CN105096694B - 一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法。它包括首先将电气设备中的所有实物电气元件分别拆解为功能部件，以所有功能部件为基础对象建立模型；然后根据模型中各功能部件之间的电网络连接关系构建网络拓扑图，由网络拓扑图生成关联矩阵；再根据关联矩阵及模型的参数计算各节点电压或各支路电阻，维修人员采用虚拟万用表测量模型中任意两节点之间电压或电阻，根据测量结果对故障信号进行判断，实现电气设备虚拟维修训练仿真。本发明采用万用表对故障信号进行检测判断，能够实现不同组合的节点信号的故障模拟及准确仿真正常和故障状态下电路的各支路电流、任意两点间的电压和电阻，能够有效加强对操作人员的维修技能培训。

Description

一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法

技术领域

本发明属于电气设备维修技术领域，具体涉及一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法。

背景技术

舰船电气设备长期在振动、高温及潮湿等条件下工作，将会出现电气设备及系统故障，使得舰船的电气设备维修时有发生。在现实维修过程中，由于电气设备装置类型多，故障问题多变，未经实际装备维修训练的操作人员的维修技能和熟练度较低，容易造成损坏电气设备的误操作，操作的失误极有可能导致设备更大程度的故障甚至于损坏，因此需加强对操作人员的维修技能培训。

虚拟维修具有故障设置灵活，训练组织自由度高，维修安全损耗小，维修效费比高等优点，对于电气设备维修保障具有重要意义。现有虚拟维修训练系统中复杂机械设备的虚拟维修主要研究虚拟拆装规划、维修的过程、碰撞检测等问题，其系统不适用于电气设备的信号检测；而电路方面的虚拟维修主要针对电路板，其检测是基于测量端口的，故障设置主要采用数据库查找的方式，由于电气设备线路中的所有电路节点均具有可测性，且电路状态不断变化，因此采用数据库查找不同组合的节点信号实现故障模拟不具有完备性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法，其能够实现不同组合的节点信号的故障模拟及准确仿真正常和故障状态下电路的各支路电流、任意两点间的电压和电阻。

本发明采用的技术方案是：一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，将电气设备中的所有实物电气元件分别拆解为功能部件，以所有功能部件为基础对象根据实物电气元件之间的电网络连接关系建立模型；

步骤2，根据模型中各功能部件之间的电网络连接关系构建网络拓扑图，网络拓扑图由节点和边构成，节点为支路端点的抽象，边为二端元件的抽象，由网络拓扑图生成关联矩阵；

步骤3，根据关联矩阵及模型的参数计算各节点电压或各支路电阻，计算各支路电流，将计算出的各支路电流分别与模型中各功能部件设定的参数进行比较，当流过功能部件的电流大小超过其设定的阀值时执行相应动作，未超过阀值时不动作；

步骤4，在步骤3完成后返回步骤2重新构建网络拓扑图、生成关联矩阵；

步骤5，在步骤2-4中人为对一个或多个功能部件设置故障，维修人员采用虚拟万用表测量模型中任意两节点之间电压或电阻，根据测量结果对故障信号进行判断，实现电气设备虚拟维修训练仿真。

进一步地，所述建立模型过程中在所有功能部件根据实物电气元件之间的电网络连接关系连接好后，对所有功能部件分别进行属性定义：包括定义模型类型、电路网络拓扑、电路仿真参数、控制功能、通断状态、延时时间、故障设置和不可逆动作状态中的任意一种或多种。

进一步地，所述由网络拓扑图生成关联矩阵的方法为：当节点与边有关联时，设定元素值为1，当节点与边无关联时，设定元素值为0；以元素值的正负表示电流的方向，当元素值为正时，表示该节点为边的电流流入节点，当元素值为负时，表示该节点为边的电流流出节点。

进一步地，所述根据关联矩阵计算各节点电压的方法为：Y_nU_n＝I_sn

其中，Y_n＝AYA^T，

上式中，U_n为各节点电压矩阵，A为关联矩阵，Y为各支路的导纳矩阵，为各支路独立电流源，为各支路独立电压源。

进一步地，所述根据关联矩阵及模型的参数计算各支路电阻的过程中，通过在模型的任意两个被测节点上连接万用表增加一条支路，形成带有万用表的新网络拓扑图，对新网络拓扑图构建新关联矩阵，根据新关联矩阵及模型的参数计算各支路电压和各支路电流，再由欧姆定律得到支路电阻。

更进一步地，所述构建网络拓扑图过程中，通过图的遍历搜索模型中各孤立点，对搜索出的孤立点设定固定参数，在计算各节点电压后，由固定参数将计算出的节点电压覆盖。

本发明综合考虑元件动作条件、延时，元件电路参数与实物功能转化，故障设置等问题的基础上，设计了电路元件实物模型；根据电路仿真与功能仿真的需要，确定了电路网络拓扑图；并以动态提取支路参数的方式，进行基于节点电压法的电路参数实时计算，该方法采用万用表对故障信号进行检测判断，能够实现不同组合的节点信号的故障模拟及准确仿真正常和故障状态下电路的各支路电流、任意两点间的电压和电阻，能够有效加强对操作人员的维修技能培训。

本发明结合系统功能仿真和电路仿真，通过电流大小判定实物元件的功能动作条件，相比单纯的电气控制系统逻辑仿真，能够避免对实物元件状态转移所需的事件表或者时间表的设计，同时由于电路仿真计算了电流的大小，能够从量上反应是否达到功能动作条件，这使得系统可以对触头接触不良或是由于器件发热导致的工作不正常现象进行描述。

本发明可以对不同设备的元件参数进行重新设定并按本专利的建模框架补充某些不常见的器件模型，即可形成新的系统，因此系统有较好的可扩展性，对电气设备虚拟维修技术有重要的参考价值。

附图说明

图1为本发明的仿真流程示意图。

图2为本发明实物模型建模结构框图。

图3为本发明的简单电路网络拓扑图。

图4.1-4.4为本发明复合之路等效形式图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明根据电气设备虚拟维修训练系统的电路仿真需要，设计了继电接触器电路的实物元件模型，建立同时满足电路仿真和功能仿真的网络拓扑结构图，以及确定电路参数实时计算方法。

1.建立继电接触器电路的实物元件模型

电气元件型号繁多，功能也各不相同，但是其具体的元件中的功能部件种类并不多。因此，本发明对所有的电气元件都采取拆解具体的实物元件为功能部件的方式，以所有功能部件为基础对象根据实物电气元件之间的电网络连接关系建立模型。

功能部件按照控制关系可以分为主部件和从部件，主部件为控制部件，而从部件为受控部件，只含有单一功能部件的实物元件为主部件，导线都为从部件。在同一个实物元件中含有主从部件时，主部件通过电流值大小判断控制信号是否产生，产生的控制信号传递给同一元件中的从部件，从部件将得到指令执行动作。如继电器中，线圈为主部件，触点为从部件。

建立模型过程中，对所有功能部件分别进行属性定义，包括定义模型类型、电路网络拓扑、电路仿真参数、控制功能、通断状态、延时时间、故障设置和不可逆动作状态中的任意一种或多种。

1.1功能部件模型属性定义

(a)模型类型

系统中所使用到的每一个实物元件都具有独立的元件编号，元件中的功能部件按照功能部件的功能模型类型进行分类，每种功能都有相应的类型编号。功能部件的类型描述包括所属元件编号和功能类型编号。

(b)电路网络拓扑

将部件的端点视为节点，部件阻抗表示为支路。支路的编号为部件的序号，节点的配置，对于除导线外的功能部件配以独立的节点编号，编号由小到大进行排列。导线节点编号与所连接的功能部件的端点的节点编号相同。

(c)电路仿真参数

电路仿真参数有支路的当前电流值、正常电阻值、正常电抗值、直流等效阻抗值、交流等效阻抗值，其中正常电阻值和正常电抗值为支路参数设定值，直流等效阻抗值与交流等效阻抗值为电路仿真时使用值。

支路的交流等效阻抗为正常电阻值与正常电抗值之和，直流等效阻抗为正常电阻值。

支路为感性阻抗时，如线圈在直流电情况下的阻抗值为电阻值，而在交流电中线圈会产生电感，所以阻抗为电阻值与感抗值之和。

支路为容性阻抗时，如电容灯，直流情况下可视为断路阻抗为很大的电阻值，，而在交流电情况下，阻抗为电容产生的容抗值。

这种等效适用于交流稳态电路的有效值计算，适合于准确描述继电接触器电路各个状态的稳态情况，并且这种简化能够满足虚拟测量的需要。

(d)控制功能

控制实物部件的信号可能是外部的也可能是内部的如：继电器的测试按钮按下时其触头将会动作，按下测试按钮的动作属于外部控制，当继电器正常工作时触头也会动作，其动作的控制信号就属于内部控制。因此，属性定义中设定了外部控制信号和内部控制信号以区分，并且外部控制信号预设定两个属性分别为外部控制信号1和外部控制信号2，这种设定是考虑到某些主部件的受到的外部控制有两个的情况。

内部控制信号的产生源于相应的主部件的动作指令。主部件的动作指令是由主部件当前电流的大小与所设定的功能产生所需的电流大小这里称之为阀值进行比较后而得来，它由是否到达阀值来描述。当主部件的是否到达阀值产生变化其信息会传递给受控从部件的内部控制信号从而达到控制目的。是否到达阀值表征的是功能部件的功能是否产生，这些功能不仅是对线圈而言的，还有指示灯、蜂鸣器等，指示灯的亮暗，蜂鸣器的鸣叫的功能都由是否到达阀值进行描述。因此是否到达阀值不能与内部控制信号互相替代。

(e)通断状态显示

通断状态值表示当前功能部件是否接通于电路之中，设定此值原因之一是对开关或触头部件开断状况的描述，二是对例如灯或线圈等接入电路中的故障情况以及维修中拆卸部件时所进行的描述。

(f)延时时间

延时时间功能的描述是通过累计延时时间和延时值共同描述的。累计延时时间为部件达到动作条件并开始计算延时到延时设定时间值之间的时间累计情况，当累计延时时间到达了延时设定时间部件执行动作。

(g)故障设置

故障设置是虚拟维修训练系统的进行故障模拟的手段。目前对于电气控制线路的模拟还停留在逻辑功能上，而对于故障的模拟是基于故障数据库反向推理的方式，并不是基于电路仿真的方式。

本发明的故障设置是直接针对功能部件的支路阻抗的。部件出现故障的时候其阻抗与正常状态时的阻抗并不相同，以故障状态时部件的等效阻抗为参数进行整个电路的仿真，进而通过整个系统的仿真在界面上体现出故障时设备的状态和故障电路参数值。

故障设置包括故障设置状态和故障类型两个属性值。

故障设置状态表示对相应部件的故障设置情况。故障设置状态与故障是否排除无关，此属性值可以记录对于故障的设置情况，并且可以反应出，设备运行中出现的问题是否和设置有关。

(h)不可逆动作状态

不可逆动作表示在没有人工干预的情况下，该动作一旦发生将不能够还原成原来状态。例如熔断器的熔断动作为不可逆动作，熔断发生后必须在人工更换熔断器后才能够恢复状态。

1.2实物模型的建模方法

实物模型的建模方法中将属性分为模型的输入属性和输出属性，实物模型的建模方法所需要实现的内容为通过综合考虑部件受到的控制、部件当前电流大小与阀值的比较情况、延时、故障、部件阻抗参数等问题，得出部件的功能状态信息包括通断状态情况、是否达到阀值的情况的信息和电路参数信息包括部件的直流等效阻抗和交流等效阻抗信息，以及有状态变化的部分属性信息。

实物模型的建模方法描述部件的功能，完成实现功能时属性值的变化和信息的传递，如图2所示，每一种功能部件都有其具体的实物模型的建模方法，以实物模型建模方法的不同对部件功能进行分类。不同的部件功能类型属性值对应着相应的实物模型建模方法，建模方法主要内容是根据模型输入进行相应的逻辑功能处理并得到输出，具体实物模型建模方法如下：

(1)指示类功能部件

指示类功能部件有指示灯、蜂鸣器等，以指示灯为例，其工作原理的模型抽象为：当通过指示灯的电流大于发亮的值时，指示灯亮，随着电流的增大，指示灯的亮度增加，但在电气设备中，指示灯主要用来做是否通电的指示，因此这里仅定义指示灯为两种状态，一种是当前电流值大于阀值指示灯亮，一种为当前电流值小于阀值指示灯灭。在以后的改进中，指示灯的亮暗程度也可以由电流大小来进行判断。实物模型建模如下：

当故障设置状态为0，故障类型为0是，无故障，阀值设定为指示灯额定电流的80％，当前电流值大于阀值时，是否到达阀值赋值为1，指示灯亮，当前电流值小于阀值时，是否达到阀值赋值为0，指示灯灭。直流等效阻抗，交流等效阻抗值由元件电路属性中的支路阻抗计算方法得到，通断状态值为1接通。

当故障设置状态为1，故障类型为1时，短路故障，是否到达阀值始终为0，指示灯始终灭，直流等效阻抗，交流等效阻抗按断路情况计算，通断状态值为1接通。故障类型为0时，断路故障，判断类处理与短路方法一致，阻抗值按断路情况计算，通断状态值为0断开。

当故障设置状态为1时，故障类型为0，表示元件设置过故障，但故障被排除，此时模型与正常情况一致。

(2)开关部件

开关是电气控制电路的中执行通断操作功能的重要的元件。开关工作原理抽象：开关可为独立元件，也可为组合元件，但是在原理中开关都有其单独的作用，因此本发明中的开关在实物模型的方法上都以独立元件进行处理，联动开关或者其他形式的组合开关的内部关系由开关的控制信号处理。开关是否动作仅与外部控制有关

实物模型建模如下：

部件类型编号为开关类。

外部控制信号1为外部直接操作控制信号，为1时，开关闭合，通断状态值为1，直流等效阻抗值和交流等效阻抗值按导线电阻值计算。

外部控制信号2，内部控制信号为空。

由于没有判断类处理，当前电流值、阀值、延时、累计延时时间为空。

短路故障时，通断状态值始终为1，直流等效阻抗和交流等效阻抗都按短路情况计算，断路故障时，通断状态值始终为0，直流等效阻抗和交流等效阻抗都按断路情况计算。

(3)常开常闭开关

模型类似于开关模型，在开关模型的基础上修改外部控制信号1的定义为：1为有控制信号，0为无控制信号。

中间继电器模型建模需求分解器件继电器基本原理：继电器是由电磁机构激磁线圈通电激磁后使得衔铁受到吸力，克服机械反力与静铁芯吸合，衔铁通过动支架使动触头与静触头闭合或分断，如果线圈通电后的电流的大小决定衔铁受到吸力的大小，如果电流小于额定值，衔铁受到的吸力小于弹簧反力，那么衔铁将不会与静铁芯吸合，动触头也不会动作。

(4)激磁线圈模型建模

单独对激磁线圈建模与指示灯模型一样都只有判断类处理，故障模式处理，模型基本类似。

(5)常开触头模型建模

继电器上都有一个测试按钮，所以触头实际上也相当于常开开关，但是触头需要执行主元件的控制信号即为内部控制信号，因此，触头在常开开关模型的基础上增加内部控制信号，其定义与外部控制信号1相同：1为有控制信号，0为无控制信号，这两个控制信号是或的关系，当有控制信号时，触头闭合，当无控制信号时，触头断开。

(6)常闭触头模型建模

常闭触头模型与常开触头模型类似，模型控制方法上做些改动，当有控制信号时，触头断开，当无控制信号时，触头闭合。

(7)主从元件控制模型

模型主要功能是完成同一个继电器内主从元件控制信号的传递，把主元件的是否到达阀值项的值赋值给所有从元件的内部控制信号。由于功能比较简单这里只做简单说明。

(8)熔断器模型建模

熔断器在电气线路中起到限流保护的作用，当电流过大，熔断器熔体熔断，此时熔断器相当于断路，此外熔断器可以手动拆装，当拆下熔断器时，熔断器只剩下底座此时也为断路。因此熔断器模型在输入属性中加入熔体状态项本次模型运算之前的通断状态情况，模型建模具体如下：

部件类型编号为熔断器类型

熔体正常时，即熔体状态值为1，阻抗按正常熔体电阻计算，熔体熔断时，熔体状态值为0，阻抗按断路计算。

外部控制信号1为熔断器的拆装操作，1为拆下，0为装上。

当前电流值与阀值判断类处理定义当前电流值大于分断电流值即阀值，熔断器进入熔断状态，是否到达阀值为1，表示当前状态为熔断状态。由熔断器的安秒特性，可知延时时间与电流之间的关系，通过这个关系设定延时，当累计延时大于延时设定值时，熔断器熔断完毕，熔体状态为0。

当前电流值小于阀值时，熔断器为正常状态，是否到达阀值为0，熔体状态与是否达到阀值无关。

表1.1为虚拟维修训练系统仿真模型的元件属性表。

表1.1实物模型元件属性表

序号	名称	含义
			1	序号	编排元件序号电路中的元件都有相应的序号
2	部件代号	部件代表的支路的代号
			3	测点1	元件端点编号，用于网络拓扑
4	测点2	元件端点编号，用于网络拓扑
			5	部件类型编号	对元件进行功能分类
6	主从部件代号	区别控制元件中的控制与受控
			7	元件代号	属于同一元件的代号相同
8	通断状态值	表征元件在电路中接通还是分断
			9	当前电流值	支路当前稳态电流有效值
10	直流等效阻抗	在直流源下的等效阻抗值
			11	交流等效阻抗	在交流电源下的等效阻抗值
12	是否到达阀值	设备是否达到动作条件的指示值0为未达到，1为达到
			13	阀值(安培)	设备动作需满足的条件门限值
14	累计延时	当前延时设备的延时计时
			15	延时(秒)	延时器件的延时整定值
16	内部主从控制信号	包括主从部件控制部分的元件的主元件控制从元件动作的信号
			17	外部控制信号1	外部控制元件动作的信号1
18	外部控制信号2	备用外部控制元件动作信号
			19	故障设置状态	元件故障状态设置值，1为故障，0为正常
20	故障类型	元件故障类型值0为正常，1为短路，2为断路
			21	正常阻值	元件的正常情况下的电阻值
22	正常阻抗	元件在通交流电情况下的正常阻抗
			23	所属线路	所在线路编号
24	熔体状态	当前熔体状态值

2.生成网络拓扑图

本发明构建适合电路的稳定网络拓扑图，在这个图中电路本身的所有元件包括导线都考虑在内，开关的变化及故障的产生都将等效为阻值的变化，而网络拓扑图中的节点和支路数以及他们的关联情况将保持不变。这样做的目的一是更好的适应电路参数计算的需要，二是系统功能仿真对于实物模型中元件支路参数的变化可以提供很好的支持，而这种支持需要有合适支路等效方案。

电网络的连接关系可以抽象为图，以图论的方法进行描述。图由节点和边构成，节点为支路端点的抽象，而边为二端电路元件的抽象。继电接触器线路图可由网络拓扑图唯一表示。网络拓扑图可由关联矩阵来描述。

以图论描述电路的拓扑结构，设有向图节点数为n，支路数为b，对所有的节点和支路编号，因为程序中数组从0开始，所以编号也是从0开始。那么该有向图的关联矩阵A₁是一个(n×b)阶的矩阵。对于a_jk规定如下：

(1)顶点与边有关联时，元素值为1。以元素值的正负表示电流的方向，当元素值为正时，表示该节点为边的电流流入节点，当元素值为负时，表示该节点为边的电流流出节点。

(2)顶点与边无关联时，元素值为0。

关联矩阵的行表示电路网络拓扑结构中的节点号，而列表示电路中的支路号，如此可以形成节点与支路的一一对应的关系，从而达到准确的描述电路的具体情况的目的。如图3所示为简单的电路网络拓扑图，图中连线为边表示元件，节点为元件的端点。

由图3生成的关联矩阵可表示为

电路图中的任何一个二端元件都可以加入到图中，也可以反应到关联矩阵中，在描述图的时候可以根据需要简化仿真中不需要部分节点和支路如可以忽略的导线。当确定所有节点与边后，无论注入什么故障，开关如何变化网络拓扑结构都不变，需要改变的是支路阻抗。

3.计算电路参数

3.1支路等效方案

目前在电路理论中没有统一支路等效的规定，但为计算方便，可以采用复合支路的形式，不考虑受控源与互感的复合支路的等效形式一般有四种，如图4.1-4.4所示，其中图4.2、图4.3、图4.4为图4.1的退化形式

其中k为支路代号，为支路中的独立电压源，为支路中独立电流源，z_k为支路阻抗，y_k为相对于阻抗z_k的导纳值。

本专利中如线圈的阻抗是电阻和电感的组合，如果细分将会给本来就庞大的支路运算增加负荷。而复合支路能够表示整个元件阻抗的全部内容，不仅仅是有利于减少关联矩阵的阶数，而且更加利于系统对于元件部件的对象模型的建模。

3.2计算各节点电压

给模型接通外设电源，设b条支路电流向量为

所以KCL的矩阵形式为

设b个支路电压向量为

那么KVL的矩阵形式为

宏观上看，电气控制线路无受控源，电感间无耦合，此时由3.2中支路等效方法，对于第k条支路有

其中Y_k为支路导纳矩阵为对角阵，为支路电压，为支路独立电压电源，为支路独立电流源。对整个电路有支路方程为

把支路方程代入KCL得

代入KVL得

Y_n＝AYA^T (3.3.8)

Y_n为(n-1)阶的定节点导纳矩阵，为满秩矩阵。

I_sn为由独立电源引起的注入节点的电流列向量，所以3.3.7式可以简写为：

Y_nU_n＝I_sn (3.3.10)

上式中，U_n为各节点电压矩阵，A为关联矩阵，Y为各支路的导纳矩阵，为各支路独立电流源，为各支路独立电压源。

由上式可看出节点导纳矩阵的求解需要知道关联矩阵，而A是通过有网络拓扑得到的。为了描述电流方向需要确定A中1元素的正负号，然而在电路仿真中关联矩阵的建立依靠元件节点属性，并没有单独建立有向图的存储结构，要确定电流方向，需要用电路搜索算法进行确定，这对于电路仿真的整体运行增加负担。本发明从节点电压法导出方程中对节点导纳矩阵描述出发，修改关联矩阵中对1元素符号的确定要求，从而简化设计方案。

对于节点导纳矩阵有：

Y_n＝AYA^T (3.3.11)

A为(n-1)×b的矩阵那么有

求解得节点导纳矩阵的导出形式为

对于节点导纳矩阵我们要求自导纳为正，负导纳为负数就行。从上式中可以看出处于对角线上的元素都为正即自导纳为正，而不在对角线上的元素从式中分析，支路导纳的系数为同一列中的不同元素相乘，原关联矩阵中每一列只有一个正号元素和一个负号元素，所以处于互导纳位置的元素都为负或者为零。注意原关联矩阵为了描述电流方向明确了哪一个是正号哪一个是负号用以标示支路电流的流进和流出，而从式中不难看出，只要关联矩阵中的每一列中的两个元素有一个为正号另一个为负号，自导纳就为正，而互导纳就为负数。

对于节点引入电流列向量：

由于在本设计中不含受控源，并且电气设备电路电源形式比较简单，这里就不做讨论。

求出了节点电压，将划去的参考节点电压设为0，加入到节点电压列向量中，形成完整的包括所有节点的节点电压列向量，通过节点电位的比较可以直接计算出任意两点之间的电压情况。

3.3计算支路电阻

利用万用表测量的过程需要在电路拓扑结构中的两个被测量节点上增加一条支路，形成带有万用表的新电路拓扑图，对新的电路进行电路仿真，得到增加支路的支路电压和支路电流，再用欧姆定律求得电阻值。

具体实施步骤为：

(1)在支路导纳矩阵的末端增加一条支路并且含有一个电压源，新的支路导纳矩阵为Y'，为(b+1)阶对角阵。

(2)获取两个测量节点的节点编号，在关联矩阵最后加一列变为(b+1)×n的矩阵，根据节点编号在(b+1)列上进行相应的修改，得到新网络拓扑图及新关联矩阵。

再将新加支路上的电压源负极所对应的节点x设为参考节点，并将参考节点划去得到新的(n-1)×(b+1)的降阶关联矩阵

(3)修改独立电流源矩阵引入新支路带来的电源信息。

(4)通过计算各节点电压的方法，获取新支路的各支路电压，各支路电流，进而得到各支路阻抗值。

引入新支路，是万用表测量模拟的需要，并不是真的增加这条支路，因此在增加新支路的过程不必写入到元件属性当中。万用表测量是系统的一种功能，因此本文将引入新支路的过程作为功能模型处理。

3.4模型中孤立点问题解决方案

上述用万用表测量节点电压时，若测量点处于两个断开的开关之间，那么在实际电路中这些点并没有接在电路中，此时万用表测量显示为浮动值较小的虚电压。而在节点电压计算时并非如此，由于固化了网络拓扑图，这些点仍然在电路中，而断开的元件支路等效为大电阻，计算出的电压值将仍然以节点电位来计算，而这样计算出来的值与万用表测量的实际情况不符，因此需要对这些点(孤立点)进行特殊处理。孤立点判断依据是是否与含电源支路的端点相连，在电路搜索中的含义为从这类节点出发进行电路搜索即图的遍历，将无法访问到电源两端的节点。孤立点不仅仅包括没接入到电路中的单个点，还包括没接入到电路中某个区域内的点。本发明在构建网络拓扑图过程中，通过图的遍历搜索模型中各孤立点，对搜索出的孤立点设定固定参数，在计算各节点电压后，由固定参数将计算出的节点电压覆盖，这样在维修训练过程中孤立点就不会影响万用表的测量结果。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将电气设备中的所有实物电气元件分别拆解为功能部件，以所有功能部件为基础对象根据实物电气元件之间的电网络连接关系建立模型；

步骤2，根据模型中各功能部件之间的电网络连接关系构建网络拓扑图，网络拓扑图由节点和边构成，节点为支路端点的抽象，边为二端元件的抽象，由网络拓扑图生成关联矩阵；

步骤3，根据关联矩阵及模型的参数计算各节点电压或各支路电阻，计算各支路电流，将计算出的各支路电流分别与模型中各功能部件设定的参数进行比较，当流过功能部件的电流大小超过其设定的阀值时执行相应动作，未超过阀值时不动作；

所述根据关联矩阵及模型的参数计算各支路电阻的过程中，通过在模型的任意两个被测节点上连接万用表增加一条支路，形成带有万用表的新网络拓扑图，对新网络拓扑图构建新关联矩阵，根据新关联矩阵及模型的参数计算各支路电压和各支路电流，再由欧姆定律得到支路电阻；

步骤4，在步骤3完成后返回步骤2重新构建网络拓扑图、生成关联矩阵；

步骤5，在步骤2-4中人为对一个或多个功能部件设置故障，维修人员采用虚拟万用表测量模型中任意两节点之间电压或电阻，根据测量结果对故障信号进行判断，实现电气设备虚拟维修训练仿真；

所述构建网络拓扑图过程中，通过图的遍历搜索模型中各孤立点，对搜索出的孤立点设定固定参数，在计算各节点电压后，由固定参数将计算出的节点电压覆盖。

2.根据权利要求1所述的一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法，其特征在于：所述建立模型过程中在所有功能部件根据实物电气元件之间的电网络连接关系连接好后，对所有功能部件分别进行属性定义：包括定义模型类型、电路网络拓扑、电路仿真参数、控制功能、通断状态、延时时间、故障设置和不可逆动作状态中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法，其特征在于：所述由网络拓扑图生成关联矩阵的方法为：当节点与边有关联时，设定元素值为1，当节点与边无关联时，设定元素值为0；以元素值的正负表示电流的方向，当元素值为正时，表示该节点为边的电流流入节点，当元素值为负时，表示该节点为边的电流流出节点。

4.根据权利要求1所述的一种电气设备虚拟维修训练系统仿真方法，其特征在于：所述根据关联矩阵计算各节点电压的方法为：Y_nU_n＝I_sn

其中，Y_n＝AYA^T，

上式中，U_n为各节点电压矩阵，A为关联矩阵，Y为各支路的导纳矩阵，为各支路独立电流源，为各支路独立电压源。