CN106251747A - 一种配电网模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种配电网模拟系统，包括模拟的配电网、设置在配电网中用于触发配电网发生故障的故障模拟装置、分布在配电网中用于隔离故障的分段开关、设置在配电网中用于采集配电网各节点电压和电流的采集装置、分别与故障模拟装置、分段开关和采集装置连接的控制装置、与控制装置通信连接用于设置配电网故障的人机交互装置、设置在配电网中与人机交互装置通信连接用于记录配电网在故障前后电气量的变化并反馈至人机交互装置的录波装置。本发明能够全面、准确地模拟配电网正常运行和故障情况下的动态行为，具有直观性、广泛性、灵活性和整体性。

Description

一种配电网模拟系统

技术领域

本发明涉及一种配电网模拟系统。

背景技术

配电网供电可靠性是居民提高生产生活质量的前提条件。继电保护是配电网的基础支撑技术，很大程度的影响了配电网的供电可靠性，在配电网的安全运行和未来发展中，继电保护技术的应用具有重大的现实意义。目前，我国的电网朝着智能化的方向发展，随着分布式电源的提出，主动配电网应运而生。主动配电网是指有分布式能源、具有主动控制和运行能力的配电网，是智能电网的一个前沿分支，继电保护技术是保障主动配电网安全可靠供电的重要反事故措施。主动配电网继电保护的实物模拟技术，可直观方便地实现配电网保护实物化展示，提高继电保护培训工作的标准化以及规范化水平，缩短继保人员的培养周期。

但在主动配电网领域，通过单纯的数字仿真，无法真实地模拟实际现场的各种现象，因此需要采用物理仿真的方式对配电网进行模拟。物理仿真是根据相似性原理，使用与实际系统具有相同物理性质且参数标幺值一致的模拟元件，将一个真实的配电网复制到实验室中，保证在模型上所反映的过程和实际系统中的过程相似。现有物理仿真系统多用于110kV及以上电压等级的系统或是以发电厂作为研究应用对象，对配电网的仿真模拟研究较少。与高压输电网相比，配电网存在着网架薄弱、技术装备水平低等问题，且二者的网络结构特点、保护配置及整定计算也不完全相同，且已有的配电网实物模拟系统规模较为简单， 由基本的一次元件和一定的自动化装置组成，为短路或单相接地提供基本的数据，模拟系统发生故障时的暂态过程与原系统相似度不够高；对线路阻抗敏感，在不同的电源环境下运行时的系统阻抗变化较大，通用性不强；故障的模拟均是在未考虑故障相角的情况下进行的，导致配电网故障模拟存在一定的缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种配电网模拟系统，能够全面、准确地模拟配电网的正常运行和故障情况下的动态行为。

本发明通过以下技术方案实现：

一种配电网模拟系统，包括模拟的配电网、设置在配电网中用于触发配电网发生故障的故障模拟装置、分布在配电网中用于隔离故障的分段开关、设置在配电网中用于采集配电网各节点电压和电流的采集装置、分别与故障模拟装置、分段开关和采集装置连接的控制装置、与控制装置通信连接用于设置配电网故障的人机交互装置、设置在配电网中与人机交互装置通信连接用于记录配电网在故障前后电气量的变化并反馈至人机交互装置的录波装置，控制装置控制故障模拟装置触发配电网发生故障，故障发生后，控制装置根据采集装置反馈的电压和电流数据判断故障点，并控制分段开关动作以隔离故障点。

进一步的，所述配电网包括至少一个配电单元，配电单元包括电源、输入端与电源输出端连接的电抗器、输入端与电抗器输出端连接的变压器、与变压器输出端连接的母线、从母线引出的至少一路馈线、与每路馈线连接的负载。

进一步的，所述配电网包括两所述配电单元，两所述配电单元的一路馈线相互连接构成拉手式供电线路。

进一步的，所述电抗器包括相互串接的两个电感和与其中一个电感并联的投切开关，其中一个电感与所述电源输出端连接，另一个电感与变压器输入端 连接，投切开关与所述控制装置连接，控制装置通过控制投切开关的通断来控制电抗的投入量，从而控制配电网运行的模式，投切开关断开时，所述配电网以大阻抗模式运行，投切开关闭合时，所述配电网以小阻抗模式运行。

进一步的，所述馈线包括电缆线路、架空线路和/或混合线路。

进一步的，所述录波装置与控制装置连接，包括用于采集配电网故障点电压和电流并反馈至所述控制装置的互感器、用于采集并存储配电网各电气量数据的采集卡，通过所述人机交互装置设置录波装置开启阈值，当故障点电压或者电流超过开启阈值时，所述控制装置控制采集卡采集并存储配电网电气量数据，并反馈至所述人机交互装置以实现对配电网运行情况的监控。

进一步的，所述故障模拟装置包括分别与所述控制装置、配电网连接的过零时刻获取单元、从所述配电网引出至接地用于触发所述配电网发生阻性接地故障及相间短路故障的电阻接地故障单元、从所述配电网引出至接地用于触发所述配电网发生弧光接地故障的电弧故障单元、设置在配电网中电阻接地故障单元引出点与电弧故障单元引出点之间的用于触发所述配电网线路断路的断路开关，电阻接地故障单元、电弧故障单元、断路开关均与所述控制装置连接，控制装置根据过零时刻获取单元反馈的配电网线路的过零时刻及人机交互装置设置的故障相角，计算动作时刻，并在动作时刻来临时，控制电阻接地故障单元、电弧生成单元或者断路开关动作，以触发所述配电网在给定的故障相角下模拟各种故障。

进一步的，所述分段开关、投切开关均为接触器触点，对应的接触器线圈的通断由所述控制装置控制。

进一步的，所述采集装置包括电压互感器和电流互感器。

进一步的，还包括设置在所述配电网中由所述控制装置控制投切的分布式 电源。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明使用与真实配电网系统具有相同物理性质的模拟元件，全面、准确地模拟配电网正常运行和故障情况下的动态行为，能够模拟配电网的不同运行模式、改变配电网的拓扑结构、模拟停电转供的供电策略，具有直观性、广泛性、灵活性和整体性。

2、本发明电抗器的电感值在系统阻抗的变化中起主导作用，与不同阻抗的电源连接时，系统阻抗变化较小，因此适用于各种电源环境下的仿真，通用性强。

3、本发明的录波装置能够记录系统故障前后的运行数据并传输至人机交互装置，人机交互装置可据此对配电网运行情况进行监控，并对各类故障进行研究，从而对模拟装置设计的合理性进行验证及改进。

4、本发明的故障模拟装置能够精确地实现故障相角控制，从而实现在任意故障相角下进行配电网故障模拟，且可实现任意故障相角重复试验，故障模拟结果准确可信。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明配电网的电路图。

图3为本发明故障模拟装置的原理图。

具体实施方式

如图1至图3所示，配电网模拟装置包括模拟的配电网1、设置在配电网1中用于触发配电网1发生各种故障的故障模拟装置2、分布在配电网1中用于隔离故 障的分段开关3、设置在配单网1中用于采集配电网各节点电压和电流的采集装置4、分别与故障模拟装置2、分段开关3和采集装置4连接的控制装置5、与控制装置5通信连接用于设置配单网1故障的人机交互装置6、设置在配电网1中与人机交互装置6通信连接用于记录配电网1在故障前后电气量并反馈至人机交互装置6的录波装置7、设置在配电网1中由控制装置5控制投切的分布式电源8，控制装置5控制故障模拟装置2触发配电网1发生故障，故障发生后，控制装置5根据采集装置4反馈的电压和电流数据判断故障点，并控制分段开关3动作以隔离故障点。

本实施例中，配电网1包括两个配电单元11，配电单元11包括电源12、输入端与电源12输出端连接的电抗器13、输入端与电抗器13输出端连接的变压器14、与变压器14输出端连接的母线15、从母线15引出的馈线、与馈线连接的负载17，电源12为变电站，电抗器13包括相互串接的电感131、电感132和与电感131并联的投切开关K1，电感131的一端与电源12输出端连接，电感131的另一端与电感132的一端连接，电感132的另一端与变压器14输入端连接，投切开关K1与控制装置5连接，控制装置5通过控制投切开关K1的通断来控制电抗的投入量，从而控制配电网1运行的模式，投切开关K1断开时，配电网1以大阻抗模式运行，投切开关K1闭合时，配电网1以小阻抗模式运行，电感131和电感132的电抗值较大，在系统阻抗的变化中起主导作用，当连接不同变电站时，即使各个变电站的阻抗不同，也不会影响模拟装置的系统阻抗，因此在不同的变电站环境中模拟的结果一致，具有很强的通用性，图2中左边配电单元11的馈线包括分别从母线15引出的电缆线路161、架空线路162和由电缆和架空线混合连接形成的混合线路163，右边的馈线包括分别从母线15引出的混合线路163、两条架空线路162，两母线15通过线路164相互连接构成馈线首端拉手式供电线路，两混合线路163末 端通过线路165相互连接构成馈线末端拉手式供电线路，分段开关3包括设置在电抗器13和变压器14连接线上的开关K2、设置在变压器14和母线15连接线上的开关K3、间隔设置在电缆线路161上的两个开关K4和K5、间隔设置在架空线路162上的两个开关K6和K7、间隔设置在混合线路163上的两个开关K8和K9、设置在线路164上的开关K10、设置在线路165上的开关K11。

录波装置7还与控制装置5连接，人机交互装置6可设置录波装置7的开启阈值，录波装置7包括用于采集配电网1故障点电压和电流并反馈至控制装置5的互感器、用于采集并存储配电网1电压、电流等电气量数据的采集卡，当故障点电压或者电流超过开启阈值时，控制装置5控制采集卡采集并存储配电网1的电气量数据，并将电气量数据实时发送至人机交互装置6，以实现对配电网1运行情况的监控，人机交互装置6可获取采集卡存储的数据对配电网1发生的故障进行研究，以此对模拟装置设计的合理性进行验证及改进。

故障模拟装置2包括分别与控制装置5、配电网1连接的过零时刻获取单元(图3中未画出)、从配电网1引出至接地用于触发配电网1发生阻性接地故障及相间短路故障的电阻接地故障单元22、从配电网1引出至接地用于触发配电网发生弧光接地故障的电弧故障单元23、设置在配电网1中电阻接地故障单元22引出点与电弧故障单元23引出点之间的用于触发配电网1线路断路的断路开关，电阻接地故障单元22、电弧故障单元23和断路开关均与控制装置5连接，过零时刻获取单元包括电压转换电路和过零比较电路，电压转换电路与配电网1连接用于采集供配电网1电压并对采集的电压进行降压处理，过零比较电路分别与控制装置5和电压转换电路连接，用于对降压处理后的电压信号进行过零比较，获取配电网1电压的过零时刻并反馈至控制装置1，电阻接地故障单元22包括开关K12-K14、可变电阻R1、可控制可变电阻R1接入电阻量大小的开关K15-K18，电 弧故障单元23包括开关K19-K21和电弧触发装置231，断路开关包括开关K22-K24，人机交互装置6可设置故障相角θ，控制装置5根据过零时刻获取单元反馈的配电网1电压的过零时刻t₁及故障相角θ，计算动作时刻并在动作时刻t₂来临时，控制电阻接地故障单元22、电弧生成单元23或者断路开关动作，以触发所述配电网1在设定的故障相角θ下模拟各种故障，其中，f_z为配电网1电压的频率。

本实施例中，分段开关3和投切开关K1均为接触器触点，各接触器触点对应的接触器线圈的通断由控制装置5控制，采集装置4包括电压互感器和电流互感器，开关K12-K14、K19-K24均为双向晶闸管，开关K15-K18为接触器，变压器14变比为380/380V。

本发明工作原理如下：

如图2中F1为电缆线路161上的一个故障点，正常运行时，故障点F1两端通过短接片进行短接，进行故障实验时，断开短接片，将故障模拟装置2的D、E两端分别与故障点F1两端连接，使故障模拟装置2的A、B、C三相与配电网1的A、B、C三相对应连接，即可通过故障模拟装置2触发配电网1模拟断路、相间短路、阻性短路和弧光短路等故障，故障发生后，控制装置5通过采集装置4反馈的配电网1电压和电流，判断出故障点F1所在位置，并控制开关K4、K5断开以隔离故障；录波装置7并联在电缆线路161上，可采集并存储电缆线路161故障前后的电压、电流等电气量，从而记录故障前后各电气量的变化，并传输至人机交互装置6，为监控配电网1运行情况及后期故障分析提供数据。

故障模拟装置2可模拟的故障包括：

a、短路故障：

a1、两相短路：K22-K24闭合，K12、K13闭合，K14断开，K9-K21断开；

a1、三相短路：K22-K24闭合，K12-K14闭合，K9-K21断开；

b、断路故障：

b1、单相断路：K22、K23闭合，K24断开，K12-K14、K19-K21断开；

b2、两相断路：K22闭合，K23、K24断开，K12-K14、K19-K21断开；

b3、三相断路：K12-K14、K19-K34断开；

b4、单相断路，首端落地：K22、K23闭合，K24断开，K12闭合，K13、K14断开，K19-K21断开，K18闭合，K15-K17断开；

b5、单相断路，末端落地：K22、K23闭合，K24断开，K19闭合，K20、K21断开，K12-K14断开，K18闭合，K15-K17断开；

b6、两相断路，首端落地：K22闭合，K23、K24断开，K12、K13闭合，K14断开，K19-K21断开，K18闭合，K15-K17断开；

b7、两相断路，末端落地：K22闭合，K23、K24断开，K19、K20闭合，K21断开，K12-K14断开，K18闭合，K15-K17断开；

b8、三相断路，首端落地：K22-K24断开，K12-K14闭合，K19-K21断开，K18闭合，K15-K17断开；

b9、三相断路，末端落地：K22-K24断开，K12-K14断开，K19-K21闭合，K18闭合，K15-K17断开；

c、接地故障：

c1、单相接地：K22-K24闭合，K12闭合，K13、K14断开，K19-K21断开，可调电阻R1可选择高阻、中阻、低阻或者直接接地；

c2、两相接地：K22-K24闭合，K12、K13闭合，K14断开，K19-K21断开，可调电阻R1可选择高阻、中阻、低阻或者直接接地；

c3、弧光接地：K22-K24闭合，K12闭合，K13、K14断开，K19-K21断开，并控制电弧生成单元R1形成弧光。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种配电网模拟系统，其特征在于：包括模拟的配电网、设置在配电网中用于触发配电网发生故障的故障模拟装置、分布在配电网中用于隔离故障的分段开关、设置在配电网中用于采集配电网各节点电压和电流的采集装置、分别与故障模拟装置、分段开关和采集装置连接的控制装置、与控制装置通信连接用于设置配电网故障的人机交互装置、设置在配电网中与人机交互装置通信连接用于记录配电网在故障前后电气量的变化并反馈至人机交互装置的录波装置，控制装置控制故障模拟装置触发配电网发生故障，故障发生后，控制装置根据采集装置反馈的电压和电流数据判断故障点，并控制分段开关动作以隔离故障点。

2.根据权利要求1所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：所述配电网包括至少一个配电单元，配电单元包括电源、输入端与电源输出端连接的电抗器、输入端与电抗器输出端连接的变压器、与变压器输出端连接的母线、从母线引出的至少一路馈线、与每路馈线连接的负载。

3.根据权利要求2所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：所述配电网包括两所述配电单元，两所述配电单元的一路馈线相互连接构成拉手式供电线路。

4.根据权利要求2所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：所述电抗器包括相互串接的两个电感和与其中一个电感并联的投切开关，其中一个电感与所述电源输出端连接，另一个电感与变压器输入端连接，投切开关与所述控制装置连接，控制装置通过控制投切开关的通断来控制电抗的投入量，从而控制配电网运行的模式，投切开关断开时，所述配电网以大阻抗模式运行，投切开关闭合时，所述配电网以小阻抗模式运行。

5.根据权利要求2所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：所述馈线包括电缆线路、架空线路和/或混合线路。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：所述录波装置与控制装置连接，包括用于采集配电网故障点电压和电流并反馈至所述控制装置的互感器、用于采集并存储配电网各电气量数据的采集卡，通过所述人机交互装置设置录波装置开启阈值，当故障点电压或者电流超过开启阈值时，所述控制装置控制采集卡采集并存储配电网电气量数据，并反馈至所述人机交互装置以实现对配电网运行情况的监控。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：所述故障模拟装置包括分别与所述控制装置、配电网连接的过零时刻获取单元、从所述配电网引出至接地用于触发所述配电网发生阻性接地故障及相间短路故障的电阻接地故障单元、从所述配电网引出至接地用于触发所述配电网发生弧光接地故障的电弧故障单元、设置在配电网中电阻接地故障单元引出点与电弧故障单元引出点之间的用于触发所述配电网线路断路的断路开关，电阻接地故障单元、电弧故障单元、断路开关均与所述控制装置连接，控制装置根据过零时刻获取单元反馈的配电网线路的过零时刻及人机交互装置设置的故障相角，计算动作时刻，并在动作时刻来临时，控制电阻接地故障单元、电弧生成单元或者断路开关动作，以触发所述配电网在给定的故障相角下模拟各种故障。

8.根据权利要求4所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：所述分段开关、投切开关均为接触器触点，对应的接触器线圈的通断由所述控制装置控制。

9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：所述采集装置包括电压互感器和电流互感器。

10.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种配电网模拟系统，其特征在于：还包括设置在所述配电网中由所述控制装置控制投切的分布式电源。