配电网环网柜装置功能的模拟控制设计
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
国网福建省电力有限公司晋江供电公司、福州大学电气工程与自动化学院的研究人员晏岑铎、蔡超，在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文，在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文，开发出一种便携式开闭所离线仿真模拟装置。基于环网柜的基本电气过程，通过继电器和电子器件等，应用单片机和上位机控制完成了环网柜的实际模拟器。
采用继电器模拟环网柜开关，利用相应的辅助触点和按钮模拟电气五防，同时，编制相应的控制软件实现实际环网柜的手动、电动、远程、就近的控制操作，记录环网柜的操作，显示、输出、打印环网柜的操作记录，通过无线网络通信实现控制指令的远程传输。最后，对模拟器进行了便携式设计。
环网柜是一组将高压开关设备装在钢板金属柜体内或拼装间隔式环网供电单元的电气设备，其核心部件是断路器、负荷开关和熔断器。环网柜用于分合负荷电流、开断短路电流及变压器空载电流，一定距离架空线路、电缆线路的充电电流，起控制和保护作用，是环网供电和终端供电的重要开关设备。在现代智能电网中，环网柜作为配电网的智能终端成为智能电网建设的重要内容，而智能环网柜的研究技术也引起了专业人士的重视。
受电力系统结构规模、设备体积、重量和运行场合的限制，很多针对系统及其设备的试验调试和研究需要离线仿真研究。实际应用中的环网柜集中在变电站、工厂、住宅小区和负荷中心配电站等[1]，很难对其进行试验调试和模拟操作。本文开发了一种便携式的开闭所离线仿真模拟装置，便于实验室或培训时调试试验及其仿真。
基于环网柜的基本电气过程，通过继电器及电子器件，应用单片机控制和上位机传输控制协议（transmission control protocol, TCP）通信完成了环网柜的模拟控制，以供相关从业人员进行模拟学习和演示。采用继电器模拟环网柜的开关，利用相应的辅助触点和按钮模拟电气五防，同时，编制相应的控制软件，利用无线网络通信传递控制指令，实现环网柜的手动、电动、远程、就近的控制操作，并能记录环网柜的操作，显示、输出、打印环网柜的操作记录。
1 仿真器主电路设计
1.1 环网柜基本电气单元
环网柜体内装有开关、熔断器等电气设备，其基本电气设备组成的电气单元示意图如图1所示。
图1 环网柜基本电气单元
中压馈线的进线装有负荷隔离开关，通过一个断路器把变压器接到环网系统上，既能保护变压器，又能隔离故障变压器，使环网不致断开。目前应用的环网柜都是在基本接线单元的基础上改进、扩展而成的。
本文基于实际环网柜的电气原理，通过继电器模拟环网柜开关，通过转换开关及其辅助触点模拟接地刀闸、隔离刀闸的分合；设计电气五防闭锁回路并采用单片机控制实现五防功能及调试、显示、记录和打印功能；通过上位机代码融合WiFi模块设计实现“三遥”功能。最后标准化定义端口，以备后续扩展，并进行模拟器便携式设计优化。
1.2 进线模拟控制
在该环网柜模拟装置中，进线端设置有断路器模拟开关和三工位负荷开关。进线柜断路器模拟开关控制电路如图2所示。5V直流继电器模拟进线断路器，继电器线圈采用电子晶体管放大驱动；单片机识读双工位开关信号后，快速做出控制响应，其输出信号至继电器端控制继电器（开关）动作。
开关的状态通过LED灯显示。如图2中所示，LED1（绿灯）灯点亮，表示断路器分闸，LED2（红灯）灯点亮，表示断路器合闸。正常工作时，应先负荷开关再合断路器，若操作不当，则激活报警装置。
图2 进线断路器模拟
负荷开关与接地刀闸电路如图3所示。2个5V直流继电器分别模拟负荷开关与接地刀闸，其控制原理与进线断路器相似，控制电路中采用三工位开关，控制两个继电器模拟负荷开关合闸/接地刀闸合闸/刀闸置空三工位的切换，三工位开关状态由红绿黄三组颜色的LED灯显示。
如图3所示，LED3（红灯）亮起表示三工位开关处于负荷开关合闸位置，单片机控制继电器1动作。LED4（绿灯）亮起表示三工位开关处于负荷开关分闸位置，此时继电器1和继电器2都不动作。LED5（黄灯）亮起表示三工位开关处于接地刀闸合闸位置，此时继电器2处于动作状态。
继电器1公共端可与断路器连接或者与母线连接，以形成供电回路。继电器2公共端与单片机端口（隔间控制）连接，用一组红绿LED表示隔间开关状态，LED6（绿）亮起表示隔间关闭状态。当按下隔间模拟开关，若接地刀闸处于合闸位置，则LED7（红）亮起，表示隔间可打开，否则单片机激活报警装置。
图3 进线隔离开关与接地刀闸模拟
在该环网柜模拟装置中，出线端设置有三工位负荷开关。出线负荷开关的逻辑模拟跟进线方式基本一致。
1.3 其他控制模块
针对就地操作与远程控制功能设计远程/就地模拟开关。同时，对于现实和遥测的需扩展部分设计相应预留接口，如图4所示。
为了实现环网柜五防功能，在模拟器中设计带电间隔模拟开关及误操作报警装置，如图5所示。
2 单片机控制
2.1 主体控制思路
本模拟装置以单片机STM32F103C8T6为核心，
图4 远程/就地模拟开关
图5 “五防”的逻辑设计
通过软件开发对继电器触点开、合状态（模拟开关的开、合状态）、五防闭锁的逻辑判断与提示、串口远程指令的处理实现对环网柜的离线模拟，其开关状态和远程/就地操作方式状态由LED灯组显示，五防闭锁出现违规时通过蜂鸣器报警，并设有语音播报提醒，电流电压仪表数据和调试记录通过LCD显示。
对于远程三遥功能的实现，利用单片机的URAT串口发送AT指令的方式对WiFi模块进行控制，连接上位机通过TCP通信协议与通信装置对接，实现对硬件系统的远程即时控制。仿真装置的控制系统框图如图6所示。
图6 模拟装置控制框图
2.2 关键控制功能的实现
1）装置的开关模拟与联络
该环网柜模拟系统在进线断路器模拟装置、进线三工位负荷开关模拟装置及馈线三工位负荷开关模拟装置上分别设置有继电器模块，并通过线路与电源模块，可拓展的模拟母线及LED灯组负载连接组成环网柜基本电气回路。进线断路器模拟装置、进线三工位负荷开关模拟装置及馈线三工位负荷开关模拟装置上的继电器模块通过独立的控制按键进行操作，使继电器的开断用于模拟断路器、负荷开关的分合闸操作，实现电源及LED负载的投切。
2）显示模拟与控制
进线断路器模拟装置、进线三工位负荷开关模拟装置及馈线三工位负荷开关模拟装置与显示装置之间分别设置有独立LED灯组模块，通过红绿两色LED明暗表示断路器分闸合闸状态，通过红绿黄三色LED表示三工位负荷开关分闸合闸及接地状态。
此外，LED灯组还通过红绿两色LED表示隔间开闭状态，红绿两色LED还可用作远程就地模式切换指示灯，以及用蓝色LED的亮灭状态表示母线及负载的带电状况。在进线断路器模拟装置、进线三工位负荷开关模拟装置及馈线三工位负荷开关模拟装置与显示报警装置之间，还设置有LCD显示模块，通过单片机读取开关模拟装置的电位信息及控制回路操作动作，并在LCD显示屏上实时显示。
3）柜组隔间模拟与控制
柜组隔间模拟与控制注重于五防互锁。将隔间回路表示的单片机输出口与三工位负荷开关模拟装置地线所设继电器回路连接，地线继电器回路导通则回路与LED灯组连接，此时隔间可正常打开，继电器回路关断则回路与报警蜂鸣器连接，此时隔间带电，禁止操作。
隔间回路与控制回路之间还设有独立的控制按键用以模拟操作隔间开闭，按下按键使隔间回路通电时，若接地开关分闸（违反五防中误入带电隔间操作），则报警蜂鸣器长鸣警告，同时单片机激活语音模块播报；若接地开关合闸，则隔间LED灯组常亮，表示可以打开隔间进行维护操作。
4）上位机控制
该环网柜装置模拟设置有PC端上位机系统，以实现遥控、遥测、遥信的三遥功能，控制原理如图6（模拟装置控制框图）所示。硬件端配置WiFi模块使单片机能够连接网络，并根据TCP通信协议，实现单片机与上位机无线、双向、实时通信。
单片机可以采集并上传实时运行参数（包括电流、电压等电气量）和各种信号（保护和开关信息量）至上位机，实现遥控和遥测功能。同时切换至远程模式后，上位机可以发送命令对硬件装置进行即时控制，实现遥控功能。
3 系统仿真的实现
利用上位机设置PC端遥控功能，通过无线通信模块与单片机实现实时通信，在硬件端操作遥控转换按键实现远程端与就地端控制回路的切换，将控制回路切换至远程端，使上位机界面控制按键有效，同时可以锁定就地端按键操作回路。
在远程模式下，通过上位机界面上相应按键实现远程端对进线断路器模拟装置、进线三工位负荷开关模拟装置及馈线三工位负荷开关模拟装置的控制。上位机系统装载遥信功能，通过上位机界面的系统日记输出按键，即可输出该环网柜模拟装置的历史操作记录、硬件装置实时工作状态读取和母线负载实时电位信息。
该模拟装置采用了便携式设计。双层电路板的安装设计使硬件结构更加紧凑，将单片机、主电路模块放置于底层电路板，上层电路板以显示和按键为主。装置整体精巧轻便，便于携带，适于离线仿真试验与演示。
本文研制出一种便携式开闭所的离线仿真模拟装置，便于实验室或培训中的调试试验及其仿真。通过继电器及电子器件，应用单片机和上位机控制完成了环网柜的实际模拟。采用继电器模拟环网柜的开关，相应的辅助触点和按钮模拟电气五防。
利用单片机控制技术，通过无线网络通信，实现对环网柜的手动、电动、远程、就近的控制操作，并预留扩展接口，在上位机记录存储、显示环网柜的操作，控制输出、打印操作记录。该装置采用双层电路板进行了便捷式设计，结构精巧，携带方便，便于相关从业人员模拟操作和演示。