CN107578679A - 一种特高压避雷器仿真培训系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特高压直流避雷器仿真培训系统，包括数据处理中心、数据交互处理接口模块、人机界面、光纤数据通信模块、电源控制测量模块、谐波电源模块、工频高压电源模块、分压器、高压避雷器、温湿度测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块；所述数据处理中心、人机界面和数据交互处理接口模块通过计算控制平台完成，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，计算控制平台的主机通过光纤转换模块分别连电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块。本发明可以模拟其电气特性和自然环境两重因素共同作用来模拟实际电力系统避雷器的运行情况，提高了教学质量。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统试验仿真领域，更具体地说，涉及一种特高压直流避雷器仿真培训系统。
背景技术
避雷器作为电力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至关重要。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。在提高避雷器产品可靠性，强化质量管理的同时，对避雷器进行带电老化运行仿真性能分析是具有非常重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种特高压直流避雷器仿真培训系统，可以模拟产生高压避雷器在运行过程中导致高压避雷器可能发生故障或者损坏的各种运行工况
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种特高压直流避雷器仿真培训系统，包括数据处理中心、数据交互处理接口模块、人机界面、光纤数据通信模块、电源控制测量模块、谐波电源模块、工频高压电源模块、分压器、高压避雷器、温湿度测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块；所述数据处理中心、人机界面和数据交互处理接口模块通过计算控制平台完成，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，计算控制平台的主机通过光纤转换模块分别连电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块；
所述数据处理中心用于负责其他各部分模块返回数据的处理及任务调度管理，同时监视各模块的运行情况，实现各模块的数据交互，维护整个系统稳定运行；
所述人机界面用于负责数据的图形化显示、避雷器阻性电流显示、温湿度显示、SO2环境试验参量显示、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模块、试验监测子模块、谐波电源参量显示模块、工频高压电源参量显示模块、测量控制显示模块；
所述数据交互处理接口模块用于管理整个系统的相关模块输入输出数据，为其系统中各模块提供统一的数据通信接口，响应各个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获取各模块数据，系统中各个模块数据读写及各个模块之间数据交互都通过该数据交互处理接口模块完成；该模块管理的数据源包括谐波电源模块数据、工频高压电源模块数据、SO2环境试验模块数据、温湿度测量模块数据、避雷器阻性电流精密测量模块数据。
上述方案中，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电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、温湿度测量模块、SO2环境试验模块，以上模块接收命令后，并根据接收到的命令实现相应的控制和测量，控制和测量到的参数值通过光纤数据通信模块传回计算控制平台进行数据的解析。
上述方案中，所述电源控制测量模块用于负责控制谐波电源模块及工频高压电源模块，同时负责调节谐波电源模块中谐波分量信号幅值大小、谐波次数及高压工频电源信号的幅值大小；电源控制测量模块也用于单一调节控制工频高压电源模块或者谐波电源模块；也用于同步调节控制工频高压电源模块和谐波电源模块；也用于交互调节控制工频高压电源模块或者谐波电源模块。
上述方案中，所述谐波电源模块用于提供高压工频电压条件下叠加谐波分量；谐波电源模块用于独立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；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运行工况。
上述方案中，所述工频高压电源模块用于在工频电压条件下产生0V～50KV可调输出电压，工频高压电源模块输出电压调节是通过电源控制测量模块控制模块实现，调节输出电压提供给避雷器进行供电。
上述方案中，所述分压器模块用于产生PT参考电压提供给特高压直流避雷器仿真培训系统；所述高压避雷器用于运行模拟仿真系统试验避雷器；所述温湿度测量模块用于测量避雷器内部温湿度变化状态，当运行模拟仿真系统中避雷器运行工况改变时，温湿度测量模块实时测量避雷器内部温湿度变化值，同时把测量到的温湿度值通过无线通信方式发送给光纤数据通信模块。
上述方案中，所述避雷器阻性电流精密测量模块用于精确测量避雷器阻性电流及容性电流的大小，同时把测量到的阻性电流、容性电流值传送到人机界面进行显示；此模块能同步测量运行避雷器泄露电流及PT参考信号电压信号；
上述方案中，所述SO2环境试验模块用于改变运行避雷器外部环境条件，如改变运行避雷器外部湿度、SO2气体密度含量、温度；SO2环境试验模块能实时把控制参数通过光纤数据通信模块传回计算控制平台。
上述方案中，所述计算控制平台计算分析得到的控制信息输出给电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块，以实现各个模块运行稳定可靠；电源控制测量模块把计算控制平台传回的数据通过其内部智能模糊PID算法调节工频高压电源幅值及谐波电源块的谐波分量状态，从而改变运行避雷器工作电压工况，以实现真实模拟避雷器运行电网电压工况；SO2环境试验模块接收计算控制平台传回的控制数据信息，SO2环境试验模块根据接收到的数据进行多组PID运算及模糊控制；当运行避雷器工作电压工况和外部环境条件改变时，温湿度测量模块实时测量工作避雷器内部温湿度变化状态，同时避雷器阻性电流精密测量模块也实时测量工作避雷器泄露电流及PT参考信号变化状态，其模块根据测量到的泄漏电流和PT参考信号值计算出运行避雷器中的容性电流值及阻性电流值；之后，温湿度模块测量到的温湿度值和避雷器阻性电流精密测量模块测量到的容性电流值及阻性电流值通过光纤数据通信模块传送回计算控制平台，计算控制平台通过数据处理中心智能专家数据库分析返回的避雷器内部温湿度数据、避雷器阻性电流值、避雷器容性电流值、高压工频电源电压值、谐波分量值及SO2环境试验模块控制参量值，从而为避雷器运行现场监测、运行状态监测、运行可靠性提供参考评判依据。
实施本发明的特高压直流避雷器仿真培训系统，具有以下有益效果：
1、可以模拟其电气特性和自然环境两重因素共同作用来模拟实际电力系统避雷器的运行情况，，提高了教学质量；
2、电气特性包括电力系统中的工频和谐波两部分，其谐波的特征在于其电压幅值高，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、模拟自然环境中对避雷器影响最大的SO2对避雷器运行的性能影响。具有时间长可以连续工作1000h，自然环境模拟逼真的特点；
4、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
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明特高压直流避雷器仿真培训系统的框图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供的特高压直流避雷器仿真培训系统，其系统功能模块包括数据处理中心、数据交互处理接口模块、人机界面、光纤数据通信模块、电源控制测量模块、谐波电源模块、工频高压电源模块、分压器、高压避雷器、温湿度测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、S〇2环境试验模块。
数据处理中心，用于负责其他各部分的装置返回数据处理及任务调度管理，同时监视各模块的运行情况，实现各模块的数据交互，维护整个系统稳定可靠的运行。
人机界面，用于负责数据的图形化显示，避雷器容性电流、阻性电流显示模块，温湿度显示模块，SO2环境试验参量显示模块，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模块、试验监测子模块、谐波电源参量显示模块、工频高压电源参量显示模块、测量控制显示模块；
数据交互处理接口模块，用于管理整个系统的相关模块输入输出数据，为其系统中各模块提供统一的数据通信接口，响应各个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获取各模块数据，系统中各个模块数据读写及各个模块之间数据交互都通过该通信模块完成。通过统一的数据交互管理模块，既可以保证数据源的单一性，也可以保证其它各模块读写数据命令的接口统一，有利于提升系统的稳定性及后期维护的可读性，该模块主要管理的数据源包括谐波电源模块控制数据、工频高压电源模块控制数据、S02环境试验模块控制数据、温湿度测量模块数据、避雷器阻性电流精密测量模块数据、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电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、温湿度测量模块、SO2环境试验模块，以上模块接收命令后，并根据接收到的命令实现相应的控制和测量，控制和测量到的参数值通过光纤数据通信模块传回计算控制平台的数据接口服务模块进行数据的解析；
电源控制测量模块，用于负责控制谐波电源模块及工频高压电源模块，同时负责调节谐波电源模块中谐波分量信号幅值大小、谐波次数及高压工频电源信号的幅值大小。电源控制测量模块也用于单一调节控制工频高压电源模块或者谐波电源模块；也用于同步调节控制工频高压电源模块和谐波电源模块；也用于交互调节控制工频高压电源模块或者谐波电源模块；
谐波电源模块，用于提供工频高压电压条件下叠加谐波分量。谐波电源模块可以独立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；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运行工况；
工频高压电源模块，主要用于在工频电压条件下产生0V～50KV可调输出电压，工频高压电源模块输出电压调节是通过电源控制测量模块控制模块实现，调节输出电压提供给避雷器进行供电。
分压器模块，主要用于产生PT参考电压提供给避雷器在线监测装置；
高压避雷器，主要用于运行模拟仿真系统试验避雷器；
温湿度测量模块，主要用于测量避雷器内部温湿度变化状态，当运行模拟仿真系统中避雷器运行工况改变时，温湿度实时测量避雷器内部温湿度变化值，同时温湿度模块把测量到的温湿度值通过无线通信方式发送给光纤通信模块；
避雷器阻性电流精密测量模块，主要用于精确测量避雷器阻性电流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、容性电流值传送到上位机进行显示。此模块能同步测量运行避雷器泄露电流及PT参考信号电压信号；
SO2环境试验模块，主要用于改变运行避雷器外部环境条件，如改变运行避雷器外部湿度、SO2气体密度含量、温度。SO2环境试验模块能实时把环境试验模块的控制参数通过光纤通信模块传回计算控制平台；
所述的数据处理中心、人机界面和数据交互处理接口模块通过计算控制平台完成，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，计算控制平台的主机通过光纤转换模块分别连电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块。
本发明计算控制平台计算分析得到的控制信息输出给电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块，以实现各个模块运行稳定可靠。电源控制测量模块把计算控制平台传回的数据通过其内部智能模糊PID算法调节工频高压电源幅值及谐波电源块的谐波分量状态，从而改变运行避雷器工作电压工况，以实现真实模拟避雷器运行电网电压工况。SO2环境试验模块接收计算控制平台传回的控制数据信息，SO2环境试验模块根据接收到的数据进行多组PID运算及模糊控制，快速自整定，达到更平滑的控制输出和更高的控制精度。当运行避雷器工作电压工况和外部环境条件改变时，温湿度模块实时测量工作避雷器内部温湿度变化状态，同时避雷器阻性电流精密测量模块也实时测量工作避雷器泄露电流及PT参考信号变化状态，其模块根据测量到的泄漏电流和PT参考信号值计算出运行避雷器中的容性电流值及阻性电流值。之后，温湿度模块测量到的温湿度值和避雷器阻性电流精密测量模块测量到的容性电流值及阻性电流值通过光纤通信模块传送回计算控制平台，计算控制平台通过数据处理中心智能专家数据库分析返回的避雷器内部温湿度数据、避雷器阻性电流值、避雷器容性电流值、高压工频电源电压值、谐波分量值及SO2环境试验模块控制参量值，从而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。
本发明的主要功能如下：
1、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、自动调节高压工频电源幅值；
3、实时测量运行避雷器容性电流、阻性电流状态变化值，同时具备容性电流及阻性电流值实时回传功能；
4、系统具有实时同步测量运行避雷器阻性及PT参考信号功能；
5、系统容性电流及阻性电流测量分辨率为：0.000002uA；
6、电源控制测量模块具有高压工频电源叠加谐波电源功能；具有高压工频电源或者谐波电源独立调节控制功能；具有人工智能模糊控制，通过人工智能模糊控制自动闭环控制谐波电源及高压工频电源；
7、系统具有实时测量运行避雷器内部温湿度及实时数据回传功能；
8、系统具有实时调节运行避雷器外部环境条件功能，如调节运行避雷器外部温湿度，SO2浓度等；
9、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容性电流、阻性电流、避雷器内部温湿度、S〇2环境模块返回的参数，
10、计算控制平台具有能把测量参数、控制参数值及其相关参数波形导出成Excel报表及Word报告表功能；
11、SO2环境试验模块具有多组PID运算及自整定功能；具有控制测量参量实时回传功能；
12、系统支持IED61850协议和MODBUS协议。
本发明的特高压直流避雷器仿真培训系统，从功能作用上看，该系统可以模拟其电气特性和自然环境两重因素共同作用来模拟实际电力系统避雷器的运行情况。电气特性包括电力系统中的工频和谐波两部分，谐波部分的特征在于其谐波电压幅值高，可高达50kV，谐波分量幅值及谐波次数自动调节，充分模拟了避雷器在电力系统中长期耐受工频和谐波时的运行特性。自然环境模拟中主要模拟避雷器在户外自然运行的情况，重点模拟大气中的SO2对避雷器运行的性能影响。从结构上看，特高压直流避雷器仿真培训系统包括操作控制模块、数据通信模块、谐波电源模块、工频高压电源模块、避雷器SO2环境试验模块、避雷器参数测量模块。操作控制模块功能是控制谐波电源模块和工频高压电源模块的工作情况，数据通信模块功能是为谐波电源模块、工频高压电源模块与操作控制模块之间提供数据通信，避雷器S02环境试验模块单独工作，需要人为操作，不受操作控制模块的控制。避雷器参数测量模块包括温湿度测量模块和避雷器阻性电流精密测量模块，主要用于测量避雷器或避雷器在线监测装置在一定的电气条件和自然环境条件下的内部温度和湿度情况以及阻性电流测量，通过测量得到的数据来评价避雷器或避雷器在线监测装置的性能。
目前该特高压直流避雷器仿真培训系统为国内首个从电气特性和自然环境特性同时模拟电力系统用避雷器的实际运行环境，可以充分模拟电力系统用避雷器的实际运行性能，更好的为研究避雷器及其避雷器在线监测装置运行特性提供了良好的平台，同时其具有灵活的通信方式，可与其他平台共同联合试验。
应用本仿真试验系统的操作方法为：
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，设置各模块相关控制参数，电源控制测量模块把收到的设置参数，同时结合电源控制测量模块实时同步采集谐波电源模块及工频高压电源模块的电压、电流信号参量，通过电源控制模块计算分析，当满足叠加谐波信号分量条件，电源控制模块通过内部自带人工智能模糊控制算法控制谐波电源模块、工频高压电源模块输出电压及谐波成分，同时计算控制平台任务处理中心根据运行避雷器工况判断运行避雷器外部环境改变条件，通过此条件同时结合电源控制模块返回的数据信息分析处理，最终实现交替或者同步双闭环调节谐波电源模块、工频高压电源模块输出信号状态及运行避雷器外部环境条件。控制调节完成之后，电源控制测量模块、SO2环境试验模块、温湿度测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块测量到的参数通过光纤传回计算控制平台主机进行显示及控制波形绘制。以上操作方法都是由计算控制平台智能专家系统遗传优化算法自动控制实现。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，包括数据处理中心、数据交互处理接口模块、人机界面、光纤数据通信模块、电源控制测量模块、谐波电源模块、工频高压电源模块、分压器、高压避雷器、温湿度测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块；所述数据处理中心、人机界面和数据交互处理接口模块通过计算控制平台完成，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，计算控制平台的主机通过光纤转换模块分别连电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块；
所述数据处理中心用于负责其他各部分模块返回数据的处理及任务调度管理，同时监视各模块的运行情况，实现各模块的数据交互，维护整个系统稳定运行；
所述人机界面用于负责数据的图形化显示、避雷器阻性电流显示、温湿度显示、SO2环境试验参量显示、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模块、试验监测子模块、谐波电源参量显示模块、工频高压电源参量显示模块、测量控制显示模块；
所述数据交互处理接口模块用于管理整个系统的相关模块输入输出数据，为其系统中各模块提供统一的数据通信接口，响应各个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获取各模块数据，系统中各个模块数据读写及各个模块之间数据交互都通过该数据交互处理接口模块完成；该模块管理的数据源包括谐波电源模块数据、工频高压电源模块数据、SO2环境试验模块数据、温湿度测量模块数据、避雷器阻性电流精密测量模块数据。
2.根据权利要求1所述的特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，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电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、温湿度测量模块、SO2环境试验模块，以上模块接收命令后，并根据接收到的命令实现相应的控制和测量，控制和测量到的参数值通过光纤数据通信模块传回计算控制平台进行数据的解析。
3.根据权利要求1所述的特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，所述电源控制测量模块用于负责控制谐波电源模块及工频高压电源模块，同时负责调节谐波电源模块中谐波分量信号幅值大小、谐波次数及高压工频电源信号的幅值大小；电源控制测量模块也用于单一调节控制工频高压电源模块或者谐波电源模块；也用于同步调节控制工频高压电源模块和谐波电源模块；也用于交互调节控制工频高压电源模块或者谐波电源模块。
4.根据权利要求1所述的特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，所述谐波电源模块用于提供高压工频电压条件下叠加谐波分量；谐波电源模块用于独立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；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运行工况。
5.根据权利要求1所述的特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，
所述工频高压电源模块用于在工频电压条件下产生0V～50KV可调输出电压，工频高压电源模块输出电压调节是通过电源控制测量模块控制模块实现，调节输出电压提供给避雷器进行供电。
6.根据权利要求1所述的特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，所述分压器模块用于产生PT参考电压提供给特高压直流避雷器仿真培训系统；所述高压避雷器用于运行模拟仿真系统试验避雷器；所述温湿度测量模块用于测量避雷器内部温湿度变化状态，当运行模拟仿真系统中避雷器运行工况改变时，温湿度测量模块实时测量避雷器内部温湿度变化值，同时把测量到的温湿度值通过无线通信方式发送给光纤数据通信模块。
7.根据权利要求1所述的特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，所述避雷器阻性电流精密测量模块用于精确测量避雷器阻性电流及容性电流的大小，同时把测量到的阻性电流、容性电流值传送到人机界面进行显示；此模块能同步测量运行避雷器泄露电流及PT参考信号电压信号。
8.据权利要求1所述的特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，所述SO2环境试验模块用于改变运行避雷器外部环境条件，如改变运行避雷器外部湿度、SO2气体密度含量、温度；SO2环境试验模块能实时把控制参数通过光纤数据通信模块传回计算控制平台。
9.据权利要求1所述的特高压直流避雷器仿真培训系统，其特征在于，所述计算控制平台计算分析得到的控制信息输出给电源控制测量模块、避雷器阻性电流精密测量模块、SO2环境试验模块，以实现各个模块运行稳定可靠；电源控制测量模块把计算控制平台传回的数据通过其内部智能模糊PID算法调节工频高压电源幅值及谐波电源块的谐波分量状态，从而改变运行避雷器工作电压工况，以实现真实模拟避雷器运行电网电压工况；SO2环境试验模块接收计算控制平台传回的控制数据信息，SO2环境试验模块根据接收到的数据进行多组PID运算及模糊控制；当运行避雷器工作电压工况和外部环境条件改变时，温湿度测量模块实时测量工作避雷器内部温湿度变化状态，同时避雷器阻性电流精密测量模块也实时测量工作避雷器泄露电流及PT参考信号变化状态，其模块根据测量到的泄漏电流和PT参考信号值计算出运行避雷器中的容性电流值及阻性电流值；之后，温湿度模块测量到的温湿度值和避雷器阻性电流精密测量模块测量到的容性电流值及阻性电流值通过光纤数据通信模块传送回计算控制平台，计算控制平台通过数据处理中心智能专家数据库分析返回的避雷器内部温湿度数据、避雷器阻性电流值、避雷器容性电流值、高压工频电源电压值、谐波分量值及SO2环境试验模块控制参量值，从而为避雷器运行现场监测、运行状态监测、运行可靠性提供参考评判依据。
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