一种晶闸管仿真装置以及晶闸管半实物仿真平台的制作方法

本发明涉及一种晶闸管仿真装置以及晶闸管半实物仿真平台，属于直流断路器技术领域。

背景技术：

晶闸管开关是柔性交直流输电中重要的组成元件，被广泛应用于晶闸管相控并联电抗器(tcr)、晶闸管投切并联电容器(tsc)和直流断路器等电力系统产品中。因晶闸管开关的结构和控制保护逻辑复杂，在入网投运前，需要进行严格的软硬件仿真，以验证晶闸管开关的正确性、可靠性以及稳定性等性能。

目前，市场上常用的仿真平台是rtds/rt-lab数字仿真仪，该数字仿真仪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，需要花费数十万美元。

因此，研究出一种可实现晶闸管开关实时准确仿真的同时且价格低廉的仿真平台显得十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种晶闸管仿真装置以及晶闸管半实物仿真平台，用于以解决晶闸管的仿真成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种晶闸管仿真装置，包括以下方案：

装置方案一：该仿真装置用于接收来自于一个晶闸管控制保护装置的控制信号，并将所述控制信号传输到一个运行仿真软件、存储有晶闸管设备仿真模型的电脑；所述晶闸管仿真装置接收所述仿真软件产生的仿真过程数据，将所述仿真过程数据转发给所述晶闸管控制保护装置。

装置方案二：在装置方案一的基础上，所述仿真过程数据包括线路电压量、线路电流量、相位差和开关位置。

装置方案三、四：分别在装置方案一、二的基础上，所述控制信号包括分/合闸指令和触发脉冲信号。

装置方案五、六：分别在装置方案三、四的基础上，所述晶闸管仿真装置包括背板，所述背板上连接有通信板，所述通信板上设有用于与电脑连接的串口通信单元。

装置方案七、八：分别在装置方案五、六的基础上，所述背板上连接有脉冲识别板，所述脉冲识别板用于根据晶闸管控制保护装置的触发脉冲信号和仿真软件下发的相位同步信号计算触发角，并把所述触发角转发给所述通信板。

装置方案九、十：分别在装置方案五、六的基础上，所述背板上连接有快速io板，所述快速io板用于接收晶闸管控制保护装置的分/合闸指令，并转发给所述通信板。

装置方案十一、十二：分别在装置方案五、六的基础上，所述背板上连接有电压输出板和电流输出板，所述电压输出板用于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晶闸管控制保护装置；所述电流输出板用于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晶闸管控制保护装置。

装置方案十三、十四：分别在装置方案十一、十二的基础上，所述背板上连接有录波回放板，所述录波回放板用于对经过所述晶闸管仿真装置处理后的模拟电压量、模拟电流量以及分/合闸指令进行录波和回放。

本发明还提供了一种晶闸管半实物仿真平台，包括以下方案：

平台方案一：该仿真平台包括一个运行仿真软件、存储有晶闸管设备仿真模型的电脑以及一个与所述电脑通讯连接的晶闸管仿真装置；所述晶闸管仿真装置用于接收来自于一个晶闸管控制保护装置的控制信号，并将所述控制信号传输到所述电脑；所述电脑内的仿真软件根据所述控制信号和所述晶闸管设备仿真模型生成仿真过程数据；所述晶闸管仿真装置接收所述仿真软件产生的仿真过程数据，将所述仿真过程数据转发给所述晶闸管控制保护装置。

平台方案二：在平台方案一的基础上，所述仿真软件为pscad或matlab。

平台方案三、四：分别在平台方案一、二的基础上，所述仿真过程数据包括线路电压量、线路电流量、相位差和开关位置。

平台方案五、六：分别在平台方案三、四的基础上，所述控制信号包括分/合闸指令和触发脉冲信号。

平台方案七、八：分别在平台方案五、六的基础上，所述晶闸管仿真装置包括背板，所述背板上连接有通信板，所述通信板上设有用于与电脑连接的串口通信单元。

平台方案九、十：分别在平台方案七、八的基础上，所述背板上连接有脉冲识别板，所述脉冲识别板用于根据晶闸管控制保护装置的触发脉冲信号和仿真软件下发的相位同步信号计算触发角，并把所述触发角转发给所述通信板。

平台方案十一、十二：分别在平台方案七、八的基础上，所述背板上连接有快速io板，所述快速io板用于接收晶闸管控制保护装置的分/合闸指令，并转发给所述通信板。

平台方案十三、十四：分别在平台方案七、八的基础上，所述背板上连接有电压输出板和电流输出板，所述电压输出板用于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晶闸管控制保护装置；所述电流输出板用于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晶闸管控制保护装置。

平台方案十五、十六：分别在平台方案十三、十四的基础上，所述背板上连接有录波回放板，所述录波回放板用于对经过所述晶闸管仿真装置处理后的模拟电压量、模拟电流量以及分/合闸指令进行录波和回放。

本发明的有益效果是：晶闸管半实物仿真平台由两部分构成，一部分是运行仿真软件、存储有晶闸管设备仿真模型的电脑，另一部分是晶闸管仿真装置，电脑通过采用仿真软件建立仿真模型，通过仿真模型计算晶闸管控制保护装置给出的命令，生成仿真过程数据并反馈给晶闸管控制保护装置；而晶闸管仿真装置则起到电脑与晶闸管控制保护装置之间沟通、数据转换的功能，比如，将晶闸管控制保护装置下发的控制信号发送给仿真软件；将仿真软件所生成的仿真过程数据并转发给晶闸管控制保护装置；通过该仿真平台，实现了晶闸管的半实物仿真，可以满足大批量晶闸管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晶闸管仿真装置即可实现，降低了仿真成本，性价比极高。

附图说明

图1是仿真平台搭建框图；

图2是晶闸管仿真装置的配置图；

图3是晶闸管仿真装置的信号传输。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

在本实施例中，晶闸管仿真平台由电脑(如pc或工控机)安装的pscad软件和串口通信模块、晶闸管仿真装置、晶闸管控制保护装置以及电脑监控后台组成，仿真平台搭建框图如图1所示。其中，pscad软件通过串口通信模块与晶闸管仿真装置进行通信，晶闸管控制保护装置向晶闸管仿真装置发送控制信号，并接收来自晶闸管仿真装置的仿真过程数据信息，电脑监控后台采用rj45串口与晶闸管控制保护装置进行通信。其中，pscad和晶闸管仿真装置一起构成了晶闸管半实物仿真平台。

下面对上述仿真平台中的各个装置或模块做进一步详细介绍。

1、pscad和串口通信模块

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软件函数，主要用于实现pscad与晶闸管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与晶闸管仿真装置之间的信息交换。

2、晶闸管仿真装置

晶闸管仿真装置是晶闸管半实物仿真平台的硬件部分，如图2所示，该仿真装置包括通信板、脉冲识别板、快速io板、电压输出板、电流输出板、录波回放板和电源板等功能组件，其中：

通信板负责晶闸管仿真装置的管理和通信，通过串口通信模块与运行仿真软件pscad的电脑进行交互通信，负责将自于晶闸管控制保护装置的控制信号发送给pscad，还负责将pscad下载的仿真过程数据进行解析、并存储到sd卡内，并通过背板将解析后的串口通信内容分类传送给晶闸管仿真装置的其他部件。

以svc的晶闸管相控并联电抗器tcr为例，pscad仿真通讯使用rs232串口，对由晶闸管仿真装置到pscad软件的控制信号(上行数据)以及由pscad软件到晶闸管仿真装置的仿真过程数据(下行数据)进行说明：

(1)上行数据

由晶闸管仿真装置到pscad软件，包括分/合闸投退命令和晶闸管触发角度。其中，改变tcr里面的晶闸管的触发角度，可以改变tcr输出的无功功率，从而调节线路无功。该上行数据的内容可以总的认为是：晶闸管仿真装置采集来自控制保护装置的多个开关量和模拟量，转换为数据，发送到pscad软件上。

(2)下行数据

由pscad软件到晶闸管仿真装置，包括线路电压量、线路电流量、相位差和开关位置。其中，相位差指的是电压正弦波和电流正弦波之间的角度差。该下行数据的内容可以总的认为是：多个开关量和模拟量。

脉冲识别板通过光纤与晶闸管控制保护装置进行通信，根据晶闸管控制保护装置的触发脉冲和pscad仿真软件下发的相位同步信号计算触发角，并把触发角通过背板发送给通信板。另外，晶闸管脉冲识别板的数量可根据晶闸管控制保护装置的触发板的数量进行相应配置。

快速io板用于接收晶闸管控制保护装置的投退命令，即分/合闸信号，并将该分/合闸信号通过背板发送给通信板。

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晶闸管控制保护装置的电压测量板卡。

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晶闸管控制保护装置的电流测量板卡。

录波回放板用于对电压输出板处理得到的电压模拟量、电流输出板处理得到的电流模拟量等模拟量和快速io板接收到的分/合闸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。

上述的通信板、脉冲识别板、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均与背板相连，并通过背板实现两两之间的信号传输。

电源板用于给快晶闸管仿真装置充电，可以是直接和电源相连的接口，也可以是包括供电电源的供电设备。

图3给出了晶闸管仿真装置内仿真过程数据的传输情况，即由通信板接收来自运行仿真软件的电脑所发送的线路电压量、线路电流量、相位差和开关位置等仿真过程数据，而通信板与电压输出板、电流输出板和录波回放板之间则是通过背板来实现信息交换。

另外，脉冲识别板和快速io板也通过背板与通信板实现信息交换。晶闸管仿真装置内的通信延时可以做时间补偿，比如触发角在下个周波里进行改变。

以上是晶闸管仿真装置的一种具体结构，由多个板卡形成，多板卡设计属于电力系统控制设备常用的架构，因此只对各个板卡所实现的功能进行介绍，而对硬件不再进行赘述。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。

3、晶闸管控制保护装置和监控后台

晶闸管控制保护装置和监控后台属于被测试系统，不属于晶闸管半实物仿真平台，主要用于对发晶闸管设备下发控制信号以及接收晶闸管仿真装置发送的信息，同时监控晶闸管仿真装置的运行状态。其中，晶闸管控制保护装置下发的控制信号由晶闸管设备来确定，对应不同的晶闸管仿真模型，控制信号应当是相应的。一般情况下，该控制信号包括分/合闸信号和触发脉冲，或者是单独的分/合闸信号。当然，关于用pscad设计不同的晶闸管设备对应的控制信号，对本领域技术人员来讲属于现有技术，此处不再赘述。

下面以tcr为例，说明晶闸管半实物仿真平台的控制流程：

准备阶段：

pscad建立tcr的仿真模型，编写晶闸管控制保护策略和逻辑时序的程序模块，仿真环境所有环节处于运行状态，晶闸管仿真装置已经接收到pscad下载的线路电压量、线路电流量、相位差和tcr开关位置等数据，并存储到sd卡内，且生成了触发脉冲的同步信号等。

仿真阶段：

(1)由监控后台向晶闸管控制保护装置下发tcr投入命令以及晶闸管触发脉冲信号；

(2)晶闸管控制保护装置输出合闸信号和晶闸管触发脉冲信号；

(3)晶闸管仿真装置的脉冲识别板接收由晶闸管控制保护装置发送的晶闸管触发脉冲信号，并根据触发脉冲和仿真软件下发的相位同步信号计算触发角，将触发角转发给晶闸管仿真装置的通信板；晶闸管仿真装置的快速io板接收由晶闸管控制保护装置发送的合闸信号并将该合闸信号转发给通信板，通信板将触发角和合闸信号发送给仿真软件pscad；

(4)晶闸管仿真装置的通信板将已经从pscad下载的仿真过程数据进行解析，同时通过背板分别将流经晶闸管的电流发送给电流输出板，将晶闸管两端电压发送给电压输出板；

(5)电压输出板将接收到的数字量电压转换成模拟量电压，并发送给晶闸管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，并发送给晶闸管控制保护装置的电流测量板卡；录波回放板对模拟量电压、模拟量电流和合闸信号进行录波和回放；

(6)晶闸管控制保护装置根据晶闸管仿真装置发送过来的晶闸管动作流程和变化，并通过rj45串口实现与电脑监控后台的通信，上报事件信息，最终实现对晶闸管的测试功能。

另外，晶闸管仿真装置通过晶闸管脉冲识别，根据触发角度参数，改变tcr输出容量，调节电网电压或无功功率。

本实施例中的晶闸管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，可以满足大批量晶闸管控制装置测试用户的需求。

以上实施例中，是对tcr进行仿真，因此pscad建立tcr的仿真模型。作为其他实施方式，比如需要对tsc进行仿真，则需要pscad建立tsc的仿真模型，当然，如果对其他晶闸管设备进行仿真，则需要pscad建立该晶闸管设备相应的仿真模型。