一种多层级选择性低压短路保护实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能电器及在线监测技术领域，特别是涉及低压配电系统多层级各类 短路故障的发生与控制以及短路故障的早期检测与辨识的一种多层级选择性低压短路保 护实验系统。
【背景技术】
[0002] 随着智能电网建设的发展与需求的不断提高，电网中大功率负荷迅速增长，大容 量机组不断投入运行，电网的层级和短路电流的规模也在不断增长。不断增强的短路电流 对线路、设备及保护电器本身的动热稳定性以及相互配合的协调性均提出了更高要求，也 对智能电网供电的可靠性与持续性提出了更大挑战。对于智能配电系统而言，保障电网正 常工作的重要手段之一是采用选择性保护。而在低压配电系统中，传统的选择性保护方式 是过电流保护。不论是采用传统的还是智能型的短路保护电器，大多都仍采用全电流值是 否大于其整定值来作为保护动作的判定依据。在这种情况下，距故障发生时刻已过了一定 的时间，保护的快速性得不到保障；若通过的短路电流很大，还可能造成上下级同时跳闸或 上级先跳闸的情况，保护的可靠性同样受到限制。传统的保护方式已不能满足实际应用需 求，实现多层级全范围的选择性协调保护已成为低压选择性保护技术方向。
[0003] 迄今，低压配电系统全范围选择性保护的机理尚未得到解决，故而始终无法得到 更完善的选择性保护方法。中外学者始终都在不断进行着低压短路选择性保护方面的实 验，但这些实验共同存在的最大问题就是仅针对其研究的某个问题进行实验，并没有形成 完整的实验系统，短路故障与选择性保护的研究二者难以兼顾。外国学者提出了以阻抗矩 阵来定位短路发生时刻，形成了一套实验平台，但也仅限于对短路的研究，而没有研究选择 性保护。一些学者进行的短路保护实验研究旨在对保护电器或保护策略进行改进，提升 了断路器的分断能力和分断速度，但亦没有研究多级保护的协调配合。许多学者对选择性 保护的实验研究依赖于断路器产品的自身特性，仍然是以全电流值是否大于整定值作为判 据，侧重于上下级断路器间的相互配合，缺乏配电系统、断路器和负载之间的协调配合，这 样的实验结果对多层级配电系统的全范围选择性保护显然也是不适用的。许多企业进行的 短路实验只为研究三段式保护，依靠这样的实验数据来对断路器产品进行整定，只适用于 上下级断路器，缺乏多层级的协调能力。而一些检测机构所做的短路型式实验，也只适用于 对单个断路器产品的短路电流分断能力的检测。本发明提供一套完整的多层级选择性低压 短路保护实验系统，集不同层级不同位置的短路故障发生与控制、短路故障早期检测与辨 识以及短路故障选择性保护于一身，克服了现有实验系统短路故障研究与选择性保护研究 不能兼顾的缺点。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种多层级选择性低压短路保护实验系统，通过该实验系 统可以实现对实际多层级低压配电系统正常工作状态和各类负载不同层级部位的单相、双 相、三相短路故障发生控制及其早期检测与辨识 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多层级选择性低压短路保护实验系统，包 括具有三层级且可供短路故障的实验配电系统、前端设备、多层级短路故障测控系统； 所述实验配电系统，包括电源柜、配电实型线路、控制柜、短路柜，所述配电实型线路分 别连接至电源柜、控制柜及短路柜；所述实验配电系统用于模拟实际低压配电系统的正常 运行状态，并可发生和控制各层级不同位置的任意类型短路故障； 所述前端设备包括柔性罗氏线圈、与柔性罗氏线圈连接的积分器、电压传感器；所述前 端设备用于对所述实验配电系统正常运行和发生短路故障时相应支路电流及电压信号的 采集，并将信号输入所述多层级短路故障测控系统； 所述多层级短路故障测控系统包括Compact-RIO嵌入式数据采集分析系统、上位机 Labview图形化程序编译平台，所述上位机Labview图形化程序编译平台内部集成了包括 用于实现数据采样、滤波、短路故障早期检测、向保护电器发送跳闸指令的功能程序，用于 短路实验过程测控，实现各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路发生控制及其早期 检测技术以及短路故障的选择性保护。
[0005] 在本发明一实施例中，所述电源柜位于所述实验配电系统的第一层级，包括电源 进线和保护电器，用于为所述控制柜、短路柜以及与负载提供电源并为主回路提供保护，且 带有操作指示灯。
[0006] 在本发明一实施例中，所述配电实型线路位于所述实验配电系统的第二层级，配 备有三种类型的线缆，分别为95臟 2、25臟2、4臟2，三种线型长度均为9〇!11，以提供不同等级的 短路电流。
[0007] 在本发明一实施例中，所述控制柜能够接入多种不同的阻、感、容性负载并能够任 意切换；所述控制柜还能够通过延时继电器定时的方式发生和停止短路故障且带有操作指 示灯。
[0008] 在本发明一实施例中，所述短路柜用于选择需要投入短路故障的线缆类型；所述 短路柜还用于对实际短路故障进行模拟，该实际短路故障包括单相、两相、三相的短路故 障。
[0009] 在本发明一实施例中，所述Compact-RIO嵌入式数据采集分析系统是多层级短路 故障测控系统的硬件组成部分，其实际测控分析功能由多层级短路故障测控系统的软件部 分，即Labview图形化程序编译平台通过程序开发加以实现。
[0010] 在本发明一实施例中，所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现滤波功 能的算法为形态小波滤波算法，采用不同形状或尺寸的结构元素构成具有多结构元素的广 义形态开滤波器ΕΧ0,用于滤除白噪声以及正负脉冲噪声，其数学模型为：
上述，公式（1)为|_办:关于_^的腐蚀变换模型；公式（2)为众关于的膨 胀变换模型，其中，_:是定义域为的一维原始信号序列，是定义域为 艰_的结构元素 ，M < N，并定义其原点在O处；公式（3)为广义形态开滤波器 EXO的数学模型，其中，:_:是定义域为p^-^鮮-f:的一维原始信号序列，：
洧
吩别为腐蚀运算和膨胀运算的结构元素，祿和;1?是整数集Z的两个有限子 集，且嗓G_.。
[0011] 在本发明一实施例中，所述上位机Labview图形化程序编译平台用于实现短路故 障早期检测的算法是通过小波分解结合小波包细节分解算法加以实现，其仅对经多尺度小 波分解得到的第四尺度细节分量做进一步的分解，得到高阶细节分量其数 学模型如下：
上述，公式（4)为三次B样条分解的数学模型，其中，驚pi?为输入信号，|py_i s/'/付分别为第一到第三尺度小波分解得到的平滑分量，?Γ/;)/.〔《)为小波 分解得到的第四尺度细节分量，分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数； 公式（5)为小波包细节分解的数学模型，其中，
'为将进一步分解得 到的平滑分量与细节分量，分别为相应低通、高通滤波器的有限脉冲响应系数。
[0012] 在本发明一实施例中，所述小波包细节分解算法用于检测所述实验配电系统从正 常运行到短路故障发生时刻的采样信号的突变特征量；短路故障早期检测算法通过判断当 前分解得到的高阶细节分量是否超过设定的短路故障阈值来判定是否发生短路故障；若超 过，判定线路上发生了短路故障，并向相应位置的保护电器发送跳闸指令。
[0013] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明实验系统可以实现对实际多 层级低压配电系统正常工作状态和各类负载不同层级部位的单相、双相、三相短路故障发 生控制及其早期检测与辨识以及选择性保护，本发明可提供真实多样可靠的实验数据依 据，为低压系统多层级全范围选择性协调保护技术的研究奠定技术基础；本发明可以仅用 一套实验系统装置即可实现多层级各类短路故障的发生控制及其早期检测与辨识，方法简 单，具有较好的应用价值。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的总体技术方案。
[0015] 图2为实