一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统及其仿真方法
【专利摘要】本发明涉及一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统及其仿真方法，所述系统用于技术技能培训，包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的TCSC数字仿真模型主电路。本发明既可以对低压物理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在线仿真研究，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。
【专利说明】一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统及其仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子领域的仿真系统及其仿真方法，具体讲涉及一种可控串联补 偿器的数模混合仿真系统及其仿真方法。
【背景技术】
[0002] 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，电力电子技术 及装置广泛应用于柔性交流输电、高压直流输电、交直流电力传动等领域。TCSC是柔性交流 输电系统的重要分支，它是利用对可控串补阻抗的平滑控制来提高电力系统的输送能力和 稳定性。工程中应用的TCSC为可控串联电容器。它是将电容器串接于输电线路中，同时在 电容器两端并联一晶闸管阀控电抗器。通过改变晶闸管阀的触发角度，可以在大范围内快 速、平滑地调节可控串补的阻抗值，缩短输电线路间的电气距离，提高输电线路传输容量， 灵活控制系统潮流，增强系统阻尼，抑制SSR等。现有的数模混合仿真主要是采用外接控制 系统控制仿真机中的数字模型，主要用于科研院所，使用方式不灵活。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可控串联补偿器的数模混合仿真 系统及其仿真方法，本发明既可以对低压物理模型进行本地/远方操作又可以进行实时在 线仿真研宄，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。
[0004] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
[0005] 本发明提供一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统，其改进之处在于，所述系 统用于技术技能培训，包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理 模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机 进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的TCSC数字仿真模型主电 路。
[0006] 进一步地，所述低压物理模型包括TCSC低压物理模型、高压输电线路模型、感性 负载物理模型、容性负载物理模型和通信系统；高压输电线路模型包括结构相同的线路I 和线路II;所述线路I和线路II均接入380V电压等级系统中；所述TCSC低压物理模型位 于线路I和线路II之间；所述感性负载物理模型和容性负载物理模型接入380V电压等级 系统中。
[0007] 进一步地，所述TCSC低压物理模型为可控串联补偿器，包括晶闸管阀、电感和电 容器，所述晶闸管阀和电感串联后与电容器并联；所述线路I和线路II均包括两个电容器 和电感；其中一个电容器的一端接地，另一端与电感的一端连接；电感的另一端与另一个 电容器的一端连接；另一个电容器的另一端接地。
[0008] 进一步地，所述低压物理模型控制系统包括控制平台、TCSC物理控制器、电压互感 器、电流互感器、光纤转接板和仿真机；所述控制平台通过光纤转接板分别控制TCSC低压 物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型；所述TCSC物理控制器设置在控制平台 与光纤转接板之间；所述电压互感器连接在380V电压等级系统中；所述电流互感器与TCSC低压物理模型连接；所述TCSC低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型分别 通过光电转换板与仿真机连接；
[0009] 所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人 机交互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成 TCSC低压物理模型投切操作，3)完成TCSC低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物 理模型控制系统异常状态时，保证TCSC低压物理模型不发生误动作。
[0010] 进一步地，所述控制平台和TCSC控制器由独立电源供电；所述电压互感器用于采 集系统电压；所述电流互感器用于采集TCSC低压物理模型输出电流量，并将电流量数据传 送给控制平台，以便参数显示和实现可控串联补偿器TCSC的保护功能；所述光纤转接板用 于接收远方旋钮仿真工作模式电信号和根据仿真工作模式信号选通光纤通路；控制平台根 据指令，将继电器信号发给TCSC低压物理模型的接触器节点，控制TCSC低压物理模型投入 或退出运行。
[0011] 进一步地，所述TCSC物理控制器和光纤转接板之间、光纤转接板与TCSC低压物理 模型之间均采用光纤通信；光纤转接板与容性负载物理模型的接触器之间采用光纤通信； 光纤转接板与感性负载物理模型的接触器之间采用电缆通信。
[0012] 进一步地，所述数字仿真机包括工控机、数字仿真模块以及TCSC数字仿真模型， TCSC低压物理模型通过光纤转接板与仿真平台接口通信，实现数模混合仿真功能。
[0013] 本发明还提供一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统的仿真方法，其改进之处 在于，所述仿真方法包括下述仿真工作模式：
[0014] ①低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式；
[0015] ②数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式；
[0016] ③低压物理控制系统控制数字仿真模型主电路仿真工作模式。
[0017] 进一步地，所述仿真工作模式①中，低压物理模型控制系统中的TCSC物理控制器 控制低压物理模型的TCSC低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型；
[0018] 所述TCSC低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远 方投切功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数， 380V母线电压上升或下降，在投入TCSC低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分 布，380V母线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内；
[0019] 所述仿真工作模式①为模拟仿真，用TCSC物理控制器来控制TCSC低压物理模型 输出无功；
[0020] 所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制TCSC低压物理 模型的和TCSC物理控制器控制数字仿真机中的TCSC数字仿真模型主电路。
[0021] 与最接近的现有技术比，本发明的优异效果是：
[0022] 本发明中的低压物理模型系统能够将实际应用于高压输电系统的TCSC的电气特 性、运行维护特点、控制保护功能等性能生动演示出来，能够灵活自主设定运行参数及控制 策略。在培训教学时，基于本发明的低压物理模型系统，便于培训学员理论联系实际，深刻 理解TCSC的原理和作用，有助于培训学员学习TCSC的实操及运行维护特点，可使培训学员 在正式上岗前就能够熟练了解掌握TCSC的操作规程。低压物理模型通过光纤转接板和光 纤来实现数字仿真机和低压物理模型控制系统间的相互通讯：低压物理模型系统的运行情 况可以在控制系统的人机界面上显示，控制系统可以对低压物理模型进行在线控制，数字 仿真机和控制系统可进行在线实时仿真。该系统既可以对低压物理模型进行本地/远方操 作又可以进行实时在线仿真研宄，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。
[0023] 本发明所提的方法更有助于教学与科研相结合，首次采用数模之间可交互控制的 教学科研平台。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明提供的低压物理模型主回路接线图；
[0025]图2是本发明提供的本发明提供的数模混合仿真系统构成图；
[0026] 图3是本发明提供的低压物理模型控制系统框架图；
[0027] 图4是本发明提供的光纤转换板电路示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0029] 本发明提供一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统，该系统用于技术技能培 训，数模混合仿真系统构成图如图2所示，包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和 数字仿真机；低压物理模型独立运行时由低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混 合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的 TCSC数字仿真模型主电路。
[0030] 所述低压物理模型包括TCSC低压物理模型、高压输电线路模型、感性负载物理模 型、容性负载物理模型和通信系统；高压输电线路模型包括结构相同的线路I和线路II;所 述线路I和线路II均接入380V电压等级系统中；所述TCSC低压物理模型位于线路I和线 路II之间；所述感性负载物理模型和容性负载物理模型接入380V电压等级系统中。
[0031] 本发明提供的低压物理模型主回路接线图如图1所示，所述TCSC低压物理模型 为可控串联补偿器，包括晶闸管阀、电感和电容器，所述晶闸管阀和电感串联后与电容器并 联；所述线路I和线路II均包括两个电容器和电感；其中一个电容器的一端接地，另一端 与电感的一端连接；电感的另一端与另一个电容器的一端连接；另一个电容器的另一端接 地。
[0032] 所述低压物理模型控制系统包括控制平台、TCSC物理控制器、电压互感器、电流互 感器、光纤转接板和仿真机；所述控制平台通过光纤转接板分别控制TCSC低压物理模型、 感性负载物理模型和容性负载物理模型；所述TCSC物理控制器设置在控制平台与光纤转 接板之间；所述电压互感器连接在380V电压等级系统中；所述电流互感器与TCSC低压物 理模型连接；所述TCSC低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理模型分别通过光 电转换板与仿真机连接；
[0033] 所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人 机交互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成 TCSC低压物理模型投切操作，3)完成TCSC低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物 理模型控制系统异常状态时，保证TCSC低压物理模型不发生误动作。低压物理模型控制系 统框架图如3所示。
[0034] 所述控制平台和TCSC控制器由独立电源供电；所述电压互感器用于采集系统电 压；所述电流互感器用于采集TCSC低压物理模型输出电流量，并将电流量数据传送给控制 平台，以便参数显示和实现可控串联补偿器TCSC的保护功能；所述光纤转接板用于接收远 方旋钮仿真工作模式电信号和根据仿真工作模式信号选通光纤通路；控制平台根据指令， 将继电器信号发给TCSC低压物理模型的接触器节点，控制TCSC低压物理模型投入或退出 运行。
[0035] 所述TCSC物理控制器和光纤转接板之间、光纤转接板与TCSC低压物理模型之间 均采用光纤通信；光纤转接板与容性负载物理模型的接触器之间采用光纤通信；光纤转接 板与感性负载物理模型的接触器之间采用电缆通信。
[0036] 所述数字仿真机包括工控机、数字仿真模块以及TCSC数字仿真模型，TCSC低压物 理模型通过光纤转接板与仿真平台接口通信，实现数模混合仿真功能。
[0037] 本发明还提供一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统的仿真方法，所述仿真方 法包括下述仿真工作模式：
[0038] ①低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式；
[0039] ②数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式；
[0040] ③低压物理控制系统控制数字仿真模型主电路仿真工作模式。
[0041] 所述仿真工作模式①中，低压物理模型控制系统中的TCSC物理控制器控制低压 物理模型的TCSC低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型；
[0042] 所述TCSC低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远 方投切功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数， 380V母线电压上升或下降，在投入TCSC低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分 布，380V母线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内；
[0043] 所述仿真工作模式①为模拟仿真，用TCSC物理控制器来控制TCSC低压物理模型 输出无功；
[0044] 所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制TCSC低压物理 模型的和TCSC物理控制器控制数字仿真机中的TCSC数字仿真模型主电路。
[0045] 三种工作方式通过给每个低压物理模型装设光纤转接板来完成工作方式转换，光 纤转接板电路示意图如图4所示。转换板功能主要是：
[0046] 1)接收远方旋钮工作模式电信号；
[0047] 2)根据工作模式信号选通光纤通路。
[0048] 选通真值表如下：
[0049]
【权利要求】
1. 一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统，其特征在于，所述系统用于技术技能培 训，包括低压物理模型、低压物理模型控制系统和数字仿真机；低压物理模型独立运行时由 低压物理模型控制系统进行控制，在进行数模混合仿真时由数字仿真机进行控制；所述低 压物理模型控制系统能够控制数字仿真机中的TCSC数字仿真模型主电路。
2. 如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述低压物理模型包括TCSC 低压物理模型、高压输电线路模型、感性负载物理模型、容性负载物理模型和通信系统；高 压输电线路模型包括结构相同的线路I和线路II ;所述线路I和线路II均接入380V电压 等级系统中；所述TCSC低压物理模型位于线路I和线路II之间；所述感性负载物理模型和 容性负载物理模型接入380V电压等级系统中。
3. 如权利要求2所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述TCSC低压物理模型为可 控串联补偿器，包括晶闸管阀、电感和电容器，所述晶闸管阀和电感串联后与电容器并联； 所述线路I和线路II均包括两个电容器和电感；其中一个电容器的一端接地，另一端与电 感的一端连接；电感的另一端与另一个电容器的一端连接；另一个电容器的另一端接地。
4. 如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述低压物理模型控制系统 包括控制平台、TCSC物理控制器、电压互感器、电流互感器、光纤转接板和仿真机；所述控 制平台通过光纤转接板分别控制TCSC低压物理模型、感性负载物理模型和容性负载物理 模型；所述TCSC物理控制器设置在控制平台与光纤转接板之间；所述电压互感器连接在 380V电压等级系统中；所述电流互感器与TCSC低压物理模型连接；所述TCSC低压物理模 型、感性负载物理模型和容性负载物理模型分别通过光电转换板与仿真机连接； 所述低压物理模型控制系统用于实现低压物理模型的数据采集、控制保护和人机交 互，包括：1)具备采集控制保护和人机界面显示所需的模拟量和开关量功能，2)完成TCSC 低压物理模型投切操作，3)完成TCSC低压物理模型的实验教学功能，4)当发生低压物理模 型控制系统异常状态时，保证TCSC低压物理模型不发生误动作。
5. 如权利要求4所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述控制平台和TCSC控制器 由独立电源供电；所述电压互感器用于采集系统电压；所述电流互感器用于采集TCSC低压 物理模型输出电流量，并将电流量数据传送给控制平台，以便参数显示和实现可控串联补 偿器TCSC的保护功能；所述光纤转接板用于接收远方旋钮仿真工作模式电信号和根据仿 真工作模式信号选通光纤通路；控制平台根据指令，将继电器信号发给TCSC低压物理模型 的接触器节点，控制TCSC低压物理模型投入或退出运行。
6. 如权利要求4所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述TCSC物理控制器和光纤 转接板之间、光纤转接板与TCSC低压物理模型之间均采用光纤通信；光纤转接板与容性负 载物理模型的接触器之间采用光纤通信；光纤转接板与感性负载物理模型的接触器之间采 用电缆通信。
7. 如权利要求1所述的数模混合仿真系统，其特征在于，所述数字仿真机包括工控机、 数字仿真模块以及TCSC数字仿真模型，TCSC低压物理模型通过光纤转接板与仿真平台接 口通信，实现数模混合仿真功能。
8. 如权利要求1-7中任一项所述的一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统的仿真 方法，其特征在于，所述仿真方法包括下述仿真工作模式： ①低压物理模型控制系统控制低压物理模型仿真工作模式； ② 数字仿真机控制低压物理模型仿真工作模式； ③ 低压物理控制系统控制数字仿真模型主电路仿真工作模式。
9.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于，所述仿真工作模式①中，低压物理模型 控制系统中的TCSC物理控制器控制低压物理模型的TCSC低压物理模型、容性负载物理模 型和感性负载物理模型； 所述TCSC低压物理模型、容性负载物理模型和感性负载物理模型具备本地或远方投 切功能；投入容性或感性负载物理模型后，改变380V电压等级系统等值阻抗参数，380V母 线电压上升或下降，在投入TCSC低压物理模型后，改善380V电压等级系统的无功分布， 380V母线电压下降或上升，将380V母线电压维持在控制目标范围内； 所述仿真工作模式①为模拟仿真，用TCSC物理控制器来控制TCSC低压物理模型输出 无功； 所述仿真工作模式②和③为数模混合仿真中，用数字仿真机控制TCSC低压物理模型 的和TCSC物理控制器控制数字仿真机中的TCSC数字仿真模型主电路。
【文档编号】G09B23/18GK104485042SQ201410712233
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】张艳杰, 刘汝水, 袁蒙, 郑壮壮, 夏冰, 李涛 申请人:国家电网公司, 国网技术学院, 国网智能电网研究院, 中电普瑞科技有限公司