配電網環網櫃裝置功能的模擬控制設計

國網福建省電力有限公司晉江供電公司、福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員晏岑鐸、蔡超，在2019年第5期《電氣技術》雜誌上撰文，在2019年第5期《電氣技術》雜誌上撰文，開發出一種行動式開閉所離線模擬模擬裝置。基於環網櫃的基本電氣過程，透過繼電器和電子器件等，應用微控制器和上位機控制完成了環網櫃的實際模擬器。

採用繼電器模擬環網櫃開關，利用相應的輔助觸點和按鈕模擬電氣五防，同時，編制相應的控制軟體實現實際環網櫃的手動、電動、遠端、就近的控制操作，記錄環網櫃的操作，顯示、輸出、列印環網櫃的操作記錄，透過無線網路通訊實現控制指令的遠端傳輸。最後，對模擬器進行了行動式設計。

環網櫃是一組將高壓開關裝置裝在鋼板金屬櫃體內或拼裝間隔式環網供電單元的電氣裝置，其核心部件是斷路器、負荷開關和熔斷器。環網櫃用於分合負荷電流、開斷短路電流及變壓器空載電流，一定距離架空線路、電纜線路的充電電流，起控制和保護作用，是環網供電和終端供電的重要開關裝置。在現代智慧電網中，環網櫃作為配電網的智慧終端成為智慧電網建設的重要內容，而智慧環網櫃的研究技術也引起了專業人士的重視。

受電力系統結構規模、裝置體積、重量和執行場合的限制，很多針對系統及其裝置的試驗除錯和研究需要離線模擬研究。實際應用中的環網櫃集中在變電站、工廠、住宅小區和負荷中心配電站等，很難對其進行試驗除錯和模擬操作。本文開發了一種行動式的開閉所離線模擬模擬裝置，便於實驗室或培訓時除錯試驗及其模擬。

基於環網櫃的基本電氣過程，透過繼電器及電子器件，應用微控制器控制和上位機傳輸控制協議（transmission control protocol， TCP）通訊完成了環網櫃的模擬控制，以供相關從業人員進行模擬學習和演示。採用繼電器模擬環網櫃的開關，利用相應的輔助觸點和按鈕模擬電氣五防，同時，編制相應的控制軟體，利用無線網路通訊傳遞控制指令，實現環網櫃的手動、電動、遠端、就近的控制操作，並能記錄環網櫃的操作，顯示、輸出、列印環網櫃的操作記錄。

1 模擬器主電路設計

1.1 環網櫃基本電氣單元

環網櫃體內裝有開關、熔斷器等電氣裝置，其基本電氣裝置組成的電氣單元示意圖如圖1所示。

圖1 環網櫃基本電氣單元

中壓饋線的進線裝有負荷隔離開關，透過一個斷路器把變壓器接到環網系統上，既能保護變壓器，又能隔離故障變壓器，使環網不致斷開。目前應用的環網櫃都是在基本接線單元的基礎上改進、擴充套件而成的。

本文基於實際環網櫃的電氣原理，透過繼電器模擬環網櫃開關，透過轉換開關及其輔助觸點模擬接地刀閘、隔離刀閘的分合；設計電氣五防閉鎖迴路並採用微控制器控制實現五防功能及除錯、顯示、記錄和列印功能；透過上位機程式碼融合WiFi模組設計實現“三遙”功能。最後標準化定義埠，以備後續擴充套件，並進行模擬器行動式設計最佳化。

1.2 進線模擬控制

在該環網櫃模擬裝置中，進線端設定有斷路器模擬開關和三工位負荷開關。進線櫃斷路器模擬開關控制電路如圖2所示。5V直流繼電器模擬進線斷路器，繼電器線圈採用電子電晶體放大驅動；微控制器識讀雙工位開關訊號後，快速做出控制響應，其輸出訊號至繼電器端控制繼電器（開關）動作。

開關的狀態透過LED燈顯示。如圖2中所示，LED1（綠燈）燈點亮，表示斷路器分閘，LED2（紅燈）燈點亮，表示斷路器合閘。正常工作時，應先負荷開關再合斷路器，若操作不當，則啟用報警裝置。

圖2 進線斷路器模擬

負荷開關與接地刀閘電路如圖3所示。2個5V直流繼電器分別模擬負荷開關與接地刀閘，其控制原理與進線斷路器相似，控制電路中採用三工位開關，控制兩個繼電器模擬負荷開關合閘/接地刀閘合閘/刀閘置空三工位的切換，三工位開關狀態由紅綠黃三組顏色的LED燈顯示。

如圖3所示，LED3（紅燈）亮起表示三工位開關處於負荷開關合閘位置，微控制器控制繼電器1動作。LED4（綠燈）亮起表示三工位開關處於負荷開關分閘位置，此時繼電器1和繼電器2都不動作。LED5（黃燈）亮起表示三工位開關處於接地刀閘合閘位置，此時繼電器2處於動作狀態。

繼電器1公共端可與斷路器連線或者與母線連線，以形成供電迴路。繼電器2公共端與微控制器埠（隔間控制）連線，用一組紅綠LED表示隔間開關狀態，LED6（綠）亮起表示隔間關閉狀態。當按下隔間模擬開關，若接地刀閘處於合閘位置，則LED7（紅）亮起，表示隔間可開啟，否則微控制器啟用報警裝置。

圖3 進線隔離開關與接地刀閘模擬

在該環網櫃模擬裝置中，出線端設定有三工位負荷開關。出線負荷開關的邏輯模擬跟進線方式基本一致。

1.3 其他控制模組

針對就地操作與遠端控制功能設計遠端/就地模擬開關。同時，對於現實和遙測的需擴充套件部分設計相應預留介面，如圖4所示。

為了實現環網櫃五防功能，在模擬器中設計帶電間隔模擬開關及誤操作報警裝置，如圖5所示。

2 微控制器控制

2.1 主體控制思路

本模擬裝置以微控制器STM32F103C8T6為核心，透過軟體開發對繼電器觸點開、合狀態（模擬開關的開、合狀態）、五防閉鎖的邏輯判斷與提示、串列埠遠端指令的處理實現對環網櫃的離線模擬，其開關狀態和遠端/就地操作方式狀態由LED燈組顯示，五防閉鎖出現違規時透過蜂鳴器報警，並設有語音播報提醒，電流電壓儀表資料和除錯記錄透過LCD顯示。

圖4 遠端/就地模擬開關

圖5 “五防”的邏輯設計

對於遠端三遙功能的實現，利用微控制器的URAT串列埠傳送AT指令的方式對WiFi模組進行控制，連線上位機透過TCP通訊協議與通訊裝置對接，實現對硬體系統的遠端即時控制。模擬裝置的控制系統框圖如圖6所示。

圖6 模擬裝置控制框圖

2.2 關鍵控制功能的實現

1）裝置的開關模擬與聯絡

該環網櫃模擬系統在進線斷路器模擬裝置、進線三工位負荷開關模擬裝置及饋線三工位負荷開關模擬裝置上分別設定有繼電器模組，並透過線路與電源模組，可拓展的模擬母線及LED燈組負載連線組成環網櫃基本電氣迴路。進線斷路器模擬裝置、進線三工位負荷開關模擬裝置及饋線三工位負荷開關模擬裝置上的繼電器模組透過獨立的控制按鍵進行操作，使繼電器的開斷用於模擬斷路器、負荷開關的分合閘操作，實現電源及LED負載的投切。

2）顯示模擬與控制

進線斷路器模擬裝置、進線三工位負荷開關模擬裝置及饋線三工位負荷開關模擬裝置與顯示裝置之間分別設定有獨立LED燈組模組，透過紅綠兩色LED明暗表示斷路器分閘合閘狀態，透過紅綠黃三色LED表示三工位負荷開關分閘合閘及接地狀態。

此外，LED燈組還透過紅綠兩色LED表示隔間開閉狀態，紅綠兩色LED還可用作遠端就地模式切換指示燈，以及用藍色LED的亮滅狀態表示母線及負載的帶電狀況。在進線斷路器模擬裝置、進線三工位負荷開關模擬裝置及饋線三工位負荷開關模擬裝置與顯示報警裝置之間，還設定有LCD顯示模組，透過微控制器讀取開關模擬裝置的電位資訊及控制迴路操作動作，並在LCD顯示屏上實時顯示。

3）櫃組隔間模擬與控制

櫃組隔間模擬與控制注重於五防互鎖。將隔間迴路表示的微控制器輸出口與三工位負荷開關模擬裝置地線所設繼電器迴路連線，地線繼電器迴路導通則迴路與LED燈組連線，此時隔間可正常開啟，繼電器迴路關斷則迴路與報警蜂鳴器連線，此時隔間帶電，禁止操作。

隔間迴路與控制迴路之間還設有獨立的控制按鍵用以模擬操作隔間開閉，按下按鍵使隔間迴路通電時，若接地開關分閘（違反五防中誤入帶電隔間操作），則報警蜂鳴器長鳴警告，同時微控制器啟用語音模組播報；若接地開關合閘，則隔間LED燈組常亮，表示可以開啟隔間進行維護操作。

4）上位機控制

該環網櫃裝置模擬設定有PC端上位機系統，以實現遙控、遙測、遙信的三遙功能，控制原理如圖6（模擬裝置控制框圖）所示。硬體端配置WiFi模組使微控制器能夠連線網路，並根據TCP通訊協議，實現微控制器與上位機無線、雙向、實時通訊。

微控制器可以採集並上傳實時執行引數（包括電流、電壓等電氣量）和各種訊號（保護和開關資訊量）至上位機，實現遙控和遙測功能。同時切換至遠端模式後，上位機可以傳送命令對硬體裝置進行即時控制，實現遙控功能。

3 系統模擬的實現

利用上位機設定PC端遙控功能，透過無線通訊模組與微控制器實現實時通訊，在硬體端操作遙控轉換按鍵實現遠端端與就地端控制迴路的切換，將控制迴路切換至遠端端，使上位機介面控制按鍵有效，同時可以鎖定就地端按鍵操作迴路。

在遠端模式下，透過上位機介面上相應按鍵實現遠端端對進線斷路器模擬裝置、進線三工位負荷開關模擬裝置及饋線三工位負荷開關模擬裝置的控制。上位機系統裝載遙信功能，透過上位機介面的系統日記輸出按鍵，即可輸出該環網櫃模擬裝置的歷史操作記錄、硬體裝置實時工作狀態讀取和母線負載實時電位資訊。

該模擬裝置採用了行動式設計。雙層電路板的安裝設計使硬體結構更加緊湊，將微控制器、主電路模組放置於底層電路板，上層電路板以顯示和按鍵為主。裝置整體精巧輕便，便於攜帶，適於離線模擬試驗與演示。

結論

本文研製出一種行動式開閉所的離線模擬模擬裝置，便於實驗室或培訓中的除錯試驗及其模擬。透過繼電器及電子器件，應用微控制器和上位機控制完成了環網櫃的實際模擬。採用繼電器模擬環網櫃的開關，相應的輔助觸點和按鈕模擬電氣五防。

利用微控制器控制技術，透過無線網路通訊，實現對環網櫃的手動、電動、遠端、就近的控制操作，並預留擴充套件介面，在上位機記錄儲存、顯示環網櫃的操作，控制輸出、列印操作記錄。該裝置採用雙層電路板進行了便捷式設計，結構精巧，攜帶方便，便於相關從業人員模擬操作和演示。