技术领域
[0001] 本
发明涉及一种快速机械开关半实物仿真平台，属于直流
断路器技术领域。
背景技术
[0002] 快速机械开关是直流断路器中重要的组成元件，其结构和控制保护逻辑复杂，工程化应用前需要进行实际的仿真。电
力系统仿真中常用的工具设备是RTDS/RT-LAB数字仿真仪。
[0003] RTDS/RT-LAB(实时数字仿真器)是一种实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置，利用先进的软
硬件技术，可以对交直流系统进行实时准确的仿真，但是价格昂贵，要数十万美元。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种快速机械开关半实物仿真平台，用于提供一种新型实用仿真平台，以解决快速机械开关的仿真成本高的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种快速机械开关半实物仿真平台，该仿真平台包括一个运行仿真
软件的PC以及一个与所述PC通讯连接的快速开关仿真装置；通过所述仿真软件建立仿真模型，所述仿真模型包括快速开关控制保护策略、逻辑时序的程序模
块以及开关触头位移
传感器的时间速度变化曲线；所述快速开关仿真装置接收来自于一个快速开关控制保护装置的分/合闸指令，并将分/合闸指令传输到所述PC；所述仿真软件根据分/合闸指令生成仿真过程数据，快速仿真装置接收所述仿真过程数据，对所述仿真过程数据进行处理，并转发给所述快速开关控制保护装置。
[0006] 进一步地，所述仿真软件为PSCAD或MATLAB。
[0007] 进一步地，所述PC通过串口与所述快速开关仿真装置进行通信。
[0008] 进一步地，所述仿真过程数据包括开关状态、位移曲线、开关两端
电流和线圈驱动
电路电压。
[0009] 进一步地，所述快速开关仿真装置包括一个通信板，所述通信板用于获取、解析、存储并发送由所述PC发送过来的仿真过程数据；所述仿真装置还包括开关位移输出板、电压输出板、电流输出板、录波回放板和快速IO板。
[0010] 进一步地，所述开关位移输出板接收所述通信板的开关状态信息并转发给所述快速开关控制保护装置。
[0011] 进一步地，所述电压输出板接收所述通信板的数字电压量，并将其转换成模拟量输出给所述快速开关控制保护装置；所述电流输出板接收所述通信板的数字电流量，并将其换成模拟量输出给所述快速开关控制保护装置。
[0012] 进一步地，所述录波回放板用于对经过所述快速仿真装置处理后的仿真过程数据进行录波和回放。
[0013] 进一步地，所述快速IO板用于接收快速开关控制保护装置的分/合闸指令，并转发给所述通信板。
[0014] 进一步地，所述快速开关仿真装置还包括一个
背板，所述开关位移输出板、电压输出板、电流输出板、录波回放板和快速IO板连接在所述背板上，通过所述背板与所述通信板进行通信。
[0015] 本发明的有益效果是：提供了一种快速机械开关半实物仿真平台，通过采用仿真软件建立仿真模型，将仿真模型生成的仿真过程数据发送给快速开关仿真装置，快速开关仿真装置将处理后的仿真过程数据发到一个快速开关控制保护装置，最终实现仿真效果。本仿真平台可以满足大批量机械开关控制装置测试用户的需求，无需昂贵的仿真设备，仅需要一台电脑和一个快速开关仿真装置即可实现，较低了成本，性价比极高。
附图说明
[0017] 图2是快速开关仿真装置配置图；
[0018] 图3是直流断路器关断仿真过程图；
具体实施方式
[0020] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。
[0021] 在本
实施例中，快速机械开关半实物仿真平台系统由电脑或
服务器安装的PSCAD软件+串口通信模块、快速开关仿真装置、快速开关控制保护装置和电脑监控后台组成，仿真平台系统搭建框图如图1所示。其中，电脑PSCAD软件通过串口通信模块与快速开关仿真装置进行通信，快速开关控制保护装置向快速开关仿真装置发送触发信号以及I/O信息，并接收来自快速开关仿真装置的电压/电流以及I/O信息，电脑监控后台采用RJ45串口与快速开关控制保护装置进行通信。其中，PSCAD+串口通信模块和快速开关仿真装置一起构成了快速机械开关半实物仿真平台。
[0022] 下面对上述仿真平台系统中的各个装置或模块做进一步详细的介绍。
[0023] 1、PSCAD+串口通信模块
[0024] PSCAD作为较常用的电力系统仿真软件，是一种先进的电力系统稳态、暂态仿真工具，适用于理论性仿真，属于
现有技术。在本实施例中，PSCAD主要用于建立仿真模型，也可用Matlab或者是可实现本实施例中所要求的建模功能的其他软件来替代。串口通信模块采用VC等工具在Windows平台上编写串口通信函数，主要用于实现PSCAD与快速开关仿真装置之间的串行通信。当然，也可采用其他通信
接口来实现PSCAD与快速开关仿真装置之间的信息交换。
[0025] 2、快速开关仿真装置
[0026] 快速开关仿真装置是快速机械开关半实物仿真平台的硬件部分，由通信板、开关位移输出板、快速IO板、电压输出板、电流输出板和录波回放板等功能组件组成，如图2所示，其中：
[0027] 通信板用于负责快速开关仿真装置的管理和通信，通过与串口通信模块进行交互通信，将从PSCAD下载的开关状态、位移曲线、开关两端电流和线圈驱动电路电压等串口通信内容进行解析，并存储到SD卡内；同时通过背板将解析后的串口通信内容分类传送给快速开关仿真装置的其他部件。
[0028] 开关位移输出板接收来自通信板的开关状态信息，并通过光纤与快速开关控制保护装置进行通信，将开关触头
加速、减速位移信息发送给快速开关控制保护装置。
[0029] 电压输出板负责接收通信板的数字电压量，并将
数字量转换成模拟量输出给快速开关控制保护装置的电压测量板卡。
[0030] 电流输出板负责接收通信板的数字电流量，并将数字量转换成模拟量输出给快速开关控制保护装置的电流测量板卡。
[0031] 录波回放板用于对电压电流等模拟量和开关状态等开关量信号进行录波和回放，为调试和故障分析提供依据。
[0032] 快速IO板用于接收快速开关控制保护装置的快速开关分合信号，将快速开关分合信号通过背板发送给通信板。
[0033] 背板负责通信板、开关位移输出板、快速IO板、电压输出板、电流输出板以及录波回放板等功能组件之间的
信号传输。
[0034] 图3给出了快速开关仿真装置的信号传输情况，即由通信板接收来自仿真软件PC所发送的开关状态、位移曲线、开关两端电流和线圈驱动电路电压等仿真过程数据，而通信板、电压输出板、电流输出板、开关位移输出板以及录波回放板之间则是通过背板来实现信息交换。
[0035] 以上是快速开关仿真装置的一种具体结构，由多个板卡形成。作为其他实施方式，也可以采用其他构成方式，如一块板卡完成上述各板卡的功能。
[0036] 3、快速开关控制保护装置和监控后台
[0037] 快速开关控制保护装置和监控后台属于被测试系统，不属于快速机械开关半实物仿真平台。
[0038] 目前，高电压大容量柔性直流输电系统中的直流断路器组成分为三部分，通流支路、转移支路和MOV
能量吸收支路。其中通流支路由快速机械开关和通流支路IGBT模块组成，转移支路包括若干个转移支路IGBT模块。直流断路器的快速开关动作周期短，能在3～5ms内切断电流。本发明就是为解决直流断路器控制保护装置仿真问题而设计的一种快速机械开关半实物仿真平台。下面以直流断路器中的快速机械开关半实物仿真为例，说明仿真平台技术流程：
[0039] (1)由监控后台下发分/合闸命令给快速开关控制保护装置，快速开关控制保护装置将接收的分/合闸命令传输到快速开关仿真装置的快速IO板，快速IO板将分/合闸命令转发给快速开关仿真装置的通信板，通信板通过串口将分/合闸命令发送给仿真软件PSCAD。
[0040] (2)由PSCAD建立仿真模型，编写快速开关控制保护策略和逻辑时序的程序模块，并建立二维的快速机械开关位移数据
存储器，用二维存储器数据表示开关触头位移传感器的时间速度变化曲线。
[0041] (3)用VC等工具在Windows平台上编写串口通信软件函数，通过在PSCAD中调用串口通信软件函数将开关状态、位移曲线、开关两端电流和线圈驱动电路电压等仿真过程数据发送给快速开关仿真装置。
[0042] (4)快速开关仿真装置的通信板将从PSCAD下载的仿真过程数据进行解析，并存储到SD卡内，同时通过背板分别将开关状态和位移曲线信息发送给开关位移输出板，将开关两端电流发送给电流输出板，将线圈驱动电路电压发送给电压输出板。
[0043] (5)开关位移输出板对接收到的开关状态和位移曲线进行处理，得到开关触头加速、减速位移信息，并通过光纤发送给快速开关控制保护装置；电压输出板将接收到的数字量电压转换成模拟量电压，并发送给快速开关控制保护装置的电压测量板卡；电流输出板将接收到的数字量电流转换成模拟量电流，并发送给快速开关控制保护装置的电流测量板卡；录波回放板用于对模拟量电压、模拟量电流以及开关触头加速、减速位移信息进行录波和回放。
[0044] (6)快速开关控制保护装置根据快速开关仿真装置发送过来的开关动作流程和变化，启动录波，并通过RJ45串口实现与电脑监控后台的通信，上报事件信息，最终实现对快速机械开关的测试功能。
[0045] 图4给出了在该仿真平台下，直流断路器的快速机械开关分闸的动作仿真过程。在t0时刻发生
短路故障，到t1时刻检测到该短路故障，直流断路器开始分断，t2时刻直流断路器转移支路IGBT开通，同流支路IGBT闭
锁，t3时刻快速机械开关开始分闸，t4时刻闭锁转移支路IGBT，t5时刻能量吸收支路导通，开始消耗
故障电流，t6时刻直流断路器开闸分断完成。其中，t0-t1时间段为故障检测时间，t1-t5时间段为直流断路器截断时间，t5-t6时间段为短路能量耗散时间。设断路器分断开始时刻t1＝0ms，则由图4可知，直流断路器转移支路IGBT开通时刻t2＝0.1ms，快速机械开关开始分闸时刻t3＝0.3ms，闭锁转移支路IGBT时刻t4＝2.8ms，能量吸收支路导通时刻t5＝3ms。
[0046] 在本实施例中，快速开关仿真装置与PSCAD模型的通信
频率可以做到5ms以内，快速开关仿真装置通过固定延时，可接收到足够数据
帧，完成相应的动作变化输出，能满足快速开关仿真装置状态变化仿真需求。另外，本实施例中的快速机械开关半实物仿真平台成本不足RTDS/RT-LAB数字仿真仪十分之一，性价比极高，可以满足大批量机械开关控制装置测试用户的需求。
