绝缘接地故障模拟单元的制作方法

本发明涉及变电站直流电源系统运维监控领域，具体涉及一种绝缘接地故障模拟单元。

背景技术：

直流电源系统为变电站控制保护、自动化装置、高压断路器分合闸机构、信号设备、事故照明等设备的重要电源，是变电站的重要设备。直流电源系统作为变电站的“心脏”，对变电站安全可靠运行至关重要，系统故障可能导致整个变电站失去电源，危及变电站及电网安全运行。

近年来，行业内已经认识到直流电源系统安全、可靠运行的重要性。交流失电后，直流电源系统存在故障，不能给变电站提供安全可靠地电源，导致变电站失电，所以变电站加强对直流电源系统的运行维护，定期对设备巡检、测试，保证变电站安全运行。

目前，直流电源系统有多种故障类型，其中绝缘接地故障可能造成保护及自动装置误动，造成继电保护、信号、自动装置误动或拒动，造成直流保险熔断，使保护及自动装置、控制回路失去电源，更甚者会造成某些继电器短接，不能正常动作，造成越级跳闸，造成事故扩大。绝缘接地故障在变电站出现比较频繁，维护及解决速度较慢，致使出现问题不能有效、快速的解决。所以，加强绝缘接地故障排查，提升运行维护人员排查及解决能力，保证变电站安全运行。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种绝缘接地故障模拟单元，可实现直流电源多种故障的自动模拟，提升运维人员排查及解决问题的能力，保证变电站安全运行。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

所述绝缘接地故障模拟单元，包括主控芯片、电压采集模块、通信模块、母线与支路输入控制模块、母线与支路绝缘降低及接地控制模块、交流窜入控制模块、直流互窜控制模块、对地分布电容增大模块，所述电压采集模块和通信模块均连接至主控芯片，所述母线与支路输入控制模块控制接通母线与支路绝缘降低及接地控制模块，所述母线与支路绝缘降低及接地控制模块、交流窜入控制模块与直流互窜控制模块通过光耦隔离模块连接至主控芯片，母线与支路输入控制模块控制接通母线与支路绝缘降低及接地控制模块。

本发明使用时，将直流电源系统i段母线或支路连接至母线与支路输入控制模块对应的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过电压采集模块连接至主控芯片，进而采集母线或支路电压、母线或支路正对地电压、母线或支路负对地电压；将直流电源系统i段母线或支路连接至母线与支路输入控制模块对应的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过母线与支路绝缘降低及接地控制模块及光耦隔离模块实现母线及支路接地电阻故障模拟；将直流电源系统i段母线、两条支路或三条支路，连接至设备的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，将直流电源系统的ii段母线连接至设备的连接端子，通过直流互窜控制模块，实现母线及支路的直流互窜故障模拟；将直流电源系统i段母线、两条支路或三条支路，连接至设备的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过交流窜入控制模块，实现母线及支路的交流窜入故障模拟；将直流电源系统i段母线连接至设备连接端子，母线经过母线与支路输入控制模块，通过对地分布电容增大模块，实现母线对地分布电容增大故障模拟；通讯模块用于实现设备与上位机之间的通讯。

其中，优选方案为：

所述电压采集模块依次通过ad转换模块和数字隔离模块连接至主控芯片。

所述电压采集模块包括平衡桥电路、电压跟随电路及运算放大电路，母线及支路电压、母线及支路正对地电压、母线及支路负对地电压分别通过平衡桥电路进行分压后再经过电压跟随电路及运算放大电路输出信号连接至ad转换模块。

所述母线与支路输入控制模块包括母线输入端口及支路输入端口，母线输入端口及支路输入端口的正负极分别通过继电器连接至正、负极总线，正、负极总线分别通过继电器连接至直流电源，通过继电器控制连接母线或某一支路，实现母线或某一支路正极或负极绝缘降低及接地。

上述绝缘接地故障模拟单元还包括显示模块，显示模块与主控芯片相连，显示模块包括电源指示、设备运行指示、485发送指示、485接收指示。

所述母线与支路绝缘降低及接地控制模块包括继电器、若干组串联的接地电阻单元和保护电阻，保护电阻及每组接地电阻单元各并联一继电器常开触点，前述各继电器线圈与主控芯片相连，各接地电阻单元的电阻值不同，一般设置8组接地电阻单元，其阻值分别为1kω、2kω、4kω、8kω、16kω、32kω、64kω和128kω，通过继电器控制各接地电阻单元的投切状态，以实现直流电源系统对地电阻阻值步进值为1k，对地电阻阻值设置1k-512k，设置保护电阻的目的是防止母线或支路正、负两极同时接地，防止短路。

通过母线或支路绝缘降低及接地控制模块母线及支路接地电阻故障模拟的流程为:

s10：上位机设置开始电阻接地故障模拟测试初值；

s11：设置停止电阻接地故障模拟测试初值；

s12：设置是否使能正极电阻测试初值；

s13：设置正极电阻阻值，正极电阻阻值设置需小于等于512k；

s14：设置是否使能负极电阻测试初值；

s15：设置负极电阻阻值，负极电阻阻值设置需小于等于512k；

s16：设置接地电阻故障模拟测试时间，故障模拟时间大于等于设置接地电阻故障模拟测试时间时，接地电阻故障模拟自动停止；

s17：设置接地电阻故障模拟测试的母线或支路编号，模拟接地电阻故障模拟为母线或某一支路的编号；

s18：上位机下发命令，启动母线或支路绝缘降低及接地故障模拟，母线或支路绝缘降低及接地故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

需要注意的是，s13所述的正极电阻阻值及s15所述的负极电阻阻值不能同时设置小于10k。

所述交流窜入控制模块包括继电器k36、继电器k38、继电器k39，各继电器线圈一端均通过光电隔离模块连接至主控芯片输出端，继电器k38常开触点接入交流火线，继电器k36和继电器k39的第一常开触点分别接入直流正母线输入端和直流负母线输入端，继电器k36线圈另一端通过继电器k39的第二常闭触点连接至直流电源，继电器k39线圈另一端通过继电器k36的第二常闭触点连接至直流电源。

通过交流窜入控制模块，实现母线及支路的交流窜入故障模拟的流程为：

s20：上位机设置开始交流窜入故障模拟测试初值；

s21：设置停止交流窜入模拟测试初值；

s22：设置交流窜入极性初值，包括交流窜入正极、交流窜入负极；

s23：设置交流窜入故障模拟测试时间，故障模拟时间大于等于设置交流窜入故障模拟测试时间时，交流窜入故障模拟自动停止；

s24：设置交流窜入故障模拟测试的支路编号，模拟交流窜入故障模拟的某一支路编号；

s25：上位机下发命令，启动交流窜入故障模拟，交流窜入故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

所述直流互窜控制模块包括继电器和限流电阻，ⅰ段正母线通过限流电阻及继电器k31第一对触点分别连接至ⅱ段负母线和继电器k30的第一对触点，继电器k30的第一对触点与ⅰ段负母线相连，ⅰ段负母线相连通过限流电阻及继电器k32第一对触点分别连接至ⅱ段正母线和继电器k29的第一对触点，继电器k29的第一对触点与ⅰ段正母线相连，继电器k29-k32的线圈一端均与主控芯片输出端相连，继电器k29、k31设置电路互锁，继电器k30、k32设置电路互锁。

通过直流互窜控制模块，实现母线及支路的直流互窜故障模拟的流程为：

s30：上位机设置开始直流互窜故障模拟测试初值；

s31：设置停止直流互窜模拟测试初值；

s32：设置直流互窜类型，包括i段母线正极与ii段母线正极、i段母线负极与ii段母线负极、i段母线正极与ii段母线正极及i段母线负极与ii段母线负极、ii段母线正极与i段母线负极、ii段母线负极与i段母线正极、ii段母线正极与i段母线负极及ii段母线负极与i段母线；

s33：设置直流互窜故障模拟测试时间，故障模拟时间大于等于设置直流互窜故障模拟测

试时间时，直流互窜故障模拟自动停止；

s34：设置直流互窜故障模拟测试的支路编号，模拟直流互窜故障模拟的某一支路编号；

s35：上位机下发命令，启动直流互窜故障模拟，直流互窜故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

所述对地分布电容增大模块通过主控芯片控制继电器实现正、负母线与对地电容端子间的通断，对地电容端子连接对地电容。

通过对地分布电容增大模块，实现母线对地分布电容增大故障模拟的流程为：

s40：上位机设置母线分布电容增大故障模拟测试初值；

s41：设置停止母线分布电容增大故障模拟测试初值；

s42：设置母线分布电容增大类型，包括正母线对地电容增大、负母线对地电容增大；

s43：设置母线分布电容增大故障模拟测试时间，故障模拟时间大于等于设置母线分布电容增大故障模拟测试时间时，母线分布电容增大故障模拟自动停止；

s44：上位机下发命令，启动母线分布电容增大故障模拟，母线分布电容增大故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可实现直流电源多种故障的自动模拟，提升运维人员排查及解决问题的能力，保证变电站安全运行。使用时，将直流电源系统i段母线或支路连接至母线与支路输入控制模块对应的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过电压采集模块连接至主控芯片，进而采集母线或支路电压、母线或支路正对地电压、母线或支路负对地电压；将直流电源系统i段母线或支路连接至母线与支路输入控制模块对应的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过母线与支路绝缘降低及接地控制模块及光耦隔离模块实现母线及支路接地电阻故障模拟；将直流电源系统i段母线、两条支路或三条支路，连接至设备的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，将直流电源系统的ii段母线连接至设备的连接端子，通过直流互窜控制模块，实现母线及支路的直流互窜故障模拟；将直流电源系统i段母线、两条支路或三条支路，连接至设备的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过交流窜入控制模块，实现母线及支路的交流窜入故障模拟；将直流电源系统i段母线连接至设备连接端子，母线经过母线与支路输入控制模块，通过对地分布电容增大模块，实现母线对地分布电容增大故障模拟。

附图说明

图1是本发明结构图。

图2是电压采集模块电路原理图。

图3是数字隔离模块电路原理图。

图4是交流窜入控制模块电路原理图。

图5是母线与支路绝缘降低及接地控制模块电路原理图。

图6是直流互窜控制模块电路原理图。

图7是对地分布电容增大模块电路原理图。

图8是母线与支路输入控制模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1所示，本发明所述绝缘接地故障模拟单元，包括主控芯片、电压采集模块、通信模块、母线与支路输入控制模块、母线与支路绝缘降低及接地控制模块、交流窜入控制模块、直流互窜控制模块、对地分布电容增大模块，所述电压采集模块和通信模块均连接至主控芯片，所述母线与支路输入控制模块控制接通母线与支路绝缘降低及接地控制模块，所述母线与支路绝缘降低及接地控制模块、交流窜入控制模块与直流互窜控制模块通过光耦隔离模块连接至主控芯片，母线与支路输入控制模块控制接通母线与支路绝缘降低及接地控制模块。

上述绝缘接地故障模拟单元还包括显示模块，显示模块与主控芯片相连，显示模块包括电源指示、设备运行指示、485发送指示、485接收指示。

如图2所示，电压采集模块包括平衡桥电路、电压跟随电路及运算放大电路，母线及支路电压、母线及支路正对地电压、母线及支路负对地电压分别通过平衡桥电路进行分压后再经过电压跟随电路及运算放大电路输出信号连接至ad转换模块。电压采集模块依次通过ad转换模块和数字隔离模块连接至主控芯片，数字隔离模块结构如图3所示。

所述母线与支路输入控制模块包括母线输入端口及支路输入端口，母线输入端口及支路输入端口的正负极分别通过继电器连接至正、负极总线，正、负极总线分别通过继电器连接至直流电源，如图8所示，j1、j2、j3为母线或支路输入端口，母线或支路的接通与断开，通过继电器k2、k3、k4、k5、k6、k7进行控制，再通过正极总控制继电器k9和负极总控制继电器k22控制直流电源的接入状态，各继电器通过光耦隔离后，由主控芯片控制，实现母线或某一支路正极或负极绝缘降低及接地。

通过母线与支路输入控制模块，实现母线或某一支路正极或负极绝缘既降低及接地的流程为：

s50：上位机下发故障模拟命令，故障模拟单元根据下发的命令设置绝缘降低故障模拟测试的母线或支路编号；

s51:故障模拟单元的cpu接收到上位机命令后，根据母线或支路编号，首先继电器k2、k3或k5、k6或k4、k7接通；

s52：继电器k2、k3或k5、k6或k4、k7接通2s后，故障模拟单元根据下发的命令，确定正母线、某一支路接地或负母线、某一支路接地，确定k9或k22继电器接通；

s53：k9或k22继电器接通后，母线或支路绝缘降低及接地故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

如图5所示，所述母线与支路绝缘降低及接地控制模块包括继电器、若干组串联的接地电阻单元和保护电阻，保护电阻及每组接地电阻单元各并联一继电器常开触点，前述各继电器线圈与主控芯片相连，各接地电阻单元的电阻值不同，一般设置8组接地电阻单元，其阻值分别为1kω、2kω、4kω、8kω、16kω、32kω、64kω和128kω，通过继电器控制各接地电阻单元的投切状态，以实现直流电源系统对地电阻阻值步进值为1k，对地电阻阻值设置1k-512k，设置保护电阻的目的是防止母线或支路正、负两极同时接地，防止短路。如图5所示，电阻r53、r54串联，电阻r67、r68串联后，再并联，实现阻值1kω；电阻r55、r56串联，电阻r69、r70串联后，再并联，实现阻值2kω；电阻r57、r58串联，电阻r71、r72串联后，再并联，实现阻值4kω；电阻r59、r60串联，电阻r73、r74串联后，再并联，实现阻值8kω；电阻r61、r62串联，电阻r75、r76串联后，再并联，实现阻值16kω；电阻r63、r64串联，电阻r77、r78串联后，再并联，实现阻值32kω；电阻r117、r118串联，电阻r123、r124串联后，再并联，实现阻值64kω；电阻r119、r120串联，电阻r125、r126串联后，再并联，实现128kω；保护电阻包括串联的电阻r121、r122。

通过母线或支路绝缘降低及接地控制模块母线及支路接地电阻故障模拟的流程为:

s10：上位机设置开始电阻接地故障模拟测试初值；

s11：设置停止电阻接地故障模拟测试初值；

s12：设置是否使能正极电阻测试初值；

s13：设置正极电阻阻值，正极电阻阻值设置需小于等于512k；

s14：设置是否使能负极电阻测试初值；

s15：设置负极电阻阻值，负极电阻阻值设置需小于等于512k；

s16：设置接地电阻故障模拟测试时间，故障模拟时间大于等于设置接地电阻故障模拟测试时间时，接地电阻故障模拟自动停止；

s17：设置接地电阻故障模拟测试的母线或支路编号，模拟接地电阻故障模拟为母线或某一支路的编号；

s18：上位机下发命令，启动母线或支路绝缘降低及接地故障模拟，母线或支路绝缘降低及接地故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

需要注意的是，s13所述的正极电阻阻值及s15所述的负极电阻阻值不能同时设置小于10k。

如图4所示，交流窜入控制模块包括继电器k36、继电器k38、继电器k39，各继电器线圈一端均通过光电隔离模块连接至主控芯片输出端，继电器k38常开触点接入交流火线，继电器k36和继电器k39的第一常开触点分别接入直流正母线输入端和直流负母线输入端，继电器k36线圈另一端通过继电器k39的第二常闭触点连接至直流电源，继电器k39线圈另一端通过继电器k36的第二常闭触点连接至直流电源。

通过交流窜入控制模块，实现母线及支路的交流窜入故障模拟的流程为：

s20：上位机设置开始交流窜入故障模拟测试初值；

s21：设置停止交流窜入模拟测试初值；

s22：设置交流窜入极性初值，包括交流窜入正极、交流窜入负极；

s23：设置交流窜入故障模拟测试时间，故障模拟时间大于等于设置交流窜入故障模拟测试时间时，交流窜入故障模拟自动停止；

s24：设置交流窜入故障模拟测试的支路编号，模拟交流窜入故障模拟的某一支路编号；

s25：上位机下发命令，启动交流窜入故障模拟，交流窜入故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

如图6所示，直流互窜控制模块包括继电器和限流电阻，ⅰ段正母线通过限流电阻及继电器k31第一对触点分别连接至ⅱ段负母线和继电器k30的第一对触点，继电器k30的第一对触点与ⅰ段负母线相连，ⅰ段负母线相连通过限流电阻及继电器k32第一对触点分别连接至ⅱ段正母线和继电器k29的第一对触点，继电器k29的第一对触点与ⅰ段正母线相连，继电器k29-k32的线圈一端均与主控芯片输出端相连，继电器k29、k31设置电路互锁，继电器k30、k32设置电路互锁。

通过直流互窜控制模块，实现母线及支路的直流互窜故障模拟的流程为：

s30：上位机设置开始直流互窜故障模拟测试初值；

s31：设置停止直流互窜模拟测试初值；

s32：设置直流互窜类型，包括i段母线正极与ii段母线正极、i段母线负极与ii段母线负极、i段母线正极与ii段母线正极及i段母线负极与ii段母线负极、ii段母线正极与i段母线负极、ii段母线负极与i段母线正极、ii段母线正极与i段母线负极及ii段母线负极与i段母线；

s33：设置直流互窜故障模拟测试时间，故障模拟时间大于等于设置直流互窜故障模拟测

试时间时，直流互窜故障模拟自动停止；

s34：设置直流互窜故障模拟测试的支路编号，模拟直流互窜故障模拟的某一支路编号；

s35：上位机下发命令，启动直流互窜故障模拟，直流互窜故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

如图7所示，主控芯片通过对地分布电容增大模块的继电器k37及继电器k40分别实现正、负母线与对地电容端子j9、j14之间的通断，进而实现对地电容的投切。

通过对地分布电容增大模块，实现母线对地分布电容增大故障模拟的流程为：

s40：上位机设置母线分布电容增大故障模拟测试初值；

s41：设置停止母线分布电容增大故障模拟测试初值；

s42：设置母线分布电容增大类型，包括正母线对地电容增大、负母线对地电容增大；

s43：设置母线分布电容增大故障模拟测试时间，故障模拟时间大于等于设置母线分布电容增大故障模拟测试时间时，母线分布电容增大故障模拟自动停止；

s44：上位机下发命令，启动母线分布电容增大故障模拟，母线分布电容增大故障模拟开始，直到故障模拟时间到，故障模拟自动停止。

本发明使用时，将直流电源系统i段母线或支路连接至母线与支路输入控制模块对应的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过电压采集模块连接至主控芯片，进而采集母线或支路电压、母线或支路正对地电压、母线或支路负对地电压；将直流电源系统i段母线或支路连接至母线与支路输入控制模块对应的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过母线与支路绝缘降低及接地控制模块及光耦隔离模块实现母线及支路接地电阻故障模拟；将直流电源系统i段母线、两条支路或三条支路，连接至设备的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，将直流电源系统的ii段母线连接至设备的连接端子，通过直流互窜控制模块，实现母线及支路的直流互窜故障模拟；将直流电源系统i段母线、两条支路或三条支路，连接至设备的连接端子，母线或支路信号经过母线与支路输入控制模块，通过交流窜入控制模块，实现母线及支路的交流窜入故障模拟；将直流电源系统i段母线连接至设备连接端子，母线经过母线与支路输入控制模块，通过对地分布电容增大模块，实现母线对地分布电容增大故障模拟；通讯模块用于实现设备与上位机之间的通讯。