一种电力系统动态模拟实验平台装置的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种电力系统动态模拟实验平台装置。

背景技术：

电力系统动态模拟实验，是电力系统的物理层面的模拟，使用和原型系统具有相同物理特性的物理模型，搭建实验环境，通过模拟实验，得出结论的方法。主要目的是通过对在电力系统中运行的保护和控制装置(阀基控制器)的性能指标进行考核，以确保阀保护和控制装置在现场运行的可靠性，是大功率电力电子设备研发中不可或缺的一个环节。

一般来说动模试验的试验方法主要是通过rtds(realtimedigitalsimulator，rtds实时数字仿真器)或其他类似电力电子仿真系统构成闭环测试系统进行仿真验证，搭建测试模型来模拟实际电力系统的各种运行工况及故障状态，动模试验的关键考察科目为阀基控制器在现场运行时对各种运行工况及发生的故障能否做出正确的反应。

由于rtds(实时数字仿真器)仿真器对于阀塔的单个功率单元仿真模型只设置了最基本的开关量信号和旁路功能，并没有针对各厂家自行研发的功率单元模块的实际特性进行优化，传统的动模平台的阀基控制器一般忽略对单个功率单元某些特有故障的验证。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种电力系统动态模拟实验平台装置，针对现有技术所存在的技术缺陷，采用了多个单元模拟及控制模块组合方式搭建了功率单元的模拟阀塔结构，通过逻辑控制同时模拟功率单元的单元控制板逻辑和功率单元本身的电子和机械特性，本模拟实验平台装置不但能够实现常规的电力系统动态模拟实验，同时能够模拟功率单元本身的各种特性，对功率单元自身的各种故障进行模拟，解决和弥补动模实验平台现有系统里对单元级故障响应及测试的不足。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种电力系统动态模拟实验平台装置，包括阀基控制器、单元模拟及控制模块、数字仿真器接口模块、上位机和实时数字仿真器。

所述的阀基控制器通过高速光纤依次连接单元模拟及控制模块、数字仿真器接口模块和实时数字仿真器，所述的数字仿真器接口模块还同时通过以太网连接上位机。

所述的单元模拟及控制模块数量为多个，每个均包括单元模拟模块及多个单元控制模块，所述的单元模拟模块和单元控制模块都使用fpga芯片作为逻辑实现的主芯片，一个模拟单元模块芯片通过io管脚与多个单元控制模块芯片相连，可以接收多路单元控制模块的状态信息，其中单元控制模块和实际项目使用的功率单元中的单元控制板控制逻辑一致，单元模拟模块采用控制逻辑模拟功率单元的电子和机械特性，每个单元模拟及控制模块根据其中的单元控制模块的数量可以模拟多个功率单元的阀子模块，多个单元模拟及控制模块分别与阀基控制器和实时数字仿真器进行光纤连接，搭建成用于动模实验平台的阀塔。

所述的阀基控制器结构与电力系统实际工程中的阀基控制器等比例一致，用于模拟实际的阀基控制器，接收实时数字仿真器反馈的功率单元电容电压信号，进行核心算法的计算，生成模拟阀塔中每个功率器件的驱动脉冲命令；同时还接收每个单元模拟模块产生的模拟单元故障信号，产生单元控制模块所需的旁路保护信号和系统控制命令信号，通过核心算法闭环计算功率器件的开关量，以及当阀发生故障时，根据阀体保护策略为阀塔提供保护信号。

所述单元模拟模块根据上位机的设置，按照实际工程中的功率器件驱动板的反馈信号时序产生驱动反馈信号发送给多个单元控制模块的所有功率器件驱动反馈信号接口，以模拟功率单元模块中功率器件的驱动板或者单个功率器件发生故障的情况。

所述单元模拟及控制模块内部的程序模块结构包括单元控制逻辑模块、模拟单元逻辑模块、模拟单元命令解析模块、数据总线接口，模拟单元逻辑模块收发数据总线接口传送过来的数据，数据分配置数据和控制数据两种格式，由模拟单元命令解析模块解析出来，单元控制逻辑模块把接收到的配置数据作为单元故障的参数，控制数据则可以实时设置各类故障的发生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的一种电力系统动态模拟实验平台装置，采用了多个单元模拟及控制模块组合方式搭建了功率单元的模拟阀塔结构，通过逻辑控制同时模拟功率单元的单元控制板逻辑和功率单元本身的电子和机械特性，能够模拟真实工程中的功率单元的所有故障状态，具体故障包括1)单元漏水告警故障2)功率器件驱动异常3)电容传感器压力告警4)取能电源异常5)旁路失败6)取能电源得电与失电的时序。弥补了现有仿真器的不足。

2、本发明的一种电力系统动态模拟实验平台装置，不但能够对模拟的阀基控制器进行实验，同时能够模拟功率单元本身的各种特性，对功率单元自身的各种故障进行模拟，解决和弥补动模实验平台现有系统里对单元级故障响应及测试的不足。

3、本发明的一种电力系统动态模拟实验平台装置中的单元模拟及控制模块数量不受限制，可以根据模拟阀塔的需要设置各种数量。

4、本发明的一种电力系统动态模拟实验平台装置，采用数字仿真器接口模块为单元模拟及控制模块、上位机与数字仿真器提供路由接口，收发数据方便。

5、本发明的一种电力系统动态模拟实验平台装置是一种电力电子仿真系统，省却了搭建功率器件的成本，而且和实时数字仿真系统互为补充，具有拟合度高，成本低廉，灵活多变，可控性强，易于推广等特点。

附图说明

图1为本发明的一种电力系统动态模拟实验平台装置整体架构图；

图2为本发明的一种电力系统动态模拟实验平台装置具体结构示意图；

图3为本发明的单元模拟及控制模块电路结构示意图；

图4为本发明的数字仿真器接口模块电路结构图；

图5为本发明实施例中的由单元模拟及控制模块模拟的模块化多电平拓扑结构示意图；

图6为本发明的单元模拟及控制模块内部数据处理逻辑示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种电力系统动态模拟实验平台装置，包括阀基控制器k1、单元模拟及控制模块k2、数字仿真器接口模块k3、上位机和实时数字仿真器k4。

所述的阀基控制器k1通过高速光纤依次连接单元模拟及控制模块k2、数字仿真器接口模块k3和实时数字仿真器k4，所述的数字仿真器接口模块k3还同时通过以太网连接上位机。

如图2、3所示，所述的单元模拟及控制模块k2数量为多个，每个均包括单元模拟模块及多个单元控制模块，所述的单元模拟模块和单元控制模块都使用fpga芯片作为逻辑实现的主芯片，一个模拟单元模块芯片通过io管脚与多个单元控制模块芯片相连，可以接收多路单元控制模块的状态信息，其中单元控制模块和实际项目使用的功率单元中的单元控制板控制逻辑一致，单元模拟模块采用控制逻辑模拟功率单元的电子和机械特性，每个单元模拟及控制模块k2根据其中的单元控制模块的数量可以模拟多个功率单元的阀子模块，多个单元模拟及控制模块k2分别与阀基控制器k1和实时数字仿真器k4进行光纤连接，搭建成用于动模实验平台的阀塔。

如图3所示，所述的单元模拟及控制模块k2中，单元模拟模块和单元控制模块都使用fpga芯片作为逻辑实现的主芯片，单元模拟模块通过io管脚与多个单元控制模块相连接，单元模拟模块和单元控制模块都通过通讯接口电路连接光纤接口。其中，单元控制模块的芯片型号优选为10m16sce144i7，单元模拟模块的芯片型号优选为10m50dcf256c8。

如图4所示，所述的数字仿真器接口模块k3包括fpga主芯片ep3c16f48417和多个光收发模块74act00，fpga主芯片通过数据总线与多个光收发模块连接，并通过多个光收发模块连接实时数字仿真器k4和多个单元模拟及控制模块k2，实现多路光纤收发通讯功能。

图2给出的实施例中：一个单元模拟模块(lu_sim)对应四路单元控制模块(lu_a,lu_b,lu_c,lu_d)，即一个单元模拟及控制模块可以模拟四个功率单元的状态信息，使用多个单元模拟及控制模块k2和实时数字仿真器k4相结合。

图5为图2实施例中的多个四路控制的单元模拟及控制模块k2结构组合的拓扑结构，由于一块单元模拟及控制模块k2可以模拟四个sm模块，所以n*4的数值代表图3中子模块sm的数量。模拟搭建用于实验的阀塔，其中，模拟的功率子模块sm的数量不受限制，可以根据需要配置单元模拟及控制模块k2的数量，能够满足不同数量子模块的实验方案。

所述的阀基控制器k1结构与电力系统实际工程中的阀基控制器等比例一致，用于模拟实际的阀基控制器，接收实时数字仿真器k4反馈的功率单元电容电压信号，进行核心算法的计算，生成模拟阀塔中每个功率器件的驱动脉冲命令；同时还接收每个单元模拟模块产生的模拟单元故障信号，产生单元控制模块所需的旁路保护信号和系统控制命令信号，通过核心算法闭环计算功率器件的开关量，以及当阀发生故障时，根据阀体保护策略为阀塔提供保护信号。

所述单元模拟模块根据上位机的设置，按照实际工程中的功率器件驱动板的反馈信号时序产生驱动反馈信号发送给多个单元控制模块的所有功率器件驱动反馈信号接口，以模拟功率单元模块中功率器件的驱动板或者单个功率器件发生故障的情况。

如图6所示，所述单元模拟及控制模块k2内部的程序模块结构包括单元控制逻辑模块、模拟单元逻辑模块、模拟单元命令解析模块、数据总线接口，模拟单元逻辑模块收发数据总线接口传送过来的数据，数据分配置数据和控制数据两种格式，由模拟单元命令解析模块解析出来，单元控制逻辑模块把接收到的配置数据作为单元故障的参数，控制数据则可以实时设置各类故障的发生。

所述的单元模拟模块中可触发的具体故障包括1)单元漏水告警故障2)功率器件驱动异常3)电容传感器压力告警4)取能电源异常5)旁路失败6)取能电源得电与失电的时序。

以下为各种功率单元故障模拟控制过程：

1)所述单元模拟模块lu_sim根据上位机的设置，按照功率器件驱动板的反馈信号时序产生驱动反馈信号发送给lu-a,lu-b,lu-c,lu-d等四个单元控制模块的所有功率器件驱动反馈信号接口，以模拟功率单元模块中功率器件的驱动板或者单个功率器件发生故障的情况。

2)所述单元模拟模块lu_sim根据上位机的设置，按照旁路接触器辅助触点的机械特性产生旁路接触器状态反馈信号发送给lu-a,lu-b,lu-c,lu-d等四个单元控制板旁路接触器状态反馈信号接口，以模拟功率单元模块旁路接触器驱动异常或者单个功率器件发生异常时的情况。

3)单元模拟模块lu_sim根据上位机的设置，按照漏水告警检测驱动传感器的电子特性产生漏水传感器反馈信号发送给lu-a,lu-b,lu-c,lu-d等四个单元控制板漏水告警传感器状态反馈信号接口，以模拟功率单元模块漏水传感器异常时的情况。

4)单元模拟模块lu_sim根据上位机的设置，按照单元上取能电源异常反馈信号的电子特性产生取能电源异常故障信号，发送给单元控制模块取能电源异常反馈信号接口，以模拟功率单元模块取能电源异常时的情况。

5)单元模拟模块lu_sim根据上位机的设置，按照功率单元的取能电源得电与失电时序，来控制lu-a,lu-b,lu-c,lu-d等四个单元控制模块的得失电，以模拟功率单元模块的取能电源得电，失电时的情况。

所述的单元模拟模块lu_sim根据实际单元模拟及控制模块k2上ad芯片的接口时序产生ad转换芯片信号输出接口信号，以模拟lu-a,lu-b,lu-c,lu-d等四个功率单元模块的ad转换芯片的输出信号时序。

所述的数字仿真器接口模块k3为单元模拟及控制模块k2、上位机与数字仿真器k4提供通讯接口，用于提供和实时数字仿真器k4通信的物理通道。具有数据汇总与分发功能。一方面，实时数字仿真器接口模块可以和实时数字仿真器进行通信，汇总和传输多个单元仿真模块的上下行数据，另一方面可以通过以太网与上位机进行通信，对单元状态进行监视与实时触发。

所述的数字仿真器接口模块数据收发功能包括：

1)数字仿真器接口模块k3为一对多的设置，一个实时数字仿真器接口模块k3可以对多个单元模拟及控制模块k2的数据进行汇总和分发处理；

2)接收多路单元模拟及控制模块k2发送来的各功率器件的开关驱动脉冲信号，旁路保护命令等下行数据，汇总成接口协议数字仿真器，供模拟阀塔仿真使用；

3)接收数字仿真器k4反馈回来的电容电压信息等上行数据，按照数字仿真器规定通信协议传输解压数据包格式，分发给上行多路模拟单元模块至阀基控制器进行闭环算法的运算；

4)接收上位机发送来的模拟单元参数命令，故障触发状态信息，分发给各模拟单元模块，对各单元模拟及控制模块k2进行参数的设置及故障的实时触发；

5)接收单元模拟及控制模块k2的信息，包括各模拟单元模块模拟的功率器件的开关状态，模拟单元的故障的状态信息，电容电压信息，按照以太网协议传送至上位机进行单元级故障和状态的监视；

所述的实时数字仿真器k4，可以采用rtds或rtlab等，用于建立阀塔的数字模型。

所述的上位机为工控机，上位机界面用于模拟单元模块参数和故障参数的设置，以及单元故障的实时触发和监视。

所述的阀基控制器k1和单元模拟及控制模块k2之间使用光纤相连，单元模拟及控制模块k2与实时数字仿真器接口板k3之间使用高速总线连接，实时数字仿真器接口板k3与实时数字仿真器k4之间使用光纤连接，以上所述光纤和高速总线都用于子模块的数据传输。实时数字接口模块k3使用网线与上位机相连，模拟单元模块的参数设置和单元状态监控信息通过网线进行数据的交换和传输。

所述阀基控制器k1主要根据实时数字仿真器反馈的功率单元电容电压，进行核心算法的计算，生成模拟阀塔中每个功率器件的驱动脉冲命令，同时根据每个单元模拟模块产生的模拟单元故障，生产单元控制模块所需的旁路保护信号和系统控制命令等信号。

所述单元控制模块主要接收阀控发送的命令，根据阀基控制器的功率开关器件开通和关断命令，生成驱动脉冲信号，发送给模拟单元模块。

所述数字仿真器接口模块k3主要用于接收模拟单元模块发送的多路功率器件脉冲驱动信号，一方面把脉冲驱动信号整合成实时数字仿真装器的接口协议，发送给实时数字仿真器作为模拟阀塔参数；另一方面把多路模拟单元模块发送过来的功率单元状态整合成数据包，通过以太网发送给上位机用于监视单元故障和运行状态。

所述单元控制模块产生的保护信号和脉冲驱动命令被传递给单元模拟模块，单元模拟模块接收到单元控制模块传输的命令后，有以下动作1)根据设置产生相应的功率开关模块驱动反馈信号传回给单元控制模块。2)产生单元故障信号并把故障信号反馈给单元控制模块，以模拟故障信号发生时的单元的状态3)把驱动信号传输给rtds接口模块，数字仿真器接口模块收到功率开关器件的驱动信号后，再继续传输给实时数字仿真装器4)把单元状态和故障状态传输给实时数字仿真器接口模块，再通过以太网传输给上位机。

本发明提供的电力系统动态模拟实验平台装置，在进行实验时，上位机与系统是相连的，可将系统的模拟单元模块的状态值及故障和其他信息实时反馈到上位机界面上，从而可实时观察各功率单元的工作状态，同时可对功率单元状态及故障，以及实时数字仿真器设备反馈的电容电压值实时传送至界面，用于调试，现场逻辑及保护逻辑的验证，该电力电子仿真系统省却了搭建功率器件的成本，而且和实时数字仿真系统互为补充，具有拟合度高，成本低廉，灵活多变，可控性强，易于推广等特点。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。