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电流型数字与物理接口功率装置设计

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摘要:在基于eMegasim实时数字仿真平台的半物理试验系统中,数字与物理接口功率放大装置起着将舰船电网eMegasim数字仿真模型与受试保护装置连接的作用,形成半物理闭环仿真试验回路,即数字与物理接口功率放大装置的输出端口与实际断路器的电流互感器二次侧完全物理等效,可直接接入受试的脱扣保护装置。本文介绍了一种用于舰船塑壳断路器半物理仿真试验的数字与物理接口功率放大装置设计。试验结果表明,该放大装置能够精准可靠的模拟塑壳断路器的互感器。

关键词:半物理;功放;电流型;保护;断路器

引言

eMegasim实时数字仿真器的物理本质是一台超级计算机,属弱电微功率信号系统,其内核是基于电磁暂态数值理论以状态方程形式对真实系统进行实时计算,借助于A/D和D/A转换,eMegasim可以从外界输入微功率的电平物理量作为状态方程的“激励”参量(源变量),亦可以将状态方程的“响应”参量(解变量)以微功率的电平物理量形式向外界输出。由于仿真模型是经过数学抽象的虚拟等值,这种完全用软件实现的模拟方法可以很灵活地对各种复杂网络进行仿真且无须增加硬件成本。但eMegasim也存在一个局限:它只能外接与其信号系统属性相当的微功率实物,这就是说,单纯eMegasim是无法连接任何电力系统及其设备装置进行物理层面试验的,只有通过数字与物理接口功率放大装置将eMegasim的解变量D/A输出信号放大为作用于受试装置的实际物理量[1-3]。实际电力系统及其设备属能量系统,在满足相似定理的条件下,理论上应以物理试验回路对实物被试品进行测试,由于未经过数学等值环节,因而物理试验结果的可信度是较高的。然而,物理试验存在很大的局限性,这就是物理模型必须由实际系统中原型实物来搭建,等同于直接对真实系统/设备进行原型试验,众所周知,安全规则一般不允许直接在真实系统中进行试验,尤其是严格禁止带全电网进行故障试验,以免因试验给系统中某些设备造成损伤而留下安全隐患;另一方面,用原型实物搭建的物理试验模型不仅经济代价高昂、并且模型结构/参数的设置缺乏可调性和灵活性[1-3]。因此,之所以采用半物理仿真,正是为了利用eMegasim数字仿真器在模型构建方面的灵活性、经济性和安全性优势来弥补物理实物模型的不足,同时又保留物理试验固有的可信度,即利用eMegasim电网数字模型的D/A、A/D端口通过数字与物理接口功率放大装置和合适的接驳方案将其与被试品实物连接,使被试品实物在最接近实际工作状况的物理环境下动态运行。

1塑壳断路器的保护原理

由上海电器科学研究所(集团)有限公司生产的带智能脱扣器的塑壳式舰用断路器保护原理如图1所示。根据图1,断路器内的互感器(电流互感器CT或电压互感器PT)一次侧采集电力系统主回路中的实际大电流,通过一定变比转换后,由二次侧输出能被保护执行元件(脱扣器测量单元)接收的小信号—塑壳式断路器的二次侧额定信号等级为63mA电流信号。二次侧信号送至保护执行元件(脱扣器)后,保护执行元件将接收到的信号与保护整定参数进行比较,判断断路器是否进行保护动作。

2技术难点

由于eMegasim的模拟量输出范围为峰-峰±16V的D/A微功率电压信号,而实际受试塑壳断路器的脱扣装置额定有效值分别对应于数十mA,同时eMegasim的D/A输出端口并不具备载荷断路器测量回路的功率,这决定了信号功率放大器设备研制的下列三个技术难点:1)如何保障输出电流对输入信号的高保真快速动态响应及增益的稳定性;2)如何保障电流端口输出阻抗的匹配必须不随载荷功率的变化而变化;3)受试塑壳开关脱扣装置有一前置采样电阻,该电阻串接于电流功率放大器输出口,相当于在实际电流互感器CT二次侧接入一个电压大范围变化非线性电流负载,不符电力系统“CT二次侧须短接”常规,为此功放性能必须加以特殊设计。

3技术方案

根据电路替代定理及半物理仿真系统原理,信号功率放大装置及其实物载荷与eMegasim仿真器数字模型中相应的支路电流变量及其支路元件模型采用所谓双向控制法可以构成一对属于自身形态的相互等效替代支路。eMegasim仿真器建立有全船电网数字模型,将其中被试对象支路模型中流过的电流通过模拟量输出、在经过信号功率放大装置形成电流源施加于被试品实物支路中,而实物断路器的分、合状态通过其辅助触点逻辑量输入eMegasim仿真器控制支路开关模型的分、合动作,形成半物理闭环仿真试验回路。另外,根据塑壳断路器的保护原理,其二次侧为mA级电流信号,因此数字与物理接口功率放大装置必须输出电流信号。电流型数字与物理功率放大装置由电源变换单元、信号输入保护单元、噪声抑制单元、信号处理单元、V/I转换单元、输出驱动单元和输出保护单元组成。其主要结构如图2所示。设备基本功能是:将实时数字仿真平台eMegasim的D/A输出微功率信号高保真地放大成与受试断路器脱扣装置功率相当的电流施加于受试脱扣装置的采样回路。以二次控制保护装置为被试品实物的半物理仿真电路原理图及本试验设备在仿真回路中的功能作用如图3所示。用于二次控制保护装置测量回路(感测元件)的电流信号功率放大器起着实际系统中电流互感器的作用,其输出的物理量与实际互感器二次侧相同,连接于数字与物理接口功率放大装置上的控制保护装置等效于联接在实际系统的互感器上;至于控制保护装置执行机构产生的动作指令信号(一般为开关或脉冲电平等0/1信号),则可通过相应传感器经由eMegasim仿真器I/O口反馈至电网数字模型形成数字-物理混合仿真的实时闭环。上图中,功放即为数字与物理接口功率放大装置,数字仿真器和保护执行机构属于半物理试验系统中的其他设备。更具体地针对本项目并以用于测试塑壳断路器脱扣性能的电流型数字与物理功率放大装置为例加以说明。eMegasim仿真器建立有舰船电网数字模型,将其中被试对象支路模型中流过的电流i通过模拟量输出、再经过功率放大器形成电流源施加于被试品过流保护脱扣装置,而脱扣装置的跳闸控制信号(1→0)通过数字量输入进eMegasim仿真器控制支路开关模型的分闸动作,如图4所示。根据受试塑壳断路器标称脱扣性能针对电流型数字与物理接口功率放大装置的具体参数设计如下:塑壳断路器脱扣装置的标称性能,其互感器一次侧额定电流对应二次侧60mA(有效值),由其标称的保护I—t性能可知:其瞬动电流不超过额定电流In的12倍,因此只要数字与物理接口功率放大装置的输出功能具备“12In+—长期”能效,即可覆盖受试脱扣装置的I—t性能范围。结合eMegasim的模拟量输出范围为峰-峰±16V,则数字与物理接口功率放大装置增益由下式算出,取数字与物理接口功率放大装置的增益0.1A/V。

4技术指标

根据上述技术方案,电流型数字与物理接口功率放大装置达到的技术指标如表1所示。

5结语

本文设计的电流型数字与物理接口功率放大装置作为试验设备,参与了舰用塑壳断路器保护特性测试的半物理仿真试验,分别对塑壳断路器的长延时、短延伸和瞬动保护特性进行了试验,试验结果表明,设计的电流型数字与物理接口功率放大装置输出端口能够精准可靠的模拟塑壳断路器的互感器,很好的满足了半物理仿真试验需求。

参考文献:

[1]杨小品,查晓明,李尚盛,钱珞江.基于RTDS的APF硬件在环仿真系统[J].电力自动化设备,2010,30(10):65-68.

[2]梅成林,张立冬,邵稳,张硕廷,张步涵等.数-模综合仿真接口算法分析[J].广东电力,2012,25(7):22-26.

[3]陈磊,闵勇,叶骏,李国杰,梁旭.数字物理混合仿真系统的建模及理论分析(二)接口、稳定性与相移分析[J].电力系统自动化,2009,33(24):26-29.

作者:李健健 单位:中国舰船研究设计中心

电流型数字与物理接口功率装置设计责任编辑:张雨    阅读:人次
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