CN115331497A - 一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，其中电气设备模型模块用于利用3D打印将实际操作环境中的各类电气设备进行打印，形成各类电气设备的模型，不停电作业模拟模块用于利用电气设备模型进行配置，完成多种不停电作业的模拟，单片机通讯模块用于采集和接收不停电作业模拟模块模拟的数据，故障诊断模块基于采集的数据进行故障判断。本发明的技术方案可以实现多种带电作业场景中的多种故障场景，可以实现培训的多样化，将纯理论的电气现象转化为更容易理解和接受的数据判断，同时；同时，模拟系统可以实现视觉、听觉、触觉多方面的模拟效果，提高了模拟的真实性，更加便捷、直观的体现故障效果、误操作的效果。
Description
技术领域
本发明属于带电作业培训领域，具体涉及一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统。
背景技术
开展配网线路带电作业是提高供电可靠性以及保证不间断供电的有力措施。配电架空线路综合不停电作业包括拆接引流线，带电断、接熔断器上引线，带电断、分接分支路引线，带电更换直线杆绝缘子，带电更换避雷器，带电更换熔断器，带电更换柱上开关或隔离开关，变压器、柱上开关等设备旁路作业等等。
不停电作业涉及到的主要技术包括：带电绝缘杆作业法-这种带电作业方式是指作业人员与带电部位保持一定的距离用绝缘杆进行作业。绝缘手套作业法-这种带电作业方式是指作业人员在工作平台上，通过绝缘手套并与周围不同电位适当隔离保护的直接对带电体进行作业。旁路作业法-用临时电缆将工作区域的导线跨接，并临时输送到工作区域内的用户将工作区域导线隔离，工作区域内停电工作，但用户不停电工作完毕后再恢复原接线状态。此作业法适用于线路中间。发电机作业法-用发电机临时供电，对客户进行不间断供电综合不停电作业法，是将上述带电作业法和临时输电作业法有机结合起来，形成一段停电的作业区域。
电力安全生产是电力企业永恒的主题。对于电力企业来说，安全就是生命，安全就是发展，安全就是效益，随着智能电网的不断发展，电网结构变的日益复杂，控制难度不断增大，特别是不停电作业复杂类三、四类项目，具有施工技术要求高、操作工作量大、配合人员多等特点。电网的安全运行非常重要，我国每年因安全意识淡薄，违规操作等原因所引发的电力事故造成的财产损失和人员伤亡不计其数，为减少和避免安全事故发生，对施工人员是前期技能培训就显得至关重要，供电公司运行单位需要经常对运维人员，特别是新员工进行带电作业实训，用于提高带电作业的规范性和安全性，传统的实操技能安全训练内容陈旧、培训手段单一、主要是以传统的说教方式、电力安全事故案例培训、现场实操的方式进行的教育培训，存在着设备投资大，被培训人员需要脱岗长期集中训练，培训效果不能多种形式化等短板，导致被培训人员接受结果不好，对一些错误操作的直观现象无法显现，传统的实操技能安全训练已不适应现代电网的需要。
目前，由传统的实操技能安全训练的种种短板，诞生出了新的不停电作业作业实训方法，实训方法大致分为两类：一种方法使用真实设备组件搭建实训平台。优点是实训使用的设备与实际现场运行设备相同，缺点是平台价格高，维护复杂，也不会将设备运行在非额定工作状况，也无法完全模拟实际带电作业的现场情况；另外一种方式，采用虚拟仿真方式。仿真系统使用虚拟现实软件平台，通过头戴式虚拟现实设备、位置跟踪设备等，实现在仿真系统的带电作业场景。优点是软件实现成本较低，学员可以从视觉、听觉等方面获取带电作业场景、施工程序的感受，缺点是虚拟现实技术缺少实操感受，无法实现各类非正常运行工况下的技术判断，学员体验不如实际设备实训平台效果好。
发明内容
基于以上所述的问题，本发明的目的在于提供一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统。
实现本发明目的技术方案为：
一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，包括以下模块：
电气设备模型模块：用于利用3D打印将实际操作环境中的各类电气设备进行打印，形成各类电气设备的模型；
不停电作业模拟模块：用于利用电气设备模型进行配置，完成多种不停电作业的模拟；
单片机通讯模块：用于采集和接收不停电作业模拟模块模拟的数据；
故障诊断模块：基于采集的数据进行故障判断。
进一步的，所述电气设备模型模块中的电气设备包括不用类型的电能量采集终端、断路器、变压器、配电柜以及导线。
进一步的，所述不停电作业模拟模块中的多种不停电作业的模拟包括不停电更换柱上变压器模拟、不停电更换熔断器或隔离开关模拟、旁路作业检修电缆线路模拟、旁路作业检修环网柜模拟。
进一步的，所述不停电更换柱上变压器模拟基于以下四种情况进行故障的模拟和判断：变压器并联时，变压器的变压比不同、变压器的短路电压百分比不同、变压器绕组连接组不同、两台变压器之间的容量相差超过阈值；
模拟时，通过将带电作业车的车载变压器低压侧以及柱上变压器的两端接入电压电流传感器，通过对柱上变压器和车载变压器的运行状态监测，收集数据对运行状态进行故障判断：
通过柱上变压器和车载变压器的电压是否相等，判断变压器的变压比是否在设定的范围内；
通过柱上变压器和车载变压器的电压电流和频率的检测以及有功功率的计算，判断变压器的短路电压百分比是否不同；
通过车载变压器的低压侧电流判断变压器绕组连接组是否相同。
进一步的，所述不停电更换熔断器或隔离开关模拟、旁路作业检修电缆线路模拟和旁路作业检修环网柜模拟通过电压分压电路以及电流检测电路输出的电压和电流数据进行故障判断。
进一步的，所述不停电作业模拟模块还包括RS485小型气象站，用于检测不停电作业模拟中的环境因素值。
进一步的，所述单片机通讯模块包括多个ESP32单片机芯片，多个ESP32单片机芯片之间通过ESP-NOW通讯模式进行链接；
ESP32单片机芯片与不停电作业模拟模块之间通过UART串口进行连接，利用异步串行通信协议采集不停电作业模拟模块的模拟数据。
进一步的，所述故障诊断模块通过对采集的数据进行汇总和分析，对不停电作业模拟中的故障进行判断；
同时故障诊断模块还包括继电器和声光报警器，当诊断存在故障时，对故障进行显示和报警。
一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟方法，包括以下步骤：
步骤1、基于3D打印将配电架空线路综合不停电作业中的各个电气设备进行打印；
步骤2、根据需求确定模拟类型，并根据不停电作业模拟的类型利用步骤1打印的电气设备模型进行配置；
步骤3、根据不停电作业模拟的类型进行故障设置和故障模拟；
步骤4、对不停电作业模拟作业的数据进行采集；
步骤5、基于采集的作业数据进行故障的判断和显示。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的技术方案可以实现被培训人员在本地的段时间培训，避免被培训人员需要脱岗长期集中训练，提高不停电带电作业日常技能训练的效率，简单、安全、易操作、成本低；
(2)本发明的技术方案可以实现多种带电作业场景中的多种故障场景，可以实现培训的多样化，将纯理论的电气现象转化为更容易理解和接受的数据判断，同时；同时，模拟系统可以实现视觉、听觉、触觉多方面的模拟效果，提高了模拟的真实性，更加便捷、直观的体现故障效果、误操作的效果。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中的不停电作业模拟场景示意图。
图2为本发明的不停电作业模拟模块中的四种模拟作业模拟重点示意图。
图3为本发明的不停电更换柱上变压器模拟的模拟示意图。
图4为本发明的不停电更换熔断器或隔离开关模拟、旁路作业检修电缆线路模拟、旁路作业检修环网柜模拟示意图。
图5为本发明的一个实施例中的系统通讯示意图。
图6为本发明的一个实施例中的模拟电路示意图。
图7为本发明的一个实施例中的操作流程图。
图8为本发明的一个实施例中的通讯流程图。
具体实施方式
一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，包括以下模块：
电气设备模型模块：用于利用3D打印将实际操作环境中的各类电气设备进行打印，形成各类电气设备的模型；
不停电作业模拟模块：用于利用电气设备模型进行配置，完成多种不停电作业施工过程现场施工作业方法和作业流程的模拟；
单片机通讯模块：用于采集和接收不停电作业模拟模块模拟的数据；
故障诊断模块：基于采集的数据进行故障判断。
进一步的，所述电气设备模型模块中的电气设备包括各种不同类型的电能量采集终端、断路器、变压器、配电柜以及导线，还包括线路网架、控制开关等；
进一步的，所述不停电作业模拟模块中的多种不停电作业的模拟包括基于箱变车的不停电更换柱上变压器模拟、基于旁路绝缘引流线实现不停电更换熔断器或隔离开关模拟、利用环网柜备用间隔或符合开关实现旁路作业检修电缆线路模拟、旁路作业检修环网柜模拟；
四种模拟均涉及到负荷电流检测、旁路分流以及检修或更换设备两端电压检测，不同的是，不停电更换变压器模块涉及到和核相技术，不停电更换柱上变压器模块中的三相变压器为三个单相变压器组成，调节分接头的接线方式可以调节变压器的界限组别，以实现不同种类的接线方式，如Δ/Δ、Δ/Y、Y/Y，可实现不同组别的变压器更换仿真模拟。
进一步的，所述不停电更换柱上变压器模拟基于以下四种情况进行故障的模拟和判断，如下表所示：变压器并联时，变压器的变压比不同、变压器的短路电压百分比Udc％不同、变压器绕组连接组不同、两台变压器之间的容量相差超过阈值；
模拟时，通过将带电作业车的车载变压器低压侧以及柱上变压器的两端接入电压电流传感器，通过对柱上变压器和车载变压器的运行状态监测，收集数据对运行状态进行故障判断：
通过柱上变压器和车载变压器的电压是否相等，判断变压器的变压比是否在设定的范围内；
通过柱上变压器和车载变压器的电压电流和频率的检测以及有功功率的计算，判断变压器的短路电压百分比是否不同；
通过车载变压器的低压侧电流判断变压器绕组连接组是否相同。
进一步的，所述不停电更换熔断器或隔离开关模拟、旁路作业检修电缆线路模拟和旁路作业检修环网柜模拟通过电压分压电路以及电流检测电路输出的电压和电流数据进行故障判断。
进一步的，所述不停电作业模拟模块还包括RS485小型气象站，用于检测不停电作业模拟中的环境因素值。
进一步的，所述单片机通讯模块包括多个ESP32单片机芯片，多个ESP32单片机芯片之间通过ESP-NOW通讯模式进行链接；
ESP32单片机芯片与不停电作业模拟模块之间通过UART串口进行连接，利用异步串行通信协议采集不停电作业模拟模块的模拟数据。
同时，ESP32单片机芯片还连接电脑热点、手机热点或者同电脑连接同一个WIFI路由器，通过Arduino在所在IP地址下构建网页，ESP32接收板接收数据包就可以在Web服务器上显示读数，可直观的通过电脑端可以观测到所有的数据变化。
进一步的，所述故障诊断模块通过对采集的数据进行汇总和分析，对不停电作业模拟中的故障进行判断；
同时故障诊断模块还包括继电器和声光报警器，当诊断存在故障时，对故障进行显示和报警。
系统对电压电流测量值与故障的电器特征值进行比较，实现过负载，过电压，过电流，变压器变比不同，短路电压百分比不同，绕组的连接组别不同，两台变压器的容量相差过大等故障的检测，根据不同的故障特征判断故障种类，通过蜂鸣器报警，故障指示灯指示实现故障的可视化报警，通过逻辑判断控制中间继电器的通断实现配电网跳闸，故障切除等功能。
通过单片机芯片收集到电压、电流等模拟量数据信息，整理起来，通过各类故障操作存在不同的数据量信息，可以进行简易的故障操作诊断，将数据量信息以及简易的故障操作信息通讯到PC端或手机端进行查看。便于对误操作的信息及时反馈，从而实现各类带电作业项目的操作流程操作培训。
一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟方法括以下步骤：
步骤1、基于3D打印将配电架空线路综合不停电作业中的各个电气设备进行打印；
步骤2、根据需求确定模拟类型，并根据不停电作业模拟的类型利用步骤1打印的电气设备模型进行配置；
步骤3、根据不停电作业模拟的类型进行故障设置和故障模拟；
步骤4、对不停电作业模拟作业的数据进行采集；
步骤5、基于采集的作业数据进行故障的判断和显示。
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例
一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，包括以下模块：
电气设备模型模块：用于利用3D打印将实际操作环境中的各类电气设备进行打印，形成各类电气设备的模型；
不停电作业模拟模块：用于利用电气设备模型进行配置，完成多种不停电作业施工过程现场施工作业方法和作业流程的模拟，如图1所示；
单片机通讯模块：用于采集和接收不停电作业模拟模块模拟的数据；
故障诊断模块：基于采集的数据进行故障判断。
进一步的，所述电气设备模型模块中的电气设备包括各种不同类型的电能量采集终端、断路器、变压器、配电柜以及导线，还包括线路网架、控制开关等；
进一步的，所述不停电作业模拟模块中的多种不停电作业的模拟包括基于箱变车的不停电更换柱上变压器模拟、基于旁路绝缘引流线实现不停电更换熔断器或隔离开关模拟、利用环网柜备用间隔或符合开关实现旁路作业检修电缆线路模拟、旁路作业检修环网柜模拟，如图2所示；
四种模拟均涉及到负荷电流检测、旁路分流以及检修或更换设备两端电压检测，不同的是，不停电更换变压器模块涉及到和核相技术，不停电更换柱上变压器模块中的三相变压器为三个单相变压器组成，调节分接头的接线方式可以调节变压器的界限组别，以实现不同种类的接线方式，如Δ/Δ、Δ/Y、Y/Y，可实现不同组别的变压器更换仿真模拟。
进一步的，结合图3，所述不停电更换柱上变压器模拟基于以下四种情况进行故障的模拟和判断，如下表所示：变压器并联时，变压器的变压比不同、变压器的短路电压百分比Udc％不同、变压器绕组连接组不同、两台变压器之间的容量相差超过阈值；
模拟时，通过将带电作业车的车载变压器低压侧以及柱上变压器的两端接入电压电流传感器，通过对柱上变压器和车载变压器的运行状态监测，收集数据对运行状态进行故障判断：
通过柱上变压器和车载变压器的电压是否相等，判断变压器的变压比是否在设定的范围内；一般情况下，变压器环流电流远大于变压器的额定运行电流，通过对车载变压器低压侧电流的判断，来判断环流现象是否发生；
通过柱上变压器和车载变压器的电压电流和频率的检测以及有功功率的计算，判断变压器的短路电压百分比是否不同；
短路电压百分比Udc％不同与两台变压器的容量不同的差别在于，短路电压百分比Udc％不同时两台变压器输出功率不会按照变压器的容量分配功率，而两台变压器的容量不同仍会对变压器的容量分配功率，通过计算就算获取容量输出百分比，百分比接近的为两台变压器的容量不同，百分比差别较大的为短路电压百分比Udc％不同。
通过车载变压器的低压侧电流判断变压器绕组连接组是否相同。
另外，所述不停电更换柱上变压器模拟中的核相功能，通过电压波形采集模块，对两台变压器低压端的电压进行采集，通过对两台变压器同名段相序的电压比较实现核相功能。
本发明的一个实施例中的具体模拟作业场景中的电路布线如图6所示。
进一步的，结合图4，所述不停电更换熔断器或隔离开关模拟、旁路作业检修电缆线路模拟和旁路作业检修环网柜模拟通过电压分压电路以及电流检测电路输出的电压和电流数据进行故障判断。
进一步的，所述不停电作业模拟模块还包括RS485小型气象站，RS485小型气象站是采用485通信的温湿度、风速和雨量等传感器的集成体，用于检测不停电作业模拟中的环境因素值。
进一步的，所述单片机通讯模块包括多个ESP32单片机芯片，多个ESP32单片机芯片之间通过ESP-NOW通讯模式(一种无连接通信协议，具有短数据包传输功能，该协议使多个设备能够以简单的方式相互通信)进行链接，形成一个小型的互联网，ESP-NOW协议可以使多个设备在没有或不使用WIFI的情况下进行通信，2.4GHz低功耗无线连接。设备在进行通信之前要进行配对，配对之后，设备之间的连接是持续的、点对点的，并且不需要握手协议。通过无连接通信协议将检测到的电压电流等电气信息进行汇总，通讯链路拓扑图如图5所示；
ESP32单片机芯片与不停电作业模拟模块之间通过UART串口进行连接，利用异步串行通信协议采集不停电作业模拟模块的模拟数据。
同时，ESP32单片机芯片还连接电脑热点、手机热点或者同电脑连接同一个WIFI路由器，通过Arduino在所在IP地址下构建网页，ESP32接收板接收数据包就可以在Web服务器上显示读数，可直观的通过电脑端可以观测到所有的数据变化，通讯过程流程图如图8所示。
ESP32是一块2.4GHzWIFI加蓝牙的双模芯片[21]，采用TSMC低功耗40nm技术，功耗性能和射频性能最佳，支持AP、STA和AP+STA共存模式。ESP-NOW协议可以使多个设备在没有或不使用WIFI的情况下进行通信。
进一步的，所述故障诊断模块通过对采集的数据进行汇总和分析，对不停电作业模拟中的故障进行判断；
同时故障诊断模块还包括继电器和声光报警器等，当诊断存在故障时，对故障进行显示和报警；
其中，继电器可以在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化实现自动调节、安全保护、转换电路等作用，实现操作故障时变压器断路，脱离系统，保障被培训者的人身安全以及设备安全。
系统对电压电流测量值与故障的电器特征值进行比较，实现过负载，过电压，过电流，变压器变比不同，短路电压百分比不同，绕组的连接组别不同，两台变压器的容量相差过大等故障的检测，根据不同的故障特征判断故障种类，通过蜂鸣器报警，故障指示灯指示实现故障的可视化报警，通过逻辑判断控制中间继电器的通断实现配电网跳闸，故障切除等功能。
通过单片机芯片收集到电压、电流等模拟量数据信息，整理起来，通过各类故障操作存在不同的数据量信息，可以进行简易的故障操作诊断，将数据量信息以及简易的故障操作信息通讯到PC端或手机端进行查看。便于对误操作的信息及时反馈，从而实现各类带电作业项目的操作流程操作培训。
一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟方法括以下步骤：
步骤1、基于3D打印将配电架空线路综合不停电作业中的各个电气设备进行打印；
步骤2、根据需求确定模拟类型，并根据不停电作业模拟的类型利用步骤1打印的电气设备模型进行配置；
步骤3、根据不停电作业模拟的类型进行故障设置和故障模拟；
步骤4、对不停电作业模拟作业的数据进行采集；
步骤5、基于采集的作业数据进行故障的判断和显示。
使用本模拟系统和方法进行培训过程中，可以根据图7进行带电操作，通过热点或WIFI连接模式与计算机或手机进行通讯，使整个模拟系统的数据和故障体现在用户的手机或计算机上，实现参数查询，使操作者对自己的误操作有更加直观的体会。
操作过程中发生变压器变比不同、短路电压百分比不同、绕组的连接组别不同、变压器容量不同等故障问题，单片机通讯模块都会驱动继电器快速动作以保证培训学员的人身安全以及设施系统的安全。
操作过程中出现过流以及短路故障时，模拟系统中的空气开关会快速动作，以保人身安全以及设施系统的安全。
以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (9)
1.一种配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，其特征在于，包括以下模块：
电气设备模型模块：用于利用3D打印将实际操作环境中的各类电气设备进行打印，形成各类电气设备的模型；
不停电作业模拟模块：用于利用电气设备模型进行配置，完成多种不停电作业的模拟；
单片机通讯模块：用于采集和接收不停电作业模拟模块模拟的数据；
故障诊断模块：基于采集的数据进行故障判断。
2.根据权利要求1所述的配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，其特征在于，所述电气设备模型模块中的电气设备包括不同类型的电能量采集终端、断路器、变压器、配电柜以及导线。
3.根据权利要求1所述的配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，其特征在于，所述不停电作业模拟模块中的多种不停电作业的模拟包括不停电更换柱上变压器模拟、不停电更换熔断器或隔离开关模拟、旁路作业检修电缆线路模拟、旁路作业检修环网柜模拟。
4.根据权利要求3所述的配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，其特征在于，所述不停电更换柱上变压器模拟基于以下四种情况进行故障的模拟和判断：变压器并联时，变压器的变压比不同、变压器的短路电压百分比不同、变压器绕组连接组不同、两台变压器之间的容量相差超过阈值；
模拟时，通过将带电作业车的车载变压器低压侧以及柱上变压器的两端接入电压电流传感器，通过对柱上变压器和车载变压器的运行状态监测，收集数据对运行状态进行故障判断：
通过柱上变压器和车载变压器的电压是否相等，判断变压器的变压比是否在设定的范围内；
通过柱上变压器和车载变压器的电压电流和频率的检测以及有功功率的计算，判断变压器的短路电压百分比是否不同；
通过车载变压器的低压侧电流判断变压器绕组连接组是否相同。
5.根据权利要求3所述的配电网设备综合不停电模块化仿真培训模拟系统，其特征在于，所述不停电更换熔断器或隔离开关模拟、旁路作业检修电缆线路模拟和旁路作业检修环网柜模拟通过电压分压电路以及电流检测电路输出的电压和电流数据进行故障判断。
6.根据权利要求4或5所述的配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，其特征在于，所述不停电作业模拟模块还包括RS485小型气象站，用于检测不停电作业模拟中的环境因素值。
7.根据权利要求1所述的配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，其特征在于，所述单片机通讯模块包括多个ESP32单片机芯片，多个ESP32单片机芯片之间通过ESP-NOW通讯模式进行链接；
ESP32单片机芯片与不停电作业模拟模块之间通过UART串口进行连接，利用异步串行通信协议采集不停电作业模拟模块的模拟数据。
8.根据权利要求1所述的配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟系统，其特征在于，所述故障诊断模块通过对采集的数据进行汇总和分析，对不停电作业模拟中的故障进行判断；
同时故障诊断模块还包括继电器和声光报警器，当诊断存在故障时，对故障进行显示和报警。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的配电网设备综合不停电施工模块化仿真培训模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于3D打印将配电架空线路综合不停电作业中的各个电气设备进行打印；
步骤2、根据需求确定模拟类型，并根据不停电作业模拟的类型利用步骤1打印的电气设备模型进行配置；
步骤3、根据不停电作业模拟的类型进行故障设置和故障模拟；
步骤4、对不停电作业模拟作业的数据进行采集；
步骤5、基于采集的作业数据进行故障的判断和显示。
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