本发明涉及配电网动模故障仿真领域，特别是涉及一种考虑故障合闸角精确控制的配电网动模故障仿真方法及系统。
背景技术：
配电网动模实验是采用等比模拟的思想将10kv配电网络等效为400v或者690v的配电网络，其源、网、荷均为真实的物理模型，近年来在许多高校或者科研机构得到了广泛的应用。配电网动模实验较数字仿真更加真实、更加直接，可以用来研究配电网的运行状况、验证继电保护装置的性能、研究配电网短路故障特征、研究配电网小电流接地系统故障特征及小电流接地故障选线等。
配电网故障模拟是配电网动模实验的一项重要内容，其故障实验波形也是故障指示器测试时故障特征波形库的一个重要来源。但目前现有的配电网动模故障仿真方法大多受以下方面的制约：
(1)现有实验平台的故障合闸断路器大多由普通空开或者交流接触器组成，实验时由人工随机控制合闸断路器，而空开或者交流接触器的动作时间离散性很大，因此不能对故障合闸角度进行精确控制；
(2)现有实验平台故障模拟场景不全，不能实现故障过渡电阻(低阻、中阻、高阻)、故障类型(单相接地、两相短路、两相短路接地、三相短路、三相短路接地)等所有故障场景的全仿真。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种故障合闸角可精确控制的配电网动模仿真方法及系统，用于解决当前配电网动模系统故障发生时刻不可控，以及故障场景不全等问题，通过本地手动操作或者远程规约遥控即可很方便地实现配电网各种类型故障的仿真模拟，且故障过渡电阻可在一定范围内选择低阻、中阻或高阻，同时故障发生时刻可精确控制，故障合闸角度在0～360°范围内连续可调。
本发明的技术方案：一种考虑故障合闸角精确控制的配电网动模故障仿真方法，包括以下具体步骤，
预置故障场景，通过本地人机界面操作或者上位机界面下发故障场景，同时对故障场景进行编号，故障合闸角控制器接受到故障场景编号后按照场景编号执行不同的控制策略，控制扩展开出模块输出开出信号闭合或断开交流接触器；
故障场景设置好后，设置参考相与故障合闸角，参考相设置为a相、b相、c相，故障合闸角可在0～360°范围内调整；
通过本地人机界面或者上位机软件设置故障持续时间，并启动测试；
故障合闸角控制器收到启动命令后，按照设置的参考相与故障合闸角度计算故障发生时刻，故障合闸角控制器控制开出模块对应的开出节点，使可控硅驱动电路输出电压与电流触发晶闸管导通，即实现了故障合闸角的控制，若为单相接地故障，则只导通对应的一个晶闸管，若为两相短路故障或者两相短路接地故障，则导通对应的两个晶闸管，若为三相短路故障或者三相短路接地故障则导通三个晶闸管；
到达故障持续时间后，故障合闸角控制器的开出模块发出控分命令断开可控硅驱动电路输出回路，当电压经零点时晶闸管关断，且开出扩展模块发出控分命令复归故障场景。
按照设置的参考相与故障合闸角度计算故障发生时刻的具体步骤为，
接收本地人机界面或者上位机设置的参考相及故障合闸角度
实时采集电压，计算系统的频率ω，并根据频率ω的大小与采样率的大小调整抽样步长并在每周波内保存64点数据；
对64点采样数据进行fft分析，计算幅值a与初相位φ；
寻找故障发生时刻，需寻找的相位点对应的幅值为asin(ωt+φ)，设置的故障合闸角度
故障场景主要包括故障相、故障类型与故障过渡电阻的设置，故障类型包括配电网单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障、三相短路接地故障5种；单相接地故障包括a、b、c相接地故障，两相短路故障或者两相短路接地故障包括ab、bc、ca相故障，三相短路故障或者三相短路接地故障只有abc三相故障，则考虑故障相的故障类型有11种。
一种考虑故障合闸角精确控制的配电网动模故障仿真系统，包括故障合闸角控制器以及故障场景模拟模块，所述故障合闸角控制器包括arm微处理器，arm微处理器连接lcd显示模块、键盘输入模块、通信模块、开出扩展模块、电压/电流采集模块、开出模块、大电流可控硅模块以及可控硅驱动电路模块，
所述arm微处理器还集成用于规约远程控制的通信接口；
所述lcd显示模块和键盘输入模块通过总线与arm微处理器连接，完成合闸角度设置、电压实时状态、故障场景设置、通信参数设置、时间设置；
所述通信模块提供2路网口和2路串口与上位机通信连接，实现对故障合闸角、通信参数、故障场景的设置；
所述电压/电流采集模块由变比为380/3.53v的采样pt，100/5的降流ct与50a/7.07v的采样ct、16位的ad转换单元组成，用于实时采集电压值与电流值；
所述大电流可控硅模块由双向晶闸管s1、双向晶闸管s2以及双向晶闸管s3与散热器组成，使得晶闸管在交流电压的正负半周均可导通，即在0～360度范围内均可导通；
所述可控硅驱动电路模块提供一个2.5v的触发电压以及100ma的触发电流，以供触发晶闸管导通；
所述开出模块主要完成可控硅驱动电路的输出使能控制；
所述开出扩展模块主要是用于开出量的扩展，开出扩展模块具有一个独立的cpu，与arm微处理器使用总线连接；
所述故障场景模拟模块包括a相、b相和c相三相线路，a相线路与双向晶闸管s1连接，b相线路与双向晶闸管s2连接，c相线路与双向晶闸管s3连接，a相、b相和c相三相线路分别通过第一电阻阵列、第二电阻阵列以及第三电阻阵列接地从而模拟单相接地故障，a相和c相三相线路分别连接第四电阻阵列和第五电阻阵列后连接到b相线路用于模拟三相短路故障，a相线路串联第六电阻阵列后接入到c相线路从而模拟两相短路故障。
所述第一电阻阵列包括并联连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s11、s12、s13、s14，第二电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s21、s22、s23、s24，第三电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s31、s32、s33、s34，第四电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s41、s42、s43、s44，第五电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s51、s52、s53、s54，第六电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s61、s62、s63、s64。
所述过渡电阻r1的阻值为0.5ω、r2的阻值为2ω、r3的阻值为10ω、r4的阻值为25ω。
所述通信模块使用101规约、104规约或者modbus规约与上位机通信。
本发明的有益效果是：提供了一种电阻可调的故障场景模拟模块，兼顾了低阻、中阻、高阻接地的阻值，过渡电阻可在0.5ω、2ω、10ω、25ω等几个档位进行有级可调，可实现故障相的11种故障类型，考虑阻值的44种不同的故障场景模拟，结合故障合闸角控制器，从而实现故障合闸角精确控制的配电网动模故障仿真，现场实验人员通过本地手动操作或者远程规约遥控即可很方便地实现配电网单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障、三相短路接地故障的仿真模拟，且故障过渡电阻可在一定范围内选择低阻、中阻或高阻，同时故障发生时刻可精确控制，故障合闸角度在0～360°范围内连续可调。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明合闸角控制器结构示意图；
图3为本发明故障合闸角度计算流程图；
图4为本发明故障场景模拟模块示意图。
图中标号分别表示：1—第一电阻阵列，2—第二电阻阵列，3—第三电阻阵列，4—第四电阻阵列，5—第五电阻阵列，6—第六电阻阵列。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明的技术方案：
一种考虑故障合闸角精确控制的配电网动模故障仿真方法，包括以下具体步骤，
预置故障场景，通过本地人机界面操作或者上位机界面下发故障场景，同时对故障场景进行编号，故障合闸角控制器接受到故障场景编号后按照场景编号执行不同的控制策略，控制扩展开出模块输出开出信号闭合或断开交流接触器；
故障场景设置好后，设置参考相与故障合闸角，参考相设置为a相、b相、c相，故障合闸角可在0～360°范围内调整；
通过本地人机界面或者上位机软件设置故障持续时间，并启动测试；
故障合闸角控制器收到启动命令后，按照设置的参考相与故障合闸角度计算故障发生时刻，故障合闸角控制器控制开出模块对应的开出节点，使可控硅驱动电路输出电压与电流触发晶闸管导通，即实现了故障合闸角的控制，若为单相接地故障，则只导通对应的一个晶闸管，若为两相短路故障或者两相短路接地故障，则导通对应的两个晶闸管，若为三相短路故障或者三相短路接地故障则导通三个晶闸管；
到达故障持续时间后，故障合闸角控制器的开出模块发出控分命令断开可控硅驱动电路输出回路，当电压经零点时晶闸管关断，且开出扩展模块发出控分命令复归故障场景。
请参阅图3，按照设置的参考相与故障合闸角度计算故障发生时刻的具体步骤为，
接收本地人机界面或者上位机设置的参考相及故障合闸角度
实时采集电压，计算系统的频率ω，并根据频率ω的大小与采样率的大小调整抽样步长并在每周波内保存64点数据；
对64点采样数据进行fft分析，计算幅值a与初相位φ；
寻找故障发生时刻，需寻找的相位点对应的幅值为asin(ωt+φ)，设置的故障合闸角度
故障场景主要包括故障相、故障类型与故障过渡电阻的设置，故障类型包括配电网单相接地故障、两相短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障、三相短路接地故障5种；单相接地故障包括a、b、c相接地故障，两相短路故障或者两相短路接地故障包括ab、bc、ca相故障，三相短路故障或者三相短路接地故障只有abc三相故障，则考虑故障相的故障类型有11种。
请参阅图2和图4，本发明的技术方案：
一种考虑故障合闸角精确控制的配电网动模故障仿真系统，包括故障合闸角控制器以及故障场景模拟模块，所述故障合闸角控制器包括arm微处理器，arm微处理器连接lcd显示模块、键盘输入模块、通信模块、开出扩展模块、电压/电流采集模块、开出模块、大电流可控硅模块以及可控硅驱动电路模块，
所述arm微处理器还集成用于规约远程控制的通信接口；
所述lcd显示模块和键盘输入模块通过总线与arm微处理器连接，完成合闸角度设置、电压实时状态、故障场景设置、通信参数设置、时间设置；
所述通信模块提供2路网口和2路串口与上位机通信连接，实现对故障合闸角、通信参数、故障场景的设置；
所述电压/电流采集模块由变比为380/3.53v的采样pt，100/5的降流ct与50a/7.07v的采样ct、16位的ad转换单元组成，用于实时采集电压值与电流值，控制器兼容400v配电网动模系统与690v配电网动模系统。若动模系统为400v，则每相的采样pt只需选一个变比为380/3.53v的采样pt即可，若动模系统为690v；则每相将采用两个变比为380/3.53v采样pt，并将其原边与副边相互串联组成一个760/7.07v的采样pt，这样在保证采样精度的同时有兼容了400v与690v动模系统的需求。因为故障合闸角度均以电压的相位为参考，因此电压采集模块的精度也是保证合闸角控制精度的重要因素，同时由于故障电流太大，为了避免装置过流时间太长导致装置发热严重甚至损坏装置，装置实时采集电流值，使其超过一定电流值后置允许工作一段时间；
所述大电流可控硅模块由双向晶闸管s1、双向晶闸管s2以及双向晶闸管s3与散热器组成，使得晶闸管在交流电压的正负半周均可导通，即在0～360度范围内均可导通；
所述可控硅驱动电路模块提供一个2.5v的触发电压以及100ma的触发电流，以供触发晶闸管导通，当需关断晶闸管时，触发电压与触发电流不输出，当经电压零点时，晶闸管也就关断了；
所述开出模块主要完成可控硅驱动电路的输出使能控制；
所述开出扩展模块主要是用于开出量的扩展，开出扩展模块具有一个独立的cpu，与arm微处理器使用总线连接；
所述故障场景模拟模块包括a相、b相和c相三相线路，a相线路与双向晶闸管s1连接，b相线路与双向晶闸管s2连接，c相线路与双向晶闸管s3连接，a相、b相和c相三相线路分别通过第一电阻阵列、第二电阻阵列以及第三电阻阵列接地从而模拟单相接地故障，a相和c相三相线路分别连接第四电阻阵列和第五电阻阵列后连接到b相线路用于模拟三相短路故障，a相线路串联第六电阻阵列后接入到c相线路从而模拟两相短路故障。
所述第一电阻阵列包括并联连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s11、s12、s13、s14，第二电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s21、s22、s23、s24，第三电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s31、s32、s33、s34，第四电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s41、s42、s43、s44，第五电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s51、s52、s53、s54，第六电阻阵列包括连接的过渡电阻r1、r2、r3、r4以及与其对应的开关s61、s62、s63、s64。
10kv配电网低阻接地故障的故障过渡电阻一般为0～100ω，中阻接地故障的故障过渡电阻一般为100～400ω，高阻接地故障的故障过渡电阻一般大于400ω。对于400v配电网动模系统，其电压模拟比为25(10000/400＝25)，按照电压等比模拟的思想，400v配电网动模系统的低阻接地阻值为0～4ω，中阻接地故障的故障过渡电阻为4～16ω，高阻接地故障的故障过渡电阻则大于16ω。为此，本发明所提供的方法兼顾了低阻、中阻、高阻接地的阻值，过渡电阻可在0.5ω、2ω、10ω、25ω等几个档位进行有级可调。所述过渡电阻r1的阻值为0.5ω、r2的阻值为2ω、r3的阻值为10ω、r4的阻值为25ω。
所述通信模块使用101规约、104规约或者modbus规约与上位机通信。
模拟单相接地故障时，以a相发生单相接地故障为例，闭合s11、s12、s13、s14中的任意一个开关选择一个过渡电阻即可；
模拟两相短路故障时，以ab两相短路故障为例，闭合s41、s42、s43、s44中的任意一个开关选择一个过渡电阻即可；
模拟两相短路接地故障时，以ab两相短路接地故障为例，首先闭合s41、s42、s43、s44中的任意一个开关选择一个过渡电阻，同时闭合s11、s12、s13、s14中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关，最后闭合s21、s22、s23、s24中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关即可；
模拟三相短路故障时，首先闭合s41、s42、s43、s44中的任意一个开关选择一个过渡电阻，同时闭合s51、s52、s13、s14中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关，最后闭合s61、s62、s63、s64中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关即可；
模拟三相短路接地故障时，首先闭合相间短路开关，再闭合接地开关。即闭合s41、s42、s43、s44中的任意一个开关选择一个过渡电阻，闭合s51、s52、s13、s14中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关，闭合s61、s62、s63、s64中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关即可；然后闭合s11、s12、s13、s14中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关，同时闭合s21、s22、s23、s24中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关，最后闭合s31、s32、s33、s34中的与ab相间短路过渡电阻相同的档位开关即可。
本发明的本发明提供的配电网动模故障仿真方法，操作简单，通过本地或者上位机软件远程操作均可完成，降低了对实验人员的素质要求。本发明解决了当前配电网动模系统故障发生时刻不可控，以及故障场景不全等问题，可便捷地实现配电网各种类型故障的仿真模拟，且故障过渡电阻可在一定范围内选择低阻、中阻或高阻，同时故障发生时刻可精确控制，故障合闸角度在0～360°范围内连续可调。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。