CN105355122B - 一种虚负荷模拟组网发生装置及发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种虚负荷模拟组网发生装置及发生方法，发生装置包括功率放大器、信号产生器和组网控制器；所述功率放大器将信号产生器产生的交流信号进行功率放大，设置电压、电流档位以达到在实际使用过程中电能表额定的电压、电流；所述信号产生器根据组网控制器的生成指令产生电压、电流幅度，相位连续可调的交流信号；所述组网控制器根据设定的配电网络拓扑结构，按照一个供电点对应若干受电点的网络拓扑结构为相应的信号产生器提供电压、电流、功率因数生成指令。本发明能够实时生成供电点和其关联受点电的电压、电流、功率因数数据，实时加载到该网络的各个计量点，为变电站仿真装置、低压仿真装置提供符合电网网络拓扑关系的用电负载。

Description

一种虚负荷模拟组网发生装置及发生方法

技术领域

本发明涉及用电信息采集仿真培训领域，特别涉及一种虚负荷模拟组网发生装置及发生方法。

背景技术

用电信息采集仿真培训系统由主站、通信网络、采集终端、虚负荷电源组成，能够仿真完成对供电公司下属专变、台变、变电站、居民用户等的各种电能量数据、遥测信息及状态信息的采集、处理和存储。仿真系统的虚负荷电源为采集终端和电能表提供实时负荷，是用电信息采集仿真培训系统的重要组成部分。

现有虚负荷电源由信号产生器和功率放大器组成，如图2所示。虚负荷电源采用电子技术将正铉50Hz信号裂相为三相信号源，经功率放大器输出幅值，相位可调节的三相电压和三相电流提供给负载。虚负荷电源三相功率源输出的电流可平稳的从零调节至额定值，输出电压可平稳的从零调节至220V。同相电压和电流之间的相角分档可以在0度 至360度 之间调节，其值由电压表、电流表及相角表显示。

虚负荷发生装置通过通讯通道控制虚负荷电源，设定虚负荷电源的输出。虚负荷电源默认输出为电压57.7V，电流5A，相位角为0，幅度为100％。源输出数据回传给信号源主机，主机界面给予显示。信号源主机软件可以控制虚负荷源的启动、停止、复位功能。用电信息采集仿真培训系统采用的虚负荷电源为三相电能表和用电信息采集终端提供仿真电力客户的电压和电流负载，电能表可以采集虚负荷电源提供的日(小时)实时电压、电流、有功电量、无功电量等信息，用电信息采集采集终端也可以从虚负荷电源获得仿真现场的各种电源模式。

此外，虚负荷电源发生装置为独立电源发生器，一套虚负荷电源能够为一个或多个计量点提供一种预设的静态或动态实时负荷，不同的虚负荷电源提供的预设动态实时负荷不同，相互之间没有联动机制。每套虚负荷电源为各自对应的计量点提供预设的动态实时负荷，各个计量点获得的动态实时负荷与电网实际拓扑结构之间没有关联，用电信息采集系统获得的各计量点电能信息不能够反应电网潮流物理规律。独立虚负荷电源发生装置不能够生成关联的动态实时负荷，不能够实时仿真典型配电网络潮流的物理规律，不能够为用电信息采集仿真培训系统开展线损分析、电能质量监控、有序用电管理、反窃电等培训提供动态实时仿真环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种虚负荷模拟组网发生装置及发生方法，能够仿真变电站高压出线计量点和其关联的低压配电和公用配电以及关联的居民配电的典型电网拓扑结构，能够实时生成供电点和其关联受点电的电压、电流、功率因数数据，实时加载到该网络的各个计量点，为变电站仿真装置、专公变仿真装置、低压仿真装置提供符合电网网络拓扑关系的用电负载，为用电信息采集系统开展线损分析、电能质量监控、有序用电管理、反窃电等培训提供实时全仿真环境。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种虚负荷模拟组网发生装置，包括功率放大器、信号产生器和组网控制器；

所述功率放大器用于将信号产生器产生的交流信号进行功率放大，达到实际使用时的真实电压、电流，同时对信号产生器进行控制，设置电压、电流档位以达到在实际使用过程中电能表额定的电压、电流；所述信号产生器用于根据组网控制器的生成指令产生电压、电流幅度，相位连续可调的交流信号；所述组网控制器用于根据设定的配电网络拓扑结构，按照一个供电点对应若干受电点的网络拓扑结构为相应的信号产生器提供电压、电流、功率因数生成指令，即为各测量点信号产生器提供遵循电力系统基本物理规律的电力负荷组合方案；所述组网控制器具体结构为：包括依次相连的上行通信模块、控制处理模块和下行通信模块，所述控制处理模块根据输入的自变量计算出变电站、公变、低压用户的不同输出信号组合，实现模拟组网功能，还对上下行通信报文进行解析和组织。

具体的，所述组网控制器还包括数据存储模块，用于存储上位机设置的各种参数以及控制器对信号产生器设置的各种参数。

具体的，所述组网控制器还包括时钟模块，用于为控制处理模块提供准确的时间。

具体的，上行通信模块与上位机主站的通信方式为以太网或者RS232，下行通信模块与信号产生器的通信方式为RS485总线方式。

一种虚负荷模拟组网发生方法，包括以下步骤：

组网控制器根据设定的配电网络拓扑结构，按照一个供电点对应若干受电点的网络拓扑结构为相应的信号产生器提供电压、电流、功率因数生成指令，即为各测量点信号产生器提供遵循电力系统基本物理规律的电力负荷组合方案；

信号产生器根据组网控制器的生成指令产生电压、电流幅度，相位连续可调的交流信号；

功率放大器将信号产生器产生的交流信号进行功率放大，达到实际使用时的真实电压、电流，同时对信号产生器进行控制，设置电压、电流档位以达到在实际使用过程中电能表额定的电压、电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、实现多个虚负荷电源的统一协调控制，为用电信息采集仿真培训系统或其它配电网络实时仿真系统提供符合实际物理规律的电压、电流、相位交流负荷，为用电信息采集仿真培训系统提供全真培训环境，全面训练电网公司一线员工使用用电信息采集系统监控和处理客户正常和异常用电信息的能力，全面提高用电信息采集与监控系统利用水平和效率，全面提高一些营销技术服务水平，为电网企业进行营销业务创新打下基础。

2、能够实时仿真典型配电网络潮流的物理规律，能够为科研人员开展用电信息采集与监控的线损分析、电能质量监控、有序用电管理、反窃电等功能的研究提供实时测试环境和灵活的工具，为检测各用电信息采集与检测系统和各型采集终端设备质量水平提供有效的平台，为电网企业把关用电信息采集与监控设备提供基础支撑。

附图说明

图1是本发明中组网控制器结构示意图。

图2是传统虚负荷电源结构示意图。

图3是本发明中虚负荷模拟组网发生装置结构示意图。

图4是本发明中虚负荷模拟组网网络拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明提供的虚负荷模拟组网发生装置由三个部分组成，如图3所示，包括组网控制器(WK-01)、信号产生器(信号源WT-Y)和功率放大器(WT-Y300G)。

一、虚负荷模拟组网发生装置

组网控制器：其结构如图1所示，包括依次相连的上行通信模块、控制处理模块和下行通信模块，所述控制处理模块根据输入的自变量计算出变电站、公变、低压用户的不同输出信号组合，实现模拟组网功能，还对上下行通信报文进行解析和组织。所述组网控制器根据设定的配电网络拓扑结构，为各测量点信号产生器提供遵循电力系统基本物理规律的电力负荷组合方案。组网控制器根据配电网络拓扑关系，按照一个供电点对应若干受电点的网络拓扑结构为相应的信号产生器提供电压、电流、功率因数生成策略。组网策略包括：1、电压分布满足基尔霍夫电压定律，符合配电网络电压降落物理规律，供电点电压高于受电点电压，配电线路电压损失(电压降落)可调节；2、电流分布满足基尔霍夫电流定律，符合配电网络潮流分布物理规律，总路实时负荷总是与各支路实时负荷之和相等，各支路电流可调节； 3、各测量点功率因数可调整，负荷配电网络功率因数一般规律；4、各配电线路有功、无功损失可调节，近似反映配网线损规律。

信号源：根据组网控制器生成的策略产生电压、电流幅度，相位连续可调的交流信号。各个信号源的电压、电流、功率因数信号相互关联，反映出配电网络的拓扑关系。

功率放大器：将信号源产生的交流信号进行功率放大，达到实际使用时的真实电压，电流，同时通过软件对信号源的控制，可以设置电压，电流档位以达到在实际使用过程中电能表额定的电压，电流。

组网虚负荷电源发生装置保证计量点数据稳定变化，更好体现数据真实性。虚负荷电源可以仿真3×220V，1A/2.5A三相四线制接线用户负荷。电压电流0～120％连续可调，组网虚负荷电源发生器到各计量点根据挂接表计不同分为3×220V，3×57.7V三相四线表，3×380V，3×100V三相三线表，到各表位电压采用隔离PT实现不同表的电压要求。

组网虚负荷电源发生装置是在软件中设置各计量点相应的电压、电流档位，幅度，相位，由软件将符合网络拓扑关系的数据发送到各个信号源，信号源对数据进行分析，产生相应的电压、电流信号，设置功率放大器电压、电流实际输出档位，给对应计量点的电能表提供符合网络拓扑关系的电压、电流，各计量点负荷符合配电网络潮流分布物理规律。

组网虚负荷电源发生装置可通过软件中的日负荷曲线功能，绘制日平均负荷，月平均负荷曲线和年平均负荷曲线，对各个计量点负荷进行动态实时控制。各个计量点的动态实时负荷变化规律能够符合配电网络潮流分布物理规律，为用电信息采集培训系统提供全仿真环境。

二、虚负荷模拟组网实现

本发明仿真某供电公司变电站某高压出线计量点和其关联的低压配电和公用配电以及关联的居民配电的典型电网拓扑结构，采用增设模拟组网控制器方式协调虚负荷电源输出静态或动态实时负荷，通过组网控制器同时对变电站仿真装置、专公变仿真装置、低压仿真装置提供符合电网网络拓扑关系的电能信息，为用电信息采集系统开展线损分析、电能质量监控、有序用电管理、反窃电等培训提供实时仿真环境。

用电信息采集仿真培训系统采用模拟组网虚负荷加载方式运行时，应将仿真培训屏柜上的三相、单相智能电能表更换为仿真电能表(有厂家专门生产仿真电能表，具备写入通讯接口，可以根据需要实时改写仿真表中的电压、电流、功率因素、有功功率、无功功率、峰平谷电能等各种用电实时信息)，采用组网控制器设置每个计量点的静态或动态实时电力负荷，对变电站仿真装置、高压仿真装置及低压仿真装置进行组网，对仿真装置分别设置隶属关系。配置好隶属关系后，设置变电站仿真装置输出电压，隶属的高压仿真装置及低压仿真装置产生联动，自行调节电压、电流输出。

虚负荷模拟组网的网络拓扑结构如图4所示。采用不同的模拟组网建模算法可以仿真不同的电网拓扑结构，例如应用于电力系统调度的EMS能量仿真控制系统可以采用高仿真数学模型为复杂电网拓扑结构提供动态实时负荷组合。本发明电网拓扑结构用于用电信息采集系统的培训和科研用处，电网节点少，结构简单，对控制的精确性和可靠性要求不高，可以采用本发明的低仿真数学模型为本电网拓扑结构提供动态实时负荷组合，能够满足电网企业培训和科研的需要。

本发明电网拓扑结构采用一路高压出线、两路中压出线、六路低压出线组合的典型放射性网络，能够满足用电信息采集系统在典型放射性网络中各个节点全面配置变电站终端、专公变终端、集中器、采集器的需要。

三、模拟组网建模方法

以下为模拟组网网络拓扑进行的低仿真数学模型，不符合实际的电路物理规律，但能够近似反映电网各测量点电能量参数之间的数学关系，能够为图4所示的配电网络提供符合基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律的动态实时负荷，能够为用电信息采集系统提供线损分析、有序用电管理、电能质量监控需要的各种电能信息组合，为用电信息采集系统软件应用培训提供支撑。该低仿真模拟组网建模方法能够为此典型放射性网络拓扑结构各节点提供动态实时负荷，对此典型放射性网络拓扑结构各节点的动态实时负荷进行采集和分析，培训教师可以为培训学员学习用电信息采集采集系统的应用软件提供各种动态用电信息组合，训练电网企业一线技术人员用电信息采集系统应用软件应用能力。具体为：

1、电能信息参数定义

1)、设变电站仿真装置处的电能信息如下：

U_变：变电站测量点处瞬时电压(kV)

I_变：变电站测量点处瞬时电流(A)

Cos_变：变电站测量点处瞬时功率因素

P_变：变电站测量点处有功潮流(kW)，P_变＝U_变I_变Cos_变

Q_变：变电站测量点处有功潮流(kVar)，Q_变＝U_变I_变Sin_变

2)、设专变仿真屏柜(高压仿真装置1号处)的电能信息如下：

U_专变：专变测量点处瞬时电压(kV)

I_专变：专变测量点处瞬时电流(A)

Cos_专变：专变测量点处瞬时功率因素

P_专变：专变测量点处有功潮流(kW)，P_专变＝U_专变I_专变Cos_专变

Q_专变：专变测量点处有功潮流(kVar)，Q_专变＝U_专变I_专变Sin_专变

3)、设公变仿真屏柜(高压仿真装置2号处)的电能信息如下：

U_公变：公变测量点处瞬时电压(kV)

I_公变：公变测量点处瞬时电流(A)

Cos_公变：公变测量点处瞬时功率因素

P_公变：公变测量点处有功潮流(kW)，P_公变＝P_低01+P_低02+P_低03

Q_公变：公变测量点处有功潮流(kVar)，Q_公变＝Q_低01+Q_低02+Q_低03

4)、设低压仿真装置1号处的电能信息如下：

U_低01：低压装置1号测量点处瞬时电压(kV)

I_低01：专变测量点处瞬时电流(A)

Cos_低01：专变测量点处瞬时功率因素

P_低01：专变测量点处有功潮流(kW)，P_低01＝U_低01I_低01Cos_低01

Q_低01：专变测量点处有功潮流(kVar)，Q_低01＝U_低01I_低01Sin_低01

5)、设低压仿真装置2号处的电能信息如下：

U_低02：低压装置2号测量点处瞬时电压(kV)

I_低02：专变测量点处瞬时电流(A)

Cos_低02：专变测量点处瞬时功率因素

P_低02：专变测量点处有功潮流(kW)，P_低02＝U_低02I_低02Cos_低02

Q_低02：专变测量点处有功潮流(kVar)，Q_低02＝U_低02I_低02Sin_低02

6)、设低压仿真装置3号处的电能信息如下：

U_低03：低压装置3号测量点处瞬时电压(kV)

I_低03：专变测量点处瞬时电流(A)

Cos_低03：专变测量点处瞬时功率因素

P_低03：专变测量点处有功潮流(kW)，P_低03＝U_低03I_低03Cos_低03

Q_低03：专变测量点处有功潮流(kVar)，Q_低03＝U_低03I_低03Sin_低03

7)、设35-500kV高压输电线路损失电能信息如下：

ΔU_高01：高压输电01号线路电压降落损失(kV)

ΔU_高02：高压输电02号线路电压降落损失(kV)

ΔP_高01：高压输电01号线路有功功率损失(kW)

ΔQ_高01：高压输电01号线路无功功率损失(kVar)

ΔP_高02：高压输电02号线路有功功率损失(kW)

ΔQ_高02：高压输电02号线路无功功率损失(kVar)

2、各测量点电能信息参数仿真关系

令：

P_变＝P_专变+ΔP_高01+P_公变+ΔP_高02

Q_变＝Q_专变+ΔQ_高01+Q_公变+ΔQ_高02

U_变＝U_专变+ΔU_高01

U_变＝U_公变+ΔU_高02

U_低01＝U_低02＝U_低03

3、自变量和因变量

自变量包括：

U_专变、ΔU_高01、ΔU_高02、U_低01、

I_低01、I_低02、I_低03、Cos_低01、Cos_低02、Cos_低03、

ΔP_高01、ΔP_高02、ΔQ_高01、ΔQ_高02、

U_专变、U_专变、I_专变、Cos_专变

因变量包括：

P_变、Q_变、U_变、U_低01、P_专变、P_公变、Q_专变、Q_公变

根据需要，科研人员和培训教师可以设置各种自变量组合，程序计算出因变量后形成一套反映该网络拓扑结构的电能信息组合，经过虚负荷模拟组网发生器写入各测量点的仿真单、三相电能表，当用电信息采集终端采集到仿真电能表的实时数据后，为研发人员或培训学员提供线损分析、电压质量、有序用电管理、反窃电提供动态实时仿真环境。

本发明提供的虚负荷模拟组网发生装置为用电信息采集系统提供各种电网动态实时运行工况，电网企业员工正确操作用电信息采集与监控系统可获得处理各种电网运行工况的经验，错误操作用电信息采集与监控系统可获得处理失败带来的各种教训，经验和教训的获得为提高一线员工运维水平提供了无可替代的手段，对提高电网企业用电信息采集与监控系统使用水平至关重要。

Claims (5)

1.一种虚负荷模拟组网发生装置，其特征在于，包括功率放大器、信号产生器和组网控制器；

所述功率放大器用于将信号产生器产生的交流信号进行功率放大，达到实际使用时的真实电压、电流，同时对信号产生器进行控制，设置电压、电流档位以达到在实际使用过程中电能表额定的电压、电流；

所述信号产生器用于根据组网控制器的生成指令产生电压、电流幅度，相位连续可调的交流信号；

所述组网控制器用于根据设定的配电网络拓扑结构，按照一个供电点对应若干受电点的网络拓扑结构为相应的信号产生器提供电压、电流、功率因数生成指令，即为各测量点信号产生器提供遵循电力系统基本物理规律的电力负荷组合方案；所述组网控制器具体结构为：包括依次相连的上行通信模块、控制处理模块和下行通信模块，所述控制处理模块根据输入的自变量计算出变电站、公变、低压用户的不同输出信号组合，实现模拟组网功能，还对上下行通信报文进行解析和组织。

2.如权利要求1所述的一种虚负荷模拟组网发生装置，其特征在于，所述组网控制器还包括数据存储模块，用于存储上位机设置的各种参数以及控制器对信号产生器设置的各种参数。

3.如权利要求1所述的一种虚负荷模拟组网发生装置，其特征在于，所述组网控制器还包括时钟模块，用于为控制处理模块提供准确的时间。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种虚负荷模拟组网发生装置，其特征在于，上行通信模块与上位机主站的通信方式为以太网或者RS232，下行通信模块与信号产生器的通信方式为RS485总线方式。

5.一种虚负荷模拟组网发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

组网控制器根据设定的配电网络拓扑结构，按照一个供电点对应若干受电点的网络拓扑结构为相应的信号产生器提供电压、电流、功率因数生成指令，即为各测量点信号产生器提供遵循电力系统基本物理规律的电力负荷组合方案；

信号产生器根据组网控制器的生成指令产生电压、电流幅度，相位连续可调的交流信号；

功率放大器将信号产生器产生的交流信号进行功率放大，达到实际使用时的真实电压、电流，同时对信号产生器进行控制，设置电压、电流档位以达到在实际使用过程中电能表额定的电压、电流。