CN114822134B - 一种基于树莓派的配电自动化***实训方法和实训平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于树莓派的配电自动化***实训方法和实训平台，首先根据典型配电线路拓扑结构，构建典型配电线路微型实训装置；然后通过控制信号线完成树莓派的GPIO口对各个继电器以及短路模块的状态控制，实现配电自动化***的模拟；最后根据实训人员输入各个继电器的开合控制命令时序，自动实现整个电路中继电器的控制，并给出实训人员的得分。本发明占地面积小、经济性好，利用实训人员输入的各个配电自动化终端的开合控制命令时序，通过监测到的配电线路实际运行状态来评判实训人员对配电自动化***动作逻辑技能的掌握情况得分。
Description
技术领域
本发明属于电力技术领域，具体涉及一种基于树莓派的配电自动化***实训方法和实训平台。
背景技术
配电自动化终端主要用于配电网正常运行时的电压电流数据采集与监测、配电开关状态采集与开合遥控等。配电自动化终端是配电自动化***的重要组成部分。随着配电自动化***在国家电网和南方电网的大规模推广应用，配电自动化终端、配套的通信***以及配电主站的数量呈现爆发式增长态势。目前多个城市的配电自动化终端达到数万级别，配电自动化主站与配电自动化终端通过通信***实现双向交互，为配电网调度、运行与维护提供信息化支撑。
为提高员工对配电自动化***的操作熟悉度，评判员工对配电自动化***在故障定位、故障隔离与非故障区域供电恢复方面的知识达成度，有必要建立配电自动化***实训平台。
现有的配电自动化***实训平台多基于真实的配电自动化终端、配电主站构建，占地面积广、经济投入大，不便于在职业技术学院中推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于树莓派的配电自动化***实训方法和实训平台，用于实现对配电自动化***的模拟功能。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于树莓派的配电自动化***实训方法，包括以下步骤：
S0：根据典型配电线路拓扑结构搭建基于树莓派的配电自动化***实训平台，包括树莓派和配电线路微型实训装置；配电线路微型实训装置为包括若干个配电区段的低压直流电路，包括电池供电模块、电阻负载、继电器、短路模块和霍尔传感器；继电器的线圈端、短路模块的受控端分别连接树莓派的GPIO口；继电器的触点端串联在电池供电模块的输出端与电阻负载之间；短路模块并联在电阻负载两端；霍尔传感器的信号输出端连接树莓派的GPIO口；
S1：树莓派通过GPIO口输出控制命令控制配电线路微型实训装置的继电器状态；
S2：实训人员分别输入对每个继电器的开合控制命令时序；
S3：树莓派通过霍尔传感器采集配电线路微型实训装置的电压电流状态，根据收到的电压电流状态评判实训人员对配电自动化***动作逻辑技能的掌握情况得分，并展示电路中的冲击电流以及电阻负载停电时间。
按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：通过树莓派设定故障位置位于配电线路微型实训装置的第i个区段内，并控制接入在第i个区段的短路模块产生故障。
进一步的，所述的步骤S2中，具体步骤为：设Sm,i(ta,tb)为当第i个区段故障时第m个继电器由实训人员设定的状态标志，j表示设定的具体状态，j＝1表示继电器处于闭合状态，j＝0表示开断状态；当第i个区段的短路模块产生故障时实训人员分别输入对总共Nr个继电器的开合控制命令时序，控制第m个继电器在大于时间ta且小于时间tb内动作，使状态标志Sm,i(ta,tb)＝j。
进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：
设ik为树莓派收到的第k个区段的电流，iset表为预设的电流阈值，n(ik＞iset)为第k个区段的电流超过电流阈值的时间，dset为检测到故障电流后断路器跳闸时间；
设Nl为配电线路微型实训装置的配电区段的总数，loadm为流过第m个电阻负载的功率，Nload为配电线路微型实训装置的电阻负载综述，吧表示第m个电阻负载未接入第i个区段；
树莓派根据收到的电压电流状态，评判实训人员对配电自动化***动作逻辑技能的掌握情况得分Score：
若第k个区段的电流超过电流阈值的时间大于检测到故障电流后断路器跳闸时间，则实训人员的掌握情况得分Score为0；
若第k个区段的电流超过电流阈值的时间大于检测到故障电流后断路器跳闸时间，且流过第m个未接入第i个区段的电阻负载的功率为0，则实训人员的掌握情况得分Score为80；
若第k个区段的电流超过电流阈值的时间大于检测到故障电流后断路器跳闸时间，且除第i个区段的电阻负载的功率均不为0，则实训人员的掌握情况得分Score为100。
一种基于树莓派的配电自动化***实训平台，包括树莓派和配电线路微型实训装置；配电线路微型实训装置为低压直流电路，包括电池供电模块、电阻负载、继电器、短路模块和霍尔传感器；继电器的线圈端、短路模块的受控端分别连接树莓派的GPIO口，用于接收树莓派发送的控制命令；继电器的触点端串联在电池供电模块的输出端与电阻负载之间；短路模块并联在电阻负载两端；树莓派用于通过GPIO库对继电器和短路模块进行控制，模拟配电自动化主站的功能实现电路的开合；霍尔传感器的信号输出端连接树莓派的GPIO口，用于上传采集的电压电流。
进一步的，配电线路微型实训装置包括6个配电区段；配电线路微型实训装置包括5个电阻负载和7个继电器。
一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行一种基于树莓派的配电自动化***实训方法。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种基于树莓派的配电自动化***实训方法和实训平台，根据典型配电线路拓扑结构在树莓派上搭建典型配电线路微型实训装置，通过控制配电自动化***的继电器和短路模块的状态，实现了对配电自动化***的模拟功能。
2.本发明根据实训人员输入各继电器的开合控制命令时序实现对整个电路的继电器的控制，通过监测到的配电线路实际运行状态来评判实训人员对配电自动化***动作逻辑技能的掌握情况，以此实现对实训人员的评分功能。
3.本发明占地面积小、经济性好，成本低，适宜在教学实验领域推广。
附图说明
图1是本发明实施例的架构图。
图2是本发明实施例的构建流程图。
图3是本发明实施例的元件编号图。
图4是本发明实施例的实训人员输入的继电器开合控制命令时序图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明的实施例利用树莓派的通用输入/输出端口(GPIO口)接入继电器和电流电压传感器，实现树莓派对继电器开合操作以及相应的电流电压采集；将继电器置于与典型配电线路拓扑结构相同的电路中；最终通过树莓派实现了电路各处继电器的动作逻辑设定、控制以及电流电压的采集，可用于模拟整个配电自动化的运行过程。
参见图2，本发明的一种基于树莓派的配电自动化***实训方法，包括以下步骤：
S1：根据典型配电线路拓扑结构，构建典型配电线路微型实训装置。首先建立5V电压等级的印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)电路，电路拓扑结构与典型配电线路的拓扑结构保持一致，预留继电器模块、电阻负载、锂电池供电模块、霍尔传感器的接入位置；然后将继电器模块、电阻负载、锂电池供电模块、短路模块与霍尔传感器接入PCB电路中。
S2：通过控制信号线，将霍尔传感器、继电器、短路模块接入树莓派的GPIO口，实现电压电流的采集以及继电器的控制。
S3：通过树莓派的GPIO口对各个继电器以及短路模块的状态进行控制，实现配电自动化***的模拟。树莓派对各个继电器以及短路模块的统一控制通过GPIO库实现，模拟配电自动化主站的功能；各个继电器以及配套的霍尔传感器模拟配电自动化终端与配电开关，实现电压电流的采集和电路的开合。
S4：在树莓派实现的配电自动化***模拟平台上，给定故障位置，并控制对应的短路模块产生故障，根据实训人员输入各个继电器的开合控制命令时序，自动实现整个电路中继电器的控制，并给出实训人员的得分，以及展示电路中的冲击电流以及电阻负载停电时间，以提高实训人员对配电自动化***运行的操作熟悉度。
S41：给定故障位置位于典型配电线路微型实训装置的区段i内，即控制接入在区段i上的短路模块发生故障，要求实训人员输入所有Nr个继电器各自的开合控制命令时序，具体为给定第m个继电器在区段i内故障时的状态标志Sm，i，格式为Sm,i(ta,tb)＝j，其中Sm,i(ta,tb)为当区段i内故障时第m个继电器在大于时间ta和小于时间tb内由实训人员设定的状态标志，j表示设定的具体状态，j＝1表示继电器处于闭合状态，j＝0表示开断状态。
S42：根据实训人员设定的所有Nr个继电器的开合控制命令时序，树莓派通过GPIO口输出控制命令，真实控制典型配电线路微型实训装置的继电器状态，并采集典型配电线路微型实训装置电路中的电压电流状态。
S43：根据整个过程中监控到的电压电流状态，评判实训人员对配电自动化***动作逻辑技能的掌握情况得分Score，具体如下：
上式中，iset表示实现由培训师事先设定的电流阈值；ik代表树莓派监测得到的典型配电线路微型实训装置的第k个配电线路区段的电流；n(ik＞iset)＞dset代表第k个配电线路区段的电流超过电流阈值的时间超过dset，dset值一般由检测到故障电流后断路器跳闸时间所决定，一般取为1s；Nl代表典型配电线路微型实训装置的配电线路区段总数；loadm代表流过第m个电阻负载的功率，Nload代表典型配电线路微型实训装置的电阻负载综述；代表第m个电阻负载未接入所设定的故障区段i内。
通过以上四步实现了一种基于树莓派的配电自动化***实训平台。
下面为说明一种基于树莓派的配电自动化***实训平台的有效性，结合附图1所示的配电线路微型实训装置的配电线路为例进行说明。共有5个电阻负载，6个配电区段，7个继电器，具体编号如附图3所示。
设定故障区段为区段3，某实训人员设定的继电器1、2、3、4、5、6、7的开合控制命令时序用附图4所示。
在附图4所给定的开合控制命令中，继电器1在检测到故障(0s时的故障、16s时继电器3闭合)后，经过1s延时开合；继电器1、2、3遵循就地式配电自动化终端的动作逻辑进行(检测到失压即可跳闸，检测到来压延时5s闭合，如果闭合到跳闸的间隔时间小于7s则闭锁自己)。树莓派将附图4中各继电器的开合控制命令时序发出后，最终通过监测的电流和负载表明，电流超过设定的阈值的持续时间不大于1s，除了电阻负载3失去供电外(电阻负载3接入了故障区段3)，其他负载均恢复了正常供电。故给出附图4所示的开合控制命令的实训人员的得分为100分，结果表明其掌握了配电自动化***的故障定位、故障隔离和非故障区域供电恢复的技能。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于树莓派的配电自动化***实训方法，其特征在于：包括以下步骤：
S0：根据典型配电线路拓扑结构搭建基于树莓派的配电自动化***实训平台，包括树莓派和配电线路微型实训装置；配电线路微型实训装置为包括若干个配电区段的低压直流电路，包括电池供电模块、电阻负载、继电器、短路模块和霍尔传感器；继电器的线圈端、短路模块的受控端分别连接树莓派的GPIO口；继电器的触点端串联在电池供电模块的输出端与电阻负载之间；短路模块并联在电阻负载两端；霍尔传感器的信号输出端连接树莓派的GPIO口；
S1：树莓派通过GPIO口输出控制命令控制配电线路微型实训装置的继电器状态；具体步骤为：通过树莓派设定故障位置位于配电线路微型实训装置的第i个区段内，并控制接入在第i个区段的短路模块产生故障；
S2：实训人员分别输入对每个继电器的开合控制命令时序；具体步骤为：设Sm,i(ta,tb)为当第i个区段故障时第m个继电器由实训人员设定的状态标志，j表示设定的具体状态，j＝1表示继电器处于闭合状态，j＝0表示开断状态；当第i个区段的短路模块产生故障时实训人员分别输入对总共Nr个继电器的开合控制命令时序，控制第m个继电器在大于时间ta且小于时间tb内动作，使状态标志Sm,i(ta,tb)＝j；
S3：树莓派通过霍尔传感器采集配电线路微型实训装置的电压电流状态，根据收到的电压电流状态评判实训人员对配电自动化***动作逻辑技能的掌握情况得分，并展示电路中的冲击电流以及电阻负载停电时间；具体步骤为：
设ik为树莓派收到的第k个区段的电流，iset表为预设的电流阈值，n(ik＞iset)为第k个区段的电流超过电流阈值的时间，dset为检测到故障电流后断路器跳闸时间；设Nl为配电线路微型实训装置的配电区段的总数，loadm为流过第m个电阻负载的功率，Nload为配电线路微型实训装置的电阻负载综述，吧表示第m个电阻负载未接入第i个区段；
树莓派根据收到的电压电流状态，评判实训人员对配电自动化***动作逻辑技能的掌握情况得分Score：
若第k个区段的电流超过电流阈值的时间大于检测到故障电流后断路器跳闸时间，则实训人员的掌握情况得分Score为0；
若第k个区段的电流超过电流阈值的时间大于检测到故障电流后断路器跳闸时间，且流过第m个未接入第i个区段的电阻负载的功率为0，则实训人员的掌握情况得分Score为80；
若第k个区段的电流超过电流阈值的时间大于检测到故障电流后断路器跳闸时间，且除第i个区段的电阻负载的功率均不为0，则实训人员的掌握情况得分Score为100。
2.一种计算机存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1所述的一种基于树莓派的配电自动化***实训方法。
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