一种电力综合模拟与演示系统的制作方法

本发明涉及一种电力综合模拟与演示系统，属于电力工程实践教学领域。

背景技术：

目前，高校电气工程相关专业经常会涉及到电力系统相关的教学活动，例如电力系统的运行状况、电力系统的一次设备运行、电力系统倒闸操作以及电力系统的潮流分布等。然而，由于市面上缺少相关的电力工程基础实践教学设备来指导教学，大部分电力系统相关的教学活动只能在理论课堂上进行，无法让学生实际掌握电力系统各个方面的运行情况。为此，一些高校选择带领学生到周边变电站参观实习，然而，此举不仅成本较高，不易操作，而且由于变电站强电较多，学生的人身安全难以得到有效的保障。

技术实现要素：

本发明为解决现有高校电力系统相关的实践教学因市面上缺少电力工程基础实践教学设备而无法在校内实施的问题，提出了一种电力综合模拟与演示系统。

本发明所述的电力综合模拟与演示系统包括电力系统沙盘模块、电力系统一次设备运行状态显示模块、电力系统倒闸操作模拟模块、电力系统潮流分布分析与显示模块和主控模块；

电力系统沙盘模块包括电力系统沙盘控制单元、沙盘基板以及设置在沙盘基板上的发电厂模型组、电力线路模型组、变压器模型组、电流互感器模型组、电压互感器模型组和负荷模型组；

电力系统沙盘控制单元用于根据主控模块发来的电力系统运行模拟信号使相应的发电厂模型、电力线路模型、变压器模型、电流互感器模型、电压互感器模型和负荷模型投入运行；用于在电力设备模型根据手动输入的投入运行信号投入运行时，采集投入运行的电力设备模型信息，并将该信息发送至主控模块；用于指示投入运行的电力设备模型；

电力系统一次设备运行状态显示模块包括一次设备运行状态显示控制单元、一次设备示意元件基板以及设置在一次设备示意元件基板上的多个一次设备示意元件，所述多个一次设备示意元件与沙盘基板上的多个一次设备模型一一对应；

一次设备运行状态显示控制单元用于根据主控模块发来的一次设备运行状态信息，对投入运行的一次设备模型对应的一次设备示意元件进行指示；

电力系统倒闸操作模拟模块包括倒闸操作模拟控制单元、断路器模型组、隔离开关模型组、负荷开关模型组、负荷开关模型组、熔断器模型组和复位按钮模型；

倒闸操作模拟控制单元用于在倒闸操作者的倒闸操作流程错误时，提醒倒闸操作者操作错误并指示错误操作的电力设备模型；用于在倒闸操作流程正确时，将该倒闸操作流程对应的投切馈线信息发送至主控模块；用于根据复位按钮模型发出的复位信号对已经操作的电力设备模型进行复位，并将电力设备模型复位信息发送至主控模块；

电力系统潮流分布分析与显示模块用于根据主控模块发来的投入运行的电力设备模型信息分析并显示电力系统沙盘模块的潮流分布；

主控模块用于在电力系统沙盘模块自动模拟电力系统运行状态时，向电力系统沙盘控制单元发送电力系统运行模拟信号，将该电力系统运行模拟信号对应的一次设备运行状态信息发送至一次设备运行状态显示控制单元，将该电力系统运行模拟信号对应的投入运行的电力设备模型信息发送至电力系统潮流分布分析与显示模块；用于在电力系统沙盘模块于手动模式下模拟电力系统运行状态时，将接收的投入运行的电力设备模型信息对应的一次设备运行状态信息发送至一次设备运行状态显示控制单元，将该投入运行的电力设备模型信息转发至电力系统潮流分布分析与显示模块；用于根据倒闸操作模拟控制单元发来的投切馈线信息，将该投切馈线信息对应的电力系统运行模拟信号发送至电力系统沙盘控制单元，将该投切馈线信息对应的一次设备运行状态信息发送至一次设备运行状态显示控制单元，将该投切馈线信息对应的投入运行的电力设备模型信息发送至电力系统潮流分布分析与显示模块；用于根据接收的电力设备模型复位信息，对电力系统沙盘模块、电力系统一次设备运行状态显示模块和电力系统潮流分布分析与显示模块的运行状态进行复位。

作为优选的是，电力系统沙盘控制单元通过led灯来指示投入运行的电力设备模型；

一次设备运行状态显示控制单元通过led灯来指示投入运行的一次设备模型对应的一次设备示意元件；

倒闸操作模拟控制单元通过蜂鸣器提醒倒闸操作者操作错误，并通过led灯指示错误操作的电力设备模型。

作为优选的是，电力系统沙盘控制单元的rs485接口、一次设备运行状态显示控制单元的rs485接口和倒闸操作模拟控制单元的rs485接口均与所述电力综合模拟与演示系统的rs485总线相连；

电力系统潮流分布分析与显示模块的rs232接口和主控模块的rs232接口均通过rs232转rs485模块与所述电力综合模拟与演示系统的rs485总线相连。

作为优选的是，电力系统潮流分布分析与显示模块同时以表格和波形图的形式来显示电力系统沙盘模块的潮流分布。

作为优选的是，所述电力综合模拟与演示系统还包括系统框架，系统框架采用铝合金制成，表面涂覆驼色漆；

电力系统沙盘模块、电力系统一次设备运行状态显示模块、电力系统倒闸操作模拟模块、电力系统潮流分布分析与显示模块和主控模块设置在系统框架上。

本发明所述的电力综合模拟与演示系统，集成有电力系统沙盘模块、电力系统一次设备运行状态显示模块、电力系统倒闸操作模拟模块和电力系统潮流分布分析与显示模块，能够用于高校电力系统相关的电力系统的运行状况、电力系统的一次设备运行、电力系统倒闸操作以及电力系统的潮流分布的实践教学，解决了现有高校电力系统相关的实践教学因市面上缺少电力工程基础实践教学设备而无法在校内实施的问题。除此之外，本发明所述的电力综合模拟与演示系统还适用于企业的强电研发设计。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的电力综合模拟与演示系统进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的电力综合模拟与演示系统的结构框图；

图2为实施例所述的电力综合模拟与演示系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的电力综合模拟与演示系统作进一步说明。

实施例：下面结合图1和图2详细地说明本实施例。

本实施例所述的电力综合模拟与演示系统包括电力系统沙盘模块、电力系统一次设备运行状态显示模块、电力系统倒闸操作模拟模块、电力系统潮流分布分析与显示模块和主控模块；

电力系统沙盘模块包括电力系统沙盘控制单元、沙盘基板以及设置在沙盘基板上的发电厂模型组、电力线路模型组、变压器模型组、电流互感器模型组、电压互感器模型组和负荷模型组；

电力系统沙盘控制单元用于根据主控模块发来的电力系统运行模拟信号使相应的发电厂模型、电力线路模型、变压器模型、电流互感器模型、电压互感器模型和负荷模型投入运行；用于在电力设备模型根据手动输入的投入运行信号投入运行时，采集投入运行的电力设备模型信息，并将该信息发送至主控模块；用于指示投入运行的电力设备模型；

电力系统一次设备运行状态显示模块包括一次设备运行状态显示控制单元、一次设备示意元件基板以及设置在一次设备示意元件基板上的多个一次设备示意元件，所述多个一次设备示意元件与沙盘基板上的多个一次设备模型一一对应；

一次设备运行状态显示控制单元用于根据主控模块发来的一次设备运行状态信息，对投入运行的一次设备模型对应的一次设备示意元件进行指示；

电力系统倒闸操作模拟模块包括倒闸操作模拟控制单元、断路器模型组、隔离开关模型组、负荷开关模型组、负荷开关模型组、熔断器模型组和复位按钮模型；

倒闸操作模拟控制单元用于在倒闸操作者的倒闸操作流程错误时，提醒倒闸操作者操作错误并指示错误操作的电力设备模型；用于在倒闸操作流程正确时，将该倒闸操作流程对应的投切馈线信息发送至主控模块；用于根据复位按钮模型发出的复位信号对已经操作的电力设备模型进行复位，并将电力设备模型复位信息发送至主控模块；

电力系统潮流分布分析与显示模块用于根据主控模块发来的投入运行的电力设备模型信息分析并显示电力系统沙盘模块的潮流分布；

主控模块用于在电力系统沙盘模块自动模拟电力系统运行状态时，向电力系统沙盘控制单元发送电力系统运行模拟信号，将该电力系统运行模拟信号对应的一次设备运行状态信息发送至一次设备运行状态显示控制单元，将该电力系统运行模拟信号对应的投入运行的电力设备模型信息发送至电力系统潮流分布分析与显示模块；用于在电力系统沙盘模块于手动模式下模拟电力系统运行状态时，将接收的投入运行的电力设备模型信息对应的一次设备运行状态信息发送至一次设备运行状态显示控制单元，将该投入运行的电力设备模型信息转发至电力系统潮流分布分析与显示模块；用于根据倒闸操作模拟控制单元发来的投切馈线信息，将该投切馈线信息对应的电力系统运行模拟信号发送至电力系统沙盘控制单元，将该投切馈线信息对应的一次设备运行状态信息发送至一次设备运行状态显示控制单元，将该投切馈线信息对应的投入运行的电力设备模型信息发送至电力系统潮流分布分析与显示模块；用于根据接收的电力设备模型复位信息，对电力系统沙盘模块、电力系统一次设备运行状态显示模块和电力系统潮流分布分析与显示模块的运行状态进行复位。

在本实施例中，电力系统沙盘控制单元通过led灯来指示投入运行的电力设备模型；

一次设备运行状态显示控制单元通过led灯来指示投入运行的一次设备模型对应的一次设备示意元件；

倒闸操作模拟控制单元通过蜂鸣器提醒倒闸操作者操作错误，并通过led灯指示错误操作的电力设备模型。

在本实施例中，电力系统沙盘控制单元的rs485接口、一次设备运行状态显示控制单元的rs485接口和倒闸操作模拟控制单元的rs485接口均与所述电力综合模拟与演示系统的rs485总线相连；

电力系统潮流分布分析与显示模块的rs232接口和主控模块的rs232接口均通过rs232转rs485模块与所述电力综合模拟与演示系统的rs485总线相连。

本实施例的电力系统潮流分布分析与显示模块同时以表格和波形图的形式来显示电力系统沙盘模块的潮流分布。

本实施例所述的电力综合模拟与演示系统还包括系统框架，系统框架采用铝合金制成，表面涂覆驼色漆；

电力系统沙盘模块、电力系统一次设备运行状态显示模块、电力系统倒闸操作模拟模块、电力系统潮流分布分析与显示模块和主控模块设置在系统框架上。

本实施例所述的电力综合模拟与演示系统，电力系统沙盘控制单元、一次设备运行状态显示控制单元和倒闸操作模拟控制单元分别基于单片机系统实现，主控模块的计算终端和电力系统潮流分布分析与显示模块的计算终端共同基于一台计算机主机实现。电力系统沙盘控制单元、一次设备运行状态显示控制单元、倒闸操作模拟控制单元、电力系统潮流分布分析与显示模块和主控模块通过rs485通信协议进行数据交互，并实现数据与显示同步。

图2为本实施例所述的电力综合模拟与演示系统的结构示意图。如图2所示，电力系统沙盘模块、电力系统倒闸操作模拟模块和主控模块操作面板均平铺设置在系统框架的主桌面上。电力系统一次设备运行状态显示模块竖直设置在系统框架的支承架上并位于电力系统沙盘模块的正前方。作为主控模块和电力系统潮流分布分析与显示模块的计算终端的计算机主机放置在系统框架的主桌面的下方，并与主控模块操作面板上下相对。计算机显示屏与计算机主机相连，用于实时显示电力系统沙盘模块的电力系统运行状况与相应的系统参数以及电力系统沙盘模块的潮流分布，其设置在系统框架的支承架上并位于电力系统一次设备运行状态显示模块的右侧。

本实施例的电力系统沙盘模块，其沙盘基板采用彩砂堆砌而成，其电力设备模型采用塑料材质制成。发电厂模型组包括火电厂模型、水电厂模型和新能源电厂模型。每个发电厂模型上均设置有led灯，绿色流动的led流水灯表示该发电厂模型正在向外输出电能，红色静止的led灯表示该发电厂模型并未投入使用。电力线路模型上设置有led灯，绿色流动的led流水灯表示该电力线路模型上有电流流过，当led灯关闭时，表示该电力线路模型上无电流流过。负荷模型上也设置有led灯，当绿色led灯闪烁时，表示该负荷模型正在用电，红色led灯静止点亮时，表示该负荷模型未使用电能。以上的led灯均受电力系统沙盘控制单元的控制，电力系统沙盘控制单元的i/o口发送高低电平，控制led灯。每个电力设备模型上均设置有开关按键，开关按键与电力系统沙盘控制单元相连，用于控制该电力设备模型是否投入电力系统。电力系统沙盘控制单元通过串口使用rs485通信协议与主控模块相连，能够将电力系统沙盘模块上电力设备模型的投切信息由串口上传给主控模块，主控模块根据上传的投切信息同步其他模块的系统参数，使其他模块的系统参数保持一致。

本实施例的电力系统一次设备运行状态显示模块，其一次设备示意元件基板采用磁性白板实现，在磁性白板上根据电力系统沙盘模块对应的电力系统一次设备系统图安装各个一次设备示意元件。在每个一次设备示意元件的下方设置有红绿双色led灯，当绿色led灯亮起时，表示该一次设备示意元件示意的一次设备模型已投入使用，当红色led灯亮起时，表示该一次设备示意元件示意的一次设备模型并未投入使用。以上的led灯均受一次设备运行状态显示控制单元的控制，一次设备运行状态显示控制单元的i/o口发送高低电平，控制led灯。一次设备运行状态显示控制单元通过串口使用rs485通信协议与主控模块相连，由主控模块统一下发参数，能够根据电力系统沙盘模块上电力设备模型的投切信息，实时改变一次设备示意元件的使用情况。

本实施例的电力系统倒闸操作模拟模块，在每个电力设备模型的下方均设置有红色led灯与蜂鸣器，当倒闸操作按照正确流程完成时，系统静默。当倒闸操作出现错误时，错误操作处的红色led灯闪烁并且蜂鸣器发出蜂鸣声，提示倒闸操作者倒闸操作错误，需要复位并重新操作，直到倒闸操作流程正确实施。以上电力设备模型分别通过继电器与倒闸操作模拟控制单元相连，倒闸操作模拟控制单元的相应i/o口接收电力设备模型的通断信号。以上led灯与蜂鸣器也与倒闸操作模拟控制单元相连，由倒闸操作模拟控制单元的i/o口发送高低电平，控制led灯的亮灭与蜂鸣器的鸣响。倒闸操作模拟控制单元通过串口使用rs485通信协议与主控模块相连，能够将成功完成投切的馈线参数由串口上传给主控模块，主控模块根据上传的馈线参数同步其他模块的系统参数，使其他模块的系统参数保持一致。

本实施例的电力系统潮流分布分析与显示模块采用计算机主机和计算机显示屏实现。电力系统潮流分布分析与显示模块通过rs485通信协议与主控模块相连，接收主控模块发来的电力系统参数，使用matlab软件对当前参数条件下的电力网进行潮流分析，并将分析结果以excel表格和波形图形式存储。其中，潮流分析方法及其产生的程序可以根据实际情况修改或重新编写。

本实施例的主控模块采用计算机主机和计算机显示屏实现。主控模块通过rs485通信协议与其他模块互连，通过直接下发指令的方式控制电力系统沙盘模块上各个电力设备模型的投切情况。主控模块能够根据电力系统沙盘模块的投切情况与电力系统倒闸操作模拟模块的倒闸操作情况，自动下发指令，同步电力系统一次设备运行状态显示模块和电力系统潮流分布分析与显示模块的参数，使整个电力综合模拟与演示系统中的参数为同一参数。当电力系统沙盘模块的投切参数与电力系统倒闸操作模拟模块的倒闸操作参数冲突时，以电力系统沙盘模块的投切参数为准。

本实施例所述的电力综合模拟与演示系统，能够根据电力工程基础课程要求展开电力系统概括的教学实践活动，让受众理性认识发电厂发电方式及电流传输状况。能够根据电力工程基础课程要求展开电力系统一次设备及其符号认知的教学实践活动，让受众能够宏观上理解电力系统一次侧设备的组成及其连接状况。能够根据电力工程基础课程要求展开电力系统潮流分析的教学实践活动，让受众能够掌握电力系统潮流分析软件的使用、潮流分析方法的比较并根据实训情况计算潮流分布状况。能够根据电力工程基础课程要求展开电力系统倒闸操作的教学实践活动，让受众理性认识倒闸操作的的准确流程。能够根据电力工程基础课程要求让学习者深入认识学习电力工程基础课程的作用并了解其应用领域。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。