CN108318772A - 配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统及测试方法，其中试验系统包括：综合控制模块分别与低压馈线故障模拟模块和高压馈线故障模拟模块连接，低压馈线故障模拟模块和高压馈线故障模拟模块连接；应用于仿真试验系统的测试方法包括：根据预先组建的故障模拟仿真案例，构建配电线路故障模拟仿真试验运行场景，并生成测试信号；分析处理被测设备根据接收的所述测试信号生成的应答结果，以及系统自身的运行工况。本发明提供的技术方案可较低容量，实现以低压、高压运行方式模拟多维度配电线路正常、短路与接地故障运行工况，以及具备多设备并行试验检测能力，为配电网故障处理相关技术的试验验证提供坚强支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿真试验系统，具体涉及配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统及测试方法。
背景技术
配电自动化终端、配电线路故障指示器等配电自动化设备是配电网故障辨识与分析处理的重要载体。其中配电自动化终端等设备是利用配电线路二次低压电气量参数进行故障辨识，而配电线路故障指示器等设备是直接利用线路一次高压电气量参数进行故障辨识。为全面考核和管控这类设备在出厂、供货和入网阶段的产品质量，模拟配电网故障运行场景对产品的故障辨识能力进行检测与验证。然而，出于配电网安全性和供电可靠性的考虑，该类设备的试验检测宜在模拟环境中进行。
目前国内外配电网故障模拟方法主要有直接输出模拟量的保护类装置、数模混合仿真系统、物理模拟系统、真型仿真系统等。常规保护类装置难以输出包含暂态特征的模拟量信号；RTDS等数模仿真系统易发生带载失真，不能模拟弧光接地故障；等比例缩小物理模拟系统无法反映故障能量特征；真型试验系统不易实现多运行工况、多故障场景灵活调整，对外部系统干扰大。
现阶段还没有能在较低容量下，具备不同接地方式各类型短路接地故障大电流模拟能力，同时支持故障条件、故障持续时间、故障电流大小等多维度参数灵活可调，并能够真实反映配电线路故障时暂态、稳态全过程运行工况的配电线路故障模拟仿真试验系统。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供了配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统，所述仿真试验系统包括：综合控制模块、低压馈线故障模拟模块和高压馈线故障模拟模块；所述综合控制模块分别与所述低压馈线故障模拟模块和高压馈线故障模拟模块连接；所述低压馈线故障模拟模块和高压馈线故障模拟模块连接。
优选的，所述低压馈线故障模拟模块包括：依次连接的电源变电模块、馈线间隔模块、线路负载模块，以及与馈线间隔模块或线路负载模块相连的故障模拟模块。
优选的，所述电源变电模块包括：主变压器模拟单元，以及主变压器模拟单元分别连接的小电阻模拟单元、消弧线圈模拟单元和高阻模拟单元。
优选的，所述线路负载模块包括：线路模拟单元和负载模拟单元；
所述故障模拟模块包括：单相接地故障模拟模块和相间短路故障模拟模块。
优选的，所述线路模拟单元通过组合每条模拟线路的阻性、容性和感性元件投入运行的组数，调节模拟线路参数；
所述负载模拟单元，用于每条配电线路上的负载模拟；
所述单相接地故障模拟模块包括：单相接地故障输出接口，以及单相接地故障输出接口分别连接的金属性接地模拟单元、低阻接地模拟单元、高阻接地模拟单元和弧光接地模拟单元；
所述单相接地故障模拟模块，通过选择接地故障类型、以及设置接地电阻大小，用于模拟单相金属性接地、低阻接地、高阻接地和弧光接地，通过设置所述低阻接地模拟单元及高阻接地模拟单元的接地电阻大小，模拟不同接地电阻值的低阻接地故障和高阻接地故障；
所述相间短路故障模拟模块包括：相间短路故障输出接口，以及相间短路故障输出接口分别连接的两相短路模拟单元和三相短路模拟单元；
所述相间短路故障模拟模块通过控制所述两相短路模拟单元和所述三相短路模拟单元的投切状态、选择相间短路故障类型、以及设置短路电阻大小，模拟发生两相相间短路和三相相间短路。
优选的，所述弧光接地模拟单元能够产生弧光，实现弧光接地故障模拟。
优选的，所述单相接地故障输出接口和相间短路故障输出接口分别包括：与馈线间隔模块或者是线路负载模块相连接的故障输出接口，以及与故障输出接口相连的定时器；
所述故障输出接口，用于改变模拟故障发生位置；
所述定时器，用于设置故障持续时间，模拟瞬时性故障和永久性故障。
优选的，所述高压馈线故障模拟模块包括：升压升流变换单元、与所述升压升流变换单元相连的高电压大电流输出回路；
所述升压升流变换单元，用于将所述低压故障模拟模块的低压小电流信号转变为高压大电流信号，并同步注入高压大电流输出回路。
优选的，所述综合控制模块包括：
仿真案例管理单元，用于管理和组建仿真案例，同时提供仿真案例的查询、新建、修改和删除；
监控单元，用于根据组建的仿真案例，将形成的对应的控制指令下发给所述仿真试验系统的各个模块，同时对整个系统自身运行工况进行监测；
录波单元，用于记录故障发生前、后过程中包括电压、电流信号在内的电气量变化情况；
标准外部接口，用于进行标准格式数据和波形文件的导入与导出；
数据库，用于综合管理与存储所述综合控制模块获得、生成的各类信息数据。
一种用于仿真试验系统的测试方法，所述方法包括：
根据预先组建的故障模拟仿真案例，构建配电线路故障模拟仿真试验运行场景，并生成测试信号；
分析处理被测设备根据接收的所述测试信号生成的应答结果，以及系统自身的运行工况。
优选的，所述构建配电线路故障模拟仿真试验运行场景包括如下步骤：
(1)选择执行仿真案例的控制模式，并选取中性点接地方式；
(2)设置配电线路参数和配电网容流的大小，且配置配电线路负载大小；
(3)设置故障类型、故障发生位置和故障持续时间。
优选的，所述执行仿真案例的控制模式包括：远方控制和就地控制。
优选的，所述测试信号包括：
低压小电流信号，以低压运行方式模拟配电线路运行工况，用于向利用电气二次信号进行故障分析与处理的设备提供测试信号；
高压大电流信号，以高压运行方式模拟配电线路运行工况，用于向利用电气一次信号进行故障分析与处理的设备提供测试信号。
优选的，所述被测设备根据接收的测试信号生成的应答结果包括：翻牌、闪光、上传遥测数据、录制故障波形，产生故障报警信号；
所述系统自身的运行工况的获取包括：
实时采集、监测系统运行的电气参数，录制故障的波形。
与最接近的现有技术相比，本发明具有以下优异效果：
1、本发明提供的技术方案可在较低容量条件下，实现以低压、高压运行方式模拟配电线路正常、短路与接地故障运行工况，能够模拟在包括配电网中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地、经高阻接地在内的不同接地方式下，短路故障及金属性接地、小电阻接地、高阻接地和弧光接地故障；
2、本发明提供的技术方案能够灵活配置包括故障条件、故障类型、故障持续时间、故障位置在内的多维度故障运行场景，包含配电线路故障暂态、稳态全过程特征信息，满足电气一、二次设备的故障辨识与分析处理等功能、性能测试要求，并具备批量测试能力，有效提高配电网短路接地故障试验检测效率，为全面提升配电网故障处理相关技术的试验验证提供坚强支撑。
附图说明
图1为本发明配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统的结构示意图；
图2为本发明配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统的的结构连接示意图；
图3为本发明电源变电模块的结构示意图；
图4为本发明故障模拟模块的结构示意图；
图5为本发明弧光接地模拟单元的内部结构连接示意图；
图6为本发明配电线路短路与接地故障仿真试验系统的测试方法流程图；
图7为本发明组建仿真案例的流程示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统，其结构示意图如图1所示。故障仿真试验系统包括低压馈线故障模拟模块1、高压馈线模拟模块2和综合控制模块3。其中低压馈线故障模拟模块1根据相似原理，通过低压物理模拟技术来模拟配电母线或线路正常运行工况、以及短路与接地故障运行工况，所模拟的运行工况信息可作为利用电气二次信号进行故障分析与处理的配电设备的测试信号，高压馈线故障模拟模块2，通过将低压馈线故障模拟模块生成的运行信号经过升压升流环节变换为实际电压等级下配电线路的运行信号，实现等效模拟发生在配电线路的正常、短路与接地故障运行工况，并可用于作为利用电气一次信号进行故障分析与处理的配电设备的测试信号。综合控制模块3分别与低压馈线故障模拟模块1和高压馈线故障模拟模块2连接，用于组建配电线路故障仿真案例，实施故障模拟过程控制，采集试验系统运行信息和测试数据，计算分析测试结果，存储和管理试验过程各种数据信息。
图2为本发明配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统的结构连接的示意图实施例。在本实施例中，低压馈线故障模拟模块1，用于接收所述综合控制模块下发的控制指令，并以低压运行方式模拟配电母线或线路正常运行、短路与接地故障运行工况。该模块包括电源变电模块11、馈线间隔模块12、线路负载模块13、故障模拟模块14，其中电源变电模块11，用于模拟配电网中性点接地方式，能够模拟包括中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地和经高阻接地在内的接地方式。馈线间隔模块12，与所述电源变电模块连接，用于模拟母线，确保每条馈线的间隔距离，起到汇集、分配和传送电能的作用。线路负载模块13，包括线路模拟单元和负载模拟单元。其中线路模拟单元由阻性、容性和感性元件组成，通过分组组合每条模拟线路的阻性、容性和感性元件投入运行的数量，灵活调节包括阻抗和导纳在内的模拟线路参数。故障模拟模块14与线路负载模块13电气相连，用于模拟发生在线路上的故障，故障模拟模块14也可以与馈线间隔模块12电气相连，用于模拟发生在配电线路母线的故障。
图3为电源变电模块11内部结构的示意图实施例，电源变电模块11由主变压器模拟单元111，以及与其分别相连接的小电阻模拟单元112、消弧线圈模拟单元113、高阻模拟单元114组成。通过控制小电阻模拟单元、消弧线圈模拟单元、高阻模拟单元的投切状态，可以模拟对应的经小电阻接地、经消弧线圈接地和经高阻接地方式，若上述三个单元都不投入，即模拟中性点不接地方式。
图4为故障模拟模块的结构示意图实施例，故障模拟模块14包括单相接地故障模拟模块141和相间短路故障模拟模块142。其中单相接地故障模拟模块141包括单相接地故障输出接口1411、金属性接地模拟单元1412、低阻接地模拟单元1413、高阻接地模拟单元1414、弧光接地模拟单元1415；相间短路故障模拟模块142包括相间短路故障输出接口1421、两相短路模拟单元1422和三相短路模拟单元1423，通过控制所述两相短路模拟单元和所述三相短路模拟单元的投切状态、选择相间短路故障类型、以及设置短路电阻大小，模拟发生两相相间短路和三相相间短路。其中单相接地故障和相间短路故障输出接口由故障输出接口串接一个定时器组成，故障输出接口可以连接馈线间隔模块，也可以与线路负载模块相连接，通过选择故障输出接口的连接模块，设置故障发生位置，可以实现模拟故障位置发生在配电母线或者是配电线路。定时器，用于控制故障持续时间，选择模拟故障类型属于瞬时性故障，还是永久性故障。而通过控制单相接地故障输出接口和相间短路故障输出接口投切状态，选择模拟接地故障或者短路故障，并选择故障位置；
高压馈线故障模拟模块包括升压升流变换单元和高电压大电流回路，用于将所述低压故障模拟模块的低压小电流信号经升压升流变换单元后注入高压大电流输出回路，等效模拟发生在实际电压等级的配电母线或配电线路上的短路与接地故障。
低压小电流信号，来源于线路负载模块、电源变电模块与线路负载模块、或者是馈线间隔模块与线路负载模块，以低压运行方式模拟配电线路运行工况，用于测试利用电气二次信号进行故障分析与处理的配电设备。
高压大电流信号，来自于以高压运行方式模拟配电线路运行工况，以高压运行方式模拟配电线路运行工况，用于测试利用电气一次信号进行故障分析与处理的配电设备。
综合控制模块包括仿真案例管理单元、监控单元、录波单元、标准外部接口和数据库。其中仿真案例管理单元用于管理和组建仿真案例，同时提供仿真案例的手动查询、新建、修改和删除；监控单元分别与所述的电源变电模块、馈线间隔模块、线路负载模块、故障模拟模块、高压馈线模块相连，用于控制中性点接地方式、调整配电线路参数、选择故障类型、调节单相接地故障电流大小，以及对整个系统自身运行工况进行监测；录波单元与高压大电流输出回路相连，用于记录故障发生前、后过程中包括电压、电流信号在内的电气量变化情况；标准外部接口，用于进行标准格式数据和波形文件的导入与导出；数据库，用于对所述综合控制模块获得和生成的各类信息数据进行综合管理与存储。
图5为本发明弧光接地模拟单元的内部结构连接示意图的实施例，弧光接地模拟单元可以分为两个部分：一是静触头，采用一个绝缘子固定一块铜排，铜排一端连接接地故障点，另一端成直角悬空；另一部分是动触头，在步进电机上安装一个钢棒材质的探针，步进电机控制器与综合模拟单元通过串口通信。综合模拟单元以下发指令控制步进电机在滑台的运动方向和步长，来控制动触头与静触头的间距大小，以及间距调节快慢，从而实现对弧光接地的模拟。
配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统的测试方法流程实施例，如图6所示，其应用上述仿真试验系统完成，包括如下步骤：
步骤一、组建故障模拟仿真案例。通过选择故障模拟信息和仿真案例的控制模式，完成故障模拟仿真案例的组建。其中，故障模拟信息包括故障条件、故障类型、故障位置和故障持续时间，故障条件指的是故障发生前配电网运行情况，涉及到配电网中性点接地方式的类型及参数、线路参数和负载参数。而控制模式包括远方控制和就地控制。
步骤二、构建故障模拟仿真试验运行场景，生成测试信号。通过所选的控制模式，通过综合控制模块3将低压馈线故障模拟模块1和高压馈线故障模拟模块2投入运行，形成配电线路短路与接地故障运行场景。其中高压馈线故障模拟模块2的高压大电流输出回路中电压、电流信号可直接作为配电线路故障指示器等设备的故障辨识能力测试信号；而对于低压馈线故障模拟模块1的低压小电流信号通过电压、电流互感器输出至配电自动化终端的采集端子上。
步骤三、被测设备根据接受的所述测试信号生成应答结果。被测设备主要有故障指示器和配电自动化终端，其中故障指示器是根据电气一次信号进行故障分析与处理，因而本试验系统中高压大电流故障模拟信号可作为故障指示器的测试信号，当故障指示器接受到测试信号后，会出现翻牌或闪光、上传遥测数据、录制故障波形等响应结果。配电自动化终端是根据电气二次信号回路的运行参数进行故障分析与处理，本试验系统中低压小电流故障模拟信号经电压互感器、电流互感器后可作为配电自动化终端的测试信号。当配电自动化终端接收到测试信号后，会上传三遥数据、故障报警信号、录制故障波形等响应结果。
步骤四、对所述被测设备应答结果和系统自身运行工况进行分析与处理。综合控制模块3实时采集、监测本试验系统自身运行的电气参数，并且录制模拟故障线路波形，通过对被测设备上传的应答结果和系统自身运行工况数据进行存储、分析和判断。
本发明提供的有关组建故障模拟仿真案例的一个实施例，如图7所示。
(1)选择执行仿真案例的控制模式，选取中性点接地方式
仿真案例的控制模式包括远方控制和就地控制，其中远方控制是指通过在计算机上远程操作故障仿真试验系统中各模块的投切状态，实现故障模拟试验，而就地控制是指试验人员就地控制故障仿真试验系统中各个模块的投切状态，完成试验操作。
通过控制小电阻模拟单元、消弧线圈模拟单元、高阻模拟单元的投切状态，可以模拟对应的中性点经小电阻接地、经消弧线圈接地和高阻接地运行方式，若三个接地模拟单元都不投入，即模拟中性点不接地运行方式。
(2)设置配电线路参数，调节配电网容流和线路负载大小
线路负载模块13中线路模拟单元的阻性、感性和容性集中参数元件分组布置在每条模拟配电线路上，通过控制每组集中参数元件投入运行的数量和组合方式，完成每条模拟配电线路参数的灵活设置，以及整个试验系统的容流大小调节。
线路负载模块13中负载模拟单元包含有纯阻性和感性电力负荷，通过控制各种用电负荷的投切开关，可以在一定范围内调整线路负载大小，以模拟配电线路正常运行时负荷的变化，以及负荷的动态特性。
(3)设置故障类型，设置故障发生位置和持续时间
根据组建的配电线路故障仿真案例，控制故障模拟模块14，完成故障位置、故障持续时间、故障类型等基本参数的设置，构建相应的故障运行场景，生成测试信号。通过改变故障模拟模块14的故障输出接口与馈线间隔模块12，还是与线路负载模拟13的相连接，可以模拟发生在配电母线或者是配电线路的短路接地故障。通过设置故障模拟模块14的定时器时间参数，可以控制模拟故障持续时间，选择所模拟故障属于瞬时性故障还是永久性故障。所模拟的故障类型是通过控制各种类型故障模拟单元的投切状态得以实现。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (14)
1.一种配电线路短路与接地故障模拟仿真试验系统，其特征在于，所述仿真试验系统包括：综合控制模块、低压馈线故障模拟模块和高压馈线故障模拟模块；所述综合控制模块分别与所述低压馈线故障模拟模块和高压馈线故障模拟模块连接；所述低压馈线故障模拟模块和高压馈线故障模拟模块连接。
2.如权利要求1所述的仿真试验系统，其特征在于，所述低压馈线故障模拟模块包括：依次连接的电源变电模块、馈线间隔模块、线路负载模块，以及与馈线间隔模块或线路负载模块相连的故障模拟模块。
3.如权利要求2所述的仿真试验系统，其特征在于，所述电源变电模块包括：主变压器模拟单元，以及主变压器模拟单元分别连接的小电阻模拟单元、消弧线圈模拟单元和高阻模拟单元。
4.如权利要求2所述的仿真试验系统，其特征在于，所述线路负载模块包括：线路模拟单元和负载模拟单元；
所述故障模拟模块包括：单相接地故障模拟模块和相间短路故障模拟模块。
5.如权利要求4所述的仿真试验系统，其特征在于，所述线路模拟单元通过组合每条模拟线路的阻性、容性和感性元件投入运行的组数，调节模拟线路参数；
所述负载模拟单元，用于每条配电线路上的负载模拟；
所述单相接地故障模拟模块包括：单相接地故障输出接口，以及单相接地故障输出接口分别连接的金属性接地模拟单元、低阻接地模拟单元、高阻接地模拟单元和弧光接地模拟单元；
所述单相接地故障模拟模块，用于模拟包括单相金属性接地、低阻接地、高阻接地和弧光接地的接地故障，通过设置所述低阻接地模拟单元及高阻接地模拟单元的接地电阻大小，模拟不同接地电阻值的低阻接地故障和高阻接地故障；
所述相间短路故障模拟模块包括：相间短路故障输出接口，以及相间短路故障输出接口分别连接的两相短路模拟单元和三相短路模拟单元；
所述相间短路故障模拟模块，通过控制所述两相短路模拟单元和所述三相短路模拟单元的投切状态、选择相间短路故障类型、以及设置短路电阻大小，模拟发生两相相间短路和三相相间短路。
6.如权利要求5所述的仿真实验系统，其特征在于，所述弧光接地模拟单元能够产生弧光，实现弧光接地故障模拟。
7.如权利要求5所述的仿真试验系统，其特征在于，所述单相接地故障输出接口和相间短路故障输出接口分别包括：与馈线间隔模块或者是线路负载模块相连接的故障输出接口，以及与故障输出接口连接的定时器；
所述故障输出接口，用于改变模拟故障发生位置；
所述定时器，用于设置故障持续时间长短，模拟瞬时性故障和永久性故障。
8.如权利要求1所述的仿真试验系统，其特征在于，所述高压馈线故障模拟模块包括：升压升流变换单元、与所述升压升流变换单元相连的高电压大电流输出回路；
所述升压升流变换单元，用于将所述低压故障模拟模块的低压小电流信号转变为高压大电流信号，并同步注入高压大电流输出回路。
9.如权利要求1所述的仿真试验系统，其特征在于，所述综合控制模块包括：
仿真案例管理单元，用于管理和组建仿真案例，同时提供仿真案例的查询、新建、修改和删除；
监控单元，用于根据组建的仿真案例，将形成的对应的控制指令下发给所述仿真试验系统的各个模块，同时对整个系统自身运行工况进行监测；
录波单元，用于记录故障发生前、后过程中包括电压、电流信号在内的电气量变化情况；
标准外部接口，用于进行标准格式数据和波形文件的导入与导出；
数据库，用于综合管理与存储所述综合控制模块获得、生成的各类信息数据。
10.一种用于如权利要求1-9任一所述的仿真试验系统的测试方法，其特征在于，所述方法包括：
根据预先组建的故障模拟仿真案例，构建配电线路故障模拟仿真试验运行场景，并生成测试信号；
分析处理被测设备根据接收的所述测试信号生成的应答结果，以及系统自身的运行工况。
11.如权利要求10所述的测试方法，其特征在于，所述构建配电线路故障模拟仿真试验运行场景包括如下步骤：
(1)选择执行仿真案例的控制模式，并选取中性点接地方式；
(2)设置配电线路参数和配电网容流的大小，且配置配电线路负载大小；
(3)设置故障类型、故障发生位置和故障持续时间。
12.如权利要求11所述的测试方法，其特征在于，所述执行仿真案例的控制模式包括：远方控制和就地控制。
13.如权利要求10所述的测试方法，其特征在于，所述测试信号包括：
低压小电流信号，以低压运行方式模拟配电线路运行工况，用于向利用电气二次信号进行故障分析与处理的设备提供测试信号；
高压大电流信号，以高压运行方式模拟配电线路运行工况，用于向利用电气一次信号进行故障分析与处理的设备提供测试信号。
14.如权利要求10所述的测试方法，其特征在于，所述被测设备根据接收的测试信号生成的应答结果包括：翻牌、闪光、上传遥测数据、录制故障波形，产生故障报警信号；
所述系统自身的运行工况的获取包括：
实时采集、监测系统运行的电气参数，录制的故障波形。
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