技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电力推进船舶综合电力系统，特别涉及一种电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台。
背景技术
[0002] 国内电力推进船舶起步时间较晚，其综合电力系统试验条件十分有限，主要原因如下：1、电力推进船舶综合电力系统实物试验平台初期投资较大
搭建电力推进船舶综合电力系统实物试验平台，需要购置以下设备：多台柴油发
电机组（含柴油机、发电机）、机旁控制箱、
电子调速器、自动
电压调节器、配电板、
变压器、阻抗负载、推进电机、推进
变频器、推进控制系统、冷却
水循环装置等；此外，还需要大量
电缆、
输油管道、水管等辅助材料，整体建设成本非常高，建设周期很长。当综合电力系统的规模及电压、功率等级提高时，成本增加非常显著。
[0003] 2、电力推进船舶综合电力系统实物试验平台试验
费用较高电力推进船舶综合电力系统实物试验平台开始建设、使用时，不论试验平台的利用率高低，因占地面积较大，将会产生高昂的场地使用（租用）费用；开展试验时，会消耗大量的水、电、柴油等资源，
发电机组发出的
电能大部分将直接消耗在试验负载上，并产生一定的设备折旧、维修、维护及环境治理费用。
[0004] 3、电力推进船舶综合电力系统实物试验平台试验设备参数无法调节电力推进船舶综合电力系统实物试验平台一旦建设完毕，将无法调节各设备参数，后续试验只能按照原有系统的参数进行试验验证，当需要开展新系统的试验验证时，无法按现有系统参数配置。
[0005] 4、某些试验项目会对设备造成损坏当需要进行
短路、过载或其他破坏性试验时，电力推进船舶综合电力系统实物试验平台可能会产生很大的
电流，或使设备工作在非正常运行状态（如过载、超速等），损坏设备，且造成的影响通常是不可逆的。
[0006] 5、新方案、新设备验证成本较高当需要进行某些新方案、新设备验证时，电力推进船舶综合电力系统实物试验平台必须购置大量新设备，费用较高、采购周期较长，且新技术的应用存在一定的技术
风险，一旦出现问题，很容易造成设备损坏。
发明内容
[0007] 本发明是针对电力推进船舶综合电力系统试验条件有限的问题，提出了一种电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台，可以进行船舶综合电力系统的试验，验证综合电力系统设计的可行性，并可以开展综合电力系统设计仿真验证、综合电力系统保护设计与试验验证、综合电力系统保护设计与试验验证、综合电力系统控制设备/控制系统功能试验的工作。
[0008] 本发明的技术方案为：一种电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台，虚拟仿真机VM、
信号转换装置STD、实物同步装置、实物综合保护装置、实物电能采集和处理装置、实物
能量管理系统、实物推进控制系统，虚拟仿真机VM通过建立虚拟船舶综合电力系统各个设备的数学模型
输出电压信号，经过信号转换装置STD对信号进行处理后接实物电能采集和处理装置，信号转换装置STD输出同时通过实物同步装置和实物综合保护装置接实物机组，实物电能采集和处理装置、实物同步装置、实物综合保护装置与实物能量管理系统、实物推进控制系统进行数据交换，实物能量管理系统、实物推进控制系统输出
控制信号到虚拟仿真机VM。
[0009] 所述虚拟仿真机VM构建
虚拟机组、虚拟机组
断路器、虚拟母联、虚拟阻抗负载、虚拟推进负载，并根据虚拟运行设备的不同工况产生虚拟机组
三相电压、虚拟母联三相电压。
[0010] 所述信号转换装置STD中对应虚拟仿真机VM中每个虚拟机组，带一个电压信号
放大器、一个电压电流转换模
块、一个电流信号放大器，输出对应每个虚拟机组的一组电流信号和电压信号。
[0011] 所述实物同步装置、实物综合保护装置、实物电能采集和处理装置分组，对应虚拟仿真机VM中每个虚拟机组，每个虚拟机组经过信号转换装置STD处理后的电压信号接入对应的实物同步装置，完成与其他机组的同步并车；每个虚拟机组经过信号转换装置STD处理后的电压信号和电流信号接入对应的实物电量采集装置，完成电参数的采集与计算；每个虚拟机组经过信号转换装置STD处理后的电压信号和电流信号接入对应的实物综合保护装置，实物综合保护装置输出到对应的连接保护装置，完成对应实物机组的综合保护功能。
[0012] 所述虚拟仿真机VM根据虚拟电力系统中虚拟负载状态，实时计算虚拟机组的
三相电流，并将计算后的虚拟电流值按照预设比例转换成AC0～16V电压信号输出，同时AC0～16V电压信号分别经过电压电流转换模块和电流信号放大器，输出实物机组的三相电流；输出实物机组的三相电流与真实的电力推进船舶综合电力系统机组电流经电流互感器的二次侧测量电流完全一致。
[0013] 本发明的有益效果在于：本发明电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台，采用虚拟设备产生的电压、电流替代实物设备产生的电压、电流，可以降低试验成本及风险；系统扩展性较强；任意调节系统参数；可进行新方案、新技术、新设备的验证；当研制了某些新型控制设备时（如同步装置、电能采集和处理装置、综合保护装置等），可以先接入半实物半虚拟试验平台做功能试验；再利用实船设备进行验证。
附图说明
[0014] 图1为本发明一种电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台虚拟部分结构示意图；图2为本发明一种电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台实物部分结构示意图。
具体实施方式
[0015] 一种电力推进船舶综合电力系统半虚拟，主要包括中图1、图2中的虚拟仿真机VM、信号转换装置STD、连接装置、实物电能采集和处理装置、实物同步装置、实物综合保护装置、实物能量管理系统、实物推进控制系统。虚拟仿真机VM通过建立虚拟船舶综合电力系统各个设备的数学模型的输出电压信号，经过信号转换装置STD对信号进行处理后接实物电能采集和处理装置，信号转换装置STD输出同时通过实物同步装置和实物综合保护装置接实物机组，实物电能采集和处理装置、实物同步装置、实物综合保护装置与实物能量管理系统、实物推进控制系统进行数据交换，实物能量管理系统、实物推进控制系统输出控制信号到虚拟仿真机VM。
[0016] 信号转换装置STD中每组带一个电压信号放大器、一个电压电流转换模块、一个电流信号放大器，连接装置为实物机组断路器。
[0017] 虚拟仿真机VM中可以构建虚拟机组VG、虚拟机组断路器VQF、虚拟母联VQB、虚拟阻抗负载、虚拟推进负载等虚拟设备，根据虚拟运行设备的不同工况产生虚拟VG三相电压（虚拟VG A相电压、B相电压、C相电压）、虚拟VBUS三相电压(虚拟VBUS A相电压、B相电压、C相电压)。根据不同的系统配置，也可以虚拟船舶综合电力系统的其他设备。
[0018] 图1中虚拟部分，在虚拟仿真机VM中，建立两组虚拟机组VG1、VG2（机组可以是柴油发电机组、汽轮发电机组或其他形式的船舶发电机组），两组虚拟机组各自带一个虚拟机组断路器VQF1、VQF2，两组虚拟母联VBUS1、VBUS2，两组虚拟母联之间的虚拟母联断路器VQB，虚拟常规阻抗负载，虚拟电力推进负载等电力推进船舶综合电力系统主要虚拟设备的数学模型，并根据实物机组断路器QF1、QF2的状态信号反馈，实时闭合或断开虚拟机组断路器VQF1、VQF2。
[0019] 虚拟仿真机VM根据当前机组运行状态、
电网结构、负载状况等，实时计算虚拟机组VG1、VG2的三相电压和虚拟母联VBUS1、VBUS2的三相电压，并将虚拟机组VG1、VG2的三相电压按照预设比例转换成AC 0～16V电压信号输出，分别经过电压信号放大器1、电压信号放大器2放大，输出作为实物机组G1、G2的三相电压；在实物侧设置两个实物断路器QF1、QF2，通过闭合或断开实物机组断路器，可得到不同的实物母联BUS1、BUS2的三相电压。实物机组G1、G2的三相电压和实物母联BUS1、BUS2的三相电压为AC 0～100V电压信号，这4组信号与真实电力推进船舶综合电力系统的机组电压、母联电压经电压互感器转换后的二次侧测量电压完全一致，可用于模拟真实电力推进船舶综合电力系统电压。
[0020] 虚拟仿真机VM根据当前电力系统负载状态（含虚拟常规阻抗负载、虚拟电力推进负载），实时计算虚拟机组VG1、VG2的三相电流，并将以上虚拟电流值按照预设比例转换成AC 0～16V电压信号输出，分别经过电压电流转换模块1、2和电流信号放大器1、2，输出作为实物机组G1、G2的三相电流。这2组信号为AC 0～5A的电流信号，与真实的电力推进船舶综合电力系统机组电流经电流互感器转换后的二次侧测量电流完全一致，可用于模拟真实电力推进船舶综合电力系统电流。
[0021] 图2中实物部分，实物机组G1、G2的三相电压和实物母联BUS1、BUS2的三相电压信号分别接入实物同步装置1、2，完成机组1、2的同步并车。实物机组G1、G2的三相电压和实物机组G1、G2的三相电流分别接入实物电能采集和处理装置1、2，完成实物机组G1、G2的三相电压、三相电流、
频率、有功功率、
无功功率、功率因数等电参数的采集与计算。实物机组G1、G2的三相电压和实物机组G1、G2的三相电流分别接入实物综合保护装置1、2，完成实物电力系统的电压越限、电流越限、逆功率、过载、差动等综合保护功能。
[0022] 实物同步装置1、2，实物电能采集和处理装置1、2，实物综合保护装置1、2通过通讯或硬接线与实物能量管理系统、实物推进控制系统进行信息交互，实物能量管理系统、实物推进控制系统根据控制逻辑与功能将输出控制信号反馈至虚拟仿真机VM的I/O，如虚拟机组的启动、停机、升速、降速、升压、降压，虚拟常规阻抗负载的投入、投出，虚拟电力推进负载的加载、减载、功率限制等，完成虚拟设备的控制，虚拟设备参数变化将引起虚拟电压、电流的改变，进而导致实物电压、电流改变，最终形成试验平台的闭环反馈控制。
[0023] 综合电力系统设计仿真验证：试验平台采用实时仿真技术，
硬件平台具有CPU模块、I/O模块、通讯模块等，能够快速处理
软件内部模型与外部设备之间数据的交互及控制命令。通过硬件在环平台，可以在软件中根据项目需求构建大型交流/直流电力系统，将模型中所需的状态量传送到外部实际设备中，或将外部设备的控制参数传送到模型中，实现虚拟系统与实际设备的交互。具有计算速度快、实时性强、
接口通用性强、验证设备范围广等特点。
[0024] 综合电力系统保护设计与试验验证：船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台与实物综合保护装置、联
锁保护装置等设备结合，可以进行选择性保护参数验证、复杂结构供电系统联锁控制方法验证、供电系统保护策略验证等。
[0025] 综合电力系统控制设备/控制系统功能试验：当需要设计开发电能采集和处理、同步装置、综合保护装置、励磁自动调整装置、柴油发电机组
控制器、能量管理系统、推进控制系统等电力推进船舶综合电力系统自动化设备/系统时，采用船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台模拟电力系统运行情况，可以进行自动化设备/系统的软硬件功能测试试验。
[0026] 本发明的优势在于：1）综合电力系统的所有设备均是在仿真机VM中建立数学模型，由仿真机计算得出电压、电流，统一转换成电压AC 0～16V电压信号输出，通过信号放大、转换，最终转换成完全独立的AC 0～100V电压和AC 0～5A电流信号，用于模拟真实的电力推进船舶综合电力系统。在电力推进船舶综合电力系统设计初期，由于设计经验的缺乏或新设备、新技术的应用可能导致电力系统的设计
缺陷，采用半实物半虚拟试验平台，由于实物侧无需带负载，不会产生电流，因此实物侧功耗很小（仅有试验平台内部线路损耗），起到很大的节能效果；另外，当需要进行短路或其他破坏性试验时，仅仅是仿真结果产生大电流，最终输出的仍是AC
0～5A的电流信号，不会对硬件设备造成损坏。这相对于真实的电力推进船舶电力系统试验平台来说安全系数提高了很多。
[0027] 2）无论是中压船舶电力系统还是低压船舶电力系统，真实的发电机组产生的电压、电流均需要经电压互感器、电流互感器转换成AC 0～100V、AC 0～5A信号，才能作为控制设备和测量设备的测量电压、测量电流输入。半实物半虚拟试验平台建立虚拟模型后，
输出信号经转换、放大，变成AC 0～100V电压信号和AC 0～5A电流信号，其他
数字量信号也与真实电力系统的接口信号完全一致，方便系统进行扩展。
[0028] 采用电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台，电力系统设备、网络结构可以随意扩展，不需要进行实际设备的购置、接线、调试。本发明仅给出了2台发电机组构成的综合电力系统，如果需要虚拟的设备较多，只需将满足条件的接口进行扩展，即增加一定的信号转换模块，即可进行系统扩展。
[0029] 3）任意调节系统参数：半实物半虚拟试验平台所有设备参数可以任意调节，满足不同系统的设计、试验要求。
[0030] 4）可进行新方案、新技术、新设备的验证：当需要进行某些新方案验证时，可以先在半实物半虚拟试验平台中建立相关设备的数学模型，然后利用部分实物进行测试，从而验证新方案、新设备的可行性；再购置实物硬件设备进行二次验证，可有效避免新方案、新技术的技术风险。
