专利名称：用于仿真的电气开关、电气开关系统及仿真方法
技术领域：
本发明涉及仿真技术领域，特别涉及一种用于仿真的电气开关、电气开关系统以及电气开关系统的仿真方法。
背景技术：
电气开关指的是电气回路的断路器、接触器、空气开关等元件。当电气开关处于导通、闭合两种状态时，连接有该开关的电气回路的运行拓扑将发生改变。在小型电路的计算机仿真时，电气开关的开关闭合状态可直接简化为对电网络状态方程的修改。对于大型电路的计算机仿真，由于争取开发时间的需要，往往将结构复杂的大型电路按照关键部件进行模块化分解，然后由不同的工作人员独立开发、调试各个模块。这些模块由一个或多个状态方程构成，各状态方程间按照一定的因果逻辑进行数据交换，因此，在电气开关的状态发生变化时，直接对电网络状态方程的修改将无法满足要求。但是，无论如何仿真电气开关的状态变化，作为连接各个电网络模型的电气开关，在导通或者断开前后，必须维持电网络模型间数据交换的连续性以符合数据交换的因果逻辑。附
图1示出了电气开关在仿真中的直观模型，该电气开关连接两个电网络，当电气开关闭合时，两个电网络处于导通状态，进而通过电网络的运行完成某种指定的电路功能；当电气开关断开时，两个电网络之间的连接被切断，各自独立地实现指定的电路功能。 实际上，在电路仿真技术领域，电气开关常常视为一个简易的电网络，附图2示出了电气开关作为电网络时与其他电网络的连接图。如果电网络1为电压输入型网络，即仿真计算的因果逻辑之“因”为输入量端口电压ul，“果”为输出量端口电流il，相应地，电网络2为电流输入型网络，即仿真计算的因果逻辑之“因”为输入量端口电流i2，“果”为输出量端口电压u2，则该图所示的电网络的工作过程是当电气开关K闭合时，电网络1与电网络2处于连通状态，电网络1的端口电压ul =u2，电网络2的端口电流i2 = il ；当电气开关K断开时，电网络1端口开路，其端口电流il与电网络2的端口电流i2为零，而电网络1的端口电压ul则成为未知量。由此可见，电网络1的输出输入数据的因果逻辑发生矛盾。目前，常用电阻等效法对电气开关进行建模以规避上述矛盾。附图3示出了采用等效电阻的电网络连接图。当电气开关K处于闭合状态时，电网络1与电网络2处于连接状态，但开关电阻为零，用串联电阻Ron进行等效，串联电阻Ron的电阻接近零；当电气开关 K断开时，电网络1与电网络2仍然处于连接状态，但开关电阻为无穷大，用串联电阻Roff 进行等效，串联电阻Roff的电阻理论上为无穷大。假设上述电网络中各个电量的参考方向如图所示，根据电路原理对该开关模型建立附图4所示的模型。由于电气开关K实际上被看作一个新的电气网络引入到整个电网络中，进行计算机仿真时将不再出现如上所述的输入量与输出量之间的逻辑矛盾。上述采用电阻等效法建立的电气开关模型虽然在理论上非常接近实际情况，但是，上述电气开关模型中的开关电阻在计算机仿真中极难把握当开关电阻的数值过小时， 所述的电气开关模型往往不能真实反映电网络的实际工作状况；当开关电阻的数值过大时，导致开关电阻的数值与电网络中的储能元件的相应数值相差甚大，从而使电网络的微分求解的收敛难度增加，要解决收敛问题，需采用变步长、隐式的求解方法，然而该方法计算时间长、计算机资源耗费严重。因此，采用上述电阻等效法建立的电气开关模型不适合部件结构较为复杂的系统级实时仿真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于仿真的电气开关、电气开关系统及其仿真方法， 该系统和方法原理简单，计算量少、稳定性强，能快速完成电气开关状态变化时电路仿真计算的衔接和延续，适合于大型的系统级实时电路仿真。本发明给出的一种用于仿真的电气开关包括受控电流源与受控电压源，其中 所述受控电流源与电网络连接；所述受控电压源与电压输入型电网络连接，所述电压输入型电网络为仿真逻辑中输入量为端口电压、输出量为端口电流的电网络。优选地，所述电气开关还包括第一电阻元件，所述第一电阻元件串接在所述受控电压源与输入型电网络的连接电路上。本发明提供了一种用于仿真的电气开关系统，该系统包括第一电网络、电气开关和第二电网络，其中所述第一电网络为电压输入型网络，该网络至少包括第一子电网络和第二子电网络；所述第一子电网络为电流输入型电网络，该子电网络与所述第二子电网络连接；所述第二子电网络包括第一电感元件和第二电阻元件，该子电网络与所述电气开关的受控电压源连接；所述电气开关包括受控电流源与受控电压源，所述受控电流源与所述第二电网络连接，该受控电流源的电流受第一电网络控制；所述受控电压源与第一电网络连接，该受控电压源的电压受所述第二电网络或第一电网络的第一子电网络的控制。本发明还提供了又一种用于仿真的电气开关系统，该系统包括第三电网络、电气开关、第四电网络和第三电阻元件，其中所述第三电网络至少包括第三子电网络，该子电网络包括第二电感元件和第四电阻元件，该子电网络通过所述第三电阻元件与所述电气开关的受控电压源连接；所述电气开关包括受控电流源与受控电压源，所述受控电流源与第四电网络连接，该受控电流源的电流受第三电网络控制；所述受控电压源通过所述第三电阻元件与所述第三电网络连接，该受控电压源受第四电网络控制。进一步优选地，所述第三电阻元件位于所述电气开关内。本发明还提供了一种电气开关系统的仿真方法，该方法包括(1)当电气开关闭合时根据受控电源中的主控量与受控量的关系得到uk = U2, ik = I1，其中uk为电气开关的受控电压源的电压，U2为第二电网络的端口电压；ik为电气开关的受控电流源的电流，I1为第一电网络的输入电流，则第一电网络和第二电网络的端口电压及其关系为=U1 = Uk = U2 ；第一电网络和第二电网络的端口电流及其关系为山=ik= i2。(2)当电气开关断开时
电气开关的受控电流源不再具有提供电流的控制源，则ik = I2 = 0，u2 = 0电气开关的受控电压源由受第二电网络控制变为受第一电网络的第一子电网络控制，则uk = u/ =U1，其中U/为第一电网络的第一子电网络的端口电压，U/的数值根据预设规则得到；根据第二子电网络包括的第一电感元件和第二电阻元件建立第二子电网络的微分方程模型，利用该模型计算得到I1，所述模型为
权利要求
1.一种用于仿真的电气开关，其特征在于，该开关包括受控电压源与受控电流源， 其中所述受控电压源与电压输入型电网络连接；所述受控电流源与电流输入型电网络连接，所述电压输入型电网络为仿真逻辑中输入量为端口电压、输出量为端口电流的电网络， 所述电流输入型电网络为仿真逻辑中输入量为端口电流、输出量为端口电压的电网络。
2.根据权利要求1所述的电气开关，其特征在于，所述电气开关还包括第一电阻元件， 所述第一电阻元件串接在所述受控电压源与电压输入型电网络的连接电路上。
3.一种用于仿真的电气开关系统，其特征在于，该系统包括电压输入型的第一电网络、 电气开关和电流输入型的第二电网络，其中所述第一电网络至少包括第一子电网络和第二子电网络；所述第一子电网络为电流输入型电网络，该子电网络与所述第二子电网络连接；所述第二子电网络包括第一电感元件和第二电阻元件，该子电网络与所述电气开关的受控电压源连接；所述电气开关包括受控电压源与受控电流源，所述受控电压源与第一电网络连接，该受控电压源的电压受所述第二电网络控制，所述受控电流源与所述第二电网络连接，该受控电流源的电流受第一电网络控制。
4.一种用于仿真的电气开关系统，其特征在于，该系统包括电压输入型的第三电网络、 电气开关、电流输入型的第四电网络和第四电阻元件，其中所述第三电网络至少包括第三子电网络和第四电网络；所述第四子电网络包括第二电感元件和第三电阻元件，该子电网络通过所述第四电阻元件与所述电气开关的受控电压源连接；所述电气开关包括受控电压源与受控电流源，所述受控电压源通过所述第四电阻元件与所述第三电网络连接，该受控电压源受第四电网络控制，所述受控电流源与第四电网络连接，该受控电流源的电流受第三电网络控制。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第四电阻元件位于所述电气开关内。
6.一种基于权利要求3所述电气开关系统的仿真方法，其特征在于，该方法包括(1)当电气开关闭合时根据受控电源中的主控量与受控量的关系得到uk = u2, ik = I1，其中uk为电气开关的受控电压源的电压，U2为第二电网络的端口电压；ik为电气开关的受控电流源的电流，I1 为第一电网络的输入电流，则第一电网络和第二电网络的端口电压及其关系为=U1 = Uk = U2 ；第一电网络和第二电网络的端口电流及其关系为= ik = i2。(2)当电气开关断开时电气开关的受控电流源不再具有提供电流的控制源，则ik =I2 = 0，u2 = 0电气开关的受控电压源由受第二电网络控制变为受第一电网络的第一子电网络控制，则uk = U1' = U1，其中u/为第一电网络的第一子电网络的端口电压，u/的数值根据预设规则得到；根据第二子电网络包括的第一电感元件和第二电阻元件建立第二子电网络的微分方程模型，利用该模型计算得到I1，所述模型为L — = -LRy + M1 -M1 (第一式) dt第一式中L1为第一电感元件的电感，R2为第二电阻元件的电阻。
7.一种基于权利要求4所述电气开关系统的仿真方法，其特征在于，该方法包括(1)当电气开关闭合时将第四电阻元件R4的电阻值置零，则根据受控电源中的主控量与受控量的关系得到uk = u4, ik = i3，其中uk为电气开关的受控电压源的电压，U4为第四电网络的端口电压；ik为电气开关的受控电流源的电流，i3 为第三电网络的输入电流；第三电网络和第四电网络的端口电压及其关系为u3 = uk = U4 ；第三电网络和第四电网络的端口电流及其关系为i3 = ik= i4。(2)当电气开关断开时电气开关的受控电流源不再具有提供电流的控制源，则ik =I4 = O5U4 = 0 ；电气开关的受控电压源由受第四电网络控制变为受第三电网络的第四子电网络控制，则uk = u3’， 其中u/为第三子电网络的端口电压；选取电气开关断开前的第三电网络的端口电压与电流U3(C^i3ftl),以及电气开关断开后的第三电网络的端口电流i3(1)为初始值；根据上述初始值按照第二式、第三式进行递推，得到第三电网络的端口电压u3，所述第二式、第三式为；
8.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述第三电阻元件的电阻R3为零。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第四电阻元件4的取值按照第四式进行选取，所述第四式为
全文摘要
本发明提供了一种用于仿真的电气开关。该电气开关包括受控电流源与受控电压源，其中所述受控电压源与电压输入型电网络连接；所述受控电流源与电流输入型电网络连接，所述电压输入型电网络为仿真逻辑中输入量为端口电压、输出量为端口电流的电网络。本发明还提供了一种用于仿真的电气开关系统和仿真方法。本发明方案原理简单，计算量少，稳定性强，能快速完成电气开关状态变化时，电路仿真计算的衔接和延续，适合于大型系统级实时电路仿真应用。
文档编号G06F17/50GK102226902SQ201110150740
公开日2011年10月26日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者应婷, 张宇, 李江红, 沈坤, 王坚, 谭娟 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司