一种电力系统便携式全数字实时仿真仪技术方案

本发明专利技术提供一种电力系统便携式全数字实时仿真仪，包括机箱以及设置于机箱内部的主控板、功能板和计算单元；主控板、功能板和计算单元之间通过PCI总线相互通信，主控板控制功能板和计算单元之间的操作和通信；功能板包括AI、AO、DI和DO四种类型的通道与外部通信连接；全数字实时仿真仪包括空闲模式、开环模式和闭环模式三种工作模式；当全数字实时仿真仪运行在闭环模式时，功能板与外部的功率放大装置通过模拟信号线连接。闭环测试过程基于精准的运行时序，选用成熟的多核处理器工业级平台做为计算平台核心，基于内存共享通信方式，通过分网并行计算技术，使仿真仪从计算性能、IO接口等方面满足现场测试需求。

【技术实现步骤摘要】
一种电力系统便携式全数字实时仿真仪
本专利技术涉及电力系统仿真仪，具体讲涉及一种电力系统便携式全数字实时仿真仪。
技术介绍
电力工业近年来一直以较高速发展，发电装机容量不断增加，电网规模越来越大。与此同时，各种快速自动控制装置、保护装置在电力系统中广泛应用。对于控制保护装置，在开发、生产和运行等各个阶段都需要进行调试、整定等工作，通常的试验方法包括开环测试和闭环测试。开环测试多使用电力系统继电保护测试仪等设备输出预设的电压/电流量，并观察控制保护装置的输出特性，进而判断装置是否正常工作。开环测试简单易行，但不能反映控制保护装置的动态特性。闭环测试多在动态模型实验室或数字实时仿真实验室中进行，在实验室中模拟实际电力系统的运行，并将控制保护装置接入系统。闭环测试能对控制保护装置的功能、性能进行较为全面的测试，但是实验室投资较大，而且无法在运行现场对设备进行测试，具有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，提供一种电力系统便携式全数字实时仿真仪，具有动态仿真功能，能根据实际电力系统参数进行建模，从而在现场对继电保护、励磁控制装置进行真实、全面的闭环测试，将为电力系统控制保护装置提供强有力的测试手段，对于增强电力系统控制保护装置的设计水平，提高电力系统运行可靠性有着重要意义。该电力系统便携式全数字实时仿真仪所述全数字实时仿真仪采用模块化设计，包括机箱10、主控板40、功能板60和计算单元；所述主控板40、功能板60和计算单元之间通过PCI总线相互通信，所述主控板40控制所述功能板60和所述计算单元之间的操作和通信；所述功能板60包括AI（AnalogInput，模拟量输出）、AO（AnalogOutput，模拟量输入）、DI（DigitalInput，开关量输入）和DO（DigitalOutput，开关量输出）四种类型的通道与外部通信连接；所述全数字实时仿真仪包括空闲模式、开环模式和闭环模式三种工作模式；当所述全数字实时仿真仪运行在所述闭环模式时，所述功能板60与外部的功率放大装置通过模拟信号线连接；所述功能板60的AI/DI端口与外部被测装置直接通信连接，读取AI/DI数据，并将所述AI/DI数据网络发送至所述计算单元；所述计算单元进行电磁暂态仿真计算，将计算得到的AO/DO数据网络发送至所述功能板60；所述功能板60将DO数据直接发送给所述被测装置，将AO数据发送至所述功率放大装置，所述功率放大装置对输出的弱信号进行放大，将实际的电气量输出给所述被测装置，为所述被测装置提供电流、电压信号。本专利技术提供的第一优选实施例中：所述全数字实时仿真仪运行在所述闭环模式时，通过设置各种复杂故障，来检测各种继电保护、励磁控制的实际物理装置动作的正确性以及控制策略的合理性。本专利技术提供的第二优选实施例中：所述全数字实时仿真仪运行在所述闭环模式时，所述计算单元与所述功能板60按照固定仿真步长T交换数据，一个仿真步长周期内包括：步骤S1，进行PCI中断响应，所述功能板60与外部进行数据交换；步骤S2，所述功能板60完成所述AI/DI数据读取和发送；步骤S3，所述计算单元进行仿真计算并将计算得到的所述AO/DO数据发送至所述功能板60。本专利技术提供的第三优选实施例中：一个所述仿真步长T的周期的典型值为50us，分为t1、t2、t3三个时间段，其中：t1：PCI中断响应时间3～10us；t2：板卡数据读写时间1～10us；t3：允许计算时间。本专利技术提供的第四优选实施例中：所述全数字实时仿真仪包括两块功能板60，所述功能板60通过PCI扩展板桥接出两路PCI总线分别用于连接所述两块功能板60；每块所述功能板60包括8模拟量输出、4模拟量输入、4开关量输出和4开关量输入；所述4开关量输出包括2路空节点输出、2路电平输出；所述4开关量输入兼容空节点输入和电平输入两种方式。本专利技术提供的第五优选实施例中：所述功能板60与外部的所述功率放大装置通过九芯航空插头相连接；所述功率放大装置采用国际先进的开关电源加线性功放技术，放置拉杆箱内。本专利技术提供的第六优选实施例中：所述计算单元选用多核处理器工业级平台ITX-M4S1L7做为计算平台核心；安装并行MPI计算库，多个进程间通过共享内存方式交换数据；采用分网方式及并行计算技术降低电磁暂态仿真步长，通过对电磁暂态算法和模型进行优化和精简，使得仿真精度和规模达到平衡状态。本专利技术提供的第七优选实施例中：所述全数字实时仿真仪还包括底板20和电源板30；所述底板20用于提供电源总线、同步总线和PCI总线；所述电源板30包括可靠的数字电源模块和模拟电源模块；所述功能板60的所述电源板30采用隔离电源并经多级稳压，设计时充分考虑了电路及布线。本专利技术提供的第八优选实施例中：所述全数字实时仿真仪还包括液晶屏50和校准设备70；所述液晶屏50用于运行监视和设备调试；所述校准设备70包括仪表和信号源；所述全数字实时仿真仪工作模式为空闲模式时，所述全数字实时仿真仪内部通过所述信号源和仪表对所述AO/AI通道参数进行自校准，自动检测电源、总线及通道故障，查看并修正通道参数及数据；基于液晶屏50提供的图形化人机界面，针对常规控制保护装置提供标准测试算例，自动处理测试结果，形成报表；所述全数字实时仿真仪面板配有高功率与暂停按钮。本专利技术提供的第九优选实施例中：所述全数字实时仿真仪的机箱及内部主要采用铝合金结构；关键部分采用不锈钢板材；机箱带有提手，方便携带；采用腐蚀板做防尘网，边角缝隙加防尘条，与外部接口采用开模加工的橡胶防尘盖，液晶屏周围采用防尘垫圈；硬盘采用防震结构，安装孔采用防震橡胶圈防护，外部采用橡胶护脚。本专利技术提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪的有益效果包括：1、本专利技术提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪，包括控制板、功能板和计算单元，具有空闲模式、开环模式和闭环模式三种工作模式，控制板可以控制功能板和计算单元与被测装置交互完成闭环测试过程，该闭环测试过程基于控制板提供的精准的运行时序，使得电磁计算仿真步长最小可达50us。2、全数字实时仿真仪包括两块功能板，满足现场继电保护/励磁控制等试验的结构规模及I/O信号类型。3、功能板与外部的功率放大装置通过九芯航空插头相连接，接线简单、准确、抗干扰强，解决功率放大装置与计算单元和功能板之间的强弱电隔离、干扰等问题，功率放大装置采用国际先进的开关电源加线性功放技术，线性度好、响应快、精度高、电磁兼容性好，解决功率放大器大功率、大电流输出的准确度，并能适应各种容性、感性负载，充分考虑现场的试验规模，使得本仿真仪从计算性能、IO接口等方面满足现场测试需求，并且该功率放大装置放置拉杆箱内，便于携带。4、本专利技术提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪，选用成熟的多核处理器工业级平台做为计算平台核心，基于内存共享通信方式，通过分网并行计算技术，使仿真仪从计算性能、IO接口等方面满足现场测试需求。5、提供友善的人机界面，针对常规控制保护装置（如励磁调节器、线路保护装置等）提供标准测试算，并以自动处理测试结果，形成报表等6、在设计中重点考虑了便携性、现场应用等特点，对机箱体积、重量、防尘、防震等进行良好的设计。附图说明如图1所示为本专利技术提供的一种全数字实时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力系统便携式全数字实时仿真仪，其特征在于，所述全数字实时仿真仪采用模块化设计，包括机箱（10）、主控板（40）、功能板（60）和计算单元；所述主控板（40）、功能板（60）和计算单元之间通过PCI总线相互通信，所述主控板（40）控制所述功能板（60）和所述计算单元之间的操作和通信；所述功能板（60）包括AI、AO、DI和DO四种类型的通道与外部通信连接；所述全数字实时仿真仪包括空闲模式、开环模式和闭环模式三种工作模式；当所述全数字实时仿真仪运行在所述闭环模式时，所述功能板（60）与外部的功率放大装置通过模拟信号线连接；所述功能板（60）的AI/DI端口与外部被测装置直接通信连接，读取AI/DI数据，并将所述AI/DI数据网络发送至所述计算单元；所述计算单元进行电磁暂态仿真计算，将计算得到的AO/DO数据网络发送至所述功能板（60）；所述功能板（60）将DO数据直接发送给所述被测装置，将AO数据发送至所述功率放大装置，所述功率放大装置对输出的弱信号进行放大，将实际的电气量输出给所述被测装置，为所述被测装置提供电流、电压信号。

【技术特征摘要】
1.一种电力系统便携式全数字实时仿真仪，其特征在于，所述全数字实时仿真仪采用模块化设计，包括机箱(10)、主控板(40)、功能板(60)和计算单元；所述主控板(40)、功能板(60)和计算单元之间通过PCI总线相互通信，所述主控板(40)控制所述功能板(60)和所述计算单元之间的操作和通信；所述功能板(60)包括AI、AO、DI和DO四种类型的通道与外部通信连接；所述全数字实时仿真仪包括空闲模式、开环模式和闭环模式三种工作模式；当所述全数字实时仿真仪运行在所述闭环模式时，所述功能板(60)与外部的功率放大装置通过模拟信号线连接；所述功能板(60)的AI/DI端口与外部被测装置直接通信连接，读取AI/DI数据，并将所述AI/DI数据网络发送至所述计算单元；所述计算单元进行电磁暂态仿真计算，将计算得到的AO/DO数据网络发送至所述功能板(60)；所述功能板(60)将DO数据直接发送给所述被测装置，将AO数据发送至所述功率放大装置，所述功率放大装置对输出的弱信号进行放大，将实际的电气量输出给所述被测装置，为所述被测装置提供电流、电压信号；所述全数字实时仿真仪运行在所述闭环模式时，通过设置各种复杂故障，来检测各种继电保护、励磁控制的实际物理装置动作的正确性以及控制策略的合理性；所述全数字实时仿真仪运行在所述闭环模式时，所述计算单元与所述功能板(60)按照固定仿真步长T交换数据，一个仿真步长周期内包括：步骤S1，进行PCI中断响应，所述功能板(60)与外部进行数据交换；步骤S2，所述功能板(60)完成所述AI/DI数据读取和发送；步骤S3，所述计算单元进行仿真计算并将计算得到的所述AO/DO数据发送至所述功能板(60)；所述全数字实时仿真仪包括两块功能板(60)，通过PCI扩展板桥接出两路PCI总线分别用于连接所述两块功能板(60)；每块所述功能板(60)包括8模拟量输出、4模拟量输入、4开关量输出和4开关量输入；所述4开关量输出包括2路空节点输出、2路电平输出；所述4开关量输入兼容空节点输入和电平输入两种方式。2.如权利要求1所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，一个所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张星，张艳，王峰，李亚楼，朱旭凯，王艺璇，胡晓波，彭红英，陈绪江，孙丽香，刘敏，郑伟杰，王祥旭，徐树文，
申请(专利权)人：国家电网公司，中国电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：