一種配電網故障模擬裝置及方法
【專利摘要】本發明提供一種配電網故障模擬裝置，包括用于模擬配電網的供電線路、控制模塊、分別與控制模塊連接的參數設置模塊、過零時刻獲取模塊和故障模擬模塊，過零時刻獲取模塊與供電線路連接，故障模擬模塊用于使供電線路發生故障。本發明還提供一種配電網故障模擬方法。本發明能夠精確地實現故障相角控制，從而實現在任意故障相角下進行配電網故障模擬，且可實現任意故障相角重復試驗，故障模擬結果準確可信，同時本發明能夠模擬短路故障、短路故障和接地故障，且接地故障能夠模擬多種電阻性接地和孤光接地故障，從而實現配電網故障模擬的一體化。
【專利說明】
一種配電網故障模擬裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種配電網故障模擬裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 在實際配電網上由于運行安全穩定的要求一般難以進行故障實驗來研究保護設 備的性能，搭建模擬配電網的供電線路來進行故障模擬實驗是進行配電網保護研究和保護 設備測試的有效途徑。
[0003] 配電網的故障是隨機而不可控的，因此對配電網保護的研究往往需要大量不同位 置不同類型的故障研究才能較好把握配電網故障特點，其中電壓的故障相角是電氣故障很 重要的參數，不同故障相角對電氣設備產生的沖擊是不同的，但由于在不同故障相角下模 擬配電網故障比較困難，所以現有配電網故障模擬的研究中，均是在未考慮故障相角的情 況下進行的，導致配單網保護研究和保護設備的測試均存在一定的缺陷；另一方面短路、斷 路及接地故障均是配電網常見的故障，在故障模擬實驗中這些故障的模擬必不可少，而對 于接地故障而言，接地位置的不同會造成不同類型的接地故障，其中弧光接地是比較嚴重 的故障，設計能夠集模擬多種故障為一體、根據需要在設定的故障相角下模擬相應的故障 的裝置均是存在困難的。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種可在任意設定的故障相角下模擬 短路、斷路和接地故障的配電網故障模擬裝置及方法。
[0005] 本發明通過以下技術方案實現：
[0006] -種配電網故障模擬裝置，包括用于模擬配電網的供電線路，還包括控制模塊、分 別與控制模塊連接的參數設置模塊、過零時刻獲取模塊和故障模擬模塊，過零時刻獲取模 塊與供電線路連接用于獲取供電線路電壓當前的過零時刻并反饋至控制模塊，故障模擬模 塊與供電線路連接用于使供電線路發生故障，參數設置模塊用于向控制模塊輸入設定的供 電線路電壓的故障相角，控制模塊可根據故障相角和當前的過零時刻計算動作時刻，并根 據動作時刻控制故障模擬模塊動作，使供電線路在設定故障相角下發生故障。
[0007] 進一步的，所述過零時刻獲取模塊包括電壓轉換電路和過零比較電路，電壓轉換 電路與所述供電線路連接用于采集供電線路電壓并對采集的電壓進行降壓處理，過零比較 電路分別與所述控制模塊和電壓轉換電路連接，用于對降壓處理后的電壓信號進行過零比 較，獲取供電線路電壓的過零時刻并反饋至所述控制模塊。
[0008] 進一步的，所述故障模擬模塊包括從所述供電線路引出至接地的接地電阻故障電 路和從所述供電線路引出至接地的電弧生成電路，接地電阻故障電路包括可調電阻、用于 控制可調電阻投入不同阻值的第一開關和位于可調電阻輸入側用于導通或斷開接地電阻 故障電路的第二開關，電弧生成電路包括電弧觸發裝置和位于電弧觸發裝置的輸入側用于 導通或斷開電弧生成電路的第三開關，第一、第二、第三開關和電弧觸發裝置均與所述控制 模塊連接。
[0009] 進一步的，所述故障模擬模塊還包括連接在電弧生成電路與接地電阻故障電路之 間的關聯線路，關聯線路一端連接在可調電阻與第二開關之間，另一端連接在電弧觸發裝 置與第三開關之間。
[0010] 進一步的，所述供電線路上設置有位于接地電阻故障電路引出點與電弧生成電路 引出點之間的第四開關，第四開關與所述控制模塊連接。
[0011] 進一步的，所述第一開關為接觸器，第二、第三、第四開關為雙向晶閘管。
[0012] 進一步的，所述電弧觸發裝置包括底座、固定設置在底座上的第一支柱、可相對第 一支柱移動地設置在底座上的第二支柱、分別設置在第一、第二支柱上的第一、第二放電尖 端和通過傳動機構連接驅動第二支柱移動的電機，第一、第二放電尖端中的一方與所述供 電線路連接，另一方接地，電機與所述控制模塊連接。
[0013] 進一步的，所述故障包括短路、斷路或者接地故障。
[0014] 進一步的，所述電壓轉換電路還與控制模塊連接，用于將供電線路的電壓反饋至 控制模塊。
[0015] 本發明還通過以下技術方案實現：
[0016] -種配電網故障模擬方法，包括以下步驟：
[0017] A、設定故障發生時供電線路電壓的故障相角Θ;
[0018] B、采集供電線路電壓信號并將該電壓信號進行降壓處理；
[0019] C、對降壓處理后的電壓信號進行過零比較，獲得電壓當前的過零時刻t1;
[0020]
計算設定的故障相角Θ對應的時間延遲t2,其中，f z為供電 線路頻率；
[0021 ] E、將時間延遲t2疊加至當前的過零時刻ti，即可得到動作時亥Ijt = ti+t2;
[0022] F、在動作時刻t到來時，控制相應開關動作，使電線路在故障相角為Θ時發生短路、 斷路和接地故障。
[0023]本發明具有如下有益效果：
[0024] 1、本發明能夠精確地實現故障相角控制，從而實現在任意故障相角下進行配電網 故障模擬，且可實現任意故障相角重復試驗，故障模擬結果準確可信。
[0025] 2、本發明能夠模擬短路故障、短路故障和接地故障，且接地故障能夠模擬多種電 阻性接地和孤光接地故障，從而實現配電網故障模擬的一體化。
【附圖說明】
[0026] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0027]圖1為本發明裝置的原理框圖。
[0028] 圖2為本發明故障模擬模塊的電路圖。
[0029] 圖3為本發明電弧生成電路的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 如圖1至圖3所示，配電網故障模擬裝置包括用于模擬配電網的供電線路1、控制模 塊2、分別與控制模塊2連接的參數設置模塊3、過零時刻獲取模塊4、故障模擬模塊5和為各 模塊供電的電源模塊，過零時刻獲取模塊4與供電線路1連接用于獲取供電線路1當前的過 零時刻并反饋至控制模塊2,故障模擬模塊5與供電線路1連接用于使供電線路1發生短路、 斷路或者接地故障，參數設置模塊3用于向控制模塊2輸入設定的供電線路1電壓的故障相 角，故障相角定義為當供電線路1發生故障時，供電線路1電壓的瞬時相位，控制模塊2可根 據故障相角和當前的過零時刻計算動作時刻，并根據動作時刻控制故障模擬模塊5動作，使 供電線路1在設定故障相角下發生短路、斷路或者接地故障。
[0031]過零時刻獲取模塊4包括電壓轉換電路41和過零比較電路42,電壓轉換電路41分 別與供電線路1和控制模塊2連接，過零比較電路42分別與電壓轉換電路41和控制模塊2連 接，電壓轉換電路41采集供電線路1的電壓后，使用380V/6V的電壓互感器將采集的供電線 路1的電壓降壓為適合過零比較電路42的電壓后傳輸至過零比較電路42,并使用380V/3.6V 的電壓互感器將采集的供電線路1的電壓降壓后反饋至控制模塊2,控制模塊2將該電壓傳 輸至參數設置模塊3,并在參數設置模塊3顯示出來，過零比較電路42包括依次串接的濾波 器、比較器和光耦，濾波器與電壓轉換電路41連接，光耦與控制模塊2連接，濾波器濾除電壓 轉換電路41傳輸至濾波器的電壓中的諧波，比較器將濾波后的正弦信號的電壓轉化為方波 信號，并通過光耦隔離后輸入控制模塊2。
[0032]故障模擬模塊5包括從供電線路1引出至接地的接地電阻故障電路51、從供電線路 1引出至接地的電弧生成電路52、連接在接地電阻故障電路51與電弧生成電路52之間的關 聯線路55,接地電阻故障電路51包括可調電阻53、用于控制可調電阻53投入不同阻值的第 一開關56和位于可調電阻53輸入側用于導通或斷開接地電阻故障電路51的第二開關57,電 弧生成電路52包括電弧觸發裝置54和位于電弧觸發裝置54的輸入側用于導通或斷開電弧 生成電路52的第三開關58,關聯線路55-端連接在可調電阻53與第二開關57之間，另一端 連接在電弧觸發裝置54與第三開關58之間，在供電線路1上設置有位于接地電阻故障電路 51引出點與電弧生成電路52引出點之間的第四開關59,第一開關56、第二開關57、第三開關 58、第四開關59、電弧出發裝置54均與控制模塊2連接，第一開關56為接觸器，第二開關57、 第三開關58、第四開關59為雙向晶閘管。
[0033]本實施例中，供電線路1包括A、B、C三相線，第四開關59包括開關K1、K2、K3,第二開 關57包括開關Κ4、Κ5、Κ6，第三開關58包括開關Κ7、Κ8、Κ9，可調電阻56阻值為500 Ω，輸入側 有四個分接頭，第一開關56包括分別與四個分接頭連接的開關1(10、1(11、1(12、1(13，當1(10閉 合，Κ11、Κ12、Κ13斷開時，可調電阻53投入的電阻值最大，為高阻狀態，當Κ11閉合，ΚΠΚΚ12、 Κ13斷開時，可調電阻53為中阻狀態，當Κ12閉合，Κ10、Κ11、Κ13斷開時，可調電阻53為低阻狀 態，當Κ13閉合，Κ10-Κ12斷開時，可調電阻56未投入電阻值，供電線路1直接接地。
[0034]本實施例中，開關Κ1-Κ9均為雙向晶閘管，Κ10-Κ13均為接觸器，控制模塊2中包括 用于觸發開關Κ1-Κ13的光電耦合器。
[0035]電弧出發裝置54包括底座541、固定設置在底座541上的第一支柱542、可相對第一 支柱542移動地設置在底座541上的第二支柱543、設置在第一支柱542上的第一放電尖端 Ε1、設置在第二支柱543上的第二放電尖端Ε2和通過傳動機構連接驅動第二支柱543移動的 電機544,第一放電尖端Ε1與供電線路1連接，第二放電尖端Ε2接地，電機544與控制模塊2連 接，用于第二支柱543移動，以實現不同的拉弧距離和拉弧速度。
[0036] 參數設置模塊3包括與分別與控制模塊2連接的人機交互單元31和通信單元32、與 通信單元32連接的遠程控制單元33,人機交互單元31為觸摸屏eview et070,可向控制模塊 2輸入故障相角或者顯示供電線路1的實時電壓，遠程控制單元33為計算機，通過通信單元 32與控制模塊2實現信息交換，可向控制模塊2輸入故障相角或者顯示供電線路1的實時電 壓。
[0037] 配電網故障模擬方法包括如下步驟：
[0038] A、設定故障發生時供電線路1電壓的故障相角Θ，具體為通過人機交互單元31或者 遠程控制單元33向控制模塊2輸入故障相角Θ ;
[0039] B、電壓轉換電路41采集供電線路1電壓信號并將該電壓信號進行降壓處理；
[0040] C、過零比較電路42對降壓處理后的電壓信號進行過零比較，獲得電壓當前的過零 時刻，并將該過零時刻以傳輸至控制模塊2;
[0041] D、控制模塊2根據公式
計算設定的故障相角Θ對應的時間延遲^，其 中，fz為供電線路頻率；
[0042] E、控制模塊2將時間延遲t2疊加至當前的過零時刻ti，即可得到動作時刻t = ti+ t2；
[0043] F、控制模塊2在動作時刻t到來時，控制相應開關動作，模擬供電線路在故障相角 為Θ時的短路、斷路和接地故障，其中，各類故障所對應的開關狀態具體如下：
[0044] a、短路故障：
[0045] al、兩相短路:K1-K3閉合，K4、K5閉合，K6斷開，K7-K9斷開；
[0046] al、三相短路:Κ1-Κ3閉合，Κ4-Κ6閉合，Κ7-Κ9斷開；
[0047] b、斷路故障：
[0048] bl、單相斷路:K1、K2閉合，K3斷開，K4-K9斷開；
[0049] b2、兩相斷路:Κ1閉合，Κ2、Κ3斷開，Κ4-Κ9斷開；
[0050] b3、三相斷路:Κ1-Κ9斷開；
[0051 ] b4、單相斷路，首端落地:K1、K2閉合，K3斷開，K4閉合，K5、K6斷開，K7-K9斷開，K13 閉合，Κ10-Κ12斷開；
[0052] b5、單相斷路，末端落地:Κ1、Κ2閉合，Κ3斷開，Κ7閉合，Κ8、Κ9斷開，Κ4-Κ6斷開，Κ13 閉合，Κ10-Κ12斷開；
[0053] b6、兩相斷路，首端落地:Κ1閉合，Κ2、Κ3斷開，Κ4、Κ5閉合，Κ6斷開，Κ7-Κ9斷開，Κ13 閉合，Κ10-Κ12斷開；
[0054] b7、兩相斷路，末端落地:Κ1閉合，Κ2、Κ3斷開，Κ7、Κ8閉合，Κ9斷開，Κ4-Κ6斷開，Κ13 閉合，Κ10-Κ12斷開；
[0055] b8、三相斷路，首端落地:Κ1-Κ3斷開，Κ4-Κ6閉合，Κ7-Κ9斷開，Κ13閉合，Κ10-Κ12斷 開；
[0056] b9、三相斷路，末端落地:K1-K3斷開，K4-K6斷開，K7-K9閉合，K13閉合，K10-K12斷 開；
[0057] Cc、接地故障：
[0058] Ccl、單相接地:K1-K3閉合，K4閉合，K5、K6斷開，K7-K9斷開，可調電阻56可選擇高 阻、中阻、低阻或者直接接地；
[0059] Cc2、兩相接地:K1-K3閉合，K4、K5閉合，K6斷開，K7-K9斷開，可調電阻56可選擇高 阻、中阻、低阻或者直接接地；
[0060] Cc3、弧光接地:Κ1-Κ3閉合，Κ4閉合，Κ5、Κ6斷開，Κ7-Κ9斷開，電弧生成單元58的放 電尖端Ε1、Ε2之間有間隙，形成弧光。
[0061] 以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，故不能以此限定本發明實施的范圍，即 依本發明申請專利范圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋的 范圍內。
【主權項】
1. 一種配電網故障模擬裝置，包括用于模擬配電網的供電線路，其特征在于:還包括控 制模塊、分別與控制模塊連接的參數設置模塊、過零時刻獲取模塊和故障模擬模塊，過零時 刻獲取模塊與供電線路連接用于獲取供電線路電壓當前的過零時刻并反饋至控制模塊，故 障模擬模塊與供電線路連接用于使供電線路發生故障，參數設置模塊用于向控制模塊輸入 設定的供電線路電壓的故障相角，控制模塊可根據故障相角和當前的過零時刻計算動作時 亥IJ，并根據動作時刻控制故障模擬模塊動作，使供電線路在設定故障相角下發生故障。2. 根據權利要求1所述的一種配電網故障模擬裝置，其特征在于:所述過零時刻獲取模 塊包括電壓轉換電路和過零比較電路，電壓轉換電路與所述供電線路連接用于采集供電線 路電壓并對采集的電壓進行降壓處理，過零比較電路分別與所述控制模塊和電壓轉換電路 連接，用于對降壓處理后的電壓信號進行過零比較，獲取供電線路電壓的過零時刻并反饋 至所述控制模塊。3. 根據權利要求1所述的一種配電網故障模擬裝置，其特征在于:所述故障模擬模塊包 括從所述供電線路引出至接地的接地電阻故障電路和從所述供電線路引出至接地的電弧 生成電路，接地電阻故障電路包括可調電阻、用于控制可調電阻投入不同阻值的第一開關 和位于可調電阻輸入側用于導通或斷開接地電阻故障電路的第二開關，電弧生成電路包括 電弧觸發裝置和位于電弧觸發裝置的輸入側用于導通或斷開電弧生成電路的第Ξ開關，第 一、第二、第Ξ開關和電弧觸發裝置均與所述控制模塊連接。4. 根據權利要求3所述的一種配電網故障模擬裝置，其特征在于:所述故障模擬模塊還 包括連接在電弧生成電路與接地電阻故障電路之間的關聯線路，關聯線路一端連接在可調 電阻與第二開關之間，另一端連接在電弧觸發裝置與第Ξ開關之間。5. 根據權利要求3所述的一種配電網故障模擬裝置，其特征在于:所述供電線路上設置 有位于接地電阻故障電路引出點與電弧生成電路引出點之間的第四開關，第四開關與所述 控制模塊連接。6. 根據權利要求5所述的一種配電網故障模擬裝置，其特征在于:所述第一開關為接觸 器，第二、第Ξ、第四開關為雙向晶閩管。7. 根據權利要求3或4或5或6所述的一種配電網故障模擬裝置，其特征在于:所述電弧 觸發裝置包括底座、固定設置在底座上的第一支柱、可相對第一支柱移動地設置在底座上 的第二支柱、分別設置在第一、第二支柱上的第一、第二放電尖端和通過傳動機構連接驅動 第二支柱移動的電機，第一、第二放電尖端中的一方與所述供電線路連接，另一方接地，電 機與所述控制模塊連接。8. 根據權利要求1或2或3或4或5或6所述的一種配電網故障模擬裝置，其特征在于:所 述故障包括短路、斷路或者接地故障。9. 根據權利要求2或3或4或5或6所述的一種配電網故障模擬裝置，其特征在于:所述電 壓轉換電路還與控制模塊連接，用于將供電線路的電壓反饋至控制模塊。10. -種配電網故障模擬方法，其特征在于:包括W下步驟： A、 設定故障發生時供電線路電壓的故障相角Θ; B、 采集供電線路電壓信號并將該電壓信號進行降壓處理； C、 對降壓處理后的電壓信號進行過零比較，獲得電壓當前的過零時刻ti; D、 根據公??計算設定的故障相角θ對應的時間延遲t2,其中，fz為供電線路 頻率； E、 將時間延遲t2疊加至當前的過零時刻tl，即可得到動作時刻t = tl+t2; F、 在動作時刻t到來時，控制相應開關動作，使供電線路在故障相角為Θ時發生短路、斷 路和接地故障。
【文檔編號】G01R31/00GK106093668SQ201610670927
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月15日 公開號201610670927.5, CN 106093668 A, CN 106093668A, CN 201610670927, CN-A-106093668, CN106093668 A, CN106093668A, CN201610670927, CN201610670927.5
【發明人】王銳鳳, 黃少敏, 陳重洪, 辛志杰, 林逢春, 李麗嬌, 王普專, 陳炳貴, 王錦坤, 洪翠, 郭謀發, 高偉, 許曄, 楊耿杰
【申請人】國家電網公司, 國網福建省電力有限公司, 福建省電力有限公司泉州電力技能研究院