整流电路采用独立控制方式；考虑直流侧负荷变化的影响，尽可能减小注入电网的谐波。逆变电路要求能快速跟踪端口信号，采用响应速度极快的无差拍控制技术，并与平台全局控制单元相结合，实现端口信号的精确跟踪。本发明采用连续—离散模型分离法(continuous-discontinuousmodelseparation,CDMS)，解决高频开关引起的模型时变性、计算复杂度高及计算误差大等问题。将电路模型中的开关器件用理想电流源替代，然后用开关模型G(Vsw)描述开关器件的电压电流关系，从而将开关器件从整个电路模型中分离出来。方程G(Vsw)计算开关电流，然后作为输入，注入到电路模型方程F(VsRc,ISRC，ISW，X)中；电路模型方程F(VsRc,IsRc，Isw，X)计算出开关上的电压，作为输入注入到开关模型G(Vsw)中。因此对于大规模电路模型方程F中不再含有开关器件，不受开关动作的影响。开关动作时，只需要对G(Vsw)进行更新，减少了计算量。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本发明在功能上采用人工智能机器人体系结构，配合全局控制单元，对实验平台运行进行全局监控，消除大功率电力电子接口装置的时滞和放大误差，以达到测试考核实验要求的水平。作为机器人的信息来源，感知单元是基础；规划单元通过一定规则处理由感知单元得到的信息，指导执行单元的操作；执行单元一方面根据感知信息和预先设定的程序动作，另一方面接受来自规划单元的指导，规划单元通过建立独立全局控制单元实现。综合实验平台机器人具有无导师指导情况下的自学习能力，通过对感知的外界信息进行分析、处理，对平台仿真控制参数进行调整；通过多次实验、学习、修正，逐渐达到实验所要求的运行状态及参数。本发明的有益效果是本发明利用了物理仿真法具有的形象直观、物理概念清晰、可以用原型机(实际装置)进行仿真等优势，同时利用数字仿真系统能够灵活方便地更改设置参数，具有较强的通用性，模拟规模较大等优势。将物理模拟与数字仿真相结合，充分发挥了两种仿真系统的优势，并与大功率电力电子技术结合，在提高接口电气参数的同时，实现较大容量功率的吞吐，解决了数字一物理混合仿真中功率放大器的性能限制及大功率非线性负荷等问题。将综合实验平台视为人工智能机器人，按照机器人的感知、规划、执行三单元对平台结构和功能进行划分；利用实验的可重复性及平台机器人的自学能力，通过多次实验逐步逼近的方法，使实验过程最终到达所要求的运行条件，实现了电能质量及节能设备基本符合现场实际运行的测试考核环境，解决了这类设备检测难题。图1，本发明实施例总体框图。图2，图l中的大功率电力电子接口装置结构框图。图3，图2中的接口控制单元原理框图。图4，本发明实施例人工智能机器人体系结构图。图5，图1中的全局控制单元工作流程图。图6，本发明实施例实施流程框图。具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明电能质量及节能设备的综合实验平台做详细的说明。图l中的标记1-实时数字仿真子系统，2-大功率电力电子接口装置，3-动态物理模拟子系统，4-被考核设备，5-控制环节，6-基本电路，7-全局控制单元，8-人机界面，9-数据库，10-数据分析，ll-监控设备A，12-监控设备B，13-电压/电流互感器，14-光隔，15-模数转换器A/D，16-数字等效受控源，17-输出端口，18-数字仿真单元；图2中的标记19-隔离变压器，20-整流电路，21-逆变电路，22-接口控制单元，23-交流系统；图3中的标记24-主电路控制DSP，25-主电路控制FPGA，26-光隔FPGA;图4中的标记27-感知单元，28-实时数字仿真子系统监测，29-被考核设备监测，30-大功率电力电子接口装置监测，31-规划单元，32-执行单元；图5中的标记33-数据总线。本发明实施例总体框图如图1所示，电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于包括实时数字仿真子系统1和动态物理模拟子系统3，其中，动态物理模拟子系统3中有大功率电力电子接口装置2和被考核设备4，大功率电力电子接口装置2是实时数字仿真子系统1的输入、输出数据信号和被考核设备4之间的硬件接口。在本实施例中还包括了全局控制单元7;全局控制单元7主要分为人机界面8、数据库9和数据分析10三部分；动态物理模拟子系统3中有大功率电力电子接口装置2、被考核设备4和监控设备All，被考核设备4中控制环节5和基本电路6电连接，基本电路6又与大功率电力电子接口装置2电连接，监控设备All分别与大功率电力电子接口装置2、控制环节5、数据库9和数据分析10电连接；实时数字仿真子系统1包括监控设备B12、数字等效受控源16、输出端口17、数字仿真单元18;数字等效受控源16和输出端口17电连接，监控设备B12分别与数据库9、数据分析10和数字仿真单元18电连接。实时数字仿真子系统l中输出端口17的信号，通过模数转换器A/D15和光隔14传输给大功率电力电子接口装置2;大功率电力电子接口装置2根据实时数字仿真子系统l传来的端口信号及本地信号，控制接口运行，将端口信号放大到实际现场水平；其中，模数转换器A/D15、光隔14和大功率电力电子接口装置2之间的顺序电连接，形成硬件接口，即动态物理模拟子系统3在读入信号的控制下，在其网络端口上形成相应的模拟电压与电流信号；被考核设备4产生的补偿信号通过电压/电流互感器13、光隔14和模数转换器A/D15传到实时数字仿真子系统1,实时数字仿真子系统1将该补偿信号作为数字等效受控源16反馈到实时数字仿真子系统的输出端口17;其中，电压/电流互感器13、光隔14、模数转换器A/D15和数字等效受控源17之间的顺序电连接，形成软件接口，即实时数字仿真子系统1通过输入边界点的电压、电流信号，经模数转换器A/D15转换后得到的数字量，形成数字仿真子系统1的边界条件。同时数字仿真子系统l、大功率电力电子接口装置2、动态物理模拟子系统3、被考核设备4信号传输等所有必需的系统运行信号，通过监控设备All、B12传送至全局控制单元7的数据库9及数据分析10,供存储、分析。图1中的大功率电力电子接口装置2结构框图如图2所示，大功率电力电子接口装置2主要由隔离变压器19、整流电路20、逆变电路21及接口控制单元22组成；整流电路20通过隔离变压器19接交流系统23，逆变电路21接被考核设备4的基本电路6;接口控制单元22接收来自实时数字仿真子系统1的信号，并分别与整流电路20和逆变电路21连接；当需要大功率非线性负荷时，将三相整流电路20与逆变电路21互换，三相整流电路20和逆变电路21由续流二极管grl-gr6、gil-gi6构成。图2中的接口控制单元22原理框图如图3所示，整流电路19与逆变电路20的控制器均采用全控器件IGBT驱动单元和DSP(数字信号处理)+FPGA(现场可编程门阵列)结构，分两层。上层控制由主电路控制DSP24和主电路控制FPGA25两块板卡组成；上层控制负责完成人机接口、开关量开入//开出控制、算法控制和检测算法的实现、主电路控制信号生成等功能。下层控制为光隔FPGA26板卡，通过光纤收发控制和主电路控制FPGA25卡通讯，接收上层控制单元发出的控制信号，分配给大功率电力电子接口装置2的各电力电子开关器件，同时监控大功率电力电子接口装置2主电路的工作状态，并上传故障信息。本发明实施例人工智能机器人体系结构图如图4所示，实验平台的人工智能机器人分为感知单元27、规划单元31和执行单元32三部分，规划单元31和执行单元32连接，并都与感知单元27分别连接；感知单元27包括实时数字仿真子系统监测28，被考核设备监测29和大功率电力电子接口装置监测30，均可通过监控设备All、B12实现；规划单元31主要包括数据分析10，来指导执行单元32;执行单元32主要包括接口控制单元22，来对大功率电力电子接口装置2控制修正。图1中的全局控制单元7工作流程图如图5所示，全局控制单元7由数据总线33、人机界面8、数据库9、数据分析IO(状态监控、学习控制)组成。来自监控设备All、B12的系统运行参数通过数据总线33传输到数据库9和数据分析IO，数据分析10单元负责平台运行状态的监控和学习任务，人机界面8则为用户提供必要的图文信息，方便用户及时了解平台的运行状态。本发明实施例实施流程框图如图6所示，机器人的自学习能力体现在全局控制单元7的数据分析10子单元内。全局控制单元7的目的是分析数据库9中已有的历史数据，通过对历史数据的学习，对实验平台当前运行参数进行修正，修正大功率电力电子接口装置2逆变电路21的输出。实施流程为a.首先对被考核设备4作必要的准备工作；b.实验前对平台进行第w次初始化("=1,2，3，**);c.第w("=1，2，3**，)次运行后，需检测各系统的状态是否符合实验条件；d.若不符合，进一步判断是否进行过第w次全局控制，没有，则进行第w次全局控制干预，即调整相应单元的参数，并记录下第w次运行情况，"=1时全局控制不介入；e.若已进行过第"次全局控制，则分析第w次运行状况，得出第w+l次的控制参数，指导第W+1次运行控制；f.开始进入下一次循环(第"+l次)；g.重复bf的步骤，在检测到运行参数满足实验条件及要求时结束实验，通过对最后一次满足实验条件及要求的运行结果进行分析，完成对被考核设备4的考核评估。权利要求1、一种电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于包括实时数字仿真子系统和动态物理模拟子系统，其中，动态物理模拟子系统中有大功率电力电子接口装置和被考核设备，大功率电力电子接口装置是实时数字仿真子系统的输入、输出数据信号和被考核设备之间的接口。2、根据权利要求1所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于实时数字仿真子系统包括数字仿真单元、监控设备B、数字等效受控源和输出端口，输出端口和数字等效受控源电连接，监控设备B分别与数字仿真单元、数据库和数据分析电连接；动态物理模拟子系统内被考核设备中控制环节和基本电路电连接，基本电路与大功率电力电子接口装置相互电连接；动态物理模拟子系统中还有监控设备A，其与大功率电力电子接口装置、控制环节、数据库和数据分析电连接；还包括全局控制单元，全局控制单元主要分为人机界面、数据库和数据分析三部分。3、根据权利要求1或2所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于实时数字仿真子系统中输出端口的信号，通过模数转换器A/D和光隔传输给大功率电力电子接口装置；其中，模数转换器A/D、光隔和大功率电力电子接口装置之间的顺序电连接，形成硬件接口。4、根据权利要求3所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于大功率电力电子接口装置根据实时数字仿真子系统传来的端口信号及本地信号，控制接口运行，将端口信号放大到实际现场水平。5、根据权利要求1或2所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于被考核设备产生的补偿信号通过电压/电流互感器、光隔和模数转换器A/D传到实时数字仿真子系统，实时数字仿真子系统将该补偿信号作为数字等效受控源反馈到实时数字仿真子系统的输出端口；其中，电压/电流互感器、光隔、模数转换器A/D和数字等效受控源之间的顺序电连接，形成软件接口。6、根据权利要求l所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于大功率电力电子接口装置采用全控器件IGBT驱动单元和续流二极管构成三相整流+逆变结构，主要由隔离变压器、整流电路、逆变电路及接口控制单元组成；整流电路通过隔离变压器接交流系统，逆变电路接被考核设备基本电路；接口控制单元接收来自实时数字仿真子系统的信号，并分别与整流电路和逆变电路连接；当需要大功率非线性负荷时，将三相整流电路与逆变电路互换。7、根据权利要求l所述的电能质量及节能设备的综合实验平台，其特征在于综合实验平台采用人工智能机器人体系结构，按功能分为感知单元、规划单元和执行单元三部分，规划单元和执行单元相互连接，并都与感知单元分别连接;感知单元包括实时数字仿真监测，被考核设备监测和大功率电力电子接口装置监测，均通过监控设备A、B实现；规划单元主要包括全局控制单元中的数据分析;执行单元主要包括接口控制单元。全文摘要本发明提出了一种基于人工智能机器人思想的电能质量及节能设备的综合实验平台，它采用大功率电力电子接口装置，取代传统的功率放大器。在提高接口电气参数的同时，实现较大容量功率的吞吐，解决了数字—物理混合仿真中功率放大器的性能限制问题。将平台视为智能机器人，按照机器人的感知、规划、执行单元三部分对平台结构和功能进行划分。平台机器人根据感观到的系统信息，规划下一步的运行，并通过执行单元付诸实现。利用实验过程的可重复性及平台机器人的自学能力，通过多次实验逐步逼近的方法，使实验过程最终到达所要求的运行条件。最终综合实验平台根据符合实验要求的参数，分析电能质量设备的性能，完成实验过程。文档编号G01R31/00GK101359025SQ20081019705公开日2009年2月4日申请日期2008年9月24日优先权日2008年9月24日发明者左文霞,李尚胜,李澍森,查晓明,桂朋林,石延辉,程军照申请人:国网武汉高压研究院