環(huán)網(wǎng)柜是一組將高壓開關(guān)設(shè)備裝在鋼板金屬柜體內(nèi)或拼裝間隔式環(huán)網(wǎng)供電單元的電氣設(shè)備，其核心部件是斷路器、負(fù)荷開關(guān)和熔斷器。環(huán)網(wǎng)柜用于分合負(fù)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(hù)作用，是環(huán)網(wǎng)供電和終端供電的重要開關(guān)設(shè)備。在現(xiàn)代智能電網(wǎng)中，環(huán)網(wǎng)柜作為配電網(wǎng)的智能終端成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容，而智能環(huán)網(wǎng)柜的研究技術(shù)也引起了專業(yè)人士的重視。

受電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)模、設(shè)備體積、重量和運(yùn)行場(chǎng)合的限制，很多針對(duì)系統(tǒng)及其設(shè)備的試驗(yàn)調(diào)試和研究需要離線仿真研究。實(shí)際應(yīng)用中的環(huán)網(wǎng)柜集中在變電站、工廠、住宅小區(qū)和負(fù)荷中心配電站等，很難對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試和模擬操作。本文開發(fā)了一種便攜式的開閉所離線仿真模擬裝置，便于實(shí)驗(yàn)室或培訓(xùn)時(shí)調(diào)試試驗(yàn)及其仿真。

基于環(huán)網(wǎng)柜的基本電氣過程，通過繼電器及電子器件，應(yīng)用單片機(jī)控制和上位機(jī)傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol, TCP）通信完成了環(huán)網(wǎng)柜的模擬控制，以供相關(guān)從業(yè)人員進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)和演示。采用繼電器模擬環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)，利用相應(yīng)的輔助觸點(diǎn)和按鈕模擬電氣五防，同時(shí)，編制相應(yīng)的控制軟件，利用無線網(wǎng)絡(luò)通信傳遞控制指令，實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜的手動(dòng)、電動(dòng)、遠(yuǎn)程、就近的控制操作，并能記錄環(huán)網(wǎng)柜的操作，顯示、輸出、打印環(huán)網(wǎng)柜的操作記錄。

1 仿真器主電路設(shè)計(jì)

1.1 環(huán)網(wǎng)柜基本電氣單元

環(huán)網(wǎng)柜體內(nèi)裝有開關(guān)、熔斷器等電氣設(shè)備，其基本電氣設(shè)備組成的電氣單元示意圖如圖1所示。

圖1 環(huán)網(wǎng)柜基本電氣單元

中壓饋線的進(jìn)線裝有負(fù)荷隔離開關(guān)，通過一個(gè)斷路器把變壓器接到環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)上，既能保護(hù)變壓器，又能隔離故障變壓器，使環(huán)網(wǎng)不致斷開。目前應(yīng)用的環(huán)網(wǎng)柜都是在基本接線單元的基礎(chǔ)上改進(jìn)、擴(kuò)展而成的。

本文基于實(shí)際環(huán)網(wǎng)柜的電氣原理，通過繼電器模擬環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及其輔助觸點(diǎn)模擬接地刀閘、隔離刀閘的分合；設(shè)計(jì)電氣五防閉鎖回路并采用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)五防功能及調(diào)試、顯示、記錄和打印功能；通過上位機(jī)代碼融合WiFi模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“三遙”功能。最后標(biāo)準(zhǔn)化定義端口，以備后續(xù)擴(kuò)展，并進(jìn)行模擬器便攜式設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1.2 進(jìn)線模擬控制

在該環(huán)網(wǎng)柜模擬裝置中，進(jìn)線端設(shè)置有斷路器模擬開關(guān)和三工位負(fù)荷開關(guān)。進(jìn)線柜斷路器模擬開關(guān)控制電路如圖2所示。5V直流繼電器模擬進(jìn)線斷路器，繼電器線圈采用電子晶體管放大驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)識(shí)讀雙工位開關(guān)信號(hào)后，快速做出控制響應(yīng)，其輸出信號(hào)至繼電器端控制繼電器（開關(guān)）動(dòng)作。

開關(guān)的狀態(tài)通過LED燈顯示。如圖2中所示，LED1（綠燈）燈點(diǎn)亮，表示斷路器分閘，LED2（紅燈）燈點(diǎn)亮，表示斷路器合閘。正常工作時(shí)，應(yīng)先負(fù)荷開關(guān)再合斷路器，若操作不當(dāng)，則激活報(bào)警裝置。

圖2 進(jìn)線斷路器模擬

負(fù)荷開關(guān)與接地刀閘電路如圖3所示。2個(gè)5V直流繼電器分別模擬負(fù)荷開關(guān)與接地刀閘，其控制原理與進(jìn)線斷路器相似，控制電路中采用三工位開關(guān)，控制兩個(gè)繼電器模擬負(fù)荷開關(guān)合閘/接地刀閘合閘/刀閘置空三工位的切換，三工位開關(guān)狀態(tài)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(guān)處于負(fù)荷開關(guān)合閘位置，單片機(jī)控制繼電器1動(dòng)作。LED4（綠燈）亮起表示三工位開關(guān)處于負(fù)荷開關(guān)分閘位置，此時(shí)繼電器1和繼電器2都不動(dòng)作。LED5（黃燈）亮起表示三工位開關(guān)處于接地刀閘合閘位置，此時(shí)繼電器2處于動(dòng)作狀態(tài)。

繼電器1公共端可與斷路器連接或者與母線連接，以形成供電回路。繼電器2公共端與單片機(jī)端口（隔間控制）連接，用一組紅綠LED表示隔間開關(guān)狀態(tài)，LED6（綠）亮起表示隔間關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)按下隔間模擬開關(guān)，若接地刀閘處于合閘位置，則LED7（紅）亮起，表示隔間可打開，否則單片機(jī)激活報(bào)警裝置。

圖3 進(jìn)線隔離開關(guān)與接地刀閘模擬

在該環(huán)網(wǎng)柜模擬裝置中，出線端設(shè)置有三工位負(fù)荷開關(guān)。出線負(fù)荷開關(guān)的邏輯模擬跟進(jìn)線方式基本一致。

1.3 其他控制模塊

針對(duì)就地操作與遠(yuǎn)程控制功能設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程/就地模擬開關(guān)。同時(shí)，對(duì)于現(xiàn)實(shí)和遙測(cè)的需擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)相應(yīng)預(yù)留接口，如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜五防功能，在模擬器中設(shè)計(jì)帶電間隔模擬開關(guān)及誤操作報(bào)警裝置，如圖5所示。

2 單片機(jī)控制

2.1 主體控制思路

本模擬裝置以單片機(jī)STM32F103C8T6為核心，通過軟件開發(fā)對(duì)繼電器觸點(diǎn)開、合狀態(tài)（模擬開關(guān)的開、合狀態(tài)）、五防閉鎖的邏輯判斷與提示、串口遠(yuǎn)程指令的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的離線模擬，其開關(guān)狀態(tài)和遠(yuǎn)程/就地操作方式狀態(tài)由LED燈組顯示，五防閉鎖出現(xiàn)違規(guī)時(shí)通過蜂鳴器報(bào)警，并設(shè)有語音播報(bào)提醒，電流電壓儀表數(shù)據(jù)和調(diào)試記錄通過LCD顯示。

圖4 遠(yuǎn)程/就地模擬開關(guān)

圖5 “五防”的邏輯設(shè)計(jì)

對(duì)于遠(yuǎn)程三遙功能的實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)的URAT串口發(fā)送AT指令的方式對(duì)WiFi模塊進(jìn)行控制，連接上位機(jī)通過TCP通信協(xié)議與通信裝置對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的遠(yuǎn)程即時(shí)控制。仿真裝置的控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 模擬裝置控制框圖

2.2 關(guān)鍵控制功能的實(shí)現(xiàn)

1）裝置的開關(guān)模擬與聯(lián)絡(luò)

該環(huán)網(wǎng)柜模擬系統(tǒng)在進(jìn)線斷路器模擬裝置、進(jìn)線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置及饋線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置上分別設(shè)置有繼電器模塊，并通過線路與電源模塊，可拓展的模擬母線及LED燈組負(fù)載連接組成環(huán)網(wǎng)柜基本電氣回路。進(jìn)線斷路器模擬裝置、進(jìn)線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置及饋線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置上的繼電器模塊通過獨(dú)立的控制按鍵進(jìn)行操作，使繼電器的開斷用于模擬斷路器、負(fù)荷開關(guān)的分合閘操作，實(shí)現(xiàn)電源及LED負(fù)載的投切。

2）顯示模擬與控制

進(jìn)線斷路器模擬裝置、進(jìn)線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置及饋線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置與顯示裝置之間分別設(shè)置有獨(dú)立LED燈組模塊，通過紅綠兩色LED明暗表示斷路器分閘合閘狀態(tài)，通過紅綠黃三色LED表示三工位負(fù)荷開關(guān)分閘合閘及接地狀態(tài)。

此外，LED燈組還通過紅綠兩色LED表示隔間開閉狀態(tài)，紅綠兩色LED還可用作遠(yuǎn)程就地模式切換指示燈，以及用藍(lán)色LED的亮滅狀態(tài)表示母線及負(fù)載的帶電狀況。在進(jìn)線斷路器模擬裝置、進(jìn)線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置及饋線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置與顯示報(bào)警裝置之間，還設(shè)置有LCD顯示模塊，通過單片機(jī)讀取開關(guān)模擬裝置的電位信息及控制回路操作動(dòng)作，并在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。

3）柜組隔間模擬與控制

柜組隔間模擬與控制注重于五防互鎖。將隔間回路表示的單片機(jī)輸出口與三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置地線所設(shè)繼電器回路連接，地線繼電器回路導(dǎo)通則回路與LED燈組連接，此時(shí)隔間可正常打開，繼電器回路關(guān)斷則回路與報(bào)警蜂鳴器連接，此時(shí)隔間帶電，禁止操作。

隔間回路與控制回路之間還設(shè)有獨(dú)立的控制按鍵用以模擬操作隔間開閉，按下按鍵使隔間回路通電時(shí)，若接地開關(guān)分閘（違反五防中誤入帶電隔間操作），則報(bào)警蜂鳴器長(zhǎng)鳴警告，同時(shí)單片機(jī)激活語音模塊播報(bào)；若接地開關(guān)合閘，則隔間LED燈組常亮，表示可以打開隔間進(jìn)行維護(hù)操作。

4）上位機(jī)控制

該環(huán)網(wǎng)柜裝置模擬設(shè)置有PC端上位機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙信的三遙功能，控制原理如圖6（模擬裝置控制框圖）所示。硬件端配置WiFi模塊使單片機(jī)能夠連接網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)TCP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)無線、雙向、實(shí)時(shí)通信。

單片機(jī)可以采集并上傳實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)（包括電流、電壓等電氣量）和各種信號(hào)（保護(hù)和開關(guān)信息量）至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遙控和遙測(cè)功能。同時(shí)切換至遠(yuǎn)程模式后，上位機(jī)可以發(fā)送命令對(duì)硬件裝置進(jìn)行即時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)遙控功能。

3 系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)

利用上位機(jī)設(shè)置PC端遙控功能，通過無線通信模塊與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，在硬件端操作遙控轉(zhuǎn)換按鍵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程端與就地端控制回路的切換，將控制回路切換至遠(yuǎn)程端，使上位機(jī)界面控制按鍵有效，同時(shí)可以鎖定就地端按鍵操作回路。

在遠(yuǎn)程模式下，通過上位機(jī)界面上相應(yīng)按鍵實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程端對(duì)進(jìn)線斷路器模擬裝置、進(jìn)線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置及饋線三工位負(fù)荷開關(guān)模擬裝置的控制。上位機(jī)系統(tǒng)裝載遙信功能，通過上位機(jī)界面的系統(tǒng)日記輸出按鍵，即可輸出該環(huán)網(wǎng)柜模擬裝置的歷史操作記錄、硬件裝置實(shí)時(shí)工作狀態(tài)讀取和母線負(fù)載實(shí)時(shí)電位信息。

該模擬裝置采用了便攜式設(shè)計(jì)。雙層電路板的安裝設(shè)計(jì)使硬件結(jié)構(gòu)更加緊湊，將單片機(jī)、主電路模塊放置于底層電路板，上層電路板以顯示和按鍵為主。裝置整體精巧輕便，便于攜帶，適于離線仿真試驗(yàn)與演示。

結(jié)論

本文研制出一種便攜式開閉所的離線仿真模擬裝置，便于實(shí)驗(yàn)室或培訓(xùn)中的調(diào)試試驗(yàn)及其仿真。通過繼電器及電子器件，應(yīng)用單片機(jī)和上位機(jī)控制完成了環(huán)網(wǎng)柜的實(shí)際模擬。采用繼電器模擬環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)，相應(yīng)的輔助觸點(diǎn)和按鈕模擬電氣五防。

利用單片機(jī)控制技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的手動(dòng)、電動(dòng)、遠(yuǎn)程、就近的控制操作，并預(yù)留擴(kuò)展接口，在上位機(jī)記錄存儲(chǔ)、顯示環(huán)網(wǎng)柜的操作，控制輸出、打印操作記錄。該裝置采用雙層電路板進(jìn)行了便捷式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)精巧，攜帶方便，便于相關(guān)從業(yè)人員模擬操作和演示。