專利名稱：用于仿真的電氣開關、電氣開關系統及仿真方法
技術領域：
本發明涉及仿真技術領域，特別涉及一種用于仿真的電氣開關、電氣開關系統以及電氣開關系統的仿真方法。
背景技術：
電氣開關指的是電氣回路的斷路器、接觸器、空氣開關等元件。當電氣開關處于導通、閉合兩種狀態時，連接有該開關的電氣回路的運行拓撲將發生改變。在小型電路的計算機仿真時，電氣開關的開關閉合狀態可直接簡化為對電網絡狀態方程的修改。對于大型電路的計算機仿真，由于爭取開發時間的需要，往往將結構復雜的大型電路按照關鍵部件進行模塊化分解，然后由不同的工作人員獨立開發、調試各個模塊。這些模塊由一個或多個狀態方程構成，各狀態方程間按照一定的因果邏輯進行數據交換，因此，在電氣開關的狀態發生變化時，直接對電網絡狀態方程的修改將無法滿足要求。但是，無論如何仿真電氣開關的狀態變化，作為連接各個電網絡模型的電氣開關，在導通或者斷開前后，必須維持電網絡模型間數據交換的連續性以符合數據交換的因果邏輯。附
圖1示出了電氣開關在仿真中的直觀模型，該電氣開關連接兩個電網絡，當電氣開關閉合時，兩個電網絡處于導通狀態，進而通過電網絡的運行完成某種指定的電路功能；當電氣開關斷開時，兩個電網絡之間的連接被切斷，各自獨立地實現指定的電路功能。 實際上，在電路仿真技術領域，電氣開關常常視為一個簡易的電網絡，附圖2示出了電氣開關作為電網絡時與其他電網絡的連接圖。如果電網絡1為電壓輸入型網絡，即仿真計算的因果邏輯之“因”為輸入量端口電壓ul，“果”為輸出量端口電流il，相應地，電網絡2為電流輸入型網絡，即仿真計算的因果邏輯之“因”為輸入量端口電流i2，“果”為輸出量端口電壓u2，則該圖所示的電網絡的工作過程是當電氣開關K閉合時，電網絡1與電網絡2處于連通狀態，電網絡1的端口電壓ul =u2，電網絡2的端口電流i2 = il ；當電氣開關K斷開時，電網絡1端口開路，其端口電流il與電網絡2的端口電流i2為零，而電網絡1的端口電壓ul則成為未知量。由此可見，電網絡1的輸出輸入數據的因果邏輯發生矛盾。目前，常用電阻等效法對電氣開關進行建模以規避上述矛盾。附圖3示出了采用等效電阻的電網絡連接圖。當電氣開關K處于閉合狀態時，電網絡1與電網絡2處于連接狀態，但開關電阻為零，用串聯電阻Ron進行等效，串聯電阻Ron的電阻接近零；當電氣開關 K斷開時，電網絡1與電網絡2仍然處于連接狀態，但開關電阻為無窮大，用串聯電阻Roff 進行等效，串聯電阻Roff的電阻理論上為無窮大。假設上述電網絡中各個電量的參考方向如圖所示，根據電路原理對該開關模型建立附圖4所示的模型。由于電氣開關K實際上被看作一個新的電氣網絡引入到整個電網絡中，進行計算機仿真時將不再出現如上所述的輸入量與輸出量之間的邏輯矛盾。上述采用電阻等效法建立的電氣開關模型雖然在理論上非常接近實際情況，但是，上述電氣開關模型中的開關電阻在計算機仿真中極難把握當開關電阻的數值過小時， 所述的電氣開關模型往往不能真實反映電網絡的實際工作狀況；當開關電阻的數值過大時，導致開關電阻的數值與電網絡中的儲能元件的相應數值相差甚大，從而使電網絡的微分求解的收斂難度增加，要解決收斂問題，需采用變步長、隱式的求解方法，然而該方法計算時間長、計算機資源耗費嚴重。因此，采用上述電阻等效法建立的電氣開關模型不適合部件結構較為復雜的系統級實時仿真。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于仿真的電氣開關、電氣開關系統及其仿真方法， 該系統和方法原理簡單，計算量少、穩定性強，能快速完成電氣開關狀態變化時電路仿真計算的銜接和延續，適合于大型的系統級實時電路仿真。本發明給出的一種用于仿真的電氣開關包括受控電流源與受控電壓源，其中 所述受控電流源與電網絡連接；所述受控電壓源與電壓輸入型電網絡連接，所述電壓輸入型電網絡為仿真邏輯中輸入量為端口電壓、輸出量為端口電流的電網絡。優選地，所述電氣開關還包括第一電阻元件，所述第一電阻元件串接在所述受控電壓源與輸入型電網絡的連接電路上。本發明提供了一種用于仿真的電氣開關系統，該系統包括第一電網絡、電氣開關和第二電網絡，其中所述第一電網絡為電壓輸入型網絡，該網絡至少包括第一子電網絡和第二子電網絡；所述第一子電網絡為電流輸入型電網絡，該子電網絡與所述第二子電網絡連接；所述第二子電網絡包括第一電感元件和第二電阻元件，該子電網絡與所述電氣開關的受控電壓源連接；所述電氣開關包括受控電流源與受控電壓源，所述受控電流源與所述第二電網絡連接，該受控電流源的電流受第一電網絡控制；所述受控電壓源與第一電網絡連接，該受控電壓源的電壓受所述第二電網絡或第一電網絡的第一子電網絡的控制。本發明還提供了又一種用于仿真的電氣開關系統，該系統包括第三電網絡、電氣開關、第四電網絡和第三電阻元件，其中所述第三電網絡至少包括第三子電網絡，該子電網絡包括第二電感元件和第四電阻元件，該子電網絡通過所述第三電阻元件與所述電氣開關的受控電壓源連接；所述電氣開關包括受控電流源與受控電壓源，所述受控電流源與第四電網絡連接，該受控電流源的電流受第三電網絡控制；所述受控電壓源通過所述第三電阻元件與所述第三電網絡連接，該受控電壓源受第四電網絡控制。進一步優選地，所述第三電阻元件位于所述電氣開關內。本發明還提供了一種電氣開關系統的仿真方法，該方法包括(1)當電氣開關閉合時根據受控電源中的主控量與受控量的關系得到uk = U2, ik = I1，其中uk為電氣開關的受控電壓源的電壓，U2為第二電網絡的端口電壓；ik為電氣開關的受控電流源的電流，I1為第一電網絡的輸入電流，則第一電網絡和第二電網絡的端口電壓及其關系為=U1 = Uk = U2 ；第一電網絡和第二電網絡的端口電流及其關系為山=ik= i2。(2)當電氣開關斷開時
電氣開關的受控電流源不再具有提供電流的控制源，則ik = I2 = 0，u2 = 0電氣開關的受控電壓源由受第二電網絡控制變為受第一電網絡的第一子電網絡控制，則uk = u/ =U1，其中U/為第一電網絡的第一子電網絡的端口電壓，U/的數值根據預設規則得到；根據第二子電網絡包括的第一電感元件和第二電阻元件建立第二子電網絡的微分方程模型，利用該模型計算得到I1，所述模型為
權利要求
1.一種用于仿真的電氣開關，其特征在于，該開關包括受控電壓源與受控電流源， 其中所述受控電壓源與電壓輸入型電網絡連接；所述受控電流源與電流輸入型電網絡連接，所述電壓輸入型電網絡為仿真邏輯中輸入量為端口電壓、輸出量為端口電流的電網絡， 所述電流輸入型電網絡為仿真邏輯中輸入量為端口電流、輸出量為端口電壓的電網絡。
2.根據權利要求1所述的電氣開關，其特征在于，所述電氣開關還包括第一電阻元件， 所述第一電阻元件串接在所述受控電壓源與電壓輸入型電網絡的連接電路上。
3.一種用于仿真的電氣開關系統，其特征在于，該系統包括電壓輸入型的第一電網絡、 電氣開關和電流輸入型的第二電網絡，其中所述第一電網絡至少包括第一子電網絡和第二子電網絡；所述第一子電網絡為電流輸入型電網絡，該子電網絡與所述第二子電網絡連接；所述第二子電網絡包括第一電感元件和第二電阻元件，該子電網絡與所述電氣開關的受控電壓源連接；所述電氣開關包括受控電壓源與受控電流源，所述受控電壓源與第一電網絡連接，該受控電壓源的電壓受所述第二電網絡控制，所述受控電流源與所述第二電網絡連接，該受控電流源的電流受第一電網絡控制。
4.一種用于仿真的電氣開關系統，其特征在于，該系統包括電壓輸入型的第三電網絡、 電氣開關、電流輸入型的第四電網絡和第四電阻元件，其中所述第三電網絡至少包括第三子電網絡和第四電網絡；所述第四子電網絡包括第二電感元件和第三電阻元件，該子電網絡通過所述第四電阻元件與所述電氣開關的受控電壓源連接；所述電氣開關包括受控電壓源與受控電流源，所述受控電壓源通過所述第四電阻元件與所述第三電網絡連接，該受控電壓源受第四電網絡控制，所述受控電流源與第四電網絡連接，該受控電流源的電流受第三電網絡控制。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述第四電阻元件位于所述電氣開關內。
6.一種基于權利要求3所述電氣開關系統的仿真方法，其特征在于，該方法包括(1)當電氣開關閉合時根據受控電源中的主控量與受控量的關系得到uk = u2, ik = I1，其中uk為電氣開關的受控電壓源的電壓，U2為第二電網絡的端口電壓；ik為電氣開關的受控電流源的電流，I1 為第一電網絡的輸入電流，則第一電網絡和第二電網絡的端口電壓及其關系為=U1 = Uk = U2 ；第一電網絡和第二電網絡的端口電流及其關系為= ik = i2。(2)當電氣開關斷開時電氣開關的受控電流源不再具有提供電流的控制源，則ik =I2 = 0，u2 = 0電氣開關的受控電壓源由受第二電網絡控制變為受第一電網絡的第一子電網絡控制，則uk = U1' = U1，其中u/為第一電網絡的第一子電網絡的端口電壓，u/的數值根據預設規則得到；根據第二子電網絡包括的第一電感元件和第二電阻元件建立第二子電網絡的微分方程模型，利用該模型計算得到I1，所述模型為L — = -LRy + M1 -M1 (第一式) dt第一式中L1為第一電感元件的電感，R2為第二電阻元件的電阻。
7.一種基于權利要求4所述電氣開關系統的仿真方法，其特征在于，該方法包括(1)當電氣開關閉合時將第四電阻元件R4的電阻值置零，則根據受控電源中的主控量與受控量的關系得到uk = u4, ik = i3，其中uk為電氣開關的受控電壓源的電壓，U4為第四電網絡的端口電壓；ik為電氣開關的受控電流源的電流，i3 為第三電網絡的輸入電流；第三電網絡和第四電網絡的端口電壓及其關系為u3 = uk = U4 ；第三電網絡和第四電網絡的端口電流及其關系為i3 = ik= i4。(2)當電氣開關斷開時電氣開關的受控電流源不再具有提供電流的控制源，則ik =I4 = O5U4 = 0 ；電氣開關的受控電壓源由受第四電網絡控制變為受第三電網絡的第四子電網絡控制，則uk = u3’， 其中u/為第三子電網絡的端口電壓；選取電氣開關斷開前的第三電網絡的端口電壓與電流U3(C^i3ftl),以及電氣開關斷開后的第三電網絡的端口電流i3(1)為初始值；根據上述初始值按照第二式、第三式進行遞推，得到第三電網絡的端口電壓u3，所述第二式、第三式為；
8.根據權利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述第三電阻元件的電阻R3為零。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述第四電阻元件4的取值按照第四式進行選取，所述第四式為
全文摘要
本發明提供了一種用于仿真的電氣開關。該電氣開關包括受控電流源與受控電壓源，其中所述受控電壓源與電壓輸入型電網絡連接；所述受控電流源與電流輸入型電網絡連接，所述電壓輸入型電網絡為仿真邏輯中輸入量為端口電壓、輸出量為端口電流的電網絡。本發明還提供了一種用于仿真的電氣開關系統和仿真方法。本發明方案原理簡單，計算量少，穩定性強，能快速完成電氣開關狀態變化時，電路仿真計算的銜接和延續，適合于大型系統級實時電路仿真應用。
文檔編號G06F17/50GK102226902SQ201110150740
公開日2011年10月26日 申請日期2011年6月7日 優先權日2011年6月7日
發明者應婷, 張宇, 李江紅, 沈坤, 王堅, 譚娟 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司