一种可控串联补偿器的数模混合仿真系统及其仿真方法

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。

说明书

技术领域

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

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

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 究，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

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。

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。

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。

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；

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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；

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。

与最接近的现有技术比，本发明的优异效果是：

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 线仿真研究，教学模式灵活多样，可起到良好的示范教学效果。

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。

附图说明

图1是本发明提供的低压物理模型主回路接线图；

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；

图3是本发明提供的低压物理模型控制系统框架图；

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

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。

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。

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。

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。

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。低压物理模型控制系统框 架图如3所示。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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：

1)接收远方旋钮工作模式电信号；

2)根据工作模式信号选通光纤通路。

选通真值表如下：

工作方式选择 A B 实现功能 1 0 1 低压物理模型控制系统控制低压物理模型 2 0 0 数字仿真机控制低压物理模型 3 1 1 低压物理控制系统控制数字仿真模型主电路

其中，A代表TCSC的主回路在实际的可控串联补偿器和数字主电路间的选择，B代表 TCSC控制器在物理控制器和数字控制器间的选择。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体 实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换， 均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。