在线仿真

在线仿真（共6篇）

在线仿真 篇1

MCU即微控制器又称单片机。 科研人员通过深入研究MCU指令集, 编写芯片内部的监控程序, 将其固化在存储器中。 通过引导程序(Bootloader) 引导片内监控程序使MCU进入在线仿真工作模式, 读取芯片内部各寄存器、 RAM、 程序变量值的功能, 还需要研究监控模式及普通用户模式的切换的Bootloader机制, 以使MCU能够在不同工作模式之间自由切换。 通过在片外提供电平或时序信号给Boot Loader以触发MCU运行模式选择。 基于芯片内监控的C语言在线仿真技术可以省掉复杂、 昂贵的专用仿真器硬件, 可以在专用仿真器20%成本的基础上实现其80%以上的功能。

1仿真模式所需信号

1.1 Vtst/IRQ

在MCU上电复位后, 要进入监控模式, 须在引脚上提供一个低电压称之为Vtst。

1.2 COM/RS232

一种基于软件的串行通信协议。 它能以9600波特率的速度与PC的RS232进行通信。

2在线仿真接口的硬件设计

如图1所示以MC68HC908QT4芯片为平台设计的在线仿真接口电路, 它在上电时PTA2为低电压的时候, 跳转到监控的固件。 这个片子引脚很少, 以至于在线仿真接口占用了它所有的引脚。 用户监控是一个驻留在FLASH中的程序, 它允许片子在没有Vtst上的高电压、 晶振或模式选择脚的情况下进入监控模式。

IRQ引脚在大多数的MC68单片机中通常是一个输入口。 它需要承受高于Vdd的Vtst所需要的电压。 PTA0当其配置为输入口时, 可接收双向的COM串行信号。 在大多数的M68HC08单片机中, 这个引脚是键盘中断输入。 它同样是个模数转换输入和通用I/O。 如果在正常模式下, 它们被配置为一个输入口, 当COM信号被连接到这个脚就不会有冲突。 如果这个引脚被配置为一个输出口, 连接到这个引脚的电路必须要分离出双向的串行数据来避免冲突。

3 MCU内监控程序设计

进入监控程序入口, 监控程序启动。 完成以下操作:

(1)首先屏蔽中断。对模块进行初始化。

(2) 初始化RAM单元。

(3)初始化映像单元。

(4) 然后进入MAIN循环入口。

(5)接收上位机命令。

(6) 接收到上位机命令。 判断是不是通信同步握手信号A。 若与通信同步信号一致则建立好连接。 随后可以发送其他命令。

(7) 若不是通信握手信号, 则进行比较。 向上位机返回应答信号。

(8) 跳转到相应的命令处理入口。 返到MAIN循环入口。 继续等待上位机发送的其他命令。

4结语

采用基于芯片内监控的在线仿真系统可以以专用硬件仿真20%的成本, 实现其80%以上的功能。 而且由于片内监控方式不需要添加任何仿真硬件, 所以可靠性较高, 不需要进行后续维护。 所以基于芯片内监控的在线仿真技术仅依靠MCU内植入的特殊监控代码就可以实现专用硬件仿真器的大部分仿真功能, 成为当前研究的热点。 目前国内单片机实验系统绝大部分采用的是专用硬件仿真器, 专用硬件仿真器约占单片机实验系统总体成本的20%-40%。 如果单片机加入在线仿真技术, 将大幅度地降低产品的采购和维护成本, 非常有利于单片机技术在国内的普及。 片内监控调试技术是MCU调试技术的重要发展方向, 具有良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]王为青,程国钢.单片机Keil Cx51应用开发技术[M].北京:人民邮电出版社,2007.

[2]黄俊.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]王化祥.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社,2004.

在线仿真 篇2

注塑模具的岗位需求主要体现在以下方面:塑料模具设计;塑料模具维修;成型工艺参数的调整。由此可见塑料成型工艺在塑料模具课程中是一个重点部分,然而这部分内容比较抽象,在传统的教学过程中往往侧重于成型工艺的原理、过程以及成型参数相关概念的定义,这种传统教学模式离成型工艺调整这一岗位需求相差较大。成型工艺调整这一岗位的培养目标就是让学生能够正确调整成型工艺参数,生产出合格的塑料制品,要实现这一目标必须综合考虑:制品的形状、结构、尺寸,成型机的性能,材料的性能及材料的预处理等诸多因素对成型工艺设定的影响。本文介绍基于Flash脚本语言设计的注射成型工艺参数调整在线仿真软件。

2 设计过程分析

(1)工艺流程(如图1)

(2)制品分析

根据制品结构、形状、尺寸计算出制品的体积、质量、分型面投影面积以及制品的流程比。

(3)成型机的选取及材料选取

根据制品的体积、质量及分型面上的投影面积选取合适的注射成型机,并且校核注射量、锁模力。选取塑料材料并进行适当的干燥处理,根据材料的流动性的流程比来校核制品的流程比。

(4)工艺参数的设定

根据制品的形状、结构、尺寸、材料的性能等因素确定合适的成型工艺参数,调整料筒温度、喷嘴温度和模具温度,温度过低则塑料熔体流动差,不利于充模,温度过高则易产生分解,制品变开、变色。设定注射压力、保压压力、保压时间和冷却时间。

(5)制品评价分析

根据成型参数的设定,通过仿真计算,对制品的总体性能进行评价。并分析工艺参数的设置对制品性能的影响。

3 程序摘要

for(i=0;i<9;i++)//i代表注射成型的参数序号(如i=5时读取的为注射压力,cai[cl][i][0]表示某种塑料注射压力的下限值)

4 结语

通过以上程序的仿真练习,让学生了解成型工艺参数的设定对制品性能的影响,最终让学生能够正确设定成型工艺参数并生产出合格的产品。本程序侧重于原理与过程的仿真,对于塑料模具的教学具有较强的适用性,程序采用Flash设计,可以上传互联网进行在线仿真练习,测试程序参见http://liu.web-28.com/。

参考文献

[1]屈华昌.塑料成型工艺与模具设计[M].北京:高等教育出版社,

在线仿真 篇3

随着我国电力系统的发展,特别是全国联网和特高压电网建设的逐步实施,电网规模将会进一步扩大。目前,电力公司已具备了良好的调度自动化基础,EMS高级应用软件功能保持了良好的运行记录。但目前为止,方式部门仍然采用离线的电力系统综合分析程序PSASP作为分析工具,不能直接使用在线数据。这种情况下由于离线分析程序尚停留在人工输入数据和计算上,数据录入不但繁琐量大,而且不能及时反映电网的实际运行工况,致使得出的计算结果与实际情况有一定差异,其最终结果是影响了方式部门对运行方式分析的效率与正确性。更具有重要意义的是在基于机群系统的并行分布式平台上,研究人员可以利用基于在线数据接口的电网数字实时仿真软件,在设计的电力系统实际装置投入电网运行前,校验研究这些装置如继电保护装置、安全稳定控制装置等对电网运行的影响,排除今后这些设备可能对电网运行产生的不利因素。

1 数据通信方案和系统配置

1.1 电网数字仿真实验室和能量管理系统(EMS)数据通信方案

为了在高速、稳定、可靠的调度数据网基础上提供统一的、可管理的、可扩展的实时数据服务,支持各厂家SCADA/EMS系统的接入,并可进行各种端系统接入的扩展,调度数据交换平台通过“中心站/子站通信网关广域网通信网关中心站/子站”模式实现省调中心站和电网数字仿真实验室之间的信息交换。为了EMS系统的安全和数据传输的稳定性,可采取以下数据通信方案,方案连接部署图如图1。

调度中心的EMS服务器将EMS系统产生的实时数据(或状态估计以后的数据)保存为文件,将电网结构以IEC61970的CIM模型方式存为XML文件,通过横向正向隔离装置传送到数据转发服务器上。然后通过互联防护墙以综合业务数据网的专用VPN为通道,传送到电网数字仿真实验室的数据接收服务器上,为电网数字仿真实验室提供实时数据和电网模型。

1.2 CIM模型和E格式量测数据的导出

E格式量测文件原则上一个断面一个文件,文件定义采用TXT文本格式,量测数据包括有功、无功、电流、电压、档位、开关刀闸状态等。量测值和量测状态依次成对出现,前面一个是量测值,后面一个是量测状态。对于遥测值,采用数字描述其大小;对于遥信,1表示为合,0表示为分。厂站内同一类型设备名必须唯一。变压器一个绕组的量测占一行信息,其绕组名为设备名,必须站内唯一。CIM模型中包括电网网络结构、元件参数和量测映射关系。由于量测数据从E格式文件中获取,因此为了进一步提高模型拼接的效率,各区域提供的CIM模型只需要包括静态模型即可,即将目前各区域提供的CIM全模型中的量测部分去掉。

1.3 硬件配置

电网数字仿真实验室的硬件配置符合“在线PSASP”的体系结构原理,满足系统功能和性能要求,并且符合实时性、安全性和可靠性原则。硬件具有一定的先进性并根据实用性原则进行优化配置。使系统达到较高的性能价格比。目前电网数字仿真实验室实时仿真装置已有的硬件设备已经具备实施在线数据接口项目的条件。已有的硬件设备中设置一台在线数据接口服务器,专用于电网数字仿真装置同省网EMS系统交换处理数据用。典型的网络主要节点构成如图2所示。

1.4 软件配置

电网数字仿真实验室在线接口软件具有如下的配置方案:运行在在线数据接口服务器上的在线数据整合软件一套(Linux系统,简称服务程序);运行在各电网数字仿真软件工作站上的电网数字仿真装置在线运行软件一套(Windows系统,简称PSASP客户程序)。电网数字仿真实验室在线接口软件功能包括:在线网络拓扑、整合潮流、在线潮流等。所有应用软件在统一的支持软件平台上,有较好的统一风格的数据库及人机界面,并能够共享公共电力系统模型及数据库。系统应用软件分布模式如图3所示。

2 在线数据接口服务程序设计

2.1 服务程序的功能

服务程序运行在在线接口服务器上,主要功能如下:自动或手动从EMS调度自动化系统中获取状态估计后的河北电网模型、在线运行数据断面,导入到电网数字仿真系统的基础数据库中;基于在线电网模型和运行数据进行拓扑分析和潮流计算,验证在线潮流合理性;建立在线与离线数据映射表,利用在线模型以及在线运行数据替换相应的电网数字仿真系统离线数据模型;调整离线模型中与在线不一致部分,使整合后的数据与在线运行方式尽量匹配,在电网数字仿真系统中进行暂态稳定,小干扰等电网分析计算;自动生成或者按用户指定的间隔生成在线运行方式数据。

2.2 在线数据整合功能设计

(1)在线数据导入功能;

(2)在线/离线设备自动映射功能;

(3)拓扑分析功能;

(4)在线/离线模型自动替换功能;

(5)外网调整与潮流计算。

采用潮流调整算法调整省外发电与负荷出力,使得合并后的省际联络线潮流与在线运行一致。

3 客户程序设计

3.1 客户程序的功能

客户程序运行在有服务程序运行的局域网内,需要有电网数字仿真系统程序的配合运行。客户程序具有如下功能:客户程序运行配置参数管理;网络连接参数设置管理;通信启动与停止;在线潮流数据刷新控制;基于在线数据进行暂稳计算分析、小干扰稳定分析等计算;FTP下载功能自动或者手动从服务器获得潮流计算方式等。

3.2 客户程序的通信设计

客户程序的网络通信关系如图4所示。客户程序从服务程序处或者在线数据;客户程序从服务器FTP服务处获得在线潮流计算方式;客户程序向PSASP人机界面发送潮流断面数据等。

在通信意义上,客户程序是服务程序的客户端,其退出系统或者加入系统不会影响到服务程序的正常运行。

4 结束语

电网数字仿真实验室通过与调度系统EMS实时数据的接口,实现对电网实际运行数据和网络数据的转换功能,可定时或事件自动启动获得调度端电网运行数据和网络数据断面作为分析计算的基础,具备机电暂态和电磁暂态混合的大规模电网实时仿真计算功能,承担全国联网条件下区域电网稳定分析和在线分析计算。加入了在线数据接口后,PSASP可进行全面的在线计算分析,可应用于在线电力系统静态、动态安全评估与预警,为电网安全可靠运行提供了保障。

摘要：介绍电网数字仿真实验室在线数据接口开发的总体方案。电网数字仿真实验室已有的硬件设备中设置一台在线数据接口服务器,专用于电网数字仿真装置同省网EMS系统交换处理数据用。电网数字仿真实验室在线接口软件包括在线数据整合软件一套和电网数字仿真装置在线运行软件一套。电网数字仿真实验室在线接口软件功能包括:在线网络拓扑、整合潮流、在线潮流等。

关键词：EMS,在线数据接口,拓扑分析,整合,映射

参考文献

[1]刘媛.厂网间电力调度数据交换及互联探讨.广西电力, 2007(6)

[2]石俊杰,李毅松,彭清卿.国家电网公司调度系统数据整合总体方案的思考.电力信息,2006,4(6)

在线仿真 篇4

蒸汽加热器主要是利用蒸汽的冷凝热对工艺介质进行加热,是空分行业、石化工业、食品工业和冶金等工业中应用非常广泛的单元操作设备之一。在蒸汽加热过程中,需要对换热器出口温度进行定值控制,以保证生产过程的正常进行,所以蒸汽加热器出口温度的控制问题便成为工业生产中一项十分重要的内容[1]。

2 直接蒸汽加热器工艺简介

直接蒸汽加热器是一种直接将蒸汽与被加热介质相混合的一种加热方式,当出水温度偏离目标值时,通过调节加热蒸汽量来使出口温度自动恢复到设定目标值范围内。其工艺控制系统流程如图1所示。温度自动控制系统方框图如图2所示。

3 自动控制系统数学模型

3.1 加热器对象模型[2,3]

考查加热器内热量的变化情况,假设在单位时间(dt)内流入加热蒸汽所含热量为qs,流入冷流体所含热量为qc,流出热流体所含热量为qa,其它热损失可忽略不计。根据热量守衡定律,单位时间内热量进入量与热量流出量之差等于加热器内热量积存量U的变化量,即:

dU=(qs+qc-qa)dt (1)

式中:qs、qc、qa、U——中间变量,与流体参数之间的关系是:qs=W·H;qc=Gc·cc·θc;qa=Ga·ca·θa;dU=V·γ·ca·dθa;V——加热器内液体的体积,可假定为常数;γ——流体密度,可假定为常数;W、H——加热蒸汽的流量和热焓;θa、θc——热、冷流体温度;Ga、Gc——热、冷流体流量;ca、cc——热、冷液体的比热,假设近似相等,并统一用cc表示。

则式(1)变为:

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假设蒸汽用量比流体流量小很多,则可忽略不计,则Ga=Gc,从而上式可简化为:

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这里选加热蒸汽流量W为控制变量,并假设冷液体温度θc为干扰变量,即当温度设定值或冷液体温度发生变化而导致热流体温度θa偏离设定值时,温度控制器TIC101通过调节蒸汽调节阀的开度以调整加热量从而使出水温度自动恢复到设定值附近。上式采用前向差分离散化后有:

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式中:H(k)、H(k-1)——液位当前测量值、液位前次测量值。

3.2 调节阀模型

蒸汽调节阀选用线性阀,假定蒸汽压力不变,则蒸汽流量与阀门开度成正比,考虑到执行机构的滞后特性,可表示为:

W(t)=c·M(t-τ) (4)

3.3 测量通道模型

工业上通常可用热电阻或热电偶完成温度信号的测量和转换,通常由于测温元件具有一定的热容性导致温度测量环节的输出信号与温度特性呈一阶惯性的动态关系,其离散关系式可表示为[4,5,6,7]:

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3.4 PID调节器模型[1,2]

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E(t)=R(t)-H(t)

式中:kP——比例放大倍数;TI——积分时间常数;TD——微分时间常数;E(t)——系统余差。

离散化后有:

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E(k)=R(k)-H(k) (7)

通过以上分析,式(3)～式(7)给出了图2所示方框图中各环节的动态输入、输出关系,通过编制程序,即可实现对直接蒸汽加热器温度自动控制系统的仿真。

4 控制系统仿真

直接蒸汽加热器在线仿真结构原理如图3所示。程序运行中随时可接受控制参数及设定值或干扰变量的变化,通过PID运算能自动调整被控变量恢复到设定目标范围内,人机界面与生产过程中实际在线DCS画面一致。

图4中,时间段A为设定值①改变时系统自动调节出口温度②跟随设定值而变化,时间段B是进水温度干扰时系统自动调节出水温度恢复到被控目标范围内的过度过程。由图可知,当PID输出阀位信号⑧发生变化时,由于执行机构滞后的存在,使得蒸汽流量④的变化发生了滞后;另外通过图中仿真曲线可以较为清楚地了解比例作用⑤、积分作用⑥以及微分作用⑦对PID输出⑧的贡献,这对于系统维护人员正确设置和调试PID参数提供了有效的帮助。

注:①——温度设定值;②——温度测量值;③——系统余(偏)差;④——蒸汽流量;⑤——比例输出;⑥——积分输出;⑦——微分输出;⑧——阀位信号

5 结 论

通过机理分析,建立了加热器温度对象和控制通道的数学模型,并分别编制了加热器温度对象、测量环节、PID控制器和调节阀单元模拟程序和基于组态软件的人机接口界面。仿真程序运行过程中可实时修改和调整过程运行参数,从而实现对蒸汽加热器出口温度自动调节过程的在线仿真。在PID控制器微分运算时以被控变量的微分代替偏差的微分,避免了因设定值的变化引起的微分项的输出锐变。仿真过度过程与实际装置控制过程基本吻合,仿真曲线和仿真数据对生产人员维护自控系统具有很高的参考价值。

摘要：以直接蒸汽加热器为研究对象,通过机理分析法建立了直接蒸汽加热器温度控制回路各环节的数学模型。利用组态软件编制仿真界面,通过DDE接口与差分数字化模型程序进行通讯,仿真程序运行过程中可实时修改和调整过程运行参数,从而实现了蒸汽加热器出口温度自动控制过程的在线仿真。

关键词：PID控制器,直接蒸汽加热器,仿真,在线

参考文献

[1]周春晖.化工过程控制原理[M].北京:化学工业出版社,1995.

[2]王骥程,祝和云.化工过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,1988.

[3]刘思华,王英.基于相角裕度优化的PID参数整定方法研究[J].化工自动化及仪表,2008,35(1):17-19.

[4]吴国垣,李东海,薛亚丽.蒸馏塔分散PID控制器整定研究[J].化工自动化及仪表,2004,31(3):42-44.

[5]SYRCOS G,KOOKOS L K.PID Controller Tuning UsingMthematical Programming[J].Chemical Engineering andProcessing,2005,44(1):41-49.

[6]左信,韩建立,殷卫兵,等.PID仿真培训软件的开发及应用[J].化工自动化及仪表,2006,33(2):84-87.

在线仿真 篇5

在推进节能减排工作中,中国大中城市都明确要逐步限制和淘汰燃煤工作,用天然气锅炉取代。天然气锅炉具有热效率高、运行能耗低、燃料运输能耗低和制造钢材消耗低等优点,所以天然气锅炉应用普遍增多[1,2]。

天然气锅炉的排烟热损失占热损失的比例最大,一般达到6%～15%,所以对排烟热损失的考核具有重大意义。按GB/T 10180—2003工业锅炉热工性能试验规程计算排烟热损失时,涉及到现场参数和天然气分析数据,这不便于现场对排烟热损失进行计算考核[3]。

本文采用MATLAB对排烟热损失编程计算,同时将天然气分析数据进行拟合回归,得到现场快捷计算排烟热损失的公式。利用现场测试数据,按GB/T10180-2003工业锅炉热工性能试验规程标准对快捷计算排烟热损失公式进行验证,表明该公式具有很高的精度,完全满足现场排烟热损失计算的应用。

1 排烟热损失规程计算

现场对天然气锅炉进行热工测试,在锅炉正常运行状况下,固体未完全燃烧热损失和灰渣物理热损失看做零值,而气体未完全燃烧热损失和锅炉表面热损失一般都变化不大且比较小,所以锅炉热损失主要集中在排烟热损失。

按GB/T 10180-2003工业锅炉热工性能试验规程,天然气锅炉的热损失计算公式见式(1)至式(8)。

式中N2,CO2,O2,CO,H2S,H2,CmHn分别为气体燃料中对应成分的容积含量百分比,%。

式中,V0H2O为理论水蒸气容积,m3/kg;VH2O为排烟处水蒸气体积,m3/kg;Vgy为排烟处干烟气体积,m3/kg;Vpy为排烟处烟气体积,m3/kg。

式中,Qr为输入热量,kJ/kg;tpy为排烟温度,℃;tlk为冷空气温度,℃;cgy为干烟气平均定压比热容,kJ/m3/℃;clk为空气平均定压比热容,kJ/m3/℃;cH2O为水蒸汽的平均定压比热容,kJ/m3/℃;q2为排烟热损失,%。

2 排烟热损失模拟算法

将式(1)至式(8)逐层迭代,考虑到现场实际,取cgy为1.36,clk为1.32,cH2O为1.53,得到式(9)。

其中:

采集16家企业的燃用天然气进行成分分析,鉴于篇幅的限制,在此只列出其中10家天然气成分分析数据得出结果见表1。

将天然气成分分析的数据矩阵代入式(9),经MATLAB编程计算,得出结果见图1。

经过拟合回归得,A=0.036 7,B=0.004 6,C=0.035 0。

经上所述,得排烟热损失快捷计算公式见式(10)。

3 排烟热损失模拟值的分析

取9台天然气工业锅炉的能效测试数据进行验证该快捷计算方法的可靠性。排烟热损失模拟值与实算值的比较数据见表2和图2。

由表2可知,排烟热损失模拟值和实测值的绝对误差均小于5%,完全满足现场测试精度要求;由图2可知,在现场实际,该快捷模拟计算方法具有较高的准确性,满足在线快速获取排烟热损失的要求。

4 结论

a)应用MATLAB来在线快速模拟排烟热损失的计算方法具有较高的可靠性和准确性,能满足现场测试排烟热损失的要求;

b)应用在线仿真计算排烟热损失,可以减轻现场测试的工作量,减少天然气分析环节,提高工作效率;

c)在线仿真计算方法可以根据现场实测的几个重要参数来快速计算锅炉排烟热损失,这为锅炉实现现场效率测试提供了一种思路,同时也方便现场工作人员根据此在线快速调节锅炉运行参数,使得排烟热损失尽量降到最佳值。

摘要：由于环保和节能的原因,燃天然气工业锅炉的应用日益增多,其节能减排工作也日益突出。燃天然气工业锅炉排烟热损失是热损失中最重要的一项,研究一种现场快捷计算排烟热损失显得意义重大。排烟热损失计算涉及到现场数据和天然气分析数据,为实现现场快捷计算排烟热损失,采用MATLAB软件对排烟热损失进行编程计算,并对天然气分析数据进行拟合回归,模拟出排烟热损失的现场快捷计算方法。利用现场测试数据验证,表明该快捷模拟算法具有较高的精度。

关键词：工业锅炉,节能,天然气,热工测试,排烟热损失

参考文献

[1]李茂东,黎华,钟志强.工业锅炉能耗现状分析与节能措施[J].石油和化工设备,2009(07):67-69.

[2]史培莆.工业锅炉节能减排应用技术[M].北京:化学工业出版社,2009:70-75.

在线仿真 篇6

随着我国城市电网改造进程的逐步加快, “缆化工程”即110k V及以上电压等级的线路电缆化率的逐渐提高, 高压电缆分支箱、环网柜等新设备投运量的逐渐增加, 使得110k V及220k V的全电缆线路及混合电缆线路的多分支网络化结构开始形成规模;同时, 目前变电所多数为GIS线变组结构, 变电所侧相应采用GIS电缆终端接入GIS气室的结构较多。电缆的故障探测出现了新的难点, 尤其对多分支电缆的故障检测和混合线路的故障检测, 较难实施以往行之有效的方法。主要表现为:①从检测方法来讲。常规高压脉冲检测法是电缆故障探测方法中较为常见的一种注入信号方法, 在电缆终端一侧的分立端口处注入高压探测信号, 在分支处进行接地和不接地处理。但当前, 电缆的接口安全增加的同时, 电缆的各终端均在变电所内, 很多是无户外终端杆形式结构, 使得线路维修人员无法有效地接入故障探测需要注入的测量信号, 以往常规的拆搭头线的方法难以实施, 而GIS气室拔下GIS电缆终端受相关人员及设备的限制, 无法确保质量的可靠性。②从电缆敷设结构拓扑来讲。传统的阻抗测距法伴随高压电缆接头和分支的增加, 使得故障探测脉冲信号在传输中发生衰减, 检测误差随机性的增大, 因而不能有效地对线路参数进行预估, 致使故障判断的距离计算出现不定量的偏差。③从电缆的接地方式来讲。由于110k V/220k V电压等级的电力电缆故障电流非常大, 所以采用铝护套直接接地方式和经过避雷器接地方式, 部分采用交叉互联的连接方式, 使得测量信号也受到其影响, 严重影响脉冲电流法等探测方法的探测精度。④从电缆自身的结构来讲。单芯电缆广泛应用于110k V及以上电压等级, 电缆线路大部分为直接接地故障, 且部分为高阻接地, 为检修方便相关的技术方法为拆除该故障相, 使得传统低压电桥法 (需要借助完好相) 、传统中压二次脉冲法中与完好相对比的方法等也难以实施, 探测方法受到了较大的影响。

2 本文采用的方法

110k V及以上电缆线路大部分采用单芯电缆, 其金属护套的接地方式不同于配网两端直接接地方式, 考虑到正常运行时对金属护套感应电压、金属护套环流的限制, 金属护套常采用三种方式接地:I段式、II段式、III段式, 其中III段式包括交叉互连和I段式加II段式。

110k V电缆线路主要短路故障类型为两相短路、三相短路、单相接地短路, 其中前两种故障类型短路电流基本上是通过电缆线芯形成回流, 流过金属护套中的电流比较小, 金属护套电流的影响可以忽略。

当发生单相接地故障时, 若电缆金属护套采用I段式、II段式连接方式, 故障指示器安装时能把金属护套环流消除, 直接测到的是线芯电流。若电缆金属护套采用交叉互连方式, 金属护套充当回流线的作用, 使得金属护套中有故障电流流过, 同时也有感应电流流过, 该感应电流是因为三相电缆线芯电流不平衡引起的感应电流。因为工程安装的限制, 故障指示器需直接安装在电缆外面, 这时指示器测到的电流不但有故障电流还有金属护套上流过的电流。

本文介绍一种尤其适用110k V/220k V辐射性线路或者系统侧为接地系统、用户侧为不接地系统故障的在线检测方法, 其核心原理是借鉴配网系统的故障指示装置, 通过仿真不同地点的故障, 分析高压单芯电缆故障时电流的变化规律, 确定故障区段, 从而缩小检测范围。

现根据单芯电缆的结构, 按照工程中的数据, 利用PSCAD对单回路三相电缆的主绝缘故障 (导体与金属护套短接时) 建立仿真模型, 其中的电缆参数按照沈阳古河电缆公司生产的110k V铜芯XLPE绝缘皱纹铝护套电力电缆 (标称面积400mm2) 中的参数进行设置。

3 110k V电缆线路的单相接地故障仿真

线路电缆护层采用交叉互联接地方式, 故障相为A相, 故障点的位置发生主绝缘 (导体与金属护套短接时) , 线路电压等级为110k V, 故障持续时间为1s, 水平排列, 每相电缆之间的间距为0.2m, 地下电缆深度为2m。

当故障点发生在交叉互联第二大段中的第二小段时 (见图1) , 在故障点前测量点3 (交叉互联第一大段中的第三小段) 、测量点5 (离故障点前最近的一组指示器) 及故障点后测量点6 (离故障点后最近的一组指示器) 检测的A、B、C三相电流幅值的仿真结果如表1 所示。

正常负荷电流约为195A, 功率因数为0.9。金属护套的电流约为24A, 护套电压约为0.2V。正常情况及各测量点电压电流波形如图2~6 所示。

4 故障判断原理

4.1 故障电流的分布规律

以A相单相接地故障为例, If为故障电流, 如图7所示。

故障指示器在1、2、3 处测的电流为 (忽略护套感应电流和负荷电流) 如表2 所示。

同理可得到B、C相及不同位置发生单相接地短路时, 指示器测到的电流都符合如下规律:故障点前测量的故障相电流大于1/2 故障电流, 故障点后测量的故障相电流小于1/2 故障电流;故障点前非故障相 (故障点到相距最近的接地点之间) 测量电流有可能大于1/2 故障电流, 故障点前其他非故障相测量电流小于1/2 故障电流;故障点后非故障相测量电流小于1/2 故障电流。

当系统最大和最小短路电流相差不大时, 1/2 故障电流值比较容易确定, 实际现场大多数是这种情况;然而当系统最大和最小短路电流相差比较大时, 宜采用主站集中式动态判断方法:主站实时判断通过光纤通讯的电流值, 当发现相邻的两点之间电流值之比大于1.3, 即判定短路故障点在此处。

4.2 故障判断原理

(1) 安装位置

电缆线路故障原因大部分是因为交叉互连接头绝缘不好造成的接地短路, 故指示器安装在交叉互连或接地箱处。

(2) 功能

解决以下两种状态下发生的故障:电缆线路送电时开关合到故障上;运行中发生的短路故障。

(3) 判据

电缆线路发生短路故障时, 线路电流的一个变化特征是:电流有一个正的跳变;另一个特征是:在发生短路故障后的一个很短的时间间隔内, 线路在继电保护装置的控制下, 故障电流会被出口断路器切断从而线路电流下降为零, 如图8 所示。

1) 检测电流是否大于定值。检测电流是否大于过流定值, 并持续一个 ΔT时间, 该时间与现场安装的指示器保护装置定值配合;I > IsetΔT>Tset;过流定值的大小选择为短路电流的0.5 倍, 当指示器检测到电流大于0.5倍短路电流 (该短路电流需要预先设置) , 并持续一个ΔT时间, 故障判断启动。

2) 检测线路是否断电。从故障判断启动开始计时, 在规定的时间内若指示器检测到线路无电则指示器判定为故障, 否则不判为故障。

3) 给出故障信号。若指示器检测到故障, 进行当地发光指示, 并可以与主站系统通讯进行自动故障定位。

4) 故障区段定位。采用以上判据可保证故障相故障点前指示器动作, 故障点后指示器不动。那么故障区段就是在最后一个动作指示器和后面第一个没有动作指示器之间的线路上。由于交叉互连环流的影响, 非故障相有可能也会动作, 那么两种方案排除非故障相动作的问题:①若有主站系统, 故障指示器会把故障数据送到主站, 主站比较各点的故障电流大小, 确定故障相, 故障区段。②若无主站系统, 需要同变电站配合, 先确定故障相, 然后顺着故障相, 根据故障指示器指示查找故障区段。

5) 躲励磁涌流。一般励磁涌流是两倍的变压器额定电流 (最大为8 倍) , 一般短路电流比励磁涌流大, 综合考虑三种方式躲励磁涌流。若变压器空载投入, 励磁涌流导致指示器误动, 可采用来电复位的办法复位指示器;若变压器投入时负荷大于某个固定值, 那么不符合指示器动作条件, 指示器不会动作;另外适当增加过流延时时间躲励磁涌流。

5 结束语

基于此原理设计生产的适用于110k V/220k V电缆的专用故障指示器首次应用罗氏线圈方式进行信号采集, 具有大电流不易饱和的特性, 采集电流范围 (0~15000A) 广泛, 不仅覆盖全部电力电缆的各种应用环境, 还可以进行有效地电气量检测, 并能够有效规避线路重合闸、变压器空载投切的励磁涌流及负荷空载投切等各种干扰。结合光纤通讯的优点, 可靠地将故障电气量上传到调度中心, 汇集成电力系统综合判定故障区段的数据, 判定故障以协调相关人员进行快速修复线路故障、恢复系统供电, 大大减少故障巡线时间, 提高供电可靠性。目前已在现场运行中取得了良好的效果, 受到用户好评。

摘要：根据单芯电缆的结构, 按照工程中的数据, 利用PSCAD对单回路三相电缆的单相接地故障建立仿真模型。通过分析故障点发生在不同位置时, 3个测量点检测的A、B、C三相电流幅值分布规律, 同时充分考虑实际运行环境中遇到的问题, 力求逻辑严密, 从而提炼出故障判断原理。基于此原理设计生产的适用于110kV/220kV辐射性线路或者系统侧为接地系统、用户侧为不接地系统的专用故障指示器已在现场运行中取得了良好的效果。