專利名稱：一種電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真通用接口系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真通用接口系統(tǒng)，屬于電力系統(tǒng)實時仿真技術領域。
背景技術：
在電力系統(tǒng)的實時數字仿真平臺(DDRTS)與待測硬件設備進行電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真的過程中，需要實現(xiàn)以下過程(I)接口系統(tǒng)對待測硬件設備物理模擬的實際電力系統(tǒng)(或元件)的電壓和/或電流量進行測量、采樣，傳遞給實時數字仿真平臺，實時數字仿真平臺利用電壓和/或電流量對虛擬電力系統(tǒng)進行電磁暫態(tài)仿真數字計算。 (2)接口系統(tǒng)對實時數字仿真平臺數字計算得到的虛擬電力系統(tǒng)的電壓和/或電流量進行轉換、放大，傳遞給待測硬件設備，待測硬件設備利用接口系統(tǒng)功率放大后的電壓和/或電流量進行物理運行。從上述過程可知，接口系統(tǒng)在數字仿真和物理仿真之間承擔數據交互的功能，接口系統(tǒng)的工作性能直接決定了電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真的效果。研究和實驗表明電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真對接口系統(tǒng)的交互速度、數據處理和功率放大功能有較高的要求。為了適應kW-MW范圍功率等級的電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真的研究和應用需求，迫切需要一種通用接口系統(tǒng)。專利公開號為CN201010145887. 5、名稱為《一種電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)混合實時仿真接口進程控制系統(tǒng)》的專利申請，公開了一種連接兩類數字仿真之間的接口交互系統(tǒng)，但無法與物理仿真(即功率級的電力一次設備)直接交互。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真通用接口系統(tǒng)，綜合高速通信卡、信號分配器、功率放大通道、傳感測量通道等的功能，以實現(xiàn)數電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真。本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真通用接口系統(tǒng)，包括高速通信卡，用于接收來自實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果，并將該計算結果發(fā)送給信號分配器，同時接收來自信號分配器的對實際電力系統(tǒng)中待測硬件設備的測量結果，并將該測量結果發(fā)送給實時數字仿真平臺；信號分配器，用于接收來自高速通信卡的上述計算結果，并將該計算結果發(fā)送給功率放大通道，同時接收來自傳感測量通道的對實際電力系統(tǒng)中待測硬件設備的測量結果，并將該測量結果發(fā)送給高速通信卡；功率放大通道，用于接收信號分配器發(fā)送的上述計算結果，并將該計算結果放大到實際電力系統(tǒng)所要求的功率等級，該放大后的計算結果用于替代虛擬電力系統(tǒng)與實際電力系統(tǒng)進行真實的功率交換；
傳感測量通道，用于對實際電力系統(tǒng)中的待測硬件設備的電壓和/或電流進行測量，并將測量結果發(fā)送給信號分配器；所述的高速通信卡與所述的信號分配器之間通過光纖連接，信號分配器與所述的功率放大通道和傳感測量通道之間分別通過數據線連接，功率放大通道與待測硬件設備之間通過電纜連接。上述通用接口系統(tǒng)中，所述的高速通信卡，包括程序存儲器，用于存儲中央處理器的 程序代碼，程序存儲器與中央處理器相連接；數據存儲器，用于存儲中央處理器的數據，數據存儲器與中央處理器相連接；并行總線接口控制器，用于根據計算機并行總線協(xié)議，接收或發(fā)送中央處理器與所述的實時數字仿真平臺之間的通信數據，并行總線接口控制器與中央處理器相連接；中央處理器，用于通過并行總線接口控制器接收所述的實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果，并將該計算結果發(fā)送至網絡控制器，同時通過網絡控制器和光信號收發(fā)器接收實際電力系統(tǒng)的測量結果，并將該測量結果通過并行總線接口控制器發(fā)送至實時數字仿真平臺；網絡控制器，用于將中央處理器產生的信號轉換成網絡協(xié)議后，發(fā)送至光信號收發(fā)器，同時接受光信號收發(fā)器的信號，并發(fā)送至中央處理器，網絡控制器與中央處理器相連接；光信號收發(fā)器，用于將網絡控制器的電信號轉換成光信號后，將光信號發(fā)送至所述的信號分配器，同時將接收自信號分配器的光信號轉換成電信號后發(fā)送至網絡控制器，光信號收發(fā)器與所述的信號分配器相連接。上述通用接口系統(tǒng)中，所述的信號分配器，包括電源模塊，用于為信號分配器提供電源；通訊模塊，用于接收所述的高速通信卡中光信號收發(fā)器的光信號，并將光信號轉換為電信號，將電信號經過自定義總線發(fā)送至數模轉換器，同時通過自定義總線接受模數轉換器的電信號，將電信號轉換為光信號，發(fā)送至所述的高速通訊卡中的光信號收發(fā)器；模數轉換器，將傳感測量通道送來對實際電力系統(tǒng)測量得到的模擬信號轉換成數字信號，并將該數字信號發(fā)送給通訊模塊，再通過所述的高速通信卡發(fā)送至實時數字仿真平臺；數模轉換模塊，將實時數字仿真平臺通過所述的高速通信卡經通訊模塊送來的數字信號轉換成模擬信號，并將該模擬信號發(fā)送至功率放大通道；電源模塊、通訊模塊、數模轉換器和模數轉換模塊分別通過自定義總線相連接。上述通用接口系統(tǒng)中，所述的功率放大通道，包括電源模塊，用于為功率放大通道提供電源；采樣轉換模塊，用于將所述的信號分配器中的數模轉換器的模擬信號轉換為數字信號，并將該數字信號通過自定義總線傳輸給信號處理模塊；信號處理模塊，用于讀取采樣轉換模塊的數字信號，并將該數字信號調制成脈寬調制波形，將該脈寬調制波形通過光耦隔離輸出到逆變器，用于對逆變器的觸發(fā)控制；整流器，用于將電網提供的三相工頻交流電轉換為直流電，為逆變器提供電壓穩(wěn)定的直流電；逆變器，用于將整流器輸出的直流電調制為功率級的脈寬調制波形，該脈寬調制波形的低頻分量與信號分配器輸出的上述實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果相匹配，對計算結果進行功率放大；濾波器，采用電感和電容濾波，用于濾除逆變器輸出的脈寬調制波形中的高頻成分，輸出與上述實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果相匹配的電壓波形；采樣轉換模塊與信號處理模塊以及信號處理模塊與逆變器之間分別通過自定義數據總線連接；整流器與逆變器以及逆變器與濾波器之間通過電纜連接。本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真通用接口系統(tǒng)，其優(yōu)點是
I、本發(fā)明通用接口系統(tǒng)中采用并行總線接口控制器、高性能中央處理器以及網絡控制器，具有準確的定時機制和很高的通訊速度，保證了數字仿真與物理仿真兩個仿真系統(tǒng)的同步性和實時性。2、本發(fā)明通用接口系統(tǒng)中采用光纖通訊技術，降低了信號的傳輸衰耗，保證了接口系統(tǒng)的通訊精度及通訊距離。3、本發(fā)明通用接口系統(tǒng)中的功率放大通道一次電路采用整流器-逆變器的結構，具有良好的通用性，保證了通過更換升級電力電子元件而對電壓、電流、功率等參數性能等級提升的便利性。4、本發(fā)明通用接口系統(tǒng)中的功率放大通道二次控制算法采用脈寬調制方法，具有良好的準確性和靈活性，保證了接口系統(tǒng)對虛擬電力系統(tǒng)計算結果中的低頻分量功率放大的跟蹤精度，以及進一步設計和實現(xiàn)功率放大通道的接口算法的便利性。5、本發(fā)明通用接口系統(tǒng)通過功率放大通道和傳感測量通道，將實際電力設備的功率系統(tǒng)和虛擬數字仿真的信號系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)了將數字仿真與物理仿真兩種就截然不同的仿真形式的混合。


圖I是本發(fā)明提出的通用接口系統(tǒng)在電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真系統(tǒng)中的原理結構圖。圖2是本發(fā)明通用接口系統(tǒng)中高速通信卡的結構示意圖。圖3是本發(fā)明通用接口系統(tǒng)中信號分配器的結構示意圖。圖4是本發(fā)明通用接口系統(tǒng)中放大通道的結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真通用接口系統(tǒng)，其在電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真系統(tǒng)中的原理結構圖如圖I所示，包括高速通信卡，用于接收來自實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果，并將該計算結果發(fā)送給信號分配器，同時接收來自信號分配器的對實際電力系統(tǒng)中待測硬件設備的測量結果，并將該測量結果發(fā)送給實時數字仿真平臺；信號分配器，用于接收來自高速通信卡的上述計算結果，并將該計算結果發(fā)送給功率放大通道，同時接收來自傳感測量通道的對實際電力系統(tǒng)中待測硬件設備的測量結果，并將該測量結果發(fā)送給高速通信卡；功率放大通道，用于接收信號分配器發(fā)送的上述計算結果，并將該計算結果放大到實際電力系統(tǒng)所要求的功率等級，該放大后的計算結果用于替代虛擬電力系統(tǒng)與實際電力系統(tǒng)進行真實的功率交換；傳感測量通道，用于對實際電力系統(tǒng)中的待測硬件設備的電壓和/或電流進行測量，并將測量結果發(fā)送給信號分配器；所述的高速通信卡與所述的信號分配器之間通過光纖連接，信號分配器與所述的功率放大通道和傳感測量通道之間分別通過 數據線連接，功率放大通道與待測硬件設備之間通過電纜連接。本發(fā)明的通用接口系統(tǒng)中，所述的高速通信卡的結構示意圖如圖2所示，包括程序存儲器，用于存儲中央處理器的程序代碼，程序存儲器與中央處理器相連接；數據存儲器，用于存儲中央處理器的數據，數據存儲器與中央處理器相連接；并行總線接口控制器，用于根據計算機并行總線協(xié)議，接收或發(fā)送中央處理器與所述的實時數字仿真平臺之間的通信數據，并行總線接口控制器與中央處理器相連接；中央處理器，用于通過并行總線接口控制器接收所述的實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果，并將該計算結果發(fā)送至網絡控制器，同時通過網絡控制器和光信號收發(fā)器接收實際電力系統(tǒng)的測量結果，并將該測量結果通過并行總線接口控制器發(fā)送至實時數字仿真平臺；網絡控制器，用于將中央處理器產生的信號轉換成網絡協(xié)議后，發(fā)送至光信號收發(fā)器，同時接受光信號收發(fā)器的信號，并發(fā)送至中央處理器，網絡控制器與中央處理器相連接；光信號收發(fā)器，用于將網絡控制器的電信號轉換成光信號后，將光信號發(fā)送至所述的信號分配器，同時將接收自信號分配器的光信號轉換成電信號后發(fā)送至網絡控制器，光信號收發(fā)器與所述的信號分配器相連接。本發(fā)明的通用接口系統(tǒng)中，所述的信號分配器的結構示意圖如圖3所示，包括電源模塊,用于為信號分配器提供電源，其輸入為220伏交流電壓，輸出為正5伏、正負15伏和正負24伏直流電壓；通訊模塊，用于接收所述的高速通信卡中光信號收發(fā)器的光信號，并將光信號轉換為電信號，將電信號經過自定義總線發(fā)送至數模轉換器，同時通過自定義總線接受模數轉換器的電信號，將電信號轉換為光信號，發(fā)送至所述的高速通訊卡中的光信號收發(fā)器；模數轉換器，將通訊模塊送來的模擬信號轉換成數字信號，并將該數字信號通過所述的高速通信卡發(fā)送至實時數字仿真平臺；數模轉換模塊，將實時數字仿真平臺通過所述的高速通信卡送來的數字信號轉換成模擬信號，并將該模擬信號發(fā)送至通訊模塊；電源模塊、通訊模塊、數模轉換器和模數轉換模塊分別通過自定義總線相連接。本發(fā)明的通用接口系統(tǒng)中，所述的功率放大通道的結構示意圖如圖4所示，包括電源模塊，用于為功率放大通道提供電源，其輸入為220伏交流電壓，輸出為正5伏、正負15伏和正負24伏直流電壓；
采樣轉換模塊，用于將所述的信號分配器中的數模轉換器的模擬信號轉換為數字信號，并將該數字信號通過自定義總線傳輸給信號處理模塊；信號處理模塊，用于讀取采樣轉換模塊的數字信號，并將該數字信號調制成脈寬調制波形，將該脈寬調制波形通過光耦隔離輸出到逆變器，用于對逆變器的觸發(fā)控制；整流器，采用三相橋式的電路拓撲和直流母線電壓恒定的控制策略，用于將電網提供的三相工頻交流電轉換為直流電，為逆變器提供電壓穩(wěn)定的直流電；功率可以雙向流動；逆變器，采用三相橋式的電路拓撲，觸發(fā)控制由信號處理模塊提供，用于將整流器輸出的直流電調制為功率級的脈寬調制波形，該脈寬調制波形的低頻分量與信號分配器輸出的上述實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果相匹配，對計算結果進行功率放大；濾波器，采用電感和電容濾波，用于濾除逆變器輸出的脈寬調制波形中的高頻成 分，輸出與上述實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果相匹配的電壓波形；采樣轉換模塊和信號處理模塊是功率放大通道的二次部分，采樣轉換模塊與信號處理模塊以及信號處理模塊與逆變器之間分別通過自定義數據總線連接；整流器、逆變器和濾波器是功率放大通道的一次部分，整流器與逆變器以及逆變器與濾波器之間通過電纜連接。信號處理模塊與逆變器之間的光耦連接實現(xiàn)二次電路和一次電路的光電隔離。本發(fā)明通用接口系統(tǒng)中測量傳感通道，包括電源模塊和電流傳感器，用于為電流傳感器提供電源(為正負12伏直流電壓)以及測量待測硬件設備的實際電力系統(tǒng)中某些支路(例如從功率放大通道流入實際電力系統(tǒng))的電流大小，并將測量信號傳輸給信號分配器的模數轉換模塊。本發(fā)明的通用接口系統(tǒng)的一個實施例中，高速通信卡所用的主要部件如下中央處理器采用美國TI公司的數字信號處理器(DSP)，型號為TMS320DM642 ；程序存儲器采用美國SST公司型號為SST39VF040的快速存儲器；數據存儲器采用美國Microchip公司型號為93LC66B的可電擦除的快速存儲器；并行總線接口控制器采用美國PLX公司型號為PEX8112的接口芯片；網絡控制器采用美國DAVIC0M公司型號為DM9000A的太網接口芯片；光信號收發(fā)器采用中國武漢靈創(chuàng)公司的多模收發(fā)器，型號為L-TR0323。信號分配器所用的主要部件如下通訊模塊分別采用美國TI公司型號為TMS320VC33的數字信號處理器(DSP);美國DAVIC0M公司型號為DM9000A的太網接口芯片以及中國武漢靈創(chuàng)公司型號為L-TR0323的多模收發(fā)器；數模轉換器采用美國BB公司的16位精度的數字量/模擬量轉換芯片，型號為DAC7744E ；模數轉換器采用美國ADI公司的16位精度的模擬量/數字量轉換芯片，型號為AD7656 ；電源模塊采用美國TI公司型號為TPS54310PWP的電源芯片。功率放大通道所用的主要部件如下采樣轉換模塊采用美國ADI公司的16位精度的模擬量/數字量轉換芯片，型號為AD7865 ；信號處理模塊采用美國TI公司型號為TMS320F2812的數字信號處理器(DSP)；整流器采用芬蘭VACON公司型號為NX3124-211的輕型直流整流控制器；
逆變器中的電力電子開關元件采用德國SEMIKR0N公司型號為SKM150GB12T4的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)；濾波器采用3mH的電感和4. 7 μ F的電容。測量傳感通道所用的主要部件如下電流傳感器采用南京奇霍科技有限公司型號為CS150EK1的霍爾傳感器。
權利要求
1.一種電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真通用接口系統(tǒng)，其特征在于該通用接口系統(tǒng)包括 高速通信卡，用于接收來自實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果，并將該計算結果發(fā)送給信號分配器，同時接收來自信號分配器的對實際電力系統(tǒng)中待測硬件設備的測量結果，并將該測量結果發(fā)送給實時數字仿真平臺； 信號分配器，用于接收來自高速通信卡的上述計算結果，并將該計算結果發(fā)送給功率放大通道，同時接收來自傳感測量通道的對實際電力系統(tǒng)中待測硬件設備的測量結果，并將該測量結果發(fā)送給高速通信卡； 功率放大通道，用于接收信號分配器發(fā)送的上述計算結果，并將該計算結果放大到實際電力系統(tǒng)所要求的功率等級，該放大后的計算結果用于替代虛擬電力系統(tǒng)與實際電力系 統(tǒng)進行真實的功率交換； 傳感測量通道，用于對實際電力系統(tǒng)中的待測硬件設備的電壓和/或電流進行測量，并將測量結果發(fā)送給信號分配器； 所述的高速通信卡與所述的信號分配器之間通過光纖連接，信號分配器與所述的功率放大通道和傳感測量通道之間分別通過數據線連接，功率放大通道與待測硬件設備之間通過電纜連接。
2.如權利要求I所述的通用接口系統(tǒng)，其特征在于其中所述的高速通信卡，包括 程序存儲器，用于存儲中央處理器的程序代碼，程序存儲器與中央處理器相連接； 數據存儲器，用于存儲中央處理器的數據，數據存儲器與中央處理器相連接； 并行總線接口控制器，用于根據計算機并行總線協(xié)議，接收或發(fā)送中央處理器與所述的實時數字仿真平臺之間的通信數據，并行總線接口控制器與中央處理器相連接； 中央處理器，用于通過并行總線接口控制器接收所述的實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果，并將該計算結果發(fā)送至網絡控制器，同時通過網絡控制器和光信號收發(fā)器接收實際電力系統(tǒng)的測量結果，并將該測量結果通過并行總線接口控制器發(fā)送至實時數字仿真平臺； 網絡控制器，用于將中央處理器產生的信號轉換成網絡協(xié)議后，發(fā)送至光信號收發(fā)器，同時接受光信號收發(fā)器的信號，并發(fā)送至中央處理器，網絡控制器與中央處理器相連接；光信號收發(fā)器，用于將網絡控制器的電信號轉換成光信號后，將光信號發(fā)送至所述的信號分配器，同時將接收自信號分配器的光信號轉換成電信號后發(fā)送至網絡控制器，光信號收發(fā)器與所述的信號分配器相連接。
3.如權利要求I所述的通用接口系統(tǒng)，其特征在于其中所述的信號分配器，包括 電源模塊，用于為信號分配器提供電源； 通訊模塊，用于接收所述的高速通信卡中光信號收發(fā)器的光信號，并將光信號轉換為電信號，將電信號經過自定義總線發(fā)送至數模轉換器，同時通過自定義總線接受模數轉換器的電信號，將電信號轉換為光信號，發(fā)送至所述的高速通訊卡中的光信號收發(fā)器； 模數轉換器，將傳感測量通道送來對實際電力系統(tǒng)測量得到的模擬信號轉換成數字信號，并將該數字信號發(fā)送給通訊模塊，再通過所述的高速通信卡發(fā)送至實時數字仿真平臺； 數模轉換器，將實時數字仿真平臺通過所述的高速通信卡經通訊模塊送來的數字信號轉換成模擬信號，并將該模擬信號發(fā)送至功率放大通道； 電源模塊、通訊模塊、數模轉換器和模數轉換模塊分別通過自定義總線相連接。
4.如權利要求I所述的通用接口系統(tǒng)，其特征在于其中所述的功率放大通道，包括 電源模塊，用于為功率放大通道提供電源； 采樣轉換模塊，用于將所述的信號分配器中的數模轉換器的模擬信號轉換為數字信號，并將該數字信號通過自定義總線傳輸給信號處理模塊； 信號處理模塊，用于讀取采樣轉換模塊的數字信號，并將該數字信號調制成脈寬調制波形，將該脈寬調制波形通過光耦隔離輸出到逆變器，用于對逆變器的觸發(fā)控制； 整流器，用于將電網提供的三相工頻交流電轉換為直流電，為逆變器提供電壓穩(wěn)定的直流電； 逆變器，用于將整流器輸出的直流電調制為功率級的脈寬調制波形，該脈寬調制波形的低頻分量與信號分配器輸出的上述實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果相匹配，對計算結果進行功率放大； 濾波器，采用電感和電容濾波，用于濾除逆變器輸出的脈寬調制波形中的高頻成分，輸出與上述實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果相匹配的電壓波形； 采樣轉換模塊與信號處理模塊以及信號處理模塊與逆變器之間分別通過自定義數據總線連接；整流器與逆變器以及逆變器與濾波器之間通過電纜連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力一次系統(tǒng)數字物理混合仿真通用接口系統(tǒng)，屬于電力系統(tǒng)實時仿真技術領域。包括高速通信卡，用于接收實時數字仿真平臺對虛擬電力系統(tǒng)的計算結果和實際電力系統(tǒng)的測量結果，并將其發(fā)送給實時數字仿真平臺；信號分配器，用于接收計算和測量結果，并將其發(fā)送給功率放大通道，功率放大通道將計算結果放大到所要求的功率等級，用于與實際電力系統(tǒng)進行功率交換；傳感測量通道，用于對實際電力系統(tǒng)的相關電壓和/或電流量進行測量。本發(fā)明通用接口系統(tǒng)保證了數字仿真與物理仿真的同步性、實時性和接口系統(tǒng)的通訊精度及通訊距離，保證了接口參數性能等級提升的便利性和接口系統(tǒng)對低頻分量功率放大的跟蹤精度。
文檔編號G06F17/50GK102722627SQ201210215240
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權日2012年6月26日
發(fā)明者葉駿, 梁旭, 閔勇, 陳磊 申請人:國家電網公司, 清華大學