環網柜是一組將高壓開關設備裝在鋼板金屬柜體內或拼裝間隔式環網供電單元的電氣設備，其核心部件是斷路器、負荷開關和熔斷器。環網柜用于分合負荷電流、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設備。在現代智能電網中，環網柜作為配電網的智能終端成為智能電網建設的重要內容，而智能環網柜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、設備體積、重量和運行場合的限制，很多針對系統及其設備的試驗調試和研究需要離線仿真研究。實際應用中的環網柜集中在變電站、工廠、住宅小區和負荷中心配電站等，很難對其進行試驗調試和模擬操作。本文開發了一種便攜式的開閉所離線仿真模擬裝置，便于實驗室或培訓時調試試驗及其仿真。

基于環網柜的基本電氣過程，通過繼電器及電子器件，應用單片機控制和上位機傳輸控制協議（transmission control protocol, TCP）通信完成了環網柜的模擬控制，以供相關從業人員進行模擬學習和演示。采用繼電器模擬環網柜的開關，利用相應的輔助觸點和按鈕模擬電氣五防，同時，編制相應的控制軟件，利用無線網絡通信傳遞控制指令，實現環網柜的手動、電動、遠程、就近的控制操作，并能記錄環網柜的操作，顯示、輸出、打印環網柜的操作記錄。

1 仿真器主電路設計

1.1 環網柜基本電氣單元

環網柜體內裝有開關、熔斷器等電氣設備，其基本電氣設備組成的電氣單元示意圖如圖1所示。

圖1 環網柜基本電氣單元

中壓饋線的進線裝有負荷隔離開關，通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。目前應用的環網柜都是在基本接線單元的基礎上改進、擴展而成的。

本文基于實際環網柜的電氣原理，通過繼電器模擬環網柜開關，通過轉換開關及其輔助觸點模擬接地刀閘、隔離刀閘的分合；設計電氣五防閉鎖回路并采用單片機控制實現五防功能及調試、顯示、記錄和打印功能；通過上位機代碼融合WiFi模塊設計實現“三遙”功能。最后標準化定義端口，以備后續擴展，并進行模擬器便攜式設計優化。

1.2 進線模擬控制

在該環網柜模擬裝置中，進線端設置有斷路器模擬開關和三工位負荷開關。進線柜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，繼電器線圈采用電子晶體管放大驅動；單片機識讀雙工位開關信號后，快速做出控制響應，其輸出信號至繼電器端控制繼電器（開關）動作。

開關的狀態通過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，則激活報警裝置。

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，控制電路中采用三工位開關，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于負荷開關合閘位置，單片機控制繼電器1動作。LED4（綠燈）亮起表示三工位開關處于負荷開關分閘位置，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于接地刀閘合閘位置，此時繼電器2處于動作狀態。

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公共端與單片機端口（隔間控制）連接，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，若接地刀閘處于合閘位置，則LED7（紅）亮起，表示隔間可打開，否則單片機激活報警裝置。

圖3 進線隔離開關與接地刀閘模擬

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

1.3 其他控制模塊

針對就地操作與遠程控制功能設計遠程/就地模擬開關。同時，對于現實和遙測的需擴展部分設計相應預留接口，如圖4所示。

為了實現環網柜五防功能，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 單片機控制

2.1 主體控制思路

本模擬裝置以單片機STM32F103C8T6為核心，通過軟件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、串口遠程指令的處理實現對環網柜的離線模擬，其開關狀態和遠程/就地操作方式狀態由LED燈組顯示，五防閉鎖出現違規時通過蜂鳴器報警，并設有語音播報提醒，電流電壓儀表數據和調試記錄通過LCD顯示。

圖4 遠程/就地模擬開關

圖5 “五防”的邏輯設計

對于遠程三遙功能的實現，利用單片機的URAT串口發送AT指令的方式對WiFi模塊進行控制，連接上位機通過TCP通信協議與通信裝置對接，實現對硬件系統的遠程即時控制。仿真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

該環網柜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燈組負載連接組成環網柜基本電氣回路。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塊通過獨立的控制按鍵進行操作，使繼電器的開斷用于模擬斷路器、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置有獨立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，通過紅綠黃三色LED表示三工位負荷開關分閘合閘及接地狀態。

此外，LED燈組還通過紅綠兩色LED表示隔間開閉狀態，紅綠兩色LED還可用作遠程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，還設置有LCD顯示模塊，通過單片機讀取開關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輸出口與三工位負荷開關模擬裝置地線所設繼電器回路連接，地線繼電器回路導通則回路與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，按下按鍵使隔間回路通電時，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，同時單片機激活語音模塊播報；若接地開關合閘，則隔間LED燈組常亮，表示可以打開隔間進行維護操作。

4）上位機控制

該環網柜裝置模擬設置有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。硬件端配置WiFi模塊使單片機能夠連接網絡，并根據TCP通信協議，實現單片機與上位機無線、雙向、實時通信。

單片機可以采集并上傳實時運行參數（包括電流、電壓等電氣量）和各種信號（保護和開關信息量）至上位機，實現遙控和遙測功能。同時切換至遠程模式后，上位機可以發送命令對硬件裝置進行即時控制，實現遙控功能。

3 系統仿真的實現

利用上位機設置PC端遙控功能，通過無線通信模塊與單片機實現實時通信，在硬件端操作遙控轉換按鍵實現遠程端與就地端控制回路的切換，將控制回路切換至遠程端，使上位機界面控制按鍵有效，同時可以鎖定就地端按鍵操作回路。

在遠程模式下，通過上位機界面上相應按鍵實現遠程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，通過上位機界面的系統日記輸出按鍵，即可輸出該環網柜模擬裝置的歷史操作記錄、硬件裝置實時工作狀態讀取和母線負載實時電位信息。

該模擬裝置采用了便攜式設計。雙層電路板的安裝設計使硬件結構更加緊湊，將單片機、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。

結論

本文研制出一種便攜式開閉所的離線仿真模擬裝置，便于實驗室或培訓中的調試試驗及其仿真。通過繼電器及電子器件，應用單片機和上位機控制完成了環網柜的實際模擬。采用繼電器模擬環網柜的開關，相應的輔助觸點和按鈕模擬電氣五防。

利用單片機控制技術，通過無線網絡通信，實現對環網柜的手動、電動、遠程、就近的控制操作，并預留擴展接口，在上位機記錄存儲、顯示環網柜的操作，控制輸出、打印操作記錄。該裝置采用雙層電路板進行了便捷式設計，結構精巧，攜帶方便，便于相關從業人員模擬操作和演示。