電流型數字與物理接口功率裝置設計范文

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摘要：在基于eMegasim實時數字仿真平臺的半物理試驗系統中，數字與物理接口功率放大裝置起著將艦船電網eMegasim數字仿真模型與受試保護裝置連接的作用，形成半物理閉環仿真試驗回路，即數字與物理接口功率放大裝置的輸出端口與實際斷路器的電流互感器二次側完全物理等效，可直接接入受試的脫扣保護裝置。本文介紹了一種用于艦船塑殼斷路器半物理仿真試驗的數字與物理接口功率放大裝置設計。試驗結果表明，該放大裝置能夠精準可靠的模擬塑殼斷路器的互感器。

關鍵詞：半物理；功放；電流型；保護；斷路器

引言

eMegasim實時數字仿真器的物理本質是一臺超級計算機，屬弱電微功率信號系統，其內核是基于電磁暫態數值理論以狀態方程形式對真實系統進行實時計算，借助于A/D和D/A轉換，eMegasim可以從外界輸入微功率的電平物理量作為狀態方程的“激勵”參量（源變量），亦可以將狀態方程的“響應”參量（解變量）以微功率的電平物理量形式向外界輸出。由于仿真模型是經過數學抽象的虛擬等值，這種完全用軟件實現的模擬方法可以很靈活地對各種復雜網絡進行仿真且無須增加硬件成本。但eMegasim也存在一個局限：它只能外接與其信號系統屬性相當的微功率實物，這就是說，單純eMegasim是無法連接任何電力系統及其設備裝置進行物理層面試驗的，只有通過數字與物理接口功率放大裝置將eMegasim的解變量D/A輸出信號放大為作用于受試裝置的實際物理量[1-3]。實際電力系統及其設備屬能量系統，在滿足相似定理的條件下，理論上應以物理試驗回路對實物被試品進行測試，由于未經過數學等值環節，因而物理試驗結果的可信度是較高的。然而，物理試驗存在很大的局限性，這就是物理模型必須由實際系統中原型實物來搭建，等同于直接對真實系統/設備進行原型試驗，眾所周知，安全規則一般不允許直接在真實系統中進行試驗，尤其是嚴格禁止帶全電網進行故障試驗，以免因試驗給系統中某些設備造成損傷而留下安全隱患；另一方面，用原型實物搭建的物理試驗模型不僅經濟代價高昂、并且模型結構/參數的設置缺乏可調性和靈活性[1-3]。因此，之所以采用半物理仿真，正是為了利用eMegasim數字仿真器在模型構建方面的靈活性、經濟性和安全性優勢來彌補物理實物模型的不足，同時又保留物理試驗固有的可信度，即利用eMegasim電網數字模型的D/A、A/D端口通過數字與物理接口功率放大裝置和合適的接駁方案將其與被試品實物連接，使被試品實物在最接近實際工作狀況的物理環境下動態運行。

1塑殼斷路器的保護原理

由上海電器科學研究所（集團）有限公司生產的帶智能脫扣器的塑殼式艦用斷路器保護原理如圖1所示。根據圖1，斷路器內的互感器（電流互感器CT或電壓互感器PT）一次側采集電力系統主回路中的實際大電流，通過一定變比轉換后，由二次側輸出能被保護執行元件（脫扣器測量單元）接收的小信號—塑殼式斷路器的二次側額定信號等級為63mA電流信號。二次側信號送至保護執行元件（脫扣器）后，保護執行元件將接收到的信號與保護整定參數進行比較，判斷斷路器是否進行保護動作。

2技術難點

由于eMegasim的模擬量輸出范圍為峰-峰±16V的D/A微功率電壓信號，而實際受試塑殼斷路器的脫扣裝置額定有效值分別對應于數十mA，同時eMegasim的D/A輸出端口并不具備載荷斷路器測量回路的功率，這決定了信號功率放大器設備研制的下列三個技術難點：1）如何保障輸出電流對輸入信號的高保真快速動態響應及增益的穩定性；2）如何保障電流端口輸出阻抗的匹配必須不隨載荷功率的變化而變化；3）受試塑殼開關脫扣裝置有一前置采樣電阻，該電阻串接于電流功率放大器輸出口，相當于在實際電流互感器CT二次側接入一個電壓大范圍變化非線性電流負載，不符電力系統“CT二次側須短接”常規，為此功放性能必須加以特殊設計。

3技術方案

根據電路替代定理及半物理仿真系統原理，信號功率放大裝置及其實物載荷與eMegasim仿真器數字模型中相應的支路電流變量及其支路元件模型采用所謂雙向控制法可以構成一對屬于自身形態的相互等效替代支路。eMegasim仿真器建立有全船電網數字模型，將其中被試對象支路模型中流過的電流通過模擬量輸出、在經過信號功率放大裝置形成電流源施加于被試品實物支路中，而實物斷路器的分、合狀態通過其輔助觸點邏輯量輸入eMegasim仿真器控制支路開關模型的分、合動作，形成半物理閉環仿真試驗回路。另外，根據塑殼斷路器的保護原理，其二次側為mA級電流信號，因此數字與物理接口功率放大裝置必須輸出電流信號。電流型數字與物理功率放大裝置由電源變換單元、信號輸入保護單元、噪聲抑制單元、信號處理單元、V/I轉換單元、輸出驅動單元和輸出保護單元組成。其主要結構如圖2所示。設備基本功能是：將實時數字仿真平臺eMegasim的D/A輸出微功率信號高保真地放大成與受試斷路器脫扣裝置功率相當的電流施加于受試脫扣裝置的采樣回路。以二次控制保護裝置為被試品實物的半物理仿真電路原理圖及本試驗設備在仿真回路中的功能作用如圖3所示。用于二次控制保護裝置測量回路（感測元件）的電流信號功率放大器起著實際系統中電流互感器的作用，其輸出的物理量與實際互感器二次側相同，連接于數字與物理接口功率放大裝置上的控制保護裝置等效于聯接在實際系統的互感器上；至于控制保護裝置執行機構產生的動作指令信號（一般為開關或脈沖電平等0/1信號），則可通過相應傳感器經由eMegasim仿真器I/O口反饋至電網數字模型形成數字-物理混合仿真的實時閉環。上圖中，功放即為數字與物理接口功率放大裝置，數字仿真器和保護執行機構屬于半物理試驗系統中的其他設備。更具體地針對本項目并以用于測試塑殼斷路器脫扣性能的電流型數字與物理功率放大裝置為例加以說明。eMegasim仿真器建立有艦船電網數字模型，將其中被試對象支路模型中流過的電流i通過模擬量輸出、再經過功率放大器形成電流源施加于被試品過流保護脫扣裝置，而脫扣裝置的跳閘控制信號（1→0）通過數字量輸入進eMegasim仿真器控制支路開關模型的分閘動作，如圖4所示。根據受試塑殼斷路器標稱脫扣性能針對電流型數字與物理接口功率放大裝置的具體參數設計如下：塑殼斷路器脫扣裝置的標稱性能，其互感器一次側額定電流對應二次側60mA（有效值），由其標稱的保護I—t性能可知：其瞬動電流不超過額定電流In的12倍，因此只要數字與物理接口功率放大裝置的輸出功能具備“12In+—長期”能效，即可覆蓋受試脫扣裝置的I—t性能范圍。結合eMegasim的模擬量輸出范圍為峰-峰±16V，則數字與物理接口功率放大裝置增益由下式算出，取數字與物理接口功率放大裝置的增益0.1A/V。

4技術指標

根據上述技術方案，電流型數字與物理接口功率放大裝置達到的技術指標如表1所示。

5結語

本文設計的電流型數字與物理接口功率放大裝置作為試驗設備，參與了艦用塑殼斷路器保護特性測試的半物理仿真試驗，分別對塑殼斷路器的長延時、短延伸和瞬動保護特性進行了試驗，試驗結果表明，設計的電流型數字與物理接口功率放大裝置輸出端口能夠精準可靠的模擬塑殼斷路器的互感器，很好的滿足了半物理仿真試驗需求。

參考文獻:

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作者：李健健 單位：中國艦船研究設計中心