CN113990160A - 一种模块式电缆仿真及故障模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，包括电缆模拟模块、故障模拟模块、测量模块和控制模块，控制模块连接测量模块、电缆模拟模块和故障模拟模块，测量模块和故障模拟模块与电缆模拟模块连接；电缆模拟模块通过硬件电路模拟电缆，通过调节硬件电路来调节所模拟电缆的模拟参数；故障模拟模块模拟接地故障和局部放电故障；测量模块采集电缆模拟模块的采样数据，并发送给控制模块；控制模块接收用户的操作并修改模拟参数，并将接收到的采样数据在PC上展示；控制模块控制电缆模拟模块和故障模拟模块中的继电器通断，实现模拟参数修改。本发明在实现电缆故障模拟的同时，可对电缆的模拟参数进行配置，适用不同长度和型号的电缆故障模拟。

Description

一种模块式电缆仿真及故障模拟系统及方法

技术领域

本发明属于电气设备仿真测试领域，具体涉及一种模块式电缆仿真及故障模拟系统及方法。

背景技术

在对电缆测试相关从业人员进行教学培训时，传统的方式是设置一条故障电缆进行培训，这种方式占地大、投入高，难以模拟较长的电缆，且模拟电缆故障时切换不同故障较为麻烦，使用极不方便。

目前在电缆测试培训领域有一些电缆模拟设备的相关研究，但现有的大部分模拟装置功能较为简单，测试过程中无法修改电缆的固有参数，且添加的故障类型较少，扩展性较差，难以适配日益更新的测试手段。同时，目前的故障模拟技术多集中于接地故障等的模拟，对局部放电的模拟还未普及，仅有的少数设备还在通过设置局部放电物理模型的方式提供局部放电测试功能，操作繁琐，获取的数据较为单一，和现场状况有较大的区别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，采用模块式的电路组装方式，可以实现对电缆的模拟及对其长度、波速、介电损耗等模拟参数的配置，也可以实现电缆故障的模拟，故障类型包括低阻接地故障、高阻接地故障、局部放电故障等。模拟故障可以设置在电缆任意位置，可以方便地进行故障点的定位测试。系统内置低压脉冲信号发射装置和采集装置，无需任何外接设备即可实现模拟电缆相关的参数检测和故障检测。设备功能全面，体积小巧，扩展性强，使用起来灵活方便。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，包括电缆模拟模块、故障模拟模块、测量模块和控制模块，控制模块连接测量模块、电缆模拟模块和故障模拟模块，测量模块和故障模拟模块与电缆模拟模块连接；

所述电缆模拟模块通过硬件电路模拟电缆，通过调节硬件电路来调节所模拟电缆的模拟参数，包括长度、波速、介电损耗；

所述故障模拟模块用于模拟接地故障和局部放电故障；

所述测量模块，采集电缆模拟模块的采样数据，并发送给控制模块；

控制模块接收用户的操作并修改模拟参数，并将接收到的采样数据在PC上展示；

控制模块控制电缆模拟模块和故障模拟模块中的继电器通断，实现模拟参数修改；

电缆模拟模块采用若干段硬件电路串联模拟总电缆，每段硬件电路上均设置有旁路，并通过旁路开关通断来调节所需模拟电缆长度，硬件电路由若干并联的电感Ⅰ和与电感Ⅰ串联的电阻Ⅰ构成主线电路，每个电感Ⅰ均串联有对应的继电器Ⅰ，所述电阻Ⅰ连接硬件电路的输出端，若干电容Ⅰ并联后一端连接硬件电路的输出端，每个电容Ⅰ均串联有继电器Ⅱ，电容Ⅰ另一端连接介电损耗模拟电路，介电损耗模拟电路另一端接地，介电损耗模拟电路包括接地线路和调整线路，接地线路通过继电器Ⅲ直接接地，调整线路上并联有若干电阻Ⅱ，并通过电容Ⅱ接地，若干电阻Ⅱ通过其相应的继电器Ⅳ通断。

进一步的，若干段硬件电路等长设置，若干硬件电路所模拟电缆中的两条相邻的硬件电路之间设置有用于接入故障模拟模块的故障点。

进一步的，若干段硬件电路长度依次倍增设置，若干硬件电路所模拟的单端电缆两端设置有用于接入故障模拟模块的故障点。

进一步的，控制模块包括PC和单片机，PC连接单片机，单片机分别与电路模拟模块和电缆故障模块连接，PC提供人机交互功能，供用户修改模拟电缆参数和故障参数，同时将采样数据用图形化的方式展示出来，单片机控制电缆模拟模块和故障模拟模块中的继电器通断，实现模拟参数修改功能。

进一步的，测量模块包括脉冲信号源和采样电路，采样电路和脉冲信号源接入电缆模拟模块的输入端，脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，信号加载到电缆模拟模块所模拟的电缆上，所模拟电缆末端悬空，采样电路收集入射脉冲和反射脉冲反馈给控制模块。

进一步的，故障模拟模块包括接地故障模拟电路和局部放电故障模拟模块，接地故障模拟电路包括低阻接地故障电路和高阻接地故障电路，低阻接地故障电路上串联有相应的继电器Ⅴ，并通过继电器Ⅴ直接接地，高阻接地故障电路上串联有电阻Ⅲ，电阻Ⅲ串联有相应的继电器Ⅵ，并通过继电器Ⅵ接地，局部放电故障模拟模块采用脉冲生成模块，通过PC预先采集不同局部放电的信号，并建立放电特征数据库，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲。

一种模块式电缆仿真及故障模拟系统的故障模拟方法，电缆模拟模块通过若干段等长硬件电路串联模拟总电缆，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路旁路开关通断，其旁路开关断开部分的硬件电路长度之和等于所模拟电缆的长度；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路的继电器Ⅰ和继电器Ⅱ通断切换不同的电感Ⅰ和电容Ⅰ调节所模拟的电缆波速，并保证各个硬件电路修改值保持一；脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆长度可以计算出所模拟电缆波速从而确认所需模拟电缆类型；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制介电损耗电路的继电器Ⅲ和继电器Ⅳ的通断，从而模拟所模拟电缆类型的介电损耗；将故障模拟模块输入端接入所模拟电缆的任意两段硬件电路之间，通过PC人机交互功能确定选择局部放电故障和接地故障；在确定选择故障类型为局部放电故障，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲模拟局部放电故障；在确定选择故障类型为接地故障时，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制故障模拟模块的继电器Ⅴ和继电器Ⅵ通断模拟低阻接地故障或高阻接地故障；测量模块的脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和电缆波速定位解读故障位置，并将数据反馈至单片机，单片机接收到故障数据后发送至PC，由PC将采样数据用图形化的方式展示出来；

电缆模拟模块通过若干段长度依次倍增的硬件电路串联模拟总电缆，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路旁路开关通断，其旁路开关断开部分的硬件电路长度之和等于所模拟电缆的长度；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路的继电器Ⅰ和继电器Ⅱ通断切换不同的电感Ⅰ和电容Ⅰ调节所模拟的电缆波速，并保证各个硬件电路修改值保持一；脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆长度可以计算出所模拟电缆波速从而确认所需模拟电缆类型；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制介电损耗电路的继电器Ⅲ和继电器Ⅳ的通断，从而模拟所模拟电缆类型的介电损耗；将故障模拟模块输入端接入单段所模拟电缆的两端，通过PC人机交互功能确定选择局部放电故障和接地故障；在确定选择故障类型为局部放电故障，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲模拟局部放电故障；在确定选择故障类型为接地故障时，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制故障模拟模块的继电器Ⅴ和继电器Ⅵ通断模拟低阻接地故障或高阻接地故障；测量模块的脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和电缆波速定位解读故障位置，并将数据反馈至单片机，单片机接收到故障数据后发送至PC，由PC将采样数据用图形化的方式展示出来。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1.通过若干硬件电路模拟电缆，使所模拟电缆长度、波速、介电损耗等参数均可调，可模拟不同长度、不同型号规格的电缆。2.同时可以模拟局部放电故障、低阻接地故障和高阻接地故障，故障模拟效果全面，并且故障模拟模块可以设置在电缆任意位置，可以方便地进行故障点的定位测试。3.硬件电路上设置有介电损耗模拟电路，从而可以模拟不同类似电缆的介电损耗。4.本发明设备功能全面，体积小巧，扩展性强，使用起来灵活方便，有助于电缆测试相关从业人员进行教学培训。

附图说明

图1为本发明连接框图示意图；

图2为本发明各模块综合示意图；

图3是为本发明硬件电路示意图；

图4为本发明多段硬件电路模拟电缆的连接示意图；

图5为本发明多段硬件电路模拟电缆的另一种连接方式示意图；

图6为本发明接地故障电路图；

图7为本发明局部放电故障模拟原理图；

图8为本发明模块式电路母板示意图；

图中：S1.旁路开关、S2.第一继电器Ⅰ、S3.第二继电器Ⅰ、S4.第一继电器Ⅱ、S5.第二继电器Ⅱ、S6.继电器Ⅲ、S7.第一继电器Ⅳ、S8.第二继电器Ⅳ、S9.继电器Ⅴ、S10.继电器Ⅵ、L1.第一电感Ⅰ、L2.第二电感Ⅰ、C1.第一电容Ⅰ、C2.第二电容Ⅰ、C3.电容Ⅱ、R1.电阻Ⅰ、R2.第一电阻Ⅱ、R3.第二电阻Ⅱ、R4.电阻Ⅲ。

具体实施方式

参照图1至图3，一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，包括电缆模拟模块、故障模拟模块、测量模块和控制模块，控制模块连接测量模块、电缆模拟模块和故障模拟模块，测量模块和故障模拟模块与电缆模拟模块连接；

所述电缆模拟模块通过硬件电路模拟电缆，通过调节硬件电路来调节所模拟电缆的模拟参数，包括长度、波速、介电损耗；

所述故障模拟模块用于模拟接地故障和局部放电故障；

所述测量模块，采集电缆模拟模块的采样数据，并发送给控制模块；

控制模块接收用户的操作并修改模拟参数，并将接收到的采样数据在PC上展示；

控制模块控制电缆模拟模块和故障模拟模块中的继电器通断，实现模拟参数修改；

电缆模拟模块采用若干段硬件电路串联模拟总电缆，每段硬件电路上均设置有旁路，并通过旁路开关S1通断来调节所需模拟电缆长度，硬件电路由若干并联的电感Ⅰ和与电感Ⅰ串联的电阻ⅠR1构成主线电路，每个电感Ⅰ均串联有对应的继电器Ⅰ，所述电阻ⅠR1连接硬件电路的输出端，若干电容Ⅰ并联后一端连接硬件电路的输出端，每个电容Ⅰ均串联有继电器Ⅱ，电容Ⅰ另一端连接介电损耗模拟电路，介电损耗模拟电路另一端接地，介电损耗模拟电路包括接地线路和调整线路，接地线路通过继电器ⅢS6直接接地，调整线路上并联有若干电阻Ⅱ，并通过电容Ⅱ接地，若干电阻Ⅱ通过其相应的继电器Ⅳ通断。

本发明的电缆模拟模块包含模拟电缆部分和模拟参数部分，模拟电缆由多个单段硬件电路串联组成，电缆总长度等于每段硬件电路长度之和，波速和介电损耗通过电路中的继电器进行控制，具体见附图3。

如附图3所示，硬件电路可以通过电感Ⅰ、电阻ⅠR1和电容Ⅰ对电缆参数进行模拟。旁路开关S1导通时该段硬件电路在所模拟总电缆中被短接。本发明硬件电路中所示出的电感Ⅰ为两个，包括第一电感ⅠL1和第二电感ⅠL2，第一电感ⅠL1和第二电感ⅠL2并联设置在硬件电路上，其对应的继电器分别为第一继电器ⅠS2和第二继电器ⅠS3，第一继电器ⅠS2和第二继电器ⅠS3分别与第一电感ⅠL1和第二电感ⅠL2串联，电容Ⅰ为两个，包括第一电容ⅠC1和第二电容ⅠC2，第一电容ⅠC1和第二电容ⅠC2并联设置在硬件电路上，并将第一电容ⅠC1和第二电容ⅠC2的一端连接硬件电路的输出端，第一电容ⅠC1和第二电容ⅠC2对应的继电器为第一继电器ⅡS4和第二继电器ⅡS5，第一继电器ⅡS4和第二继电器ⅡS5分别与第一电容ⅠC1和第二电容ⅠC2串联。第一继电器ⅠS2和第二继电器ⅠS3信号互斥，分别控制第一电感ⅠL1和第二电感ⅠL2的导通，第一继电器ⅡS4和第二继电器ⅡS5信号互斥，分别控制第一电容ⅠC1和第二电容ⅠC2的导通，导通电感Ⅰ、电容Ⅰ和电阻ⅠR1构成了基础电缆模拟电路，通过第一电感ⅠL1和第二电感ⅠL2、第一电容ⅠC1和第二电容ⅠC2的切换，可以控制电缆波速。

其中，若干段硬件电路等长设置，若干硬件电路所模拟电缆中的两条相邻的硬件电路之间设置有用于接入故障模拟模块的故障点。单段硬件电路可能较短，不满足使用需求，通过多种连接单段硬件电路组成较长电缆的方式，以下按附图4和附图5所示两种方式为例进行说明。如附图4所示，多组相同的单段硬件电路长度均为100m，如连接10段，则可以模拟1000m电缆，通过图3中旁路开关S1的控制，可以接入10段中的任意数段。同时，故障模拟模块可以加载到所模拟电缆的任意两段硬件电路之间，即故障点可位于0m、100m、200m……1000m处。这种方式的优点是故障点位的设置较为灵活，缺点是模拟较长电缆时需要多组电路。

还可以将若干段硬件电路长度依次倍增设置，若干硬件电路所模拟的单端电缆两端设置有用于接入故障模拟模块的故障点。如附图5所示，多组长度依次倍增的单段硬件电路串联，如最长的一段为3200m，则可以模拟最长为6300m的电缆。通过图3中旁路开关S1的控制，可以接入任意数段，如100m段和400m段旁路开关S1开关断开，其它段旁路开关S1开关导通，则可以模拟500m的电缆，同理可以实现以100m为间隔对100m~6300m任意长度的模拟，通过增加更长的单段硬件电路，模拟长度还可以扩展。这种方式的优点是通过有限个单段硬件电路就可以实现较长电缆的模拟，缺点是由于故障点只能设置在所模拟电缆的单段硬件电路两端，位置的选择灵活度较小。

波速v计算公式为

；其中，L₀和C₀分别为单位长度电缆的电感和电容， 修改电缆波速时，总电缆中的各段硬件电路应同步修改，使其电缆传输参数一致，避免在各 段连接处发生脉冲信号的反射。本发明介电损耗模拟电路中所示出的电阻Ⅱ为两个，分别 为第二电阻ⅡR3和第一电阻ⅡR2，第二电阻ⅡR3和第一电阻ⅡR2并联，第一继电器ⅣS7和 第二继电器ⅣS8分别与第二电阻ⅡR3和第一电阻ⅡR2串联，第一继电器ⅣS7和第二继电器 ⅣS8对应第二电阻ⅡR3和第一电阻ⅡR2的通断，继电器ⅢS6、第一继电器ⅣS7和第二继电 器ⅣS8控制介电损耗模拟电路，不同继电器导通时，电容ⅡC3和第二电阻ⅡR3或第一电阻 ⅡR2分别接入电路，电路有功功率和无功功率受电路中的电阻、电感、电容影响发生变化， 从而导致介电损耗也相应发生变化。故障模拟模块可以接入图3中IN端或OUT端，即硬件电 路的输入端或输出端。上述两种连接方式无论使用哪种连接方式，都应确保各段硬件电路 的波速和介电损耗相同并同步修改。为使波速相同，图3中各电感、电阻、电容按照各段硬件 电路长度等比例换算即可。为实现同步修改，不同硬件电路中的第一继电器ⅠS2、第二继电 器ⅠS3、第一继电器ⅡS4、第二继电器ⅡS5、继电器ⅢS6、第一继电器ⅣS7、第二继电器ⅣS8 开关应同步导通或关断，可使用同一个单片机上的7个IO口对多段硬件电路进行同步控制。 同时，每段硬件电路中的旁路开关S1开关应分别控制通断，以实现任意段硬件电路的接入 控制。

本发明中的电路中元件的参数应根据待模拟电缆的型号和长度确定，如模拟电缆型号为YJV22-10-3*185mm2，长度为50m，查阅《工业与民用配电设计手册》文档获取单位长度电缆的阻抗值并进行换算，应设置第一电感ⅠL1=14.33μH，电阻ⅠR1=5.90mΩ，第一电容ⅠC1=15.35nF，导通时波速为107m/μs，将第二电感ⅠL2、第二电容ⅠC2的值在第一电感ⅠL1、第一电容ⅠC1的基础上进行调整，通过第一继电器ⅠS2和第二继电器ⅠS3、第一继电器ⅡS4和第二继电器ⅡS5开关的控制，就可以实现4种波速的模拟。第二电阻ⅡR3和第一电阻ⅡR2、电容ⅡC3的值也可按需设置，如设置第一电阻ⅡR2=20kΩ，电容ⅡC3=1nF，则回路导通时介电损耗值tanδ=0.0063。经由电路计算或仿真软件模拟，设计人员可以根据需要的介电损耗参数自行修改第二电阻ⅡR3、第一电阻ⅡR2、电容ⅡC3的值。

其中，控制模块包括PC和单片机，PC连接单片机，单片机分别与电路模拟模块和电缆故障模块连接，PC提供人机交互功能，供用户修改模拟电缆参数和故障参数，同时将采样数据用图形化的方式展示出来，单片机控制电缆模拟模块和故障模拟模块中的继电器通断，实现模拟参数修改功能。PC提供人机交互功能，供用户修改模拟电缆参数和故障参数，同时将采样数据用图形化的方式展示出来。单片机控制电缆模拟模块和故障模拟模块中的继电器通断，实现模拟参数修改功能。

其中，测量模块包括脉冲信号源和采样电路，采样电路和脉冲信号源接入电缆模拟模块的输入端，脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，信号加载到电缆模拟模块所模拟的电缆上，所模拟电缆末端悬空，采样电路收集入射脉冲和反射脉冲反馈给控制模块。在未加载故障时，脉冲在所模拟电缆末端发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆的长度可以计算出电缆波速；加载接地故障时，入射脉冲在接地故障处发生反射，可以根据两脉冲间隔和所模拟电缆波速定位故障位置；加载局部放电故障时，将脉冲信号源断开，局部放电故障电路产生的脉冲向所模拟电缆两端传播，向所模拟电缆末端传播的脉冲在末端处发生反射，根据两脉冲间隔和所模拟电缆波速也可以定位故障位置。

其中，故障模拟模块包括接地故障模拟电路和局部放电故障模拟模块，接地故障模拟电路包括低阻接地故障电路和高阻接地故障电路，低阻接地故障电路上串联有相应的继电器ⅤS9，并通过继电器ⅤS9直接接地，高阻接地故障电路上串联有电阻ⅢR4，电阻ⅢR4串联有相应的继电器ⅥS10，并通过继电器ⅥS10接地，局部放电故障模拟模块采用脉冲生成模块，通过PC预先采集不同局部放电的信号，并建立放电特征数据库，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲。故障模拟模块包含故障选择部分和故障加载部分，故障选择部分确定一种电缆故障类型，故障加载部分用于确定将该故障加载到哪一段硬件电路上。如附图6所示，接地故障模拟电路分为低阻接地故障和高阻接地故障，继电器ⅤS9导通、继电器ⅥS10断开时故障点直接接地，模拟低阻接地故障；继电器ⅤS9断开、继电器ⅥS10导通时通过电阻ⅢR4接地，模拟高阻接地故障，电阻ⅢR4阻值应大于10倍的被模拟电缆特征阻抗，一般的，对于10kV电缆可以选择使用1kΩ电阻。设计人员也可以增设多条回路，并调整电阻ⅢR4阻值，用于模拟不同类型的高阻接地故障。

如附图7所示，局部放电故障模拟模块在系统使用前需要预先采集不同局部放电的信号，记录放电脉冲的相位和幅值并保存在文件中，建立放电特征数据库。在PC中，根据用户选择的放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲，即可实现对不同局部放电类型的模拟。脉冲生成模块采用常规单脉冲电路或芯片即可，此处不再赘述。

一种模块式电缆仿真及故障模拟系统的故障模拟方法，电缆模拟模块通过若干段等长硬件电路串联模拟总电缆，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路旁路开关S1通断，其旁路开关S1断开部分的硬件电路长度之和等于所模拟电缆的长度；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路的继电器Ⅰ和继电器Ⅱ通断切换不同的电感Ⅰ和电容Ⅰ调节所模拟的电缆波速，并保证各个硬件电路修改值保持一；脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆长度可以计算出所模拟电缆波速从而确认所需模拟电缆类型；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制介电损耗电路的继电器ⅢS6和继电器Ⅳ的通断，从而模拟所模拟电缆类型的介电损耗；将故障模拟模块输入端接入所模拟电缆的任意两段硬件电路之间，通过PC人机交互功能确定选择局部放电故障和接地故障；在确定选择故障类型为局部放电故障，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲模拟局部放电故障；在确定选择故障类型为接地故障时，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制故障模拟模块的继电器ⅤS9和继电器ⅥS10通断模拟低阻接地故障或高阻接地故障；测量模块的脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和电缆波速定位解读故障位置，并将数据反馈至单片机，单片机接收到故障数据后发送至PC，由PC将采样数据用图形化的方式展示出来；

电缆模拟模块通过若干段长度依次倍增的硬件电路串联模拟总电缆，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路旁路开关S1通断，其旁路开关S1断开部分的硬件电路长度之和等于所模拟电缆的长度；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路的继电器Ⅰ和继电器Ⅱ通断切换不同的电感Ⅰ和电容Ⅰ调节所模拟的电缆波速，并保证各个硬件电路修改值保持一；脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆长度可以计算出所模拟电缆波速从而确认所需模拟电缆类型；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制介电损耗电路的继电器ⅢS6和继电器Ⅳ的通断，从而模拟所模拟电缆类型的介电损耗；将故障模拟模块输入端接入单段所模拟电缆的两端，通过PC人机交互功能确定选择局部放电故障和接地故障；在确定选择故障类型为局部放电故障，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲模拟局部放电故障；在确定选择故障类型为接地故障时，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制故障模拟模块的继电器ⅤS9和继电器ⅥS10通断模拟低阻接地故障或高阻接地故障；测量模块的脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和电缆波速定位解读故障位置，并将数据反馈至单片机，单片机接收到故障数据后发送至PC，由PC将采样数据用图形化的方式展示出来。

在实际应用时，采用若干段硬件电路等长的方式，如附图4所示，若需要模拟1000m长度的电缆，则需要10段单段硬件电路长度均为100m的硬件电路串联，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制电缆模拟模块继电器通断，将10段单段硬件电路旁路开关S1关闭，从而形成模拟1000m长度的电缆，再将故障模拟模块输入端接入任意两段硬件电路之间，通过故障模拟模块模拟局部放电故障模、低阻接地故障或高阻接地故障，通过PC人机交互功能确定选择局部放电故障、低阻接地故障或高阻接地故障；在确定选择故障类型后，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆长度可以计算出所模拟电缆波速；加载故障时，入射脉冲在故障处发生反射，可以根据两脉冲间隔和电缆波速定位解读故障位置，并将数据反馈至单片机，单片机接收到故障数据后发送至PC，由PC将采样数据用图形化的方式展示出来。

采用若干段硬件电路等长的方式，如附图5所示，若需要模拟500m的电缆，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制电缆模拟模块继电器通断，将长度为100m的硬件电路和长度为400m的硬件电路的旁路开关S1开关断开，其它段硬件电路旁路开关S1开关导通，再将故障模拟模块输入端接入所模拟电缆的两端，通过故障模拟模块模拟局部放电故障模、低阻接地故障或高阻接地故障，通过PC人机交互功能确定选择局部放电故障、低阻接地故障或高阻接地故障；在确定选择故障类型后，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆长度可以计算出所模拟电缆波速；加载故障时，入射脉冲在故障处发生反射，可以根据两脉冲间隔和所模拟电缆波速定位解读故障位置，并将数据反馈至单片机，单片机接收到故障数据后发送至PC，由PC将采样数据用图形化的方式展示出来。

如图8所示，本发明还可以采用模块式设计，将PCB部分分为一个母板和多个子板。单段硬件电路和故障电路都设计在不同的子板上。母板如附图8所示，单片机控制部分和测量模块等都归类到控制电路中，电缆模拟区包含多个相同的连接器A1~A6，各连接器引脚和大部分信号相同，仅电缆旁路开关S1控制信号不同，可以任意插接单段硬件电路子板，以实现图4和图5中所述的不同电缆连接方式。故障模拟区也包含多个相同的连接器B1~B3，可插入不同的接地故障、局部放电故障等子板，也可接入设计人员设计的其它类型硬件电路故障子板。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，其特征是：包括电缆模拟模块、故障模拟模块、测量模块和控制模块，控制模块连接测量模块、电缆模拟模块和故障模拟模块，测量模块和故障模拟模块与电缆模拟模块连接；

所述电缆模拟模块通过硬件电路模拟电缆，通过调节硬件电路来调节所模拟电缆的模拟参数，包括长度、波速、介电损耗；

所述故障模拟模块用于模拟接地故障和局部放电故障；

所述测量模块，采集电缆模拟模块的采样数据，并发送给控制模块；

控制模块接收用户的操作并修改模拟参数，并将接收到的采样数据在PC上展示；

控制模块控制电缆模拟模块和故障模拟模块中的继电器通断，实现模拟参数修改；

电缆模拟模块采用若干段硬件电路串联模拟总电缆，每段硬件电路上均设置有旁路，并通过旁路开关通断来调节所需模拟电缆长度，硬件电路由若干并联的电感Ⅰ和与电感Ⅰ串联的电阻Ⅰ构成主线电路，每个电感Ⅰ均串联有对应的继电器Ⅰ，所述电阻Ⅰ连接硬件电路的输出端，若干电容Ⅰ并联后一端连接硬件电路的输出端，每个电容Ⅰ均串联有继电器Ⅱ，电容Ⅰ另一端连接介电损耗模拟电路，介电损耗模拟电路另一端接地，介电损耗模拟电路包括接地线路和调整线路，接地线路通过继电器Ⅲ直接接地，调整线路上并联有若干电阻Ⅱ，并通过电容Ⅱ接地，若干电阻Ⅱ通过其相应的继电器Ⅳ通断。

2.根据权利要求1所述的一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，其特征是：若干段硬件电路等长设置，若干硬件电路所模拟电缆中的两条相邻的硬件电路之间设置有用于接入故障模拟模块的故障点。

3.根据权利要求1所述的一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，其特征是：若干段硬件电路长度依次倍增设置，若干硬件电路所模拟的单端电缆两端设置有用于接入故障模拟模块的故障点。

4.根据权利要求2或3所述的一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，其特征是：控制模块包括PC和单片机，PC连接单片机，单片机分别与电路模拟模块和电缆故障模块连接，PC提供人机交互功能，供用户修改模拟电缆参数和故障参数，同时将采样数据用图形化的方式展示出来，单片机控制电缆模拟模块和故障模拟模块中的继电器通断，实现模拟参数修改功能。

5.根据权利要求4所述的一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，其特征是：测量模块包括脉冲信号源和采样电路，采样电路和脉冲信号源接入电缆模拟模块的输入端，脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，信号加载到电缆模拟模块所模拟的电缆上，所模拟电缆末端悬空，采样电路收集入射脉冲和反射脉冲反馈给控制模块。

6.根据权利要求5所述的一种模块式电缆仿真及故障模拟系统，其特征是：故障模拟模块包括接地故障模拟电路和局部放电故障模拟模块，接地故障模拟电路包括低阻接地故障电路和高阻接地故障电路，低阻接地故障电路上串联有相应的继电器Ⅴ，并通过继电器Ⅴ直接接地，高阻接地故障电路上串联有电阻Ⅲ，电阻Ⅲ串联有相应的继电器Ⅵ，并通过继电器Ⅵ接地，局部放电故障模拟模块采用脉冲生成模块，通过PC预先采集不同局部放电的信号，并建立放电特征数据库，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲。

7.一种模块式电缆仿真及故障模拟系统的故障模拟方法，采用权利要求1所述的模块式电缆仿真及故障模拟系统，其特征是：电缆模拟模块通过若干段等长硬件电路串联模拟总电缆，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路旁路开关通断，其旁路开关断开部分的硬件电路长度之和等于所模拟电缆的长度；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路的继电器Ⅰ和继电器Ⅱ通断切换不同的电感Ⅰ和电容Ⅰ调节所模拟的电缆波速，并保证各个硬件电路修改值保持一；脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆长度可以计算出所模拟电缆波速从而确认所需模拟电缆类型；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制介电损耗电路的继电器Ⅲ和继电器Ⅳ的通断，从而模拟所模拟电缆类型的介电损耗；将故障模拟模块输入端接入所模拟电缆的任意两段硬件电路之间，通过PC人机交互功能确定选择局部放电故障和接地故障；在确定选择故障类型为局部放电故障，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲模拟局部放电故障；在确定选择故障类型为接地故障时，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制故障模拟模块的继电器Ⅴ和继电器Ⅵ通断模拟低阻接地故障或高阻接地故障；测量模块的脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和电缆波速定位解读故障位置，并将数据反馈至单片机，单片机接收到故障数据后发送至PC，由PC将采样数据用图形化的方式展示出来；

电缆模拟模块通过若干段长度依次倍增的硬件电路串联模拟总电缆，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路旁路开关通断，其旁路开关断开部分的硬件电路长度之和等于所模拟电缆的长度；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制硬件电路的继电器Ⅰ和继电器Ⅱ通断切换不同的电感Ⅰ和电容Ⅰ调节所模拟的电缆波速，并保证各个硬件电路修改值保持一；脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和所模拟电缆长度可以计算出所模拟电缆波速从而确认所需模拟电缆类型；PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制介电损耗电路的继电器Ⅲ和继电器Ⅳ的通断，从而模拟所模拟电缆类型的介电损耗；将故障模拟模块输入端接入单段所模拟电缆的两端，通过PC人机交互功能确定选择局部放电故障和接地故障；在确定选择故障类型为局部放电故障，根据放电类型，PC发送对应的脉冲相位和幅值数据至单片机中，单片机根据接收到的数据，按照工频50Hz的频率，控制脉冲生成模块生成对应的脉冲模拟局部放电故障；在确定选择故障类型为接地故障时，PC提供人机交互功能向单片机发送指令，单片机控制故障模拟模块的继电器Ⅴ和继电器Ⅵ通断模拟低阻接地故障或高阻接地故障；测量模块的脉冲信号源周期性地发出脉冲信号，入射脉冲在故障处发生反射，采样电路检测到入射脉冲和反射脉冲后，根据两脉冲间隔和电缆波速定位解读故障位置，并将数据反馈至单片机，单片机接收到故障数据后发送至PC，由PC将采样数据用图形化的方式展示出来。

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