CN113687220B - 一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置及方法。该方法包括：模拟弹簧储能式真空断路器装置，用于接收控制指令，模拟断路器的储能状态、合闸异常状态以及分闸异常状态；配电自动化终端，连接模拟弹簧储能式真空断路器装置，用于采集故障电流发分、合闸命令，控制模拟断路器的分闸与合闸操作；微处理器，连接配电自动化终端，用于接收自动化配电终端分、合闸命令，并判断模拟断路器工作是否正常，将输出信号作用于继电器，使故障点的继电器断开。

Description

一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化领域，具体涉及一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

配电自动化是智能配电网的重要组成部分，对减少配电网的停电时间起着重要的作用。为了保证配电自动化的正常运行，日常的维护和操作是不可缺少的部分。为了满足运维操作的要求，需要对配电网的一次设备进行仿真和模拟操作。

在厂用电系统中，弹簧储能式真空断路器在运行过程中经常会出现各种不同的故障，导致断路器不能正常分、合闸，严重时影响机组负荷。对于开关类一次设备的模拟一般有物理模拟与数字仿真两种。物理模拟方法基于相似原理，使用经过等值折算的实际物理设备。物理模拟一般具有很高的仿真可信度，但由于其投资巨大、参数更改困难、仿真规模有限，难以模拟大规模电网的运行。数字仿真充分利用现代数值计算方法和计算机处理能力，具有投资较小、易于重构、能进行大规模仿真等一系列优点，但仿真结果严重依赖于设备的数学模型及仿真算法，模型精度会直接影响结果的准确度和可信度。

如何将数字仿真和物理模拟的混合仿真技术结合来，模拟弹簧储能式真空断路器是现有技术中亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置及方法，本发明对断路器的分合操作、分合位置信号、储能状态、分合闸回路异常等进行了模拟，可用于对断路器操作的仿真教学。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

第一个方面，本发明提供了一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置。

一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置，包括：

模拟弹簧储能式真空断路器装置，用于接收控制指令，模拟断路器的储能状态、合闸异常状态以及分闸异常状态；

配电自动化终端，连接模拟弹簧储能式真空断路器装置，用于采集故障电流发分、合闸命令，控制模拟断路器的分闸与合闸操作；

微处理器，连接配电自动化终端，用于接收自动化配电终端分、合闸命令，并判断模拟断路器工作是否正常，将输出信号作用于继电器，使故障点的继电器断开。

进一步的，所述模拟弹簧储能式真空断路器装置包括机箱、设置在机箱正面面板上的至少四个模拟断路器、设置在机箱背面面板上的至少四个终端接线区域、设置在机箱背面面板上的电源和LAN端口。

进一步的，每个所述故障设定区域设有一个接线端子，每个接线端子包括Ua_in、Ub_in、Uc_in进线处电压端和Ua_out、Ub_out、Uc_out出线处电压端，支持模拟断路器间的串并联，从而搭建不同拓扑结构的配网一次线路。

进一步的，所述配电自动化终端通过LAN端口连接所述模拟弹簧储能式真空断路器装置。

进一步的，所述配电自动化终端用于采集故障信息，并将故障信息上传至配电主站，配电主站根据故障表信息确定故障类型和故障点，并向配电自动化终端下发遥控命令控制模拟断路器分、合闸。

第二个方面，本发明提供了一种弹簧储能式真空断路器的模拟方法。

一种弹簧储能式真空断路器的模拟方法，采用上述第一个方面所述的弹簧储能式真空断路器的模拟装置，包括：

获取故障电流发分、合闸命令，并判断模拟断路器工作异常，模拟断路器模拟断路器的储能状态、合闸异常状态以及分闸异常状态以及模拟开关的动作时间，将输出信号作用于继电器，使故障点的继电器断开。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本装置的供电电源可以将市电转换为低压模拟线路，通过软件设置故障类型，在低压的条件下模拟高压三相线路，操作安全可靠，便于实训中模拟线路故障。

2)模拟断路器的微处理器可以接收到故障信号，运算处理后作用于继电器实现分闸、合闸操作。同时可以直观的通过对应的指示灯实时提供断路器的工作状态。

3)通过面板的输入端子接线，可以进行多个模拟断路器的级联，从而可以模拟整条配网线路的工作情况，模拟更加真实复杂的线路情况。

4)本发明结合物理仿真和数字仿真的优点，以方便的实现断路器分闸、合闸操作和弹簧储能状态的闭锁处理，以及分闸、合闸动作时间的模拟。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明模拟断路器面板结构图；

图2是本发明模拟断路器前面板结构图；

图3是本发明模拟断路器输入模块结构图；

图4是本发明模拟断路器操作指示模块结构图；

图5是本发明模拟断路器模块关联结构图；

图6是本发明弹簧储能式真空断路器原理图；

图7是本发明模拟断路器原理图；

图8是本发明搭建架空线路示意图；

图9是本发明搭建电缆线路示意图；

图10是本发明故障设置流程图。

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“正面”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本实施例提供了一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置。

一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置，包括：

模拟弹簧储能式真空断路器装置，用于接收控制指令，模拟断路器的储能状态、合闸异常状态以及分闸异常状态；

配电自动化终端，连接模拟弹簧储能式真空断路器装置，用于采集故障电流发分、合闸命令，控制模拟断路器的分闸与合闸操作；

微处理器，连接配电自动化终端，用于接收自动化配电终端分、合闸命令，并判断模拟断路器工作是否正常，将输出信号作用于继电器，使故障点的继电器断开。

模拟断路器上设有合闸、分闸按钮、摇头开关、合闸时间旋钮、分闸时间旋钮和显示灯。可通过合闸、分闸按钮模拟断路器的合闸和分闸，可通过摇头开关模拟断路器的储能状态、合闸异常状态、分闸异常状态，旋钮模拟开关的动作时间。模拟断路器将市电转换为低压模拟线路，通过软件设置故障类型，采用继电器等电气元件产生符合实际线路的故障状态。模拟断路器的微处理器可以接收到故障信号，并按照断路器的实际工作情况，将跳闸信号输出至继电器模拟跳闸操作，并且可以实时输出遥信状态。模拟断路器的微处理器可以设置储能状态、分闸时间、合闸时间，并在工作时应用这些设置。模拟断路器可以实现远方遥控分合闸操作，实现分合闸、弹簧储能状态的闭锁。利用继电器、按钮开关和微处理器，来模拟实际的弹簧储能式真空断路器的动作特性和工作原理。

作为本发明的一种实施方式，本发明根据10kV配电网常用的弹簧储能式真空断路器的典型动作特性和信号类型进行原理设计，对断路器的模拟，包括分合动作操作、分合位信号、储能状态、分合闸异常和分合闸动作时间等，并进行装置结构设计。模拟断路器面板信息如图1所示，其中包含正面面板和背面面板。模拟断路器正面面板如图2所示，包含分、合闸按钮，储能异常摇头开关，分合闸异常摇头，分合闸动作时间，及相应的指示灯。用于进行手动设置分合闸，储能、分合闸异常状态，分合闸动作时间，并通过相应的指示灯观察实时状态。模拟断路器背面接线端子如图3所示，DZ1的Ua_in、Ub_in、Uc_in是模拟断路器1进线处电压，Ua_out、Ub_out、Uc_out是模拟断路器1出线处电压，模拟断路器1出线电压可以接至与DZ1结构相同的模拟断路器2的进线端子DZ2的Ua_in、Ub_in、Uc_in，模拟断路器1出线电压也可并联接至模拟断路器3的进线端子，支持模拟断路器2和模拟断路器3并联，从而搭建不同拓扑的配网一次线路。遥信及遥控端口可以接到配电自动化终端，用于远程控制模拟断路器及实时采集模拟断路器遥信位置。

模拟断路器供电电源点采用三相变压器，将市电转换到低压模拟线路(模拟高压三相电)，通过微处理器，继电器，无感线绕电阻等一系列电气器件产生符合实际线路故障的故障状态，其结构图如图4所示。控制单元主要由微处理器构成，用来接收信号，发出动作和故障生成信号，作用于故障动作单元和故障生成单元。模拟故障单元接收到故障生成信号，然后可通过继电器生成多种类型的故障。故障动作单元主要由合闸、分闸继电器组成，用来模拟实际断路器的合闸和分闸操作。模拟断路器电流分为负载电流和故障电流，可以根据需求投入负载和故障电流，模拟故障发生时的现象。本发明的模拟断路器支持脱离继电保护试验仪工作，测试简单。

弹簧储能式真空断路器的原理图如图6所示，其中HQ和TQ为合闸线圈、分闸线圈，统称脱扣线圈。当其以脉冲方式接通操作电源后其中的铁芯弹射出去，撞击机构的锁止卡扣，若机构弹簧已储能，则机构操动开关的断口完成分合闸动作。模拟断路器在此逻辑上进行设计。模拟断路器的控制单元和故障动作单元如图4所示。采用两个继电器的线圈回路串联的方式实现分合闸操作的互锁，将合闸继电器线圈与分闸继电器的常闭触点相连，合闸继电器线圈的如图所示的触点接至正电源端，在合闸操作脉冲消失后使合闸继电器线圈保持在通电状态，模拟实现一次开关合位的保持；分闸继电器线圈通电时断开合闸继电器线圈供电回路，模拟实现一次开关的分闸操作。

图7中微处理器MCU用于进行控制单元的信号接收与发送。储能异常、分闸异常、合闸异常投退开关模拟断路器的储能回路与分合闸回路的异常状态，储能异常时无法电动储能，分合闸回路异常时无法控制断路器的分合。可通过分合动作时间旋钮设置分合闸时动作响应时间(毫秒级)。开关合位信号用于微控制器采集开关的分合位状态信息，当开关未在合位时，不可进行分闸，开关在合位时，可以进行分闸。通过软件投入故障(单相接地、相间短路、三相短路)，可设置不同功率电阻的投入与退出，产生不同的电流值，模拟线路产生相应类型的故障。可配合自动化配电终端采集电流值，通过与预先设置的保护定值参数进行对比，识别判断线路工作状态(正常负载、单相接地、相间短路、三相短路)，模拟实现真实配网一次线路的工作状态。图7中的三项模拟线路既可以采用仿真机柜变压器的二次输出电压，实现智能分布式配电网系统的模拟，又可以采用继电保护仪的电流输出端，实现电流集中型配电网的模拟。

微处理器同时可以接收到当前状态时刻的开关合位、分位、储能、故障状态，并将状态信号输出到指示灯以显示当前模拟断路器的状态。由于微处理器输出电压太小不足以驱动继电器工作，因此采用三极管电路作为驱动电路，从而达到采用低压信号控制高压工作回路运行的目的。

本发明所涉及的模拟断路器支持搭建10kV架空线路、10kV电缆线路如图8和图9所示。模拟弹簧储能式真空断路器装置可设置一次线路典型故障，如单相接地、相间短路、三相短路故障等，支持电流集中型馈线自动化功能。当操作人员设置配网模拟一次线路某处故障生效时，自动化配电终端采集模拟断路器处的“三遥”信息，包括电压量、电流量、开关量，并将信息主动发送到配电主站，配电主站进行逻辑处理，向智能配电终端发送遥控指令控制模拟断路器分闸，将此线路故障处隔离。其流程图如图10所示。

以下介绍一种典型的四个模拟断路器的实施方案：

机柜可同时设置多个模拟断路器，此方案设置四个模拟断路器建立手拉手架空线路。在四个模拟断路器后面板，将各个模拟断路器输入输出串联结成手拉手形式的架空线路，并配合连接自动化配电终端；可通过软件设置多种故障。自动化配电终端采集故障信息，并将故障信息上传至配电主站，配电主站通过采集到的“三遥”信息，确定故障类型，定位故障点，然后向自动化配电终端下发遥控命令控制模拟断路器分闸，实现故障点隔离以及非故障区域恢复供电，从而实现整条配电线路的仿真模拟。

通过网线连接电脑与模拟断路器，可进行装置故障类型的设置。可设置主要故障类型：A相接地、B相接地、C相接地、AB相短路、BC相短路、ABC相短路。通过电脑下发遥控命令，根据遥控点表选择所需故障类型，即可生成所需故障。

实施例二

本实施例提供了一种弹簧储能式真空断路器的模拟方法。

一种弹簧储能式真空断路器的模拟方法，采用上述实施例一所述的弹簧储能式真空断路器的模拟装置，包括：

获取故障电流发分、合闸命令，并判断模拟断路器工作异常，模拟断路器模拟断路器的储能状态、合闸异常状态以及分闸异常状态以及模拟开关的动作时间，将输出信号作用于继电器，使故障点的继电器断开。

具体的：

步骤S1：本装置的供电电源可以将市电转换为低压模拟线路，通过软件设置故障类型，继而输出相应故障类型的负荷电流和故障电流。通过自动化配电终端采集故障电流发分、合闸命令，控制模拟断路器的分闸与合闸操作。

步骤S2：根据断路器的工作原理，微处理器接收自动化配电终端分、合闸命令，经自身运算处理判断模拟断路器工作正常可以进行分合，将输出信号作用于继电器达到模拟控制断路器分、合的目的。同时，可以提供相应的遥信信号，输出断路器实时状态，模拟指示断路器的遥信。

步骤S3：当储能状态异常投入，根据断路器工作原理，微处理器接收自动化配电终端分、合闸命令，经自身运算处理判断模拟断路器处于无法正常工作状态。若在已储能状态，则可进行一次分闸、合闸、分闸操作，后续控制命令不再生效，模拟现场断路器储能异常时拒动；若在未储能状态则只可进行一次分闸，后续控制命令不再生效,模拟现场断路器储能异常时拒动。

步骤S4：当合闸异常投入时，根据断路器工作原理，微处理器接收到自动化配电终端的分、合闸命令。经运算处理判断断路器合闸回路处于非正常工作状态。若断路器在合位状态,则可进行一次分闸操作无法再次合闸；若断路器在分位状态，接收到合闸命令则无法合闸，模拟现场断路器在合闸二次回路异常时的拒动。

步骤S5：当分闸异常投入时，根据断路器工作原理，微处理器接收到自动化配电终端的分、合闸命令。经运算处理判断断路器分闸回路处于非正常工作状态。若断路器在分位状态,则可进行一次合闸操作无法再次分闸；若断路器在合闸状态,接收到分闸命令则无法分闸，模拟现场断路器在分闸二次回路异常时的拒动。

步骤S6：当分合闸时间在不同挡位时，微处理采集到挡位位置经运算处理判断出需要的延时，控制模拟断路器在该延时后分合闸。

步骤S7：通过后面板的接线端子，可进行多个模拟断路器的级联，从而模拟整条配网线路的工作情况。

所述步骤S1的模拟断路器的供电电源中，采用三相变压器，将市电220V或三相电转换到低压模拟线路(模拟高压三相电)，通过微处理器、继电器、无感线绕电阻等一系列电气器件产生符合实际线路故障的故障状态，方便操作和展示，如图6所示。模拟断路器电流分为负载电流和故障电流，可以根据需求投入负载和故障电流，模拟现场开关产生负载电流与故障电流时的现象。负载电流和故障电流采用不同的功率电阻产生，通过自研软件操作即可实现负载、故障的投入和退出，支持脱离继电保护试验仪工作，测试简单。

所述步骤S2中，模拟断路器接收到分、合闸命令信号后，其中的微处理器对故障信号进行处理，并发出分合闸信号控制继电器的分合，如图7所示。模拟断路器的电控回路主要通过控制继电器回路模拟开关的控制回路。采用两个继电器的线圈回路串联的方式实现分合闸操作的互锁，将合闸继电器线圈与分闸继电器的常闭触点相连，合闸继电器线圈的触点接至正电源端，在合闸操作脉冲消失后使合闸继电器线圈保持在通电状态，模拟实现一次开关合位的保持；分闸继电器线圈通电时断开合闸继电器线圈供电回路，模拟实现一次开关的分闸操作。同时，微处理器可以实时采集合位信号、分位信号、未储能信号等信号,通过对应的指示灯显示实时状态。

所述步骤S7中，模拟弹簧储能式真空断路器装置可以支持搭建10kV架空线路、10kV电缆线路如图8和图9。采用5台模拟断路器可以搭建架空线路模型，其中一台设置为联络开关模式。采用三套一体化机柜可以搭建电缆线路模型。在线路模型中模拟弹簧储能式真空断路器装置可设置一次线路典型故障，如单相接地、相间短路、三相短路故障等，支持电流集中型馈线自动化功能。当操作人员设置配网模拟一次线路某处故障生效时，智能配电终端采集模拟断路器处的“三遥”信息，包括电压量、电流量、开关量，并将信息主动发送到配电主站，配电主站进行逻辑处理，向自动化配电终端发送遥控指令，自动化配电终端控制模拟断路器分闸，将此线路故障处隔离。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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 (10)

1.一种弹簧储能式真空断路器的模拟装置，其特征在于，包括：

模拟弹簧储能式真空断路器装置，用于接收控制指令，模拟弹簧储能式真空断路器的储能状态、合闸异常状态以及分闸异常状态；

所述模拟弹簧储能式真空断路器装置包括机箱、设置在机箱正面面板上的至少四个模拟断路器；模拟断路器将市电转换为低压模拟线路，通过软件设置故障类型，采用继电器等电气元件产生符合实际线路的故障状态；模拟断路器电流分为负载电流和故障电流，根据需求投入负载和故障电流，模拟故障发生时的现象；

自动化配电终端，连接模拟弹簧储能式真空断路器装置，用于采集故障电流发分、合闸命令，控制模拟断路器的分闸与合闸操作；

微处理器，连接自动化配电终端，可以设置储能状态、分闸时间、合闸时间，用于接收自动化配电终端分、合闸命令，并判断模拟断路器工作是否正常，将输出信号作用于继电器，使故障点的继电器断开；

当储能状态异常投入时，微处理器接收自动化配电终端分、合闸命令，然后判断模拟断路器处于无法正常工作状态；当合闸或分闸异常投入时，微处理器接收到自动化配电终端的分、合闸命令，然后判断断路器合闸或分闸回路处于非正常工作状态。

2.根据权利要求1所述的弹簧储能式真空断路器的模拟装置，其特征在于，所述模拟弹簧储能式真空断路器装置还包括设置在机箱背面面板上的至少四个终端接线区域、设置在机箱背面面板上的电源和LAN端口。

3.根据权利要求2所述的弹簧储能式真空断路器的模拟装置，其特征在于，每个所述故障设定区域设有一个接线端子，每个接线端子包括Ua_in、Ub_in、Uc_in进线处电压端和Ua_out、Ub_out、Uc_out出线处电压端，支持模拟断路器间的串并联，从而搭建不同拓扑结构的配网一次线路。

4.根据权利要求2所述的弹簧储能式真空断路器的模拟装置，其特征在于，所述配电自动化终端通过LAN端口连接所述模拟弹簧储能式真空断路器装置。

5.根据权利要求1所述的弹簧储能式真空断路器的模拟装置，其特征在于，所述配电自动化终端用于采集故障信息，并将故障信息上传至配电主站，配电主站根据故障表信息确定故障类型和故障点，并向配电自动化终端下发遥控命令控制模拟断路器分、合闸。

6.一种弹簧储能式真空断路器的模拟方法，采用权利要求1-5任一项所述的弹簧储能式真空断路器的模拟装置，其特征在于，包括：

获取故障电流发分、合闸命令，并判断模拟断路器工作异常，模拟弹簧储能式真空断路器装置模拟断路器的储能状态、合闸异常状态以及分闸异常状态以及模拟开关的动作时间，将输出信号作用于继电器，使故障点的继电器断开。

7.根据权利要求6所述的弹簧储能式真空断路器的模拟方法，其特征在于，当储能状态异常投入时，微处理器接收自动化配电终端分、合闸命令，然后判断模拟断路器处于无法正常工作状态；若在已储能状态,则进行一次分闸、合闸、分闸操作，后续控制命令不再生效,模拟现场断路器储能异常时拒动；若在未储能状态则只进行一次分闸，后续控制命令不再生效,模拟现场断路器储能异常时拒动。

8.根据权利要求6所述的弹簧储能式真空断路器的模拟方法，其特征在于，当合闸异常投入时，微处理器接收到自动化配电终端的分、合闸命令，然后判断断路器合闸回路处于非正常工作状态；若断路器在合位状态，则可进行一次分闸操作无法再次合闸；若断路器在分位状态，接收到合闸命令则无法合闸，模拟现场断路器在合闸二次回路异常时的拒动。

9.根据权利要求6所述的弹簧储能式真空断路器的模拟方法，其特征在于，当分闸异常投入时，微处理器接收到自动化配电终端的分、合闸命令，然后判断断路器分闸回路处于非正常工作状态；若断路器在分位状态，则进行一次合闸操作无法再次分闸；若断路器在合闸状态，接收到分闸命令则无法分闸，模拟现场断路器在分闸二次回路异常时的拒动。

10.根据权利要求6所述的弹簧储能式真空断路器的模拟方法，其特征在于，当分合闸时间在不同挡位时，微处理采集到挡位位置，然后判断出需要的延时，控制模拟断路器在该延时后分合闸。