一种基于模型设计的线路保护实验平台的制作方法

本发明涉及一种电力系统继电保护半实物仿真实验教学领域。利用仿真平台可以真实、高效的模拟线路运行状态和继电保护动作情况，使使用者掌握继电保护原理，同时也减小了实验安全隐患。

背景技术：

传统保护实验内容侧重继电器特性测试，这样在实验过程中无法了解该继电器在整个保护系统中的具体作用。实验台只能进行较为单一的实验操作，无法充分调动发挥学生学习的主观能动性，已不能满足课程发展对实验的要求。

目前存在的主要问题：

(1)保护实验以单个的验证性实验为主，实验内容和过程相对简单，只是简单记记实验数据，观察动作现象，验证书中介绍的原理，实验本身对学生分析能力的要求不高。

(2)传统继保实验设备大多分为硬件按照实际输电线路比例缩小的物理实物模型，操作固定，直观易用，但是操作单一，无法提供一个培养学生动手能力和创新能力的平台；

(2)实验设备单一、体积大、价格高，不适合大范围推广。

(3)学生现场连接电网操作具有一定的危险性，容易发生人身安全事故；

(4)传统学校中的继保实验平台线路结构固定，输电参数也不可更改，只能进行单一实验，不便扩充各种保护实验。

技术实现要素：

为了应对传统教学中继电保护实验存在的各项问题，本发明设计一套功能完善的、实用性强的基于模型设计的实验平台，该平台采用软硬件结合的方式，软件仿真平台(1)包括由电脑、matlab软件、ccs软件所组成的上位机(通过matlab中所建立的gui界面，我们可以选择多种继电保护实验，并可以将实验模型转换为dsp所能识别并使用的程序)，在上位机中我们可以进行继电保护仿真实验，硬件实验平台(2)是运用低电压小电流模拟“高电压大电流”的思想建立了输电线路物理模型(10)，通过电压互感器(6)、电流互感器(7)采集线路模型(10)中处在正常和发生故障时的电压、电流信号；将采集的信号输入到dsp控制板(5)中，结合上位机下达到dsp控制板(5)中的程序，dsp控制板(5)可以对信号进行处理，最终通过处理的结果控制线路保护装置(8)中的线路断路器(11)的开通与关断，进而可以迅速接通或断开输电线路，达到故障保护的目的。这样就可以进行相对安全的操作和实验，该实用新型弥补了传统实验的不足，不仅可以直观生动的展示教学内容，而且可以提供一个让学生主动动手学习的平台，学生可在该平台上实现对输电线路故障的数据采集和保护动作算法修改，达到知其然也知其所以然的目的，可有效提高其专业水平。

本发明解决的上述问题的装置包括：

1.输电线路物理模型(10)：是实验平台硬件部分的核心。该线路模型装置包括：电动机模拟的负载，三相电抗器模拟的输电线。它以低电压小电流模拟实际输电线路的“高电压大电流”，将输电线路模型(10)在实验室中搭建出来。该输电线路能模拟三段式电流保护、方向电流保护、距离保护等继电保护实验。该实验装置通过隔离变压器与电网隔离，不会影响电网的正常运行。

2.上位机：由电脑、matlab软件、ccs软件所组成。该部分主要是在计算机中建立继电保护实验的仿真模型，将仿真与实际搭建的输电线路相结合，仿真中进行的实验可以在输电线路上面实际地展示出来。

3.上位机中的gui界面：通过matlab中建立的gui界面，我们可以选择多种继电保护实验，进行算法的选择。

本发明提供来的一种基于模型设计的线路继电保护实验平台具有以下优点：

1.以“低电压小电流”模拟实际电网输电线路的“高电压大电流”的思想建立物理输电线路模型，这样能做到不影响电网的正常运行。对学生来说，即了解了输电线路继电保护，又保护了自身安全。

2.人机交互界面的建立，能直观地展现三段式电流保护、方向电流保护、距离保护的保护过程。

3.与传统的物理模型实验台相比，本发明更为安全可靠，操作步骤更为完整规范，可节省很大的一笔实验教学的费用。

附图说明

图1为本发明的实验平台系统的架构框图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施做进一步地详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明--继电保护教学实验平台装置整体结构如图1所示，软件部分—matlab仿真平台(1)，其作用是建立电网输电线路各种继电保护实验的仿真模型，然后再将仿真模型生成dsp代码，通过上位机与dsp控制器(5)的通信传输到dsp控制器中。在上位机中我们还可以进行不同继电保护的仿真，观察发生故障时的各部分数据变化，可以进行算法的修改与整定，便于学生对继电保护原理的学习。硬件实验平台有两个部分，一是dsp控制板(5)，其作用是采集模拟输电线路(10)中的电压、电流数据进行处理(有输电线路正常时的电压、电流信号，也有发生故障时的电压、电流信号)，通过处理的结果来控制模拟输电线路(10)中断路器(11)的关断与导通，进而能有效地进行三段式电流保护，方向电流保护，距离保护。二是模拟输电线路(10)(模块线路保护装置)，该部分是对实际电网输电线路的等效处理，通过“低电压小电流”模拟“高电压大电流”的思想建立了输电线路物理模型(10)，实验过程中可以在该模拟输电线路(10)中进行故障模拟，通过dsp控制板(5)对故障时电压、电流的采集与处理，来解除输电线路中的故障，进而完成了继电保护的实验过程。

技术特征：

1.一种基于模型设计的线路保护实验平台，实验平台包括软件平台(1)和硬件平台(2)，其中软件平台就是由电脑、matlab软件、ccs软件所组成的上位机，硬件平台包括dsp控制单元(5)，电压、电流互感器测量单元(6)(7)，升压变压器(10)、模拟单元(线路模型)(11)、线路断路器(12)。

2.根据权利要求书1所述的线路保护实验平台，其特征在于：实验的时候可通过matlab的gui界面，可以进入不同类型的实验项目，链接simulink仿真环境并打开实验项目的仿真模型，观察模型的构成，通过在相应的子界面中设置和调整仿真参数，进行仿真试验，仿真结束后，打开对应的带有dsp模块的仿真模型，通过matlab提供的(realtimeworkshop,rtw)自动生成dsp工程文件代码，并启动dsp的调试软件，编译正确后生成dsp可执行文件(.out)，下载进硬件系统的dsp芯片中，配合线路模型运行，验证线路保护的原理。

3.根据权利要求书1所述的控制单元(5)，其特征在于：采用dsptms320f28335型号的处理器，能够完成微机保护的算法实现以及对测量数据的处理，通过输出电压信号控制继电器的导通与关断，继电器进而控制断路器(12)的导通与关断，继电器采用3个型号为srd-12vdc-sl-c的1路继电器模块。

4.根据权利要求书1所述的电压、电流互感器测量单元(6)(7)，其特征在于：通过电压、电流互感器采集模型线路的故障信号，故障信号经过调理电路(8)(9)传送到dsp控制板(5)，电压互感器采用jdz(x)10-3及jsz(x)10-3共6个，电流互感器采用lmzc-1共9个。

5.根据权利要求书1所述的升压变压器(10)，其特征在于：将模拟输电线路与电网隔离，将电网220v升压至380v。升压变压器采用型号为sg-25kva三相隔离式变压器。

6.根据权利要求书1所述的线路模型(11)，其特征在于：用低电压小电流模拟实际电网“高电压大电流”的输电线路。用不同电抗值的三相电抗器来搭建一定长度的输电线路模型。

7.根据权利要求书1所述的线路断路器(12)，其特征在于：在线路模型(11)需要断开线路时能起到迅速动作以断开线路的作用。断路器(12)采用3个型号为nxm-125s的空开断路器。

8.根据权利要求书2所述的软件平台的matlab中gui界面，其特征在于：gui提供了完整的用户界面开发工具，其中有局部编辑器、菜单编辑器、属性编辑器、对象浏览器以及几何排列工具等，本发明的gui界面包括：微机保护算法选项，三段式电流保护、方向电流保护、距离保护选项，点击相应的选项就可以进行相对应的仿真实验。

技术总结
本发明描述一种基于模型设计的线路保护实验平台，实验平台包括软件平台和硬件平台，其中软件平台就是由电脑、MATLAB软件、CCS软件所组成的上位机，硬件平台包括DSP控制板，电压、电流互感器测量单元，模拟单元(线路模型)。软件平台搭建了微机保护模型进行仿真验证。线路模型模拟了实际输电线路，测量单元对输电线路模型生成的故障信号进行采集。DSP控制单元控制断路器的关断与导通。学生可以对在不同故障下发生的保护动作行为进行研究，仿真效果好。采用线路模型代替实际输电线路，仿真安全性能高，成本低。

技术研发人员：刘德武;梁喆;尤艺;陈潇;孙朝鹏
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2020.04.08
技术公布日：2020.07.03