CN108490290B - 一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，包括综合实验机柜，综合实验机柜上设有多个微型标准化模拟输电线路单元槽、多个微型标准化模拟母线单元槽、多个轻型同步相量测量单元槽、至少一个网络交换机槽及至少一个接线盒；每个所述微型标准化模拟输电线路单元槽上设有微型标准化模拟输电线路单元，微型标准化模拟母线单元槽上设有微型标准化模拟母线单元，所述微型标准化模拟母线单元槽上设有微型标准化模拟母线单元，所述轻型同步相量测量单元槽上设有轻型同步相量测量单元，所述网络交换机槽上设有网络交换机。它具有模拟精度高、结构易调整、集成度高、响应速度快、实时性好、网络传输稳定、与服务器应用程序无缝集成的优点。

Description

一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜

技术领域

本发明涉及电力系统微型动态模拟技术领域，尤其涉及一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜。

背景技术

电力系统输电线路模拟方法分为物理模拟方法和软件模拟方法。

物理模拟方法基于相似定律，模拟元件和原型输电线路具有相同的物理特性和数学参数(标幺值)。该方法是把实际输电线路按一定的比例关系缩小，模拟过程不要求空间电磁场的相似，也不要求波的过程沿线路的传播速度相似，只要求线路上某些点的电压与电流随时间变化的过程相似。物理模拟实验形象直观，物理概念清晰，也便于探求电力系统中未知的科学概念；然而，造价高、工期长、体积庞大、维护复杂、扩展性差的特点限制了物理模拟方法的发展。

软件模拟方法将输电线路等效为一组微分代数方程，和其他电力系统元件集成在一个虚拟平台中。该方法灵活轻便、界面友好、运算能力强、元件参数可调、易于搭建大规模电力系统。但是软件模拟依赖于已知的数学模型和准确的数学参数，计算机的数值计算方法总存在一定的误差，难以揭示出新的物理特性，不利于实验者熟悉电力系统物理元件和物理现象。

微型模拟输电线路是在保留真实输电线路物理特性的基础上，根据相似理论，将模拟元件体积缩小为常规实验室器材的大小。微型模拟输电线路体积小、造价低、尺寸相同、接口统一、扩展性强、维护简单、形象直观，兼具了物理模拟方法和软件模拟方法二者的优点。微型模拟输电线路一方面可以供研究人员验证现有电力系统理论，探求未知科学概念；另一方面也可以用于学生的物理实验教学，帮助学生建立起电力系统物理元件的感官认知，理论联系实际，锻炼动手能力。

电力系统模拟输电线路由不同数量、不同长度的模拟输电线路单元构成，各模拟线路单元依靠模拟母线单元进行互联。传统物理模拟方法中，输电线路模拟存在一定的问题：模拟输电线路单元和模拟线路单元单独架设，外部连线复杂导致实验平台凌乱；实验电压等级高，降低了实验安全性和实验可行性；模拟单元体积庞大，接口不统一，输电线路网络拓扑改变十分困难；监测与控制单元包括电压互感器、电流互感器、功率表、功率因数表、断路器等，分散独立，种类繁多，增加了全局监测和协同控制的难度。随着全球能源互联网的逐步推进，现代电力系统中新能源比例的不断提高，电力系统网架结构将会变得更加复杂，模拟输电线路必须提升自身的扩展能力和灵活性。以上各原因导致传统的模拟输电线路难以满足现代电力系统输电线路的模拟需求。

由此可见设计一种基一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜是十分必要的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，具有模拟精度高、结构易调整、集成度高、响应速度快、实时性好、网络传输稳定、与服务器应用程序无缝集成的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，包括综合实验机柜，所述综合实验机柜上设有多个微型标准化模拟输电线路单元槽、多个微型标准化模拟母线单元槽、多个轻型同步相量测量单元槽、至少一个网络交换机槽及至少一个接线盒；

每个所述微型标准化模拟输电线路单元槽上设有微型标准化模拟输电线路单元，所述微型标准化模拟母线单元槽上设有微型标准化模拟母线单元，所述微型标准化模拟母线单元槽上设有微型标准化模拟母线单元，所述轻型同步相量测量单元槽上设有轻型同步相量测量单元，所述网络交换机槽上设有网络交换机。

所述接线盒的一端连接外部元件，另一端连接微型标准化模拟输电线路单元和微型标准化模拟母线单元，构成模拟电力系统；

轻型同步相量测量单元实时获取各微型标准化模拟母线单元的同步相量测量信息，开关量采集模块实时获取各微型标准化模拟母线单元中继电器的开关状态，微型标准化模拟母线单元和服务器主站之间进行数据和/或命令的双向连接，同时控制指令由服务器主站发送至微型标准化模拟母线单元，从而控制系统的运行状态。

所述微型标准化模拟输电线路单元包括线路进线端子，线路进线端子与模拟输电线路三相网络的一端连接，模拟输电线路三相网络的另一端与线路出线端子连接；线路进线端子和线路出线端子分别包括A相、B相、C相和N相。

所述同步相量信息包括电力系统三相正序电压幅值、正序电压相角、正序电流幅值、正序电流相角以及频率值。

所述微型标准化模拟母线单元包括微处理器，所述微处理器通过网络通信单元与服务器主站通信，所述微处理器与继电器保护电路和开关量采集模块都连接，所述继电器保护电路和开关量采集模块都与继电器单元连接，所述继电器单元与母线进线端子和母线出线端子连接；

开关量采集模块实时监测继电器单元中各继电器的开关状态并发送至微处理器进行处理，再通过网络通信单元发出至服务器主站；服务器主站传输控制命令至网络通信单元，由微处理器进行接收和解析，进而对继电器单元进行控制。

所述继电器单元包括光电耦合器，微控制器的控制线直接连接光电耦合器，再由光电耦合器的输出控制继电器；光电耦合器保证了信号侧弱电部分和控制侧强电部分的物理隔离，提升了系统的安全性；公共保护电路直接并接在控制线和信号地之间，防止继电器在系统上电初期发生误动。

所述继电器保护电路包括充电电容C1，充电电容C1的一端同时接5V电源和电容C4的一端，电容C4的另一端接地，充电电容C1的另一端同时连接电阻R10的一端和非门控制器U14的输入端，电阻R10的另一端接地，非门控制器U14的输出端接电阻R8的一端，电阻R8的另一端同时接电阻R9的一端和三极管Q1的基极，电阻R9的另一端接地，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极接所述光电耦合器的输入端。

系统上电初期，充电电容C1电量未充满，电流经C1流过限流电阻R10并最终流入信号地GND，此时非门控制器U14的输入端为高电平数字1，非门控制器U14的输出端为低电平数字0，三极管Q1的基极和发射极之间电压差为0，基极没有电流流入三极管Q1，导致集电极也没有电流流入三极管Q1，而三极管Q1集电极直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器输入电流为0，光电耦合器始终断开，不受微处理器控制，避免继电器在系统上电初期发生误动。

系统上电一段时间后，充电电容C1充电完成，没有电流从C1经限流电阻R10流入信号地GND，此时非门控制器U14的输入端为低电平数字0，非门控制器U14的输出端为高电平数字1，三极管Q1的基极和发射极之间电压差为5V，三极管Q1导通，基极有电流流入三极管Q1，集电极也有电流流入三极管Q1，而三极管Q1集电极直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器允许输入电流流通，继电器的状态由微处理器控制。

所述实验接线盒包括两组微型模拟同步发电机接线口、两组微型模拟直流电动机接线口、两组微型模拟异步电动机接线口、两组微型模拟风力发电装置接线口、两组微型模拟光伏发电装置接线口及两组微型模拟储能装置接线口。

本发明的有益效果：

本发明集微型标准化模拟输电线路单元、微型标准化模拟母线单元、轻型同步相量测量单元、网络交换机以及实验接线盒于一体；微型标准化模拟输电线路单元采用标准化尺寸和接口设计，各单元的位置可以任意调换以满足不同的模拟需求；所有实验元件都被封装于密闭机柜中，降低了接线的复杂程度，提高了实验安全性；微处理器和网络通信单元实现了本发明和服务器主站间监测数据和控制命令的双向连接。

附图说明

图1为系统总体结构图；

图2为微型标准化模拟输电线路单元结构图；

图3为模拟输电线路正序三相网络接线图；

图4为模拟输电线路零序三相网络接线图；

图5为模拟输电线路三相网络接线图；

图6为电力系统220kV输电线路参数图；

图7为微型标准化模拟母线单元结构图；

图8为微处理器软件架构图；

图9为网络通信单元接线图；

图10为继电器单元接线图；

图11为继电器保护电路接线图；

图12为实验接线盒结构图；

图13为美国西部电网3机9节点系统示意图；

图14为模拟美国西部电网3机9节点系统输电线路接线图；

其中，1.微型标准化模拟输电线路单元，2.微型标准化模拟母线单元，3.轻型同步相量测量单元，4.网络交换机，5.实验接线盒。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，如图1所示，包括综合实验机柜，综合实验机柜的底部设有四个带锁万向轮，综合实验机柜上设有多个微型标准化模拟输电线路单元槽、多个微型标准化模拟母线单元槽、多个轻型同步相量测量单元槽、至少一个网络交换机槽及至少一个接线盒5；

每个所述微型标准化模拟输电线路单元槽上设有微型标准化模拟输电线路单元1，所述微型标准化模拟母线单元槽上设有微型标准化模拟母线单元2，所述微型标准化模拟母线单元槽上设有微型标准化模拟母线单元2，所述轻型同步相量测量单元槽上设有轻型同步相量测量单元3，所述网络交换机槽上设有网络交换机4。

实验柜内各抽屉式单元具有标准化尺寸和接口，各单元的位置和连接方式均可调整以满足不同的模拟需要。

轻型同步相量测量单元采用现有结构实现；选用申请号为：201310139338.0，专利名称为：基于嵌入式操作系统的轻型同步相量测量一体机中公开的装置。

电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，是电力系统微型动态模拟实验室的重要组件。实验柜采用抽屉柜式单元设计，可以容纳二十个微型标准化模拟输电线路单元，四个微型标准化模拟母线单元，两个轻型同步相量测量单元，一个网络交换机和一个实验接线盒。任意同类单元均具有相同的尺寸和接口，故同类单元位置可以相互替换。

依据待模拟系统特点，选用一定数量的微型标准化模拟输电线路单元和微型标准化模拟母线单元相互连接即可构成模拟电力系统输电线路；接线盒将外部元件如模拟微型同步发电机、模拟微型电动机负荷、模拟微型风力发电机接入实验柜，进而与微型标准化模拟输电线路单元和微型标准化模拟母线单元进行互联，构成完整的模拟电力系统；轻型同步相量测量单元实时获取各微型模拟母线单元的同步相量测量信息，开关量采集模块实时获取各母线单元中继电器的开关状态，将开关状态转换为数字量(0表示断开，1表示闭合)，进而将数字开关量发送至微处理器。微型标准化模拟母线单元和服务器主站之间实现了数据/命令的双向连接，即模拟系统的运行信息可以由微型标准化模拟母线单元发送至服务器主站，同时控制指令也可以由服务器主站发送至微型标准化模拟母线单元，从而系统的运行状态。

微型标准化模拟输电线路单元用来模拟电力系统220kV交流输电线路特性，电路设计采用普通等效链形回路以分段集中参数来模拟分布参数，其中普通链形回路选用π形等效电路。根据模拟长度，微型标准化模拟输电线路单元分为四种不同规格，包括：微型标准化模拟输电线路单元(100km)、微型标准化模拟输电线路单元(50km)、微型标准化模拟输电线路单元(20km)、微型标准化模拟输电线路单元(10km)。各规格的微型标准化模拟输电线路单元具有相同的尺寸和接口，因此各微型标准化模拟输电线路单元的位置可以任意调整，各单元间的接线可以根据操作者的需要进行修改以满足不同的模拟需求。

微型标准化模拟母线单元作为模拟系统中的枢纽，主要作用有连接作用、监测作用和控制作用。连接作用：微型标准化模拟母线单元起着连接微型标准化模拟输电线路单元、微型模拟同步发电机组和微型模拟负荷的作用；监测作用，轻型同步相量测量单元的输入端取自微型标准化模拟母线单元；控制作用：服务器主站下达控制指令至微型标准化母线单元，经微处理器接收和解析后，控制继电器单元完成线路的断开和闭合操作。

如图2所示，微型标准化模拟输电线路单元包含线路进线端子、模拟输电线路三相网络和线路出线端子。线路进线端子和线路出线端子均采用四位螺钉式PCB接线端子，该端子具有阻值小、接线更换方便的优点。线路进线端子包含A相、B相、C相和N相，线路出线端子包含A相、B相、C相和N相，线路进线端子和线路出线端子规格统一，尺寸相同，任意微型标准化模拟输电线路单元都可以相互连接以模拟不同长度的输电距离。

电力线路的参数是分布的，即使是极短的一段线路，都有相应大小的电阻、电抗、电导和电纳，正式由于线路参数的分布性，其精确的数学模型也应该是分布的，即分布参数。但电力系统线路一般不是很长，需要分析的仅仅是它们的端点的电压和电流状况，通常不考虑这种分布特性，故模拟输电线路三相网络采用普通等效链形回路以分段集中参数来模拟分布参数，普通链形回路采用π形电路或π形网络，每个π形单元代表的线路公里数与研究问题的性质有关，与要求模拟的精确度有关，该方法不按几何参数相似来模拟，而是按相序网络参数相似，省去了较为困难的互感模拟，又可以通过变化计算，减少元件数目。模拟精确度与每个π形单元代表的线路公里数成反比，即每个π形单元代表的线路公里数越长，模拟精确度越低；每个π形单元代表的线路公里数越短，模拟精确度越高。

微型标准化模拟输电线路单元根据模拟长度的不同分为四种规格，包括：100km微型标准化模拟输电线路单元、50km微型标准化模拟输电线路单元、20km微型标准化模拟输电线路单元及10km微型标准化模拟输电线路单元。

所述微型标准化模拟输电线路单元尺寸为(长40cm*宽30cm*高15cm)；

所述微型标准化模拟输电线路单元接口为四位螺钉式PCB接线端子；

所述相似定律将待模拟系统称为原型系统，将模拟系统称为模型系统，利用标幺值方程式等效法实现模型系统对原型系统的准确模拟；

标幺值方程式等效法，是模型系统的参数标幺值与原型系统相应的参数标幺值相等。如果两个系统的标幺值方程式完全相等，则系统的参数在整个过渡过程中将始终保持一个不变的比例系数，在模型与原型具有相同的物理性质情况下，这个比例系数是无量纲的，即标幺值方程式对原型和模型是等效的；

设两个系统具有相同形式的数学表达式：

上标s表示原型系统各参量，上标m表示模型系统各参量；

对于原型，标幺值形式的数学表达式为：

进一步地，可以写成：

对于模型，标幺值形式的数学表达式为：

进一步地，可以写成：

若相应参数的标幺值相等，即：

由此可得，只要原型系统和模型系统中描述现象过程的相应参数标幺值在整个过程中保持相等，就可以保证原型参数和对应模型参数在整个过程中保持一个不变的比例系数；

如图3所示，模拟输电线路正序三相网络接线图，接线图采用普通链形回路，链形回路为π形电路，以分段集中参数来模拟线路分布参数。线路A为模拟输电线路正序A相，线路B为模拟输电线路正序B相，线路C为模拟输电线路正序C相，线路N为模拟输电线路正序中性点。X₁为单位千米电力系统220kV输电线路正序电抗值，r₁为单位千米电力系统220kV输电线路正序电阻值，b₁为单位千米电力系统220kV输电线路正序电纳值，l为输电线路长度值。

如图4所示，模拟输电线路零序三相网络接线图，接线图采用普通链形回路，链形回路为π形电路，以分段集中参数来模拟线路分布参数。线路A为模拟输电线路零序A相，线路B为模拟输电线路零序B相，线路C为模拟输电线路零序C相，线路N为模拟输电线路零序中性点。X₀为单位千米电力系统220kV输电线路零序电抗值，r₀为单位千米电力系统220kV输电线路零序电阻值，b₀为单位千米电力系统220kV输电线路零序电纳值，l为输电线路长度值。

如图5所示，模拟输电线路三相网络接线图，接线图采用普通链形回路，链形回路为π形电路，以分段集中参数来模拟线路分布参数。线路A为模拟输电线路A相，线路B为模拟输电线路B相，线路C为模拟输电线路C相，线路N为模拟输电线路中性点。X₁为单位千米电力系统220kV输电线路正序电抗值，r₁为单位千米电力系统220kV输电线路正序电阻值，b₁为单位千米电力系统220kV输电线路正序电纳值，X_N为单位千米电力系统220kV输电线路等效增加电抗值，r_N为单位千米电力系统220kV输电线路等效增加电阻值，b_N为单位千米电力系统220kV输电线路等效增加电纳值，l为输电线路长度值。

图5为集合了图3的正序网络和图4的零序网络，需要同时正确地反映正序(负序)及零序过程。由于正序(负序)电抗只能通过相线，而零序电流通过相线入地构成一个通道，故将零序阻抗的一部分(X₀及r₀)移到地线不影响其过程，得到图5所示的模拟输电线路三相网络接线图，其中正序(负序)电流通过的参数相较于图3没有变化，而零序参数相较于图4则变化了。在图5中，三根相线上流过的零序电流为I₀,而流过中性线的电流则为3I₀。

模拟输电线路三相网络总的压降为：

模拟输电线路零序三相网络总的压降为：

以上两个总压降应该相等，则有：

jX₀l+r₀l＝jX₁l+r₁l+3(jX_Nl+r_Nl) (9)

化简后得到：

如图6所示，电力系统220kV输电线路参数图，采用水平布置导线，导线型号为2*LGJJ-240时，每千米导线的电阻值为0.065Ω，每千米正序电抗值为0.303Ω，每千米正序电容值为0.0118932μF，每千米零序电容值为0.0075952μF。将线路参数带入图5所示的模拟输电线路三相网络接线图中，l分别选取10km、20km、50km、100km，即可得到10km、20km、50km、100km模拟长度的微型标准化模拟输电线路单元参数值。

如图7所示，微型标准化模拟母线单元结构图，分为强电侧和弱电侧，强电侧为高压300V交流电，弱电侧为低压5V直流电。强电侧包含：一组母线进线端子，三组母线出线端子，三组继电器单元；弱电侧包含：继电器保护电路，开关量采集模块，电源模块，微处理器，网络通信单元。

强电部分，交流电能由母线进线端子引入微型标准化模拟母线单元，交流电能经过三组继电器分别连接三组母线出线端子，三组继电器受微处理器控制完成闭合和断开操作，继电器的开关特性起到了控制出线的作用，继电器的电磁隔离特性起到了强电和弱电部分隔离的作用。

弱电部分，模块电源是为其他所有弱电元件提供直流5V电能。开关量采集模块实时监测母线继电器的开关状态并发送至微处理器，轻型同步相量测量单元实时监测母线状态，并将同步相量测量信息发送至微处理器。微处理器将继电器的开关状态和同步相量测量信息整合后发送至服务器主站，服务器主站也可以发送控制命令至微处理器，进而控制继电器完成断开/闭合操作。网络通信模块的功能是帮助微处理器实现网络通讯TCP/IP协议，完成数据的发送和接收。继电器保护模块的功能是在微型标准化模拟母线单元上电初期，防止继电器单元误动作，进而引发安全事故。

所述同步相量信息包括电力系统三相正序电压幅值、正序电压相角、正序电流幅值、正序电流相角以及频率值。所有的同步相量测量单元均由GPS授时定位，同步相量信息具有统一时标，便于整个实验系统数据的同步。

如图8所示，微处理器接收到同步相量测量信息后，经过数据接收、校验、解析环节后得到微型模拟母线单元的同步相量测量信息；微型微处理器接收到继电器单元的开关量状态信息后，经过数据接收、校验、解析环节后得到各继电器的开关状态并将其转换为数字量(0表示断开，1表示闭合)。同步相量测量信息和开关量状态经微处理器打包后，由网络通信单元将装置的运行信息发送至服务器主站；服务器主站也可以将控制命令发送至微处理器，进而控制各继电器的开关状态。微处理器和服务器主站之间实现了运行数据和控制命令的双向传输。

所述微处理器为基于ARM的中央计算模块。目前在32位处理器中，基于ARMCortex-M4内核的STM32F407微处理器性能优异，价格低廉，应用最为广泛，因此选择STM32F407微处理器；

所述继电器单元包括继电器保护电路、光电耦合电路和继电器；

所述继电器为泰科OJE-SS-112HM2000工业控制继电器；

所述电源模块额定输出电压为5V，额定功率为10W，安装方式为印刷线路板双列直插焊接安装；

所述网络交换机为华三H3C SMB-S1016-CN 16口百兆网络交换机。

如图9所示，网络通信单元包含RJ45网络通信接口、网络通信串行通信转换芯片和串行总线接口。RJ45网络通信接口接收同步相量实测数据，网络信息串行通信转换芯片将网络信息转换成为串行通信信息。串行通信接口分为发送接口Tx和接收接口Rx，有线网络通信单元的串行通信发送接口Tx连接微处理器的串行通信接收接口Rx，有线网络通信单元的串行通信接收接口Rx连接微处理器的串行通信发送接口Tx，网络通信串行通信转换芯片实现了网络通信信息和串行通信信息的双向转换。

如图10所示，继电器单元包含公共保护电路，光电耦合电路和继电器。微控制器的控制线直接连接光电耦合器，再由光电耦合器的输出控制A相、B相、C相、N相交流电路的闭合或断开。光电耦合器保证了信号侧弱电部分和控制侧强电部分的物理隔离，提升了系统的安全性；公共保护电路直接并接在四路控制线和信号地之间，防止继电器在系统上电初期发生误动。

如图11所示，继电器保护电路包含充电电容C1、滤波电容C4、非门控制器SN74AHCT1G14DCKR、三极管MMBT3904LT1G以及阻值为1K的限流电阻R8、R9、R10，该电路的功能是防止继电器在系统上电初期发生误动作。

系统上电初期，充电电容C1电量未充满，电流经C1流过限流电阻R10并最终流入信号地GND，此时非门控制器U14的左端为高电平即数字1，非门的右端为低电平即数字0，三极管Q1的基极和发射极之间电压差为0，基极没有电流流入三极管，导致集电极Prot也没有电流流入三极管，而三极管集电极Prot直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器输入电流为0，光电耦合器始终断开，不受微控制器控制，避免继电器在系统上电初期发生误动。

系统上电一段时间后，充电电容C1充电完成，没有电流从C1经限流电阻R10流入GND，此时非门U14的左端为低电平即数字0，非门的右端为高电平即数字1，三极管Q1基极和发射极之间电压差为5V，三极管导通，基极有电流流入三极管，集电极Prot也有电流流入三极管，而三极管集电极Prot直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器允许输入电流流通，继电器的状态由微控制器控制。

如图12所示，实验接线盒，包含：两组微型模拟同步发电机接线口，两组微型模拟直流电动机接线口，两组微型模拟异步电动机接线口，两组微型模拟风力发电装置接线口，两组微型模拟光伏发电装置接线口，两组微型模拟储能装置接线口。外部实验装置可以通过接线口引入电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，与微型模拟输电线路一齐构成完整的模拟电力系统。

如图13所示，美国西部电网三机九节点系统输电线路共含有9个电力系统节点和6条输电线路，输电线路电压等级为220kV。1号、2号、3号节点为发电机节点，其余节点均为中间节点；4号节点和5号节点间的输电线路长度为130km，5号节点和7号节点间的输电线路长度为420km，7号节点和8号节点间的输电线路长度为200km，8号节点和9号节点间的输电线路长度为150km，6号节点和9号节点间的输电线路长度为510km，4号节点和6号节点间的输电线路长度为220km。

如图14所示，模拟美国西部电网三机九节点系统输电线路接线图，包含两个电力系统微型模拟输电线路综合实验柜、六个微型模拟母线单元、四个轻型同步相量测量单元、两个网络交换机、两个实验接线盒、十四个微型模拟输电线路单元(100km)、一个微型模拟输电线路单元(50km)、三个微型模拟输电线路单元(20km)以及两个微型模拟输电线路单元(10km)。接线盒外部连接微型模拟同步发电机、微型模拟异步电动机、微型模拟同步电动机负荷等其他实验负荷。所有的微型标准化模拟输电线路单元具有相同的尺寸和接口，因此各微型标准化模拟输电线路单元的位置可以任意对换，各单元间的接线可以根据操作者的需要进行修改和调整以适应不同的模拟要求。

同步相量测量是电力系统监测领域的新技术，可以用于模拟输电线路的状态监测。同步相量信息包括电力系统三相正序电压幅值、正序电压相角、正序电流幅值、正序电流相角以及频率值。所有的同步相量测量单元均由GPS授时和定位，同步相量测量信息具有统一时标，便于整个实验系统数据的同步。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，包括综合实验机柜，所述综合实验机柜上设有多个微型标准化模拟输电线路单元槽、多个微型标准化模拟母线单元槽、多个轻型同步相量测量单元槽、至少一个网络交换机槽及至少一个接线盒；

每个所述微型标准化模拟输电线路单元槽上设有微型标准化模拟输电线路单元，所述微型标准化模拟母线单元槽上设有微型标准化模拟母线单元，所述轻型同步相量测量单元槽上设有轻型同步相量测量单元，所述网络交换机槽上设有网络交换机；

所述微型标准化模拟母线单元包括微处理器，所述微处理器通过网络通信单元与服务器主站通信，所述微处理器与继电器保护电路和开关量采集模块都连接，所述继电器保护电路包括充电电容C1，充电电容C1的一端同时接5V电源和电容C4的一端，电容C4的另一端接地，充电电容C1的另一端同时连接电阻R10的一端和非门控制器U14的输入端，电阻R10的另一端接地，非门控制器U14的输出端接电阻R8的一端，电阻R8的另一端同时接电阻R9的一端和三极管Q1的基极，电阻R9的另一端接地，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极接继电器的光电耦合器的输入端。

2.如权利要求1所述一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，所述接线盒的一端连接外部元件，另一端连接微型标准化模拟输电线路单元和微型标准化模拟母线单元，构成模拟电力系统；

轻型同步相量测量单元实时获取各微型标准化模拟母线单元的同步相量测量信息，开关量采集模块实时获取各微型标准化模拟母线单元中继电器的开关状态，微型标准化模拟母线单元和服务器主站之间进行数据和/或命令的双向连接，同时控制指令由服务器主站发送至微型标准化模拟母线单元，从而控制系统的运行状态。

3.如权利要求1或2所述一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，所述微型标准化模拟输电线路单元包括线路进线端子，线路进线端子与模拟输电线路三相网络的一端连接，模拟输电线路三相网络的另一端与线路出线端子连接；线路进线端子和线路出线端子分别包括A相、B相、C相和N相。

4.如权利要求2所述一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，所述同步相量信息包括电力系统三相正序电压幅值、正序电压相角、正序电流幅值、正序电流相角以及频率值。

5.如权利要求1所述一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，所述继电器保护电路和开关量采集模块都与继电器单元连接，所述继电器单元与母线进线端子和母线出线端子连接；

开关量采集模块实时监测继电器单元中各继电器的开关状态并发送至微处理器进行处理，再通过网络通信单元发出至服务器主站；服务器主站传输控制命令至网络通信单元，由微处理器进行接收和解析，进而对继电器单元进行控制。

6.如权利要求5所述一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，所述继电器单元包括光电耦合器，微控制器的控制线直接连接光电耦合器，再由光电耦合器的输出控制继电器；光电耦合器保证了信号侧弱电部分和控制侧强电部分的物理隔离，提升了系统的安全性；公共保护电路直接并接在控制线和信号地之间，防止继电器在系统上电初期发生误动。

7.如权利要求6所述一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，系统上电初期，充电电容C1电量未充满，电流经C1流过限流电阻R10并最终流入信号地GND，此时非门控制器U14的输入端为高电平数字1，非门控制器U14的输出端为低电平数字0，三极管Q1的基极和发射极之间电压差为0，基极没有电流流入三极管Q1，导致集电极也没有电流流入三极管Q1，而三极管Q1集电极直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器输入电流为0，光电耦合器始终断开，不受微处理器控制，避免继电器在系统上电初期发生误动。

8.如权利要求6所述一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，系统上电一段时间后，充电电容C1充电完成，没有电流从C1经限流电阻R10流入信号地GND，此时非门控制器U14的输入端为低电平数字0，非门控制器U14的输出端为高电平数字1，三极管Q1的基极和发射极之间电压差为5V，三极管Q1导通，基极有电流流入三极管Q1，集电极也有电流流入三极管Q1，而三极管Q1集电极直接连接光电耦合器的输入端，因此光电耦合器允许输入电流流通，继电器的状态由微处理器控制。

9.如权利要求1所述一种电力系统微型模拟输电线路综合实验柜，其特征是，所述实验接线盒包括两组微型模拟同步发电机接线口、两组微型模拟直流电动机接线口、两组微型模拟异步电动机接线口、两组微型模拟风力发电装置接线口、两组微型模拟光伏发电装置接线口及两组微型模拟储能装置接线口。

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