电力系统微型动态模拟系统交流部分设计与实现

作     者：李昊 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张恒旭

授予年度：2019年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：电力系统动态模拟 微型化 监测控制 网络通信 物理实验 

摘      要：伴随着现代电力系统交直流互联规模的不断扩大,可再生能源和储能装置的大量接入,新型元器件的大规模应用,电力系统的仿真问题将变得愈加复杂。电力系统仿真方法分为:数字仿真方法以及动态模拟方法。对于数字仿真方法,新型元器件由于其物理特性和数学模型尚不明晰而无法被加入仿真实验,抽象的仿真平台也不利于研究人员熟悉电力系统的物理元件和物理现象;对于传统的动态模拟方法,模拟元件体积庞大、价格高昂、参数调整繁琐,新能源装置和新型元件添加困难,难以搭建大规模模拟实验平台,以上原因制约了传统动态模拟方法的发展。在我国着重培育实践能力强、应用能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质综合型人才,积极发展新工科改革建设的时代背景下,电力系统数字仿真方法和传统的动态模拟方法均不能完全满足电气工程学科教学与研究的需要。因此,研究并制作一套结合了数字仿真方法和传统动态模拟方法的优点,适用于教学应用和科学实验,能够与传统的大型动态模拟实验室进行优势互补,层次化、模块化、标准化的电力系统微型动态模拟实验平台具有重要的意义。本文的主要研究内容如下:(1)基于动态模拟的基本理论一相似定理,提出了电力系统微型动态模拟的概念,从原理分析、参数计算、结构设计和硬件实现四个层面完成了电力系统微型动态模拟实验室的建设工作。探讨了相似三定理和三种相似判据的导出方法,分析了电力系统微型动态模拟系统中电压模拟比、电流模拟比、阻抗模拟比、功率模拟比的确定方法和相互制约关系。介绍了该实验室的整体架构、基本功能及适用场景。(2)从设计原理、硬件实现和监测要求三个层面介绍了本文所研制的五类微型动态模拟元件:微型模拟同步发电机组单元、微型模拟变压器、微型模拟母线单元、微型模拟输电线路单元和微型模拟负荷单元,微型模拟负荷单元又可细分为三类:微型模拟异步电动机组负荷、微型模拟电热负荷、微型模拟整流负荷。微型动态模拟元件均配有标准化的硬件接口,支持不同种类、不同数量的微型动态模拟元件的任意连接,硬件制作过程中综合考虑了模拟场景的需求、元件实现的复杂度、参数调整的便携性以及物理实验的安全性。(3)从需求分析、设计原理、硬件实现、软件开发四个层面介绍了本文所研制/应用的三种微型监测设备和三种微型控制设备。微型监测设备包括:轻型同步相量测量仪、微型模拟波形采集器和微型光电编码器;微型控制设备包括:微型模拟同步发电机组控制仪、微型模拟异步电动机组控制仪以及微型模拟母线控制仪。各类微型监测设备和控制设备均是为微型模拟元件而配套开发,以完成不同的监测和控制功能。上述设备均选取基于TCP/IP的工业以太网,实现了监控设备之间以及监控设备和服务器主站间信息的双向通信。(4)构建了电力系统微型动态模拟实验室的以太网通信系统,介绍了实验室的三层网络通信系统架构。针对每台微型监测/控制设备的数据通信特点,分别制定了具体的网络通信数据协议。提出了一种应用于微处理器的基于双环形缓冲区的数据接收与发送方法,成功应用于微型监测和控制设备。设计并在电力系统微型动态模拟实验室中完成了 7组微型动态模拟实验,并将物理实验结果与PSASP软件的仿真结果进行对比分析,结论证明了本文所述电力系统微型动态模拟实验方法的有效性,验证了本文所研制的各类微型模拟元件、微型监测设备、微型控制设备功能的正确性,网络通信系统运行的稳定性。