电力电子产品设计计算平台开发探讨

　　摘要：介绍了电力电子产品设计计算平台，主要从计算平台的技术定位、功能要求、技术方案、平台架构、前台开发、后台开发和性能测试等方面对计算平台进行了详细论述。该计算平台的实际应用，特别是相关产品实际工程数据测试，表明该计算平台架构规范合理、性能稳定、计算结果准确，达到了预期设计计算的标准化、快速性、低差错率、保密性和可追溯性等效果。

　　关键词：电力电子；设计计算；二次开发；系统架构

　　电力电子技术是一门应用于电力领域的电子技术，是使用晶闸管、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，主要用于电力变换，其所变换的功率大到数百ＭＷ甚至是ＧＷ，也可小到数Ｗ甚至１Ｗ以下。随着电力电子技术以及电子器件的发展，电力电子产品的应用场景也呈现出多样化的特点，如交直流电机、冶金工业、航空、航天、高压直流输电、柔性直流输电、无功补偿以及家用电器等方面，因此对电力电子产品的参数计算、控制、设计等提出了更高的要求。本文以高压直流输电中的换流阀产品为契机，提出一种通用型的电力电子产品设计计算系统整体架构，研发一套电力电子产品设计计算平台，以有效提高设计人员在电力电子产品设计方面的效率及能力。换流阀作为直流输电的核心设备之一，设计复杂、造价昂贵，一个微小的设计差错都可能造成重大损失，因此对换流阀设计的准确性提出了很高的要求。为了降低换流阀产品设计差错率，提高换流阀设计效率，实现标准化设计，本文在以往多个直流工程实践的基础上，结合换流阀产品特点，系统梳理和研究补充换流阀设计计算方法，开发了基于Ｍａｔｈｃａｄ后台的换流阀设计计算平台，实现了标准化设计，大大提高了换流阀设计效率和准确性。

　　１平台方案的确定

　　１．１计算平台要求

　　根据计算平台的战略性和规范性定位，对计算平台的功能和架构提出要求。１．１．１功能要求（１）设计计算应具备模块化计算和权限管理。（２）标准化设计计算。（３）设计计算的系统性、准确性和快速性。（４）系统计算的同时应兼顾某个方面的单独计算。（５）计算完成后形成标准的设计报告。（６）计算的可追溯性。（７）涵盖±１１００ｋＶ／６２５０Ａ以下所有电压和电流等级换流阀产品。１．１．２平台架构要求结合换流阀产品，提出一种通用型的电力电子平台系统架构，具体要求如图１所示。

　　１．２平台技术方案的确定

　　１．２．１后台技术方案后台是换流阀设计计算平台的核心，后台技术方案的选择是整个计算平台开发的重中之重。后台根据计算平台的功能要求及目前的技术水平主要有以下实现方式。（１）基于计算机编程语言后台的计算平台。该方式要求所有的数据计算在编程里实现，计算速度最快，但对于计算较复杂的公式，该方式实现困难，一旦平台搭建完毕，修改核心算法的代价很大。（２）基于Ｅｘｃｅｌ后台的计算平台。该方式采用Ｅｘｃｅｌ自带的计算功能进行数据计算，计算速度快，但对于工程项目，一旦平台搭建完毕，项目的再次扩展实现难度较大，且难以实现项目的相关维护、过程查看等要求。（３）基于Ｍａｔｈｃａｄ后台的计算平台。Ｍａｔｈｃａｄ是一款专业的工程计算软件，其计算过程可视化程度很高，文件中的任何部分都可以制作成动画、图标和影像数据。与专有的计算工具和电子表格不同，它显著提高了工程设计人员的个人工作效率和过程生产效率，再结合其提供的用于二次开发的ＡＰＩ接口，很容易实现系统的搭建。与其他计算解决方案不同的是，Ｍａｔｈｃａｄ是第一个允许计算者在一个工作表中同时创建和记录工程计算的解决方案。三种实现方式的优缺点见表１。综上分析，确定后台采用Ｍａｔｈｃａｄ技术方案。１．２．２平台技术架构的确定根据平台架构要求，有以下技术方案。（１）数据基于服务器技术方案。图２所示技术方案的前提是办公环境具备局域网，比较适合协同计算和便于管理，也是设计工作信息化的一个发展方向。该方案中，计算平台的服务器是计算平台的载体，用户通过访问服务器（未来可扩展到ＯＡ或者ＰＤＭ）的一级菜单进入计算页面；模块存储位置是Ｍａｔｈｃａｄ计算模块的统一存放位置；产品库为后续计算结果的存储位置（后续扩展）；计算客户端在用户登录服务器访问计算页面，选取对应模板，输入参数后进行计算，返回结果。该方案可形成完全的平台级计算平台，方便维护算例和扩展模块，方便使用，数据保密和安全度高。（２）数据基于本地技术方案。图３所示技术方案是将开发好的计算平台用程序封装后安装于计算者计算机上，从技术定位上讲，这种技术方案属于计算工具范畴，不属于计算平台范畴。当然这种技术方案比较适合在外出差无网络的情况下使用。该方案中，计算算例和计算模板都封装于程序，本地计算返回结果，产品用户通过登录程序口令访问计算页面，选取对应的模板，输入参数，产品进行计算并返回结果。该平台简单小巧易用，程序安装包可安装于任何一台计算机。

　　２平台开发

　　换流阀设计计算平台是一个复杂的系统，涉及以下技术领域。（１）基于晶闸管换流阀的电气设计计算方法。该部分为后台开发范畴，是整个计算平台的核心，主要涉及换流阀电气设计计算的核心设计计算方法，属于电力电子技术领域。（２）基于计算机技术的网页开发及计算机编程。该部分为前台开发范畴，是整个计算平台的外衣，属于计算机网页开发及编程技术领域。（３）基于Ｍａｔｈｃａｄ工程计算软件的二次开发。该部分实现前台和后台的数据传送，也是该平台开发的一个难点，需要在Ｍａｔｈｃａｄ专业软件的基础上二次开发特定的函数，实现数据的双向传送和调用，属于专业软件的二次开发，将此部分划归前台开发范畴。

　　２．１后台开发

　　从早期的舟山直流工程、嵊泗直流工程开始，西安西电电力系统公司几乎为我国每个直流工程设计和制造了晶闸管换流阀，经过几十年的工程实践和几代技术人员的不懈努力，积累了较为完善的晶闸管换流阀设计计算方法。开发过程中主要有以下工作。（１）换流阀设计计算方法的系统性梳理与完善，这是后台开发中最大的技术难点，需要对以前积累的设计方法进行全面的总结梳理，并进行归类，同时需要补充部分新的换流阀性能计算方法。需要解决的不是建立新的计算理论，而是对特定的性能如何应用现有理论进行计算的问题。（２）由于涉及的计算面广、计算变量繁多和变量之间频繁相互调用，因此需要从平台和专业的角度对所有变量标准化，以统一变量标示。（３）根据换流阀产品特点和设计计算的不同侧重点以及后期的可扩展性，将计算模块化处理，即将特定性能的计算形成一个单独的Ｍａｔｈｃａｄ文件模板，并增加标准设计文件边框，在设计计算的同时形成标准的设计报告，大大提高设计效率和降低设计人员的工作强度。模板的划分也是项目中的一个重点，必须具有规范性、合理性和兼顾不同客户的不同习惯。

　　２．２前台开发

　　计算平台的前台是人机交互的桥梁和纽带，虽然从技术角度讲界面的开发没有技术难点，但是界面的架构布局、各功能模块的划分等至关重要，涉及到技术保密性、设计可追溯性和规范性等问题。前台开发的技术难点在于开发前台和后台数据调用函数，调用函数必须能够兼顾前台的网页开发编程语言和后台专业的Ｍａｔｈｃａｄ软件开发语言。开发的计算平台物理架构如图４所示。服务器端可放置于机房内，客户端为连接服务器的个人计算机。

　　３性能测试

　　计算平台性能测试是对平台开发的一个重要评价，主要测试以下内容。（１）平台数据库记录信息、权限等平台管理性能测试。（２）用实际的工程数据对计算平台从系统登录到设计计算进行了全流程测试、计算结果测试及数据调用测试等。（３）平台的可扩展性及数据关系测试，包括模块的可扩展性、界面的可扩展性和数据调用关系修改等测试。４结语通过多个实际直流工程数据测试证明，该设计计算平台计算结果准确可信，在系统计算时，各模块数据调用正确、协调，模块独立计算模式、模块内部计算方式切换顺畅，功能达到预期目标。设计计算平台基于服务器模式，便于管理维护，具备事件记录功能和权限管理功能，实现了计算的可追溯性和安全性。设计计算平台的开发，提高了换流阀设计计算的系统性、准确性、快速性，达到了标准化设计要求以及计算过程可视化和数据安全性两个矛盾体同时实现的要求。

　　参考文献

　　［１］陈锡磊，周浩，王东举，等．参数修正法用于浙西±８００ｋＶ阀厅空气净距设计［Ｊ］．高电压技术，２０１１，３７（９）：２１８５－２１８９．

　　［２］ＧＢ／Ｔ２０９９０．１－２００７高气试验［Ｓ］．

　　［３］赵婉君．高压直流输电工程技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００４．

　　［４］刘振亚．特高压直流输电技术研究成果专辑（２００８年）［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００８．

　　［５］聂定珍，马为民，李明．锦屏－苏南特高压直流输电工程换流站绝缘配合［Ｊ］．高电压技术，２０１０（１）：９２．

　　［６］张相宇，温渤婴，李鹏．高压直流输电系统主回路参数计算平台的研发［Ｊ］．电力建设，２０１４，３５（２）：５２－５６．

　　作者：袁祥生 单位：睢县城市管理局