CN103207378A - 一种避雷器阻性电流源仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种避雷器阻性电流源仿真系统，其特征在于，系统主要功能模块包括任务数据处理中心、数据交互处理接口模块、人机界面、光纤数据通信模块、同步控制测量模块、谐波电源模块、三角波脉冲电源模块、分压器模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块，所述任务数据处理中心、人机界面和数据交互处理接口模块通过一计算控制平台完成，该计算控制平台的主机为一台工控电脑，配有光纤转换模块，工控电脑通过光纤转换模块分别连同步控制测量模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块。本发明填补国内避雷器在线监测设备阻性电流校定的空白。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统试验仿真领域，具体地说是一种避雷器阻性电流源仿真系统。
背景技术
避雷器作为交流高压系统的重要过电压保护装置,其安全运行对电力设备乃至整个高压系统的安全运行具有非常重要的意义。
由于氧化锌避雷器具有良好的非线性电阻特性，所以氧化锌避雷器内部是没有间隙的。正是由于没有间隙，在正常运行中阀片长期受电力系统运行电压的作用，以及内受潮或过热等因素的影响，因而会造成阀片非线性电阻特性的劣化。这种劣化主要表现是正常电压下的阻性电流增加，阻性电流的增加导致发热量的增加，避雷器内部的温度上升，温度上升加速阀片的老化，形成恶性循环，最后导致氧化锌避雷器由于过热而损坏，严重时可能引起导致避雷器爆炸，引起大面积停电，从而带来严重的经济损失。
随着我国大力加强智能电网建设力度，以至于智能变电站在线系统需求量急剧增加，其中避雷器在线监测系统是智能变电站智能化的关键监测系统。特别是近几年，国内市场出现了各种所谓的避雷器在线监测设备，其设备的功能、原理、监测量各种不一，设备名称更是五花八门，市场非常混乱，同时缺乏相关的标准与设备对避雷器在线监测设备的质量进行检测与评价。
发明内容
本发明的目的是：为使避雷器在线监测产品实现性能同一化、产品标准化；为避雷器运行现场监测、运行状态监测、运行可靠性等提供参考评判依据及指导性意见；也为智能电网的稳定可靠运行提供保证，本发明提出一种避雷器在线监测设备中避雷器标准阻性电流源仿真系统，此种仿真系统主要是对避雷器在线监测设备的质量进行检测与评价；同时保证避雷器在线监测产品性能同一化、产品标准化；也为避雷器在线监测产品现场运行状态监测性能、运行可靠性等提供一种检验评定依据。本发明填补国内避雷器在线监测设备阻性电流校定的空白。
本发明的技术方案是：一种避雷器阻性电流源仿真系统，其特征在于，系统主要功能模块包括任务数据处理中心、数据交互处理接口模块、人机界面、光纤数据通信模块、同步控制测量模块、谐波电源模块、三角波脉冲电源模块、分压器模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块，所述任务数据处理中心、人机界面和数据交互处理接口模块通过一计算控制平台完成，该计算控制平台的主机为一台工控电脑，配有光纤转换模块，工控电脑通过光纤转换模块分别连同步控制测量模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块；
所述任务数据处理中心，用于负责其他各部分的任务数据处理及任务调度管理，监视各模块的运行情况，实现各模块的数据命令交互，维护整个系统的正常运行；
所述人机界面，用于负责数据的图形化显示，电流波形显示模块，用户操作响应，数据查询，Word报告表，以及Excel 报表的导出，人机界面还包括动态控制显示及波形模块、试验监测子模块、试验谐波参量显示模块、三角波参量显示模块、同步控制显示模块；
所述数据交互处理接口模块，用于管理整个系统的相关数据，为系统中各个模块提供统一的数据通信接口，响应系统各模块的数据读写命令请求，保证计算控制平台能够正确高效的收发处理各模块数据，系统中各模块数据读写都是通过该数据交互处理接口模块完成；该模块主要管理的数据源包括谐波电源模块数据、三角波脉冲电源模块数据、可调精密电容容值控制数据、可调精密电阻阻值控制数据、精密电流测量模块数据；
所述光纤数据通信模块，用于隔离高压信号及将相关数据处理信息命令发送到谐波电源模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块；光纤数据通信模块接收同步控制测量模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块返回的数据包，并将返回数据包转发给计算控制平台进行数据的解析；
所述同步控制测量模块，用于负责实现同步控制谐波电源模块及三角波脉冲电源模块，同时负责调节谐波分量信号幅值大小、谐波次数、调节三角脉冲信号宽度及调节三角脉冲信号的幅值大小，实现两种电源模块输出信号同相同幅；
所述谐波电源模块，用于提供工频下容性电流和谐波下容性电流；模块能够单独调节工频和谐波试验的电压或电流幅值大小、频率组合关系、谐波成份分量，同时模块也用于模拟实际电网中不同电压或电流状态，以达到真实模拟电网中避雷器容性电流的变化状态；
所述三角波脉冲电源模块，主要用于产生不同幅值、频率的三角脉冲波形，同时作为信号源给可调精密电阻模块供电；
所述分压器模块，主要用于产生PT参考电压提供给避雷器阻性电流源仿真系统；
所述可调精密电阻模块，主要用于调节产生避雷器阻性电流源仿真系统中所需的阻性电流大小，其模块中电阻阻值大小调节通过计算控制平台控制实现；
所述可调精密电容模块，主要用于调节产生避雷器阻性电流源仿真系统中所需的容性电流大小，其模块中电容容值大小调节通过计算控制平台控制实现；
所述精密电流测量模块，主要用于精确测量避雷器阻性电流源仿真系统中阻性电流及容性电流的大小，同时把测量到的阻性电流、容性电流值传送到计算控制平台进行显示。
如上所述的避雷器阻性电流源仿真系统，其特征在于，所述计算控制平台计算得到的控制信息输出给同步控制测量模块、精密可调电阻模块、精密可调电容模块，以保证为系统提供一个精确稳定的容性电流、阻性电流变化值；同步控制测量模块把计算控制平台传回的数据通过其模块内部同步优化谐波、三角波控制策略处理后输出给谐波电源模块、三角波脉冲电源模块，从而实现调节谐波分量和三角脉冲电源分量状态，然后阻性电流源调节模块、精密电流测量模块将测量到的容性电流值及阻性电流值传送给计算控制平台，计算控制平台根据返回的动作命令做出相应的控制和测量，从而形成一个闭环采集控制系统。
本发明的有益效果是：本发明的避雷器阻性电流源仿真系统具有如下优点：
1）该系统可以对避雷器在线监测装置的阻性电流测量和全电流测量进行精度校准，该电流源不仅可以在电源为纯工频的情况下进行阻性电流测量，而且可以在电源含有谐波和脉动电压的情况下进行阻性电流测量，该阻性电流源更科学、更合理；
2）所述阻性电流源，其谐波的电压幅值高，可高达50kV，谐波次数范围广，次数可高达50次，同时谐波电压幅值及谐波次数可以自动调节；
3）所述阻性电流源，其脉冲电压使用三角波作为脉冲电源，而且其三角脉冲幅值及宽度均可以按照不同电压等级的避雷器进行调节，测量的范围更广；
4）所述避雷器阻性电流源仿真系统，支持IED61850协议和MODBUS 协议，实现了系统的数字化和模拟化输出的双重输出特性，输出特性灵活，与外界通信和连接更加便利。
附图说明
图1 为本发明的系统组成框图。
图2 为本发明的典型操作流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
如图1所示，本发明提供的避雷器阻性电流源仿真系统，其系统功能模块包括任务数据处理中心、数据交互处理接口模块、人机界面、光纤数据通信模块、同步控制测量模块、谐波电源模块、三角波脉冲电源模块、分压器模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块。所述的任务数据处理中心、人机界面和数据交互处理接口模块通过一计算控制平台完成，该计算控制平台的主机为一台工控电脑，配有光纤转换模块，工控电脑通过光纤转换模块分别连同步控制测量模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块。
任务数据处理中心，用于负责其他各部分的任务数据处理及任务调度管理，监视各模块的运行情况，实现各模块的数据命令交互，维护整个系统的正常运行；
人机界面，用于负责数据的图形化显示，电流波形显示模块，用户操作响应，数据查询，Word报告表，以及Excel 报表的导出，人机界面还包括动态控制显示及波形模块、试验监测子模块、试验谐波参量显示模块、三角波参量显示模块、同步控制显示模块；
数据交互处理接口模块，用于管理整个系统的相关数据，为系统中各个模块提供统一的数据通信接口，响应系统各模块的数据读写命令请求，保证计算控制平台能够正确高效的收发处理各模块数据，其它各模块读写数据都是通过该通信模块完成，这样既可以实现数据源的唯一性，也可保证其它各模块读写数据命令的接口统一，有利于提升系统的可扩展性，该模块主要管理的数据源包括谐波电源数据、三角波脉冲电源模块数据、可调精密电容容值控制数据、可调精密电阻阻值控制数据、精密电流测量模块数据、实时数据库、历史数据库；
光纤数据通信模块，用于隔离高压信号及将相关数据处理信息命令发送到谐波电源模块、精密电流测量模块、可调精确电容模块、可调精确电阻模块。光纤数据通信模块接收同步控制测量模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块返回的数据包，并将返回数据包转发给计算控制平台进行数据的解析；
同步控制测量模块，用于负责实现同步控制谐波电源模块及三角波脉冲电源模块，同时负责调节谐波分量信号幅值大小、谐波次数、调节三角脉冲信号宽度及调节三角脉冲信号的幅值大小，从而实现两种电源模块输出信号同相同幅；
谐波电源模块，用于提供工频下容性电流和谐波下容性电流。模块可以单独调节工频和谐波试验的电压（电流）幅值大小、频率组合关系、谐波成份分量，同时模块也用于模拟实际电网中不同电压（电流状态），以达到真实模拟电网中避雷器容性电流的变化状态；
三角波脉冲电源模块，主要用于产生不同幅值、频率的三角脉冲波形，同时作为信号源给可调精密电阻模块供电；
分压器模块，主要用于产生PT参考电压提供给避雷器阻性电流源仿真系统；
可调精密电阻模块，主要用于调节产生避雷器阻性电流源仿真系统中所需的阻性电流大小，其模块中电阻阻值大小调节通过计算控制平台控制实现；
可调精密电容模块，主要用于调节产生避雷器阻性电流源仿真系统中所需的容性电流大小，其模块中电容容值大小调节通过计算控制平台控制实现；
精密电流测量模块，主要用于精确测量避雷器阻性电流源仿真系统中阻性电流及容性电流的大小，同时把测量到的阻性电流、容性电流值传送到计算控制平台进行显示。
本发明计算控制平台计算得到的控制信息输出给同步控制测量模块、精密可调电阻模块、精密可调电容模块，以保证为系统中在线监测设备提供一个精确稳定的容性电流、阻性电流变化值。同步控制测量模块把计算控制平台传回的数据通过其模块内部同步优化谐波、三角波控制策略处理后输出给谐波电源电源模块、三角波脉冲电源模块，从而实现调节谐波分量和三角脉冲电源分量状态，然后阻性电流源调节模块、精密电流测量模块将测量到的容性电流值及阻性电流值传送给计算控制平台，计算控制平台根据返回的动作命令做出相应的控制和测量，从而形成一个闭环采集控制系统。
本发明的主要功能如下：
(1) 连续自动调节谐波分量幅值及谐波次数，从而达到真实再现实际电网中电压、电流变化状态；
(2) 连续自动调节三角脉冲幅值及宽度；
(3) 实时同步测量系统中容性电流、阻性电流值；
(4) 容性电流、阻性电流值被实时传回计算机控制平台上进行波形绘制及显示；
(5) 同步控制测量模块具有谐波电源模块和三角波脉冲电源模块精确同步控制功能；具有自动测量谐波电源模块和三角波脉冲电源模输出波形的相位功能；具有自动控制谐波电源模块和三角波脉冲电源模输出波形的相位角度；具有人工智能模糊控制功能，通过此功能自动实时同步控制调节谐波电源分量状态和三角脉冲电源分量状态；
(6) 系统能自动实现远程精确控制可调精密电容模块、可调精密电阻模块调节电容和电阻值；
(7) 计算机控制平台能灵活、实用的统计查询功能，能查询显示用户指定的信息，记录各种数据状态下谐波分量及三角脉冲分量，并能导出成Excel 报表及Word报告表；
(8) 系统支持协议通信构架，如：IED61850协议和MODBUS 协议；
(9) 系统容性电流及阻性电流测量分辨率为：0.000002uA。
本发明提出一种避雷器在线监测设备中避雷器标准阻性电流源仿真系统，此种仿真系统是根据避雷器阻性电流的定义，对避雷器在线监测设备中阻性电流的测量的准确性进行评价。本阻性电流源仿真系统可以测量的阻性电流数值范围广，准确性高，该电流源仿真系统里所用仪器设备都可以进行量值溯源来保证设备的可靠性与准确度，从而达到了测量避雷器阻性电流的准确性。在工业计算机内实现数据处理，用软件代替硬件，具有方便调试、省时和节约人力的优点。
国内现用的避雷器阻性电流源只能在特定的情况下（该情况电源为纯工频电源，无谐波含量）模拟阻性电流，从而进行精度确认，但在实际电力系统用避雷器在运行中，其遭受的电磁环境复杂，除了工频电压波外，还有大量的谐波电压，以及脉冲电压，这些谐波电压和脉冲电压对避雷器的阻性电流影响更大，但现用的阻性电流源无法模拟谐波电压和脉冲电压情况，因此现用的阻性电流源对避雷器的阻性电流进行计量，意义不大。
与目前国内现用的避雷器阻性电流源相比，本电流源可以更实际的模拟电力系统的电源情况，覆盖更广的避雷器阻性电流测量范围，测量方法与测试手段更为科学。
应用本仿真系统的操作方法如图2 所示：
通过解析光纤模块传回的数据包，根据返回测量数据包分析计算，设置同步控制测量模块相关控制参数，同步控制测量模块把收到的设置参数，同步控制测量模块同步采集谐波电源模块和三角波脉冲电源模块的电压、电流信号，同步控制测量模块中的高速数据处理器结合接收到的设置参数及同步控制测量模块采集到的电压电流参数，通过同步控制测量模块自带人工智能模糊控制算法控制谐波电源模块、三角波脉冲电源模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块，从而实现同步调节谐波电源模块和三角脉冲电源模块输出信号状态。当调节谐波电源和三角脉冲电源模块输出信号幅值及相位相等，则同步控制测量模块将控制参数及测量参数通过光纤传回计算控制平台主机，以此同时，计算控制平台任务数据处理中心自动跟踪调节可调精密电容模块、可调精密电阻模块，精密电流测量模块实时测量上面调节过程中容性电流和阻性电流值，容性电流和阻性电流值数据通过光纤传回计算控制平台主机进行显示及波形绘制。以上是完成一个电压幅值下的阻性电流调节，如果要实现多个电压幅值下阻性电流调节，则重复设置以上调节过程。
本发明避雷器阻性电流源仿真系统的性能参数如下：
(1) 阻性电流测量范围：0-100mA
(2) 阻性电流分辨率：5uA
(3) 阻性电流测量误差：±（1%x测量值±1uA）
(4) 容性电流测量范围：0-100mA
(5) 容性电流分辨率：5uA
(6) 容性电流测量误差：±（1%x测量值±1uA）
(7) 三相谐波电源，电压：10KV 电流：3 A
(8) 分压器工作频率：50-1250Hz
(9) 分压器介质损耗；tanσ≤0.02%
(10) 分压器绝缘水平：整体耐压3kV/1min
(11) 分压器系统测量误差：≤±1%
(12) 额定工作输入电源：380V ±10% (三相)，50Hz
(13) 输出相数：三相
(14) 输出电压：0-10KV
(15) 额定容量：30kVA
(16) 额定输出频率范围：50～1050Hz，步进50Hz，八种谐波频率全组合
(17) 输出主回路以及辅助回路的工频1min耐受电压水平为：3kV
(18) 电压测量精度：0.5级
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (2)
1.一种避雷器阻性电流源仿真系统，其特征在于，系统主要功能模块包括任务数据处理中心、数据交互处理接口模块、人机界面、光纤数据通信模块、同步控制测量模块、谐波电源模块、三角波脉冲电源模块、分压器模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块，所述任务数据处理中心、人机界面和数据交互处理接口模块通过一计算控制平台完成，该计算控制平台的主机为一台工控电脑，配有光纤转换模块，工控电脑通过光纤转换模块分别连同步控制测量模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块；
所述任务数据处理中心，用于负责其他各部分的任务数据处理及任务调度管理，监视各模块的运行情况，实现各模块的数据命令交互，维护整个系统的正常运行；
所述人机界面，用于负责数据的图形化显示，电流波形显示模块，用户操作响应，数据查询，Word报告表，以及Excel 报表的导出，人机界面还包括动态控制显示及波形模块、试验监测子模块、试验谐波参量显示模块、三角波参量显示模块、同步控制显示模块；
所述数据交互处理接口模块，用于管理整个系统的相关数据，为系统中各个模块提供统一的数据通信接口，响应系统各模块的数据读写命令请求，保证计算控制平台能够正确高效的收发处理各模块数据，系统中各模块数据读写都是通过该数据交互处理接口模块完成；该模块主要管理的数据源包括谐波电源模块数据、三角波脉冲电源模块数据、可调精密电容容值控制数据、可调精密电阻阻值控制数据、精密电流测量模块数据；
所述光纤数据通信模块，用于隔离高压信号及将相关数据处理信息命令发送到谐波电源模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块；光纤数据通信模块接收同步控制测量模块、精密电流测量模块、可调精密电容模块、可调精密电阻模块返回的数据包，并将返回数据包转发给计算控制平台进行数据的解析；
所述同步控制测量模块，用于负责实现同步控制谐波电源模块及三角波脉冲电源模块，同时负责调节谐波分量信号幅值大小、谐波次数、调节三角脉冲信号宽度及调节三角脉冲信号的幅值大小，实现两种电源模块输出信号同相同幅；
所述谐波电源模块，用于提供工频下容性电流和谐波下容性电流；模块能够单独调节工频和谐波试验的电压或电流幅值大小、频率组合关系、谐波成份分量，同时模块也用于模拟实际电网中不同电压或电流状态，以达到真实模拟电网中避雷器容性电流的变化状态；
所述三角波脉冲电源模块，主要用于产生不同幅值、频率的三角脉冲波形，同时作为信号源给可调精密电阻模块供电；
所述分压器模块，主要用于产生PT参考电压提供给避雷器阻性电流源仿真系统；
所述可调精密电阻模块，主要用于调节产生避雷器阻性电流源仿真系统中所需的阻性电流大小，其模块中电阻阻值大小调节通过计算控制平台控制实现；
所述可调精密电容模块，主要用于调节产生避雷器阻性电流源仿真系统中所需的容性电流大小，其模块中电容容值大小调节通过计算控制平台控制实现；
所述精密电流测量模块，主要用于精确测量避雷器阻性电流源仿真系统中阻性电流及容性电流的大小，同时把测量到的阻性电流、容性电流值传送到计算控制平台进行显示。
2.根据权利要求1所述的避雷器阻性电流源仿真系统，其特征在于，所述计算控制平台计算得到的控制信息输出给同步控制测量模块、精密可调电阻模块、精密可调电容模块，以保证为系统提供一个精确稳定的容性电流、阻性电流变化值；同步控制测量模块把计算控制平台传回的数据通过其模块内部同步优化谐波、三角波控制策略处理后输出给谐波电源模块、三角波脉冲电源模块，从而实现调节谐波分量和三角脉冲电源分量状态，然后阻性电流源调节模块、精密电流测量模块将测量到的容性电流值及阻性电流值传送给计算控制平台，计算控制平台根据返回的动作命令做出相应的控制和测量，从而形成一个闭环采集控制系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: STATE GRID CORPORATION OF CHINA Effective date: 20150727 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150727 Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: China Electric Power Research Institute |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150909 Termination date: 20160322 |