一种电力电子设备数字仿真建模的方法
【专利摘要】本发明公开一种电力电子设备数字仿真建模的方法，首先搭建出仿真模型的一次系统；然后为电力电子设备的控制保护系统建立至少一个自定义的控制保护元件，该控制保护元件从仿真模型的一次系统接收模拟量、数字量和开关状态量，对模拟量进行插值运算处理，对前述各数据按各自的程序执行周期分别进行逻辑运算和触发脉冲产生功能，产生开关量命令及由触发脉冲信号和高精度时标组成的二维触发脉冲；由控制保护元件发送至仿真模型的一次系统，实现对仿真模型一次系统的控制，完成一次系统与自定义的控制保护元件之间的闭环运算。此种建模方法可对包含电力电子设备的电力系统进行高精度的仿真计算，与实际工程的运行结果保持高度一致。
【专利说明】一种电力电子设备数字仿真建模的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统数字仿真【技术领域】，特别涉及一种电力电子设备数字仿真建模的方法。
【背景技术】
[0002]EMTDC (Electro-Magnetic Transient in DC system)是一个电力系统电磁暂态仿真分析软件，它具有精确和丰富的电力系统元件模型、方便的数据输入方式以及强大的数据分析功能，此外还允许用户自定义元件，通过编写自定义元件的代码脚本或调用用户自定义程序等方式实现更加复杂的功能。它是进行电力系统分析和工程研究的有力工具，在全世界范围内有着广泛的应用。
[0003]电力电子设备主要由晶闸管等半导体器件以及相应的辅助设备构成，在现代电力系统中得到了大量的应用。常见的电力电子设备包括高压直流输电系统(HVDC)、静止无功补偿器(SVC)及柔性直流输电系统(HVDC_Light)等。半导体器件在运行过程中需要受到脉冲信号的控制，实现导通和(或)关断。半导体器件构成的电力电子设备可控性好、运行方式灵活，但是往往具有非线性的特点，在对包含电力电子设备的电力系统进行研究时很难仅仅依靠解析方法，而是经常采用仿真方法。
[0004]实际电力电子设备的控制保护程序非常复杂，不仅有复杂的功能逻辑，而且还有复杂的程序调度机制，即每页程序都有自己的执行周期，只有时间上达到执行周期的整数倍时，该程序页才会被执行，而时间上没有达到执行周期整数倍的其它程序不会被执行。这些程序执行周期与仿真模型的仿真计算时间步长之间并没有必然联系，即程序执行周期不一定正好等于仿真计算时间步长或是其整数倍。
[0005]在实际电力电子设备的控制保护系统中，产生触发脉冲的程序逻辑比较复杂，并且该部分程序专门由FPGA芯片负责执行，执行周期很小(一般是100ns)，与仿真模型通常使用的仿真计算时间步长(一般是50us)不在一个数量级，因此仿真时一般也很少对此部分进行详细模拟。
[0006]在实际电力电子设备的运行中，电力系统输出的模拟量都是连续量，电力电子设备的控制保护系统按照自身接口程序的执行周期对输入的连续模拟量进行采样，然后送给控制保护应用程序进行逻辑运算。而在数字仿真模型中，一次系统设备都是在仿真模型中通过元件的程序代码模拟的，其程序代码都是按照仿真模型的仿真计算时间步长为周期执行，输出的模拟量都是分布在仿真计算时间步长上的离散量，而这些离散量对应的时刻往往与控制保护应用程序执行周期上的时刻并不重合。因此，在仿真模型的控制保护系统中如果不对输入的模拟量进行额外的处理，在进行逻辑运算时所使用的模拟量就与实际工程程序中使用的模拟量存在差异，这也会导致仿真计算结果的不精确。
[0007]使用非实时电磁暂态数字仿真软件(例如EMTDC)进行仿真研究，是常用的仿真方法。目前通常采用的建模方法是，从仿真软件自带的一次系统和二次系统元件库中选择需要的基本元件，在仿真软件人机界面中搭建出所需的一次系统结构和简化的二次系统控制保护逻辑。由于电力电子设备的实际控制保护逻辑十分复杂，因此在进行二次系统建模时都会先进行大量简化，然后再按照简化后的逻辑，选用基本的逻辑符号搭建而成。其次，由于仿真软件的功能局限性，一般对整个仿真模型设置统一的仿真计算时间步长(例如50us)，在进行仿真计算时，每个仿真计算时间步长中所有一次系统和二次系统元件代码都会被执行一遍。另外，虽然电力电子设备一般都是由触发脉冲进行控制的，为了建模方便，在许多情况下控制保护逻辑对电力电子设备的控制往往只采用了控制角度进行控制，即使进一步使用触发脉冲进行控制，从控制角度产生触发脉冲的过程往往也进行了原理性的简化。
[0008]由上述内容可见，目前在进行电力电子设备的数字仿真建模时，往往都进行了大量的简化。虽然这种建模方法很常用，但是开发出来的仿真模型精度较低，只能进行一些简单的、原理性的仿真计算，对于许多复杂的运行工况和控制保护逻辑，仿真结果很难与实际电力系统的运行情况保持一致，有必要进行改进。
【发明内容】
[0009]本发明的目的，在于提供一种电力电子设备数字仿真建模的方法，其可对包含电力电子设备的电力系统进行高精度的仿真计算，与实际工程的运行结果保持高度一致。
[0010]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
[0011]一种电力电子设备数字仿真建模的方法，包括如下步骤:
[0012](I)按照实际电力系统的拓扑结构和参数，搭建出仿真模型的一次系统；
[0013](2)为电力电子设备的控制保护系统建立至少一个自定义的控制保护元件，该控制保护元件从仿真模型的一次系统接收模拟量、数字量和开关状态量，并对模拟量进行插值运算处理，对前述经过插值运算后的模拟量及接收的数字量和开关状态量，按其各自的程序执行周期分别进行逻辑运算和触发脉冲产生功能，产生开关量命令及由触发脉冲信号和高精度时标组成的二维触发脉冲；所述逻辑运算的功能及执行周期与电力电子设备的实际控制保护系统逻辑运算保持一致，触发脉冲产生功能的逻辑与电力电子设备的实际控制保护系统触发脉冲产生功能一致；
[0014](3)所述控制保护元件将前述开关量命令及二维触发脉冲发送至仿真模型的一次系统，实现对仿真模型的一次系统的控制，完成仿真模型的一次系统与自定义的控制保护元件之间的闭环运算。
[0015]上述步骤(2)中，自定义的控制保护元件在执行程序时，采用程序多次循环的方法将仿真模型的仿真计算时间步长进行细分，变成供自定义的控制保护元件执行程序使用的高精度的基本时间步长，程序在进行若干次循环时高精度的基本时间步长也相应累加，当高精度时间达到某个程序任务链的执行周期时，就执行相应任务链后面的所有程序页。
[0016]上述自定义的控制保护元件通过接口程序与仿真模型的一次系统进行数据传输，所述自定义的控制保护元件的接口程序的执行调度周期与电力电子设备的实际控制保护系统接口程序一致。
[0017]采用上述方案后，本发明建立仿真模型中控制保护应用程序的逻辑以及程序执行调度周期都与实际工程应用程序保持一致，输入的模拟量经过插值运算后精度更高，输出的触发脉冲带有高精度时标可以实现对电力电子设备模型进行精确控制，从而使得包含电力电子设备的整个电力系统仿真模型仿真精度非常高，能与实际工程的运行结果保持高度一致。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是包含电力电子设备的电力系统详细仿真模型结构示意图；
[0019]图2是自定义的控制保护元件中实现程序执行周期调度功能的流程图。
【具体实施方式】
[0020]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0021]本发明提供一种电力电子设备数字仿真建模的方法，通过在仿真模型中为电力电子设备的控制保护系统建立自定义的控制保护元件，自定义的控制保护元件与按照现有建模方法建立的一次系统模型之间进行接口，实现闭环运算。首先如图1所示，每个黑色实心矩形框代表一个程序页，每个任务链对应于一定的程序执行周期，当系统时间到达该程序执行周期时，其后面串连的程序页依次被执行。
[0022]图2中，虚线框内为自定义的控制保护元件的内部程序流程图，其中，T为仿真模型的当前时间，时间精度为Λ T (也即仿真模型的仿真计算时间步长)，t为自定义的控制保护元件内部程序使用的高精度的当前时间，时间精度为Λ t，N为Λ T除以Λ t后得到的倍数，i为程序循环次数的计数变量。
[0023]再请参考图1，本发明一种电力电子设备数字仿真建模的方法，包括如下步骤:
[0024](I)在电力系统离线数字仿真软件(如EMTDC)中，利用元件库中自带的交流等值系统、换流变压器、电力电子设备、开关、测量设备等元件，按照实际电力系统的拓扑结构和参数，搭建出仿真模型的一次系统3，在一次系统建模的过程中，也可以将部分或全部设备的模型使用用户自定义元件；
[0025](2)在电力系统离线数字仿真软件中，为电力电子设备的控制保护系统建立自定义的控制保护元件1，所述自定义的控制保护元件I中包括与电力电子设备实际控制保护系统应用程序的逻辑和程序执行调度周期基本一致的控制保护应用程序11，以及与电力电子设备实际控制保护系统接口程序执行调度周期基本一致的接口程序12，控制保护应用程序11和接口程序12的代码量一般会非常大，可以在工程用的实际程序基础上进行一定的修改得到，或者按照工程用的实际程序的具体逻辑，使用数字仿真软件能够调用的语言(如Fortran语目、C语目)重新编写得到。
[0026]在控制保护应用程序11中包含了与电力电子设备实际控制保护系统应用程序中逻辑基本一致的触发脉冲产生程序112，该部分程序可以按照工程用的触发脉冲产生程序进行适当的简化，然后使用数字仿真软件能够调用的语言(例如Fortran语言、C语言)重新编写得到。触发脉冲产生程序112产生的触发脉冲，除了脉冲信号本身以外，还有和其产生时刻相应的高精度时标，触发脉冲信号和高精度时标一起合成二维触发脉冲施加在仿真模型的一次系统3中的电力电子设备上，以便采用双次插值法对电力电子设备进行精确控制。
[0027]由于仿真模型的一次系统3的仿真计算时间步长(Λ T)与接口程序的执行周期不一定正好相等或是整数倍的关系，因此，在自定义的控制保护元件I的程序中，先取得仿真模型的当前时间(T)以及仿真模型的仿真计算时间步长(Λ T)，然后根据接口程序12中相应程序页的执行周期(Λ t的整数倍)，通过插值环节121对输入的模拟量进行插值运算，得到接口程序页执行周期时间点上的模拟量，这样控制保护应用程序进行逻辑运算时接收到的模拟量就不会因为数字仿真软件的时间离散性而变得不精确。
[0028](3)自定义的控制保护元件I和仿真模型的一次系统3之间通过模拟量输入量、数字量和开关状态量输入量、开关量命令输出量及触发脉冲输出量共4类变量进行接口，实现闭环运算。除了触发脉冲输出量是包含了触发脉冲信号和高精度时标的二维变量以外，其余3类变量中每个变量均为一维变量。
[0029]在建立自定义的控制保护元件I时，可以将整个仿真模型的控制保护系统都集成在一个自定义的控制保护元件中实现，也可以根据功能划分等需要，将自定义的控制保护元件拆分成若干个自定义的控制保护子元件，还可以将一部分功能逻辑放在自定义的控制保护内部实现，而另一部分功能逻辑放在自定义的控制保护元件外部利用基本的二次系统元件相互连接的方式实现。
[0030]如图2所示，仿真模型中自定义的控制保护元件I内部程序执行周期调度功能111采用程序多次循环的方法将仿真模型的仿真计算时间步长(Λ T)按要求进行细分，变成供自定义的控制保护元件I内部程序使用的高精度的基本时间步长(即Λ t)，利用Λ T/ Δ t计算出每个Λ T时间内自定义的控制保护元件内部程序需要循环的总次数(N)，然后对程序进行循环运算。程序在进行若干次循环运算时高精度的基本时间步长也相应累加，例如程序当前进行了第i次循环运算，则当前的高精度时间(t)为:t=T+A t*i。在每次循环运算中，当高精度时间t达到某个程序任务链的执行周期时，就执行相应任务链后面的所有程序页，而没有达到执行周期的其它程序页都不执行。如果当前的循环次数i还没有达到循环总次数(N)，则程序进入下一次循环运算，如果当前的循环次数i达到了循环总次数(N)，则跳出自定义的控制保护元件程序的执行环节，进入仿真模型中其它元件代码的执行过程。当仿真模型中所有元件代码都被执行完毕后，则仿真系统的当前时间(T)增加一个仿真计算时间步长(AT)，得到新的当前时间(T)后，进入仿真模型的下一仿真计算时间步长的计算过程。
[0031]在一个含有电力电子设备的电力系统数字仿真模型中，电力电子设备的控制保护功能逻辑可以全部放在自定义的控制保护元件内以编写程序代码的方式实现，也可以将部分功能逻辑放在自定义的控制保护元件外部利用基本的二次系统元件相互连接的方式实现。
[0032]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电力电子设备数字仿真建模的方法，其特征在于包括如下步骤: (O按照实际电力系统的拓扑结构和参数，搭建出仿真模型的一次系统； (2)为电力电子设备的控制保护系统建立至少一个自定义的控制保护元件，该控制保护元件从仿真模型的一次系统接收模拟量、数字量和开关状态量，并对模拟量进行插值运算处理，对前述经过插值运算后的模拟量及接收的数字量和开关状态量，按其各自的程序执行周期分别进行逻辑运算和触发脉冲产生功能，产生开关量命令及由触发脉冲信号和高精度时标组成的二维触发脉冲；所述逻辑运算的功能及执行周期与电力电子设备的实际控制保护系统逻辑运算保持一致，触发脉冲产生功能的逻辑与电力电子设备的实际控制保护系统触发脉冲产生功能一致； (3)所述控制保护元件将前述开关量命令及二维触发脉冲发送至仿真模型的一次系统，实现对仿真模型的一次系统的控制，完成仿真模型的一次系统与自定义的控制保护元件之间的闭环运算。
2.如权利要求1所述的一种电力电子设备数字仿真建模的方法，其特征在于:所述步骤(2)中，自定义的控制保护元件在执行程序时，采用程序多次循环的方法将仿真模型的仿真计算时间步长进行细分，变成供自定义的控制保护元件执行程序使用的高精度的基本时间步长，程序在进行若干次循环时高精度的基本时间步长也相应累加，当高精度时间达到某个程序任务链的执行周期时，就执行相应任务链后面的所有程序页。
3.如权利要求1或2所述的一种电力电子设备数字仿真建模的方法，其特征在于:所述自定义的控制保护元件通过接口程序与仿真模型的一次系统进行数据传输，所述自定义的控制保护元件的接口程序的执行调度周期与电力电子设备的实际控制保护系统接口程序一致。
【文档编号】G06F17/50GK103440372SQ201310372939
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2013年8月23日
【发明者】张翔, 田杰, 黄志岭, 李海英 申请人:南京南瑞继保电气有限公司, 南京南瑞继保工程技术有限公司