一种电力系统便携式全数字实时仿真仪的利记博彩app
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】一种电力系统便携式全数字实时仿真仪
【技术领域】
[0001]本发明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。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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子实时仿真实验室中进彳丁，在实验室中1吴拟实际电力系统的运彳丁，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。
【发明内容】
[0004]本发明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；
[0005]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；
[0006]所述功能板60包括Al (Analog Input,模拟量输出)、AO (Analog Output,模拟量输入)、DI (Digital Input,开关量输入)和DO (Digital Output,开关量输出)四种类型的通道与外部通信连接；
[0007]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；
[0008]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ΑΙ/DI端口与外部被测装置直接通信连接，读取ΑΙ/DI数据，并将所述ΑΙ/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A0/D0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。
[0009]本发明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。
[0010]本发明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:
[0011]步骤SI，进行PCI中断响应，所述功能板60与外部进行数据交换；
[0012]步骤S2，所述功能板60完成所述ΑΙ/DI数据读取和发送；
[0013]步骤S3，所述计算单元进行仿真计算并将计算得到的所述A0/D0数据发送至所述功能板60。
[0014]本发明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Wt3三个时间段，其中:
[0015]ti:PCI中断响应时间3?IOus ；t2:板卡数据读写时间I?IOus ；t3:允许计算时间。
[0016]本发明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 ；
[0017]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A ；
[0018]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。
[0019]本发明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；
[0020]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。
[0021]本发明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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]本发明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 ；
[0025]所述底板20用于提供电源总线、同步总线和PCI总线；
[0026]所述电源板30包括可靠的数字电源模块和模拟电源模块；
[0027]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。
[0028]本发明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 ；
[0029]所述液晶屏50用于运行监视和设备调试；
[0030]所述校准设备70包括仪表和信号源；
[0031]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Α0/ΑΙ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；
[0032]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；
[0033]所述全数字实时仿真仪面板配有高功率与暂停按钮。
[0034]本发明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；
[0035]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；
[0036]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。
[0037]本发明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:
[0038]1、本发明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。
[0039]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。
[0040]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。
[0041]4、本发明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。
[0042]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
[0043]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]如图1所示为本发明提供的一种全数字实时仿真仪连接被测装置进行闭环试验原理图；
[0045]如图2所示为本发明提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪在一个仿真步长周期内的运行时序图；
[0046]如图3所示多核架构及共享内存并行通信技术原理图；
[0047]如图4所示本发明提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪的实施例的结构示意图；
[0048]如图5所示为本发明提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪的面板的示意图。
【具体实施方式】
[0049]下面根据附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0050]本发明提供一种电力系统便携式全数字实时仿真仪，该全数字实时仿真仪采用模块化设计，包括机箱10以及设置于机箱10内部的主控板40、功能板60和计算单元。
[0051]主控板40、功能板60和计算单元之间通过PCI总线相互通信，主控板40控制该功能板60和计算单元之间的操作和通信。
[0052]功能板60包括Al、AO、DI和DO四种类型的通道与外部通信连接。
[0053]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。
[0054]如图1所示为本发明提供的一种全数字实时仿真仪连接被测装置进行闭环试验原理图。
[0055]由图1可知，当该全数字实时仿真仪运行在闭环模式时，功能板60与外部的功率放大装置通过模拟信号线连接；功能板60的ΑΙ/DI端口与外部被测装置直接通信连接，读取ΑΙ/DI数据，并将该ΑΙ/DI数据网络发送至计算单元；计算单元进行电磁暂态仿真计算，将计算得到的A0/D0数据网络发送至功能板60 ;功能板60将DO数据直接发送给被测装置，将AO数据发送至功率放大装置，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被测装置，为被测装置提供电流、电压等信号。
[0056]进一步的，全数字实时仿真仪运行在闭环模式时，可以设置各种复杂故障，来检测各种继电保护、励磁控制等实际物理装置动作的正确性以及控制策略的合理性，通过弱信号电缆将AO信号以电气量(-10V?+10V)发送给功率放大装置进行放大输出，将DO信号(如开关位置信息)直接发送给被测装置，同时接收被测装置发送过来的电气量信号(如励磁电流)及开关量信号(如跳闸信号)，完成一次闭环仿真。
[0057]全数字实时仿真仪运行在闭环模式时，以主控板40产生时基，有着精准的运行时序，计算单元与功能板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:
[0058]步骤SI，进行PCI中断响应，功能板60与外部进行数据交换。
[0059]步骤S2，功能板60完成ΑΙ/DI数据读取和发送。
[0060]步骤S3，计算单元进行仿真计算并将计算得到的A0/D0数据发送至功能板60。
[0061]优选的，一个仿真步长T的周期的典型值为50us，如图2所示为本发明提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪在一个仿真步长周期内按照步骤SI?步骤S3的运行时序图，一个仿真周期50us分为W3三个时间段，其中:PCI中断响应时间3?IOus ；t2:板卡数据读写时间I?IOus ；t3:允许计算时间。
[0062]优选的，全数字实时仿真仪包括两块功能板60，功能板60通过PCI扩展板对PCI进行桥接出两路PCI总线分别用于连接两块功能板，每块功能板包括8模拟量输出、4模拟量输入、4开关量输出(其中2路空节点输出、2路电平输出)、4开关量输入(兼容空节点输入和电平输入两种方式)，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。
[0063]功能板60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60之间的强弱电隔离、干扰等问题。
[0064]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。
[0065]出于对体积、重量方面的考虑，便携式全数字实时仿真的计算单元无法选用传统的高性能服务器，也无法使用Myrinet/Infiniband等高速光纤网络,进程间的数据通讯必须在节点内部完成。
[0066]CPU和内存资源均很有限，计算单元选用成熟的多核处理器工业级平台(ITX-M4S1L7)做为计算平台核心，其主要性能指标为:1ntel Pentium Dual-CoreE21802.0G，内存:DDR II6672G，计算单元安装RtLinux_2.6.16实时内核，操作系统的实时响应速度在8us以内，满足数字仿真的实时控制需求。
[0067]计算单元安装并行MPI计算库，多个进程间通过共享内存方式交换数据，提高数据交换速率，降低仿真主机占用空间；相比与管道/FIFO等，共享内存是进程间数据通信最有效方式。多核架构及共享内存并行通信技术如图3所示:选中其中一个内核做为运行管理核心，另外一个内核做为实时计算核心，两个核心通过共享内存的通信机制，使得多核多进程之间的数据进行实时共享，同理可选用多核多CPU的计算单元，增强计算能力，扩大本装置的电磁计算仿真规模。
[0068]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，最终使得仿真精度和规模达到比较好的平衡状态，可实现对标准IEEE14节点规模的电磁暂态算例进行实时仿真，并满足继电保护和励磁控制闭环试验精度的要求。
[0069]如图4所示为本发明提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪的实施例的结构示意图，由图4可知，本发明提供的一种全数字实时仿真仪的实施例还包括底板20和电源板30，底板20用于提供电源总线、同步总线和PCI总线等，电源板30包括可靠的数字电源模块和模拟电源模块，功能板60的电源板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，以减少电源纹波对模拟电路的影响，保证了功能板的转换精度，提高抗干扰性能。
[0070]本发明提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪还包括液晶屏50和校准设备70。
[0071]液晶屏50用于运行监视和设备调试。
[0072]校准设备70包括高精度仪表和高精度信号源，全数字实时仿真仪工作模式为空闲模式时，该全数字实时仿真仪内部通过高精度信号源和仪表对Α0/ΑΙ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。
[0073]如图5所示为本发明提供的一种电力系统便携式全数字实时仿真仪的面板的示意图，由图5可知，该全数字实时仿真仪的面板配有高功率与暂停按钮，以适应大电流试验的应用场景。
[0074]开环模式:在该模式下通过AO通道实现高速长波形输出，支持标准Comtrade数据格式，对现场故障录波文件进行回放，分析故障原因并给出解决方案。
[0075]本发明提供的电力系统便携式全数字实时仿真仪具备自动化流程测试功能，基于机群服务器的全数字实时仿真装置的图形化人机界面，并将其移植到便携式全数字实时仿真仪，移植后的图形化人机界面具备如下特征:1)能够读写计算平台、功能板的状态，进而诊断出内部故障；2)针对常规控制保护装置(如励磁调节器、线路保护装置等)提供标准测试算例，并自动处理测试结果，形成报表等。
[0076]优选的，为了便于本发明的电力系统便携式全数字实时仿真仪应用于现场环境，结构方面采用模块化设计方式，调试、组装方便，采用工业应用要求结构方面及防震、防尘、防电磁干扰做了如下设计:
[0077]机箱及内部主要采用铝合金结构，兼顾强度，减轻重量，美观实用；关键部分采用不锈钢板材，增加强度，并且具有防锈效果，机箱带有提手，方便携带。
[0078]防尘方面，采用腐蚀板做防尘网，防尘效果好，边角缝隙加防尘条，保持机箱的密闭，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，避免进灰影响显
/Jn ο
[0079]防震方面，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，既有防震的作用，又能对箱体和外部接口提供保护。
[0080]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应当理解: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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
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A1、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ΑΙ/DI端口与外部被测装置直接通信连接，读取ΑΙ/DI数据，并将所述ΑΙ/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A0/D0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。
2.如权利要求1所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，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SI，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ΑΙ/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A0/D0数据发送至所述功能板(60)。
4.如权利要求3所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，一个所述仿真步长T的周期的典型值为50us,分为V t2、t3三个时间段，其中: ti:PCI中断响应时间3~IOus ；t2:板卡数据读写时间I~IOus ；t3:允许计算时间。
5.如权利要求1所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，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。
6.如权利要求1所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，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开关电源加线性功放技术，放置在拉杆箱内。
7.如权利要求1所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，所述计算单元选用多核处理器工业级平台ITX-M4S1L7作为计算平台核心； 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。
8.如权利要求1所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，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。
9.如权利要求1所述的全数字实时仿真仪，其特征在于，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/ΑΙ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。
10.如权利要求1所述 的全数字实时仿真仪，其特征在于，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。
【文档编号】G05B17/02GK103488095SQ201310400132
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】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 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院