本發(fā)明涉及一種快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)，屬于直流斷路器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

快速機(jī)械開關(guān)是直流斷路器中重要的組成元件，其結(jié)構(gòu)和控制保護(hù)邏輯復(fù)雜，工程化應(yīng)用前需要進(jìn)行實(shí)際的仿真。電力系統(tǒng)仿真中常用的工具設(shè)備是RTDS/RT-LAB數(shù)字仿真儀。

RTDS/RT-LAB(實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器)是一種實(shí)時(shí)全數(shù)字電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)模擬裝置，利用先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，可以對(duì)交直流系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的仿真，但是價(jià)格昂貴，要數(shù)十萬美元。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)，用于提供一種新型實(shí)用仿真平臺(tái)，以解決快速機(jī)械開關(guān)的仿真成本高的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)，該仿真平臺(tái)包括一個(gè)運(yùn)行仿真軟件的PC以及一個(gè)與所述PC通訊連接的快速開關(guān)仿真裝置；通過所述仿真軟件建立仿真模型，所述仿真模型包括快速開關(guān)控制保護(hù)策略、邏輯時(shí)序的程序模塊以及開關(guān)觸頭位移傳感器的時(shí)間速度變化曲線；所述快速開關(guān)仿真裝置接收來自于一個(gè)快速開關(guān)控制保護(hù)裝置的分/合閘指令，并將分/合閘指令傳輸?shù)剿鯬C；所述仿真軟件根據(jù)分/合閘指令生成仿真過程數(shù)據(jù)，快速仿真裝置接收所述仿真過程數(shù)據(jù)，對(duì)所述仿真過程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)發(fā)給所述快速開關(guān)控制保護(hù)裝置。

進(jìn)一步地，所述仿真軟件為PSCAD或MATLAB。

進(jìn)一步地，所述PC通過串口與所述快速開關(guān)仿真裝置進(jìn)行通信。

進(jìn)一步地，所述仿真過程數(shù)據(jù)包括開關(guān)狀態(tài)、位移曲線、開關(guān)兩端電流和線圈驅(qū)動(dòng)電路電壓。

進(jìn)一步地，所述快速開關(guān)仿真裝置包括一個(gè)通信板，所述通信板用于獲取、解析、存儲(chǔ)并發(fā)送由所述PC發(fā)送過來的仿真過程數(shù)據(jù)；所述仿真裝置還包括開關(guān)位移輸出板、電壓輸出板、電流輸出板、錄波回放板和快速IO板。

進(jìn)一步地，所述開關(guān)位移輸出板接收所述通信板的開關(guān)狀態(tài)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給所述快速開關(guān)控制保護(hù)裝置。

進(jìn)一步地，所述電壓輸出板接收所述通信板的數(shù)字電壓量，并將其轉(zhuǎn)換成模擬量輸出給所述快速開關(guān)控制保護(hù)裝置；所述電流輸出板接收所述通信板的數(shù)字電流量，并將其換成模擬量輸出給所述快速開關(guān)控制保護(hù)裝置。

進(jìn)一步地，所述錄波回放板用于對(duì)經(jīng)過所述快速仿真裝置處理后的仿真過程數(shù)據(jù)進(jìn)行錄波和回放。

進(jìn)一步地，所述快速IO板用于接收快速開關(guān)控制保護(hù)裝置的分/合閘指令，并轉(zhuǎn)發(fā)給所述通信板。

進(jìn)一步地，所述快速開關(guān)仿真裝置還包括一個(gè)背板，所述開關(guān)位移輸出板、電壓輸出板、電流輸出板、錄波回放板和快速IO板連接在所述背板上，通過所述背板與所述通信板進(jìn)行通信。

本發(fā)明的有益效果是：提供了一種快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)，通過采用仿真軟件建立仿真模型，將仿真模型生成的仿真過程數(shù)據(jù)發(fā)送給快速開關(guān)仿真裝置，快速開關(guān)仿真裝置將處理后的仿真過程數(shù)據(jù)發(fā)到一個(gè)快速開關(guān)控制保護(hù)裝置，最終實(shí)現(xiàn)仿真效果。本仿真平臺(tái)可以滿足大批量機(jī)械開關(guān)控制裝置測試用戶的需求，無需昂貴的仿真設(shè)備，僅需要一臺(tái)電腦和一個(gè)快速開關(guān)仿真裝置即可實(shí)現(xiàn)，較低了成本，性價(jià)比極高。

附圖說明

圖1是仿真平臺(tái)系統(tǒng)搭建框圖；

圖2是快速開關(guān)仿真裝置配置圖；

圖3是直流斷路器關(guān)斷仿真過程圖；

圖4是快速開關(guān)仿真裝置信號(hào)傳輸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

在本實(shí)施例中，快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)系統(tǒng)由電腦或服務(wù)器安裝的PSCAD軟件+串口通信模塊、快速開關(guān)仿真裝置、快速開關(guān)控制保護(hù)裝置和電腦監(jiān)控后臺(tái)組成，仿真平臺(tái)系統(tǒng)搭建框圖如圖1所示。其中，電腦PSCAD軟件通過串口通信模塊與快速開關(guān)仿真裝置進(jìn)行通信，快速開關(guān)控制保護(hù)裝置向快速開關(guān)仿真裝置發(fā)送觸發(fā)信號(hào)以及I/O信息，并接收來自快速開關(guān)仿真裝置的電壓/電流以及I/O信息，電腦監(jiān)控后臺(tái)采用RJ45串口與快速開關(guān)控制保護(hù)裝置進(jìn)行通信。其中，PSCAD+串口通信模塊和快速開關(guān)仿真裝置一起構(gòu)成了快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)。

下面對(duì)上述仿真平臺(tái)系統(tǒng)中的各個(gè)裝置或模塊做進(jìn)一步詳細(xì)的介紹。

1、PSCAD+串口通信模塊

PSCAD作為較常用的電力系統(tǒng)仿真軟件，是一種先進(jìn)的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)仿真工具，適用于理論性仿真，屬于現(xiàn)有技術(shù)。在本實(shí)施例中，PSCAD主要用于建立仿真模型，也可用Matlab或者是可實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例中所要求的建模功能的其他軟件來替代。串口通信模塊采用VC等工具在Windows平臺(tái)上編寫串口通信函數(shù)，主要用于實(shí)現(xiàn)PSCAD與快速開關(guān)仿真裝置之間的串行通信。當(dāng)然，也可采用其他通信接口來實(shí)現(xiàn)PSCAD與快速開關(guān)仿真裝置之間的信息交換。

2、快速開關(guān)仿真裝置

快速開關(guān)仿真裝置是快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)的硬件部分，由通信板、開關(guān)位移輸出板、快速IO板、電壓輸出板、電流輸出板和錄波回放板等功能組件組成，如圖2所示，其中：

通信板用于負(fù)責(zé)快速開關(guān)仿真裝置的管理和通信，通過與串口通信模塊進(jìn)行交互通信，將從PSCAD下載的開關(guān)狀態(tài)、位移曲線、開關(guān)兩端電流和線圈驅(qū)動(dòng)電路電壓等串口通信內(nèi)容進(jìn)行解析，并存儲(chǔ)到SD卡內(nèi)；同時(shí)通過背板將解析后的串口通信內(nèi)容分類傳送給快速開關(guān)仿真裝置的其他部件。

開關(guān)位移輸出板接收來自通信板的開關(guān)狀態(tài)信息，并通過光纖與快速開關(guān)控制保護(hù)裝置進(jìn)行通信，將開關(guān)觸頭加速、減速位移信息發(fā)送給快速開關(guān)控制保護(hù)裝置。

電壓輸出板負(fù)責(zé)接收通信板的數(shù)字電壓量，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出給快速開關(guān)控制保護(hù)裝置的電壓測量板卡。

電流輸出板負(fù)責(zé)接收通信板的數(shù)字電流量，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出給快速開關(guān)控制保護(hù)裝置的電流測量板卡。

錄波回放板用于對(duì)電壓電流等模擬量和開關(guān)狀態(tài)等開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行錄波和回放，為調(diào)試和故障分析提供依據(jù)。

快速IO板用于接收快速開關(guān)控制保護(hù)裝置的快速開關(guān)分合信號(hào)，將快速開關(guān)分合信號(hào)通過背板發(fā)送給通信板。

背板負(fù)責(zé)通信板、開關(guān)位移輸出板、快速IO板、電壓輸出板、電流輸出板以及錄波回放板等功能組件之間的信號(hào)傳輸。

圖3給出了快速開關(guān)仿真裝置的信號(hào)傳輸情況，即由通信板接收來自仿真軟件PC所發(fā)送的開關(guān)狀態(tài)、位移曲線、開關(guān)兩端電流和線圈驅(qū)動(dòng)電路電壓等仿真過程數(shù)據(jù)，而通信板、電壓輸出板、電流輸出板、開關(guān)位移輸出板以及錄波回放板之間則是通過背板來實(shí)現(xiàn)信息交換。

以上是快速開關(guān)仿真裝置的一種具體結(jié)構(gòu)，由多個(gè)板卡形成。作為其他實(shí)施方式，也可以采用其他構(gòu)成方式，如一塊板卡完成上述各板卡的功能。

3、快速開關(guān)控制保護(hù)裝置和監(jiān)控后臺(tái)

快速開關(guān)控制保護(hù)裝置和監(jiān)控后臺(tái)屬于被測試系統(tǒng)，不屬于快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)。

目前，高電壓大容量柔性直流輸電系統(tǒng)中的直流斷路器組成分為三部分，通流支路、轉(zhuǎn)移支路和MOV能量吸收支路。其中通流支路由快速機(jī)械開關(guān)和通流支路IGBT模塊組成，轉(zhuǎn)移支路包括若干個(gè)轉(zhuǎn)移支路IGBT模塊。直流斷路器的快速開關(guān)動(dòng)作周期短，能在3～5ms內(nèi)切斷電流。本發(fā)明就是為解決直流斷路器控制保護(hù)裝置仿真問題而設(shè)計(jì)的一種快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)。下面以直流斷路器中的快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真為例，說明仿真平臺(tái)技術(shù)流程：

(1)由監(jiān)控后臺(tái)下發(fā)分/合閘命令給快速開關(guān)控制保護(hù)裝置，快速開關(guān)控制保護(hù)裝置將接收的分/合閘命令傳輸?shù)娇焖匍_關(guān)仿真裝置的快速IO板，快速IO板將分/合閘命令轉(zhuǎn)發(fā)給快速開關(guān)仿真裝置的通信板，通信板通過串口將分/合閘命令發(fā)送給仿真軟件PSCAD。

(2)由PSCAD建立仿真模型，編寫快速開關(guān)控制保護(hù)策略和邏輯時(shí)序的程序模塊，并建立二維的快速機(jī)械開關(guān)位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用二維存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)表示開關(guān)觸頭位移傳感器的時(shí)間速度變化曲線。

(3)用VC等工具在Windows平臺(tái)上編寫串口通信軟件函數(shù)，通過在PSCAD中調(diào)用串口通信軟件函數(shù)將開關(guān)狀態(tài)、位移曲線、開關(guān)兩端電流和線圈驅(qū)動(dòng)電路電壓等仿真過程數(shù)據(jù)發(fā)送給快速開關(guān)仿真裝置。

(4)快速開關(guān)仿真裝置的通信板將從PSCAD下載的仿真過程數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并存儲(chǔ)到SD卡內(nèi)，同時(shí)通過背板分別將開關(guān)狀態(tài)和位移曲線信息發(fā)送給開關(guān)位移輸出板，將開關(guān)兩端電流發(fā)送給電流輸出板，將線圈驅(qū)動(dòng)電路電壓發(fā)送給電壓輸出板。

(5)開關(guān)位移輸出板對(duì)接收到的開關(guān)狀態(tài)和位移曲線進(jìn)行處理，得到開關(guān)觸頭加速、減速位移信息，并通過光纖發(fā)送給快速開關(guān)控制保護(hù)裝置；電壓輸出板將接收到的數(shù)字量電壓轉(zhuǎn)換成模擬量電壓，并發(fā)送給快速開關(guān)控制保護(hù)裝置的電壓測量板卡；電流輸出板將接收到的數(shù)字量電流轉(zhuǎn)換成模擬量電流，并發(fā)送給快速開關(guān)控制保護(hù)裝置的電流測量板卡；錄波回放板用于對(duì)模擬量電壓、模擬量電流以及開關(guān)觸頭加速、減速位移信息進(jìn)行錄波和回放。

(6)快速開關(guān)控制保護(hù)裝置根據(jù)快速開關(guān)仿真裝置發(fā)送過來的開關(guān)動(dòng)作流程和變化，啟動(dòng)錄波，并通過RJ45串口實(shí)現(xiàn)與電腦監(jiān)控后臺(tái)的通信，上報(bào)事件信息，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)快速機(jī)械開關(guān)的測試功能。

圖4給出了在該仿真平臺(tái)下，直流斷路器的快速機(jī)械開關(guān)分閘的動(dòng)作仿真過程。在t0時(shí)刻發(fā)生短路故障，到t1時(shí)刻檢測到該短路故障，直流斷路器開始分?jǐn)啵瑃2時(shí)刻直流斷路器轉(zhuǎn)移支路IGBT開通，同流支路IGBT閉鎖，t3時(shí)刻快速機(jī)械開關(guān)開始分閘，t4時(shí)刻閉鎖轉(zhuǎn)移支路IGBT，t5時(shí)刻能量吸收支路導(dǎo)通，開始消耗故障電流，t6時(shí)刻直流斷路器開閘分?jǐn)嗤瓿?。其中，t0-t1時(shí)間段為故障檢測時(shí)間，t1-t5時(shí)間段為直流斷路器截?cái)鄷r(shí)間，t5-t6時(shí)間段為短路能量耗散時(shí)間。設(shè)斷路器分?jǐn)嚅_始時(shí)刻t1＝0ms，則由圖4可知，直流斷路器轉(zhuǎn)移支路IGBT開通時(shí)刻t2＝0.1ms，快速機(jī)械開關(guān)開始分閘時(shí)刻t3＝0.3ms，閉鎖轉(zhuǎn)移支路IGBT時(shí)刻t4＝2.8ms，能量吸收支路導(dǎo)通時(shí)刻t5＝3ms。

在本實(shí)施例中，快速開關(guān)仿真裝置與PSCAD模型的通信頻率可以做到5ms以內(nèi)，快速開關(guān)仿真裝置通過固定延時(shí)，可接收到足夠數(shù)據(jù)幀，完成相應(yīng)的動(dòng)作變化輸出，能滿足快速開關(guān)仿真裝置狀態(tài)變化仿真需求。另外，本實(shí)施例中的快速機(jī)械開關(guān)半實(shí)物仿真平臺(tái)成本不足RTDS/RT-LAB數(shù)字仿真儀十分之一，性價(jià)比極高，可以滿足大批量機(jī)械開關(guān)控制裝置測試用戶的需求。