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)行場合的限制,很多針對系統(tǒng)及其設(shè)備的試驗調(diào)試和研究需要離線仿真研究。實際應(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,很難對其進(jìn)行試驗調(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,便于實驗室或培訓(xùn)時調(diào)試試驗及其仿真。
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,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,實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜的手動、電動、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。
1.1 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)計電氣五防閉鎖回路并采用單片機(jī)控制實現(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)計實現(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;單片機(jī)識讀雙工位開關(guān)信號后,快速做出控制響應(yīng),其輸出信號至繼電器端控制繼電器(開關(guān))動作。
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,應(yīng)先負(fù)荷開關(guān)再合斷路器,若操作不當(dāng),則激活報警裝置。
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(guān)處于接地刀閘合閘位置,此時繼電器2處于動作狀態(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
針對就地操作與遠(yuǎn)程控制功能設(shè)計遠(yuǎn)程/就地模擬開關(guān)。同時,對于現(xiàn)實和遙測的需擴(kuò)展部分設(shè)計相應(yīng)預(yù)留接口,如圖4所示。
為了實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜五防功能,在模擬器中設(shè)計帶電間隔模擬開關(guān)及誤操作報警裝置,如圖5所示。
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)程指令的處理實現(xiàn)對環(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)時通過蜂鳴器報警,并設(shè)有語音播報提醒,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
對于遠(yuǎn)程三遙功能的實現(xiàn),利用單片機(jī)的URAT串口發(fā)送AT指令的方式對WiFi模塊進(jìn)行控制,連接上位機(jī)通過TCP通信協(xié)議與通信裝置對接,實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的遠(yuǎn)程即時控制。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作,并在LCD顯示屏上實時顯示。
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,此時隔間可正常打開,繼電器回路關(guān)斷則回路與報警蜂鳴器連接,此時隔間帶電,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,若接地開關(guān)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,同時單片機(jī)激活語音模塊播報;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),以實現(xiàn)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,實現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)無線、雙向、實時通信。
單片機(jī)可以采集并上傳實時運(yùn)行參數(shù)(包括電流、電壓等電氣量)和各種信號(保護(hù)和開關(guān)信息量)至上位機(jī),實現(xiàn)遙控和遙測功能。同時切換至遠(yuǎn)程模式后,上位機(jī)可以發(fā)送命令對硬件裝置進(jìn)行即時控制,實現(xiàn)遙控功能。
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)實現(xiàn)實時通信,在硬件端操作遙控轉(zhuǎn)換按鍵實現(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)按鍵實現(xiàn)遠(yuǎn)程端對進(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、硬件裝置實時工作狀態(tài)讀取和母線負(fù)載實時電位信息。
該模擬裝置采用了便攜式設(shè)計。雙層電路板的安裝設(shè)計使硬件結(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,適于離線仿真試驗與演示。
本文研制出一種便攜式開閉所的離線仿真模擬裝置,便于實驗室或培訓(xùn)中的調(diào)試試驗及其仿真。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,實現(xiàn)對環(huán)網(wǎng)柜的手動、電動、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、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,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。