CN106898181A

CN106898181A - 一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统

Info

Publication number: CN106898181A
Application number: CN201710179940.5A
Authority: CN
Inventors: 刘伟; 侯平智; 洪亚平; 陈小彪
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2017-06-27

Abstract

本发明公开了一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统。本发明通过在控制回路中加入直流继电器或通过电流发生器、模拟电压发生箱产生相应的故障信号，来模拟高压开关柜、低压开关柜中常见的一些故障。通过PLC控制器来控制直流继电器的通断、电流发生器的电流大小和模拟电压发生箱的工作模式。利用MCGS触摸屏作为HMI人机界面，通过工业以太网与各个PLC控制器相连，可以单独设定或者组合设定各种模拟故障。本发明能够让受训人员加深对这些常见的故障了解，从而快速掌握一些操作技能，减少事故发生的几率。

Description

一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统

技术领域

本发明是应用于煤矿生产领域的供配电网络故障模拟培训系统，尤其是对供配电网络中各种常见故障的模拟与实现，属于系统模拟仿真领域。

背景技术

煤矿生产安全一直是不容忽视的问题，而目前大部分的安全事故均与供配电网络这个动力核心有着密不可分的联系。如何有效快速的找到故障地点，迅速排查故障，恢复电网正常运行，避免更大事故，是每一个技工人员必备的技能。

近年来，电子信息化的不断发展，现代化设备投入使用，管理效能进一步提高，对人才的需求也有了进一步的需求。快速地培养高素质、高技能的人才则是现阶段面临的一个问题。目前，在高科技素养的技术人才大量稀缺的情况下，除了引进一些高科技人才外，对现有的职工进行强化技术培训就显得比较重要。

在煤矿丼下10KV的供电网络中，高压开关柜和低压开关柜主要用于输电、配电、电能转换以及在电能消耗中起通断、控制或保护等作用，是煤矿井下动力核心的重要组成部分，有着非常重要的地位。快速确定和排查高压开关柜和低压开关柜的常见故障，迅速恢复电网正常供电就是一项必不可少的技能。

发明内容

本发明是一种适用于煤矿技工培训和教学的故障模拟实训系统，主要对煤矿供配电网络中的核心组成部分高压开关柜和低压开关柜的常见故障进行模拟，并设计了模拟故障监控系统，能够在MCGS触摸屏上随时设置、监测和复位相关的故障。

对于高压开关柜和低压开关柜，常见的电气故障中主要有不能合闸、不能分闸、不能储能、过电流、过欠电压、电压缺相，对于变压器，还易产生差动故障，电能表还会出现反转故障。对这些常见故障进行了分析，从模拟培训的角度，采用在相关电气回路中串入直流继电器触点或者加入模拟故障电流等方式，来模拟相关故障的产生。

本发明可以对煤矿井下供配电网络中高压开关柜和低压开关柜的常见的故障进行模拟，主要组成部分包括高压开关柜、低压开关柜、PLC控制器、MCGS触摸屏。其特征在于：MCGS触摸屏与PLC控制器通过工业以太网相连，PLC控制器的数字量输入输出控制回路与安装在高压开关柜、低压开关柜、电流发生器、模拟电压发生箱内的直流继电器相连，PLC控制器的模拟量输出回路与电流发生器的模拟量输入回路相连。PLC控制器对上位机的故障设置命令进行动作，通过数字量输出通道控制高低压开关柜、电流发生器、模拟电压发生箱内的直流继电器动作或者通过数字量输入通道采集故障发馈信号到达PLC控制器，或者通过模拟量输出控制电流发生器产生合适大小的电流信号。

进一步说，多个嵌入式MCGS触摸屏与多个PLC控制器都连接在局域以太网上，PLC控制器之间采用对等的通讯方式，相互之间不直接通讯，通过上位机MCGS触摸屏在各个PLC控制器之间数据的读写来实现数据的转发，减少了数据流向复杂度，提高通讯效率。

进一步说，电流发生器可以采集某一相的电压信号，输出和这相电压信号同相位的AC 0~5A电流信号，其大小通过DC 4~20mA控制信号来确定。

进一步说，模拟电压发生箱输入电源为AC 220V，可以输出AC 85V欠压信号，AC115V过压信号，开口三角形电压信号以及正常PT信号，过欠压输出类型通过继电器来确定。

进一步说，通过MCGS触摸屏可以选择设定储能故障、跳闸故障、合闸故障、电流故障、电压缺相故障、变压器差动故障、电能表故障，故障之间可以组合设定，也可以分开设定，并且可以实时反馈故障设置情况。

进一步说，对于矿井供配电网络中高压开关柜和低压开关柜常见故障的模拟，主要考虑是电气故障，而不是机械故障，综合考虑实施的可能性，采用的是在控制回路中加入直流继电器节点，控制相关控制回路开路的方式模拟相关的电气故障。

进一步说，为保证培训过程中学员的人身安全，10KV一次侧供电回路并不接入电网，而在二次侧利用电流发生器产生模拟电流信号、模拟电压发生箱模拟产生电压信号，从而达到模拟故障的目的。

本发明设计的面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟陪训系统，是基于实物模型设计的仿真培训系统，具有较强的操作性，一定程度上满足企业和学校的培训要求。学生在实物操作的基础上对高压开关柜和低压开关柜产生的一些常见故障在现场进行实际的测量与分析，对故障进行确认，最后将故障复位，就能够加深对这些常见的故障了解，从而快速掌握一些操作技能，减少事故发生的几率。

附图说明

图1 模拟电压发生箱电路图；

图2 缺相故障、过欠压故障模拟电路图；

图3 合闸故障、分闸故障模拟电路图；

图4 储能故障模拟电路图；

图5 过流、速断、过载故障模拟电路图；

图6 高压变压器差动故障模拟电路图；

图7 电能表故障模拟电路图；

图8 低压开关柜电容接触器故障模拟电路图；

图9 故障模拟培训系统结构图；

图10 MCGS触摸屏故障设置界面图。

具体实施方式

本发明是适用于煤矿技工培训和教学的故障模拟培训系统，对煤矿地面变电所供电网络中高压开关柜和低压开关柜的常见故障进行模拟。煤矿矿井地面10KV变电所主要的高压开关柜组主要有AH01_1#进线柜、AH02_1#计量柜、AH03_1#PT柜、AH04_井下供电柜、AH05_1#主扇风机、AH06_1#地面变压器、AH07_1#电容补偿、AH08_高压母联、AH09_2#消弧消谐柜、AH10_2#电容补偿、AH11_2#地面变压器、AH12_2#主扇风机、AH13_井下供电、AH14_备用、AH15_2#计量、AH16_2#进线柜。作为双母线分段供电系统，其中AH01~AH07为一个母线段，正常使用，接入10KV供电网络，为现场设备提供电能，AH09~AH16为另一条母线段，作为故障模拟培训使用，不接入10KV供电网络。低压开关柜主要有AA1_1#进线柜、AA2_1#电容补偿柜、AA3_1#馈电柜、AA4_联络柜、AA5_2#馈电柜、AA6_2#电容补偿柜、AA7_2#进线柜。从AH06_1#地面变压器高压开关柜经过变压器变压后，进入AA1_1#进线柜低压开关柜，母线额定电压为380/220V。同样，AA7_2#进线柜进线来自AH11_2#地面变压器柜。AA1~AA4作为正常供电使用，AA5~AA7作为故障模拟培训使用。

高压开关柜和低压开关柜常见的电气故障中主要有不能合闸、不能分闸、不能储能、过电流、缺相、过欠电压等故障。合闸故障主要是指不能进行手动或自动完成合闸操作；分闸故障主要是指不能进行手动或自动完成分闸操作；储能故障主要是指一次侧断路器弹簧储能机构出现故障，不能自动储能；过电流主要是负载过大或线路故障产生的异常电流情况；缺相主要是指ABC三相电压，有一相或两相断路或者接地；过欠压主要是指电压超过或低于额定电压。

对于AH09_2#消弧消谐柜主要设置了缺相模拟故障、过欠压模拟故障。AH09_2#PT柜的PT信号因无高压而无信号，所以断开了原有电压互感器的连线，而加入了模拟电压发生器的电压信号。图1是模拟电压发生箱的电路图，其中1YHA、1YHB及1YHC为电压互感器，其变比系数为220V/（115V/√3）/(100V/3)，YHA、YHB及YHC同样为电压互感器，其变比系数为220V/（85V/√3）/(100V/√3)。原有电压互感器的变比为10/√3/0.1/√3/0.1/3，即二次侧额定相电压为100V。通过1YHA、1YHB及1YHC出来的三相相电压为115V，可以作为过压信号，通过YHA、YHB及YHC出来的三相相电压为85V，可以作为欠压信号。通过直流继电器KAGY1~KAGY3控制模拟电压发生器输出过压还是欠压信号。其中，Ａ607、B607、C607是电路节点的编号，以下图中节点表示方法类似。

图2是AH09_2#PT柜中模拟电压缺相、电压过欠压故障电路图。为将模拟信号接入电路，需要将原有的电压互感器的信号接线断开，即与真实的电压互感器脱开，然后把模拟电压发生器的电压信号接入电路。1YHA:a2接到L631端子、1YHA:x2接到L633、1YHB:a2接到L635端子、1YHB:x2接到L637、1YHC:a2接到L639端子、1YHC:x2接到N630，N630端子接地，形成开口三角形电压信号，接入综合保护装置BH构成零序电压保护电路。

将YHA:a2接到A605，YHB:a2接到B605，YHC:a2接到C605，形成标准正常PT电压信号；模拟电压发生箱将85V输出电压和115V输出电压通过KAGY1~KAGY3并联在一起，过欠压的选择由KAGY1~KAGY3决定。当直流继电器KAV4工作时，则A相电压输入信号则切换到由模拟电压发生箱提供的过欠压电压信号，同样KAV5、KAV6工作，则会切换BC相电压信号。故过欠压故障工作情况如下：KAV4工作，KAGY1不工作，输出欠压信号；KAV4工作，KAGY1工作，输出过压信号；KAV4不工作，输出为正常信号。其他两相类似。缺相故障工作情况如下：当直流继电器KAV1工作，则A相电压故障，开口三角形有输出电压，同时A相电压缺相，A相电压指示为0。同理，KAV2、KAV3工作时，B相、C相缺相，B、C相电压指示为0。

AH10、AH12、AH14、AH16均为高压馈电柜，这类控制柜主要模拟设置了合闸故障、分闸故障、储能故障、ABC三相电流故障等。图3为模拟合闸故障、分闸故障电路图，在合闸线圈、分闸线圈控制回路中分别串入了直流继电器，通过控制电路的通断来模拟合闸故障、分闸故障。其中2+KM、2-KM为操作电源，Q为永磁断路器，ZK、KK为状态显示器自带的转换开关，BH为综合保护装置，KAQ为手动合闸开关，KAT为手动跳闸开关，LD、HD为指示灯。当KAG1继电器工作时，合闸回路开路，模拟电路合闸故障；当KAG2继电器工作时，分闸回路开路，模拟电路分闸故障。

图4是模拟储能故障电路图，储能故障主要是指永磁断路器弹簧储能机构出现故障。通过在储能控制回路中加入直流继电器KAG3控制回路通断，使断路器内的储能机构不能运转，模拟储能机构故障。在图4中，4DK为直流微型断路器，KA3为反馈信号继电器线圈，M为永磁断路器Q内的储能电机。

图5为对于A相过流（过载、速断）、B相过流（过载、速断）、C相过流（过载、速断）等模拟故障电路图。在图5中，LHA~LHC为原有的一次侧电流互感器，LHSA~LHSC分为ABC相3台电流发生器，分别模拟输出AC1~5A电流信号，KAI1~KAI3为直流继电器，BH为综合保护器，会依据电流大小以及持续时间的不同而产生过流保护、过载保护或速断保护动作。电流发生器可以通过4~20mA控制信号输出和采集到的电压信号同相位的1~5A交流电流信号，这样通过3个电流发生器就可以产生ABC三相模拟电流信号。将A相电流发生器的交流电流输出端接到A402、N401，B相接到B402、N401，C相接到C402、N401。当KAI1工作则将Ａ相电流发生器模拟的故障电流加入到工作电路中，同样KAI2和KAI3工作即可加入B、C相的模拟故障电流。控制电流的大小和发生时间即可模拟过流电流、过载电流、速断电流，从而综合保护器根据电流的不同做出不同的保护动作。

AH11为高压变压器馈电柜，在此控制柜设置了差动故障模拟电路，图6是AH11_2#地面变压器柜内模拟差动故障的电路图。差动保护把被保护的电气设备看成是一个节点，那么正常工作时流进被保护设备的电流和流出的电流相等，差动电流等于零。利用两组电流发生器，一组给高压变压器高压侧提供模拟电流，一组给低压侧提供模拟电流，由上位机设定两侧故障电流的大小的不同，达到模拟变压器差动故障的目的。在图6中，LHSA~LHSC为高压侧的3台电流发生器，KAI1~KAI3为直流继电器，控制模拟的故障电流是否接入电路，3LHA~3LHC为低压侧的3台电流发生器，BH为综合保护装置。初始时，高低压两侧各相电流相差在一定范围内，综合保护装置不会动作。当需要模拟差动故障时，则让上位机设定的各相电流大小相差超过范围，产生差动故障，综合保护装置就会动作，发出跳闸指令。

AH15为高压计量柜，在这个控制柜内设置了电能表故障模拟电路。电流方向改变或电压相序改变都会引起电能表的反转。图7为模拟电能表故障电路图。其中，LHA和LHC为电流发生器，JXH为接线盒，WH为电度表，由图可知直流继电器KAI1工作会使AC相电流换相，KAV1工作会使AB相电压换相，KAV2工作会使BC相电压换相。显然，当KAI1或KAI2工作时，电能表就会发生反转故障。

对于低压开关柜AA6_2#电容补偿柜模拟了电容器组接触器故障，在电网运行中会产生较大的无功功率，为改善电网的稳定性，通常根据需求自动在电网中投入或切断电容器组。接触器故障就是指电容器组不能自动投入和切断。图8是模拟接触器故障电路图，其中JKGA为无功补偿控制器，QF1、QF3为微型断路器，SA为自动/手动选择控制旋钮，KAG1~KAG4、YXJ1~YXJ4为中间继电器，KM1~KM4为交流接触器，1FR~4FR为电抗器的热继电器，当KAG1~KAG4工作时，交流接触器KM1~KM4不能闭合，不能把对应的电容器组接入电路，从而模拟接触器故障。

对于上述的故障模拟的方法，可以看到都是采用在回路中添加直流继电器的方法来控制回路的通断，从而模拟故障状态，比较容易实现。显然对于电压缺相故障、电压过欠压故障、合闸故障、分闸故障、储能故障、电压反向故障、电流反向故障、接触继电器故障均可以采用数字量控制信号，对于电流过流、差动故障等需要用到电流发生器的均需要模拟信号。考虑数字量和模拟量的点数，可以采用工业中常见的西门子控制器来实现控制效果。西门子控制器型号为CPU224XP_CN，DI/DO拓展模块为EM223，AQ模拟输出模块采用EM233，通讯模块为ETH_CP243-1，上位机采用北京昆仑通态公司的MCGS嵌入版HMI，其型号为TCP1061Ti，HMI与西门子控制器之间采用工业以太网连接。故障模拟系统整体结构图如图9所示，分为3层网络结构，即控制对象、控制器、HMI三层结构。第一层为HMI人机交互界面，可以任意选择设定高低压开关柜的故障类型；采用北京昆仑通态公司的MCGS触摸屏HMI（人机界面）模块；第二层为控制单元，主要接受第一层发出的控制指令，并对相应的故障类型做出对应的操作。第三层为控制对象，主要有高压开关柜、低压开关柜及其各类直流继电器、电流发生器和模拟电压发生器，高压开关柜内的综合保护装置会对模拟的各种故障产生不同的保护动作，让学生依据这些现象故障类型和确定故障所在。图10是上位机MCGS触摸屏AH09_2#消弧消谐柜的模拟故障设置界面，通过点击选中相应故障，故障字体颜色变为蓝色，同时有“√”提示符，点击“使能”发送指令，字体颜色变红，点击“复位”，会使撤销所有故障，恢复正常状态。其他高压开关柜和低压开关柜的故障设置界面与其类似，这里不再一一描述。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明。

Claims

1.一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统，可以对煤矿井下供配电网络中高低压开关柜的常见的故障进行模拟，主要组成部分包括高压开关柜、低压开关柜、PLC控制器、MCGS触摸屏，其特征在于：MCGS触摸屏与PLC控制器通过工业以太网相连，PLC控制器的数字量输入输出控制回路与安装在高压开关柜、低压开关柜、电流发生器、模拟电压发生箱内的直流继电器相连，PLC控制器的模拟量输出回路与电流发生器的模拟量输入回路相连；PLC控制器对上位机的故障设置命令进行动作，通过数字量输出通道控制高低压开关柜、电流发生器、模拟电压发生箱内的继电器动作，通过数字量输入通道采集故障发馈信号到达PLC控制器，通过模拟量输出通道控制电流发生器产生合适大小的电流信号。

2.根据权利要求1中所述的一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统，其特征在于：多个嵌入式MCGS触摸屏与多个PLC控制器都连接在工业以太网上，各个PLC控制器之间采用对等的通讯方式，相互之间不直接通讯，通过上位机MCGS触摸屏在各个PLC控制器之间数据的读写来实现数据的转发，减少了数据流向复杂度，提高通讯效率。

3.根据权利要求1中所述的一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统，其特征在于：电流发生器可以采集某一相的电压信号，输出和这相电压信号同相位的AC 0~5A电流信号，其大小通过DC 4~20mA控制信号来确定。

4.根据权利要求1中所述的一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统，其特征在于：模拟电压发生箱输入电源为AC 220V，可以输出AC 85V欠压信号，AC 115V过压信号，开口三角形电压信号以及正常PT信号，过欠压输出类型通过直流继电器来确定。

5.根据权利要求1中所述的一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统，其特征在于：通过MCGS触摸屏可以选择设定储能故障、跳闸故障、合闸故障、电流故障、电压缺相故障、电压过欠压故障、变压器差动故障、电能表故障，故障之间可以组合设定，也可以分开设定，并且可以实时反馈故障设置情况。

6.根据权利要求1中所述的一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统，其特征在于：对于矿井供配电网络中高压开关柜常见故障的模拟，主要考虑是电气故障，而不是机械故障，综合考虑实施的可能性，采用的是在控制回路中加入直流继电器节点，控制相关控制回路开路的方式模拟相关的电气故障。

7.根据权利要求1中所述的一种面向煤矿技工培训的供配电网络故障模拟培训系统，其特征在于：为保证培训过程中学员的人身安全，10KV一次侧主供电回路并不接入电网，而在二次侧利用电流发生器产生模拟电流信号、模拟电压发生箱模拟产生电压信号，从而达到模拟故障的目的。