基于以太网高压配电培训系统设计

文/罗强2 周玉茹1 何光健1 覃向阳1 王翀1

10kV 高压配电柜是电力系统

不可或缺的配电设备，承担着配

电线路的投入、退出及故障线路

的切除，保障供电系统的安全运

行，因其高电压特性，几乎不允

许进行注入培训、实训类操作。

本文从高压配电柜组成、运行工

况仿真、数据采集、故障模拟、

网络架设等方面进行高压配电培

训系统分析，最终达到高压配电

培训需求。

摘 要

满足实训工作需要。

1 系统结构

系统由操作主机电脑、高压进线柜、高

压计量柜、高压出线柜组成，柜内配置现场真

实使用的真空断路器、避雷器、温度控制器、

带电指示器、电压互感器、电流互感器、继电

保护等装置。同时在高压配电柜内配置仿真模

拟器，进行高压配电柜各种运行工况、故障模

拟操作，仿真模拟器与操作主机使用以太网进

行连接通信，仿真模拟器与柜体内电气设备使

用RS485 进行连接通信。

操作主机上安装的培训系统软件接收用

户指令后，将用户操作指令通过以太网下发到

对应高压配电柜内仿真模拟器，仿真模拟器根

据指令进行对应的工况参数设置模拟、故障设

置模拟等操作，完成对应的操作之后，向上位

机进行确认。

为保护学员的人身安全及各种运行工况

及故障模拟操作，高压配电柜内元器件一次侧

不带电，对元器件二次侧进行对应的操作以进

行工况模拟操作，通过模拟异常工况触发高压

配电柜内继电保护装置进行故障模拟操作。

虚负荷功率源、终端表计及仿真模拟器均

安装于高压配电柜内，组成高压配电培训系统。

虚负荷功率源输出电压、电流回路分别接入到

柜内PT、CT 的二次侧回路，通过二次侧反应

一次侧的方式进行其一次侧电压、电流参数模

拟操作，终端表计完成高压配电系统计量及用

电信息参数采集等操作，仿真模拟设备接收上

位机指令进行指定类型的故障设置操作，模拟

仿真器与上位操作电脑使用以太网进行数据交

互，与柜体内安装的其他设备（终端表计、虚

负荷功率源、继电保护等）则使用RS485 总线。

2 系统实现

培训系统软件由上位机软件及仿真模拟

器软件两部分构成，上位机软件完成用户指令

接收、操作指令下发及系统状态展示，仿真模

拟器依据上位机下发指令进行电器元件控制、

状态获取等操作，同时向上位机响应操作结果。

2.1 操作上位机

上位机运行的培训管理软件，使用C++

进行设计，以高压配电柜一次图作为操作基础

界面，每个电气元件都是一个可操作对象，使

用鼠标左键选定、右键选择需进行操作的功能

项，根据需要进行功能项参数输入，完成参数

获取后，进行操作功能项及操作参数下发操作，

仿真模拟器完成数据帧解析，非自身能完成的

操作，则需将操作数据帧往目标地址进行转发

操作并等待目标设备的响应，否则，直接进行

响应的动作，并进行响应。

软件启动时，以绿色电量所有元器件及电

缆，以表示终端设备不带电，进线柜可进行的

操作的元器件为：真空断路器、PT、CT 及继

电保护，计量柜所能操作的元器件为：PT、

CT、终端及表计，出现柜所能进行操作的元

器件为真空断路器、PT、CT 及继电保护。

用户选择真空断路器进行合闸操作时，

进行操作指令下发后，等待模拟仿真器响应操

作，仿真器返回合闸成功后，操作软件以红色

标识所有应通电的元器件；模拟仿真器接收到

合闸指令后，进行合闸操作，合闸成功后，设

置虚负荷功率源进行默认参数输出，以驱动柜

体带电指示器进行柜体带电状态指示。上位机

红色标识部分元器件应与柜体带电指示器带电

状态相符。

2.2 模拟仿真器

模拟仿真器使用STM32103Z 单片机为主

控芯片，其丰富的片上资源为进行功能设计提

供了极大的便利。通过配置相应的外围适配电

路即可完成与对应的通信接口进行连接，进行

图1：高压配电培训系统结构图图2：高压配电系统一次电气图

66 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering

软件开发 • Software Development

数据交互操作。

通过片上自带以太网接口，外接网络变

压器及RJ-45 接口，即可完成以太网硬件连接，

进行数据通信操作，片上多路UART 接口通

过配置RS232 及RS485 通信接口适配接口，

分别完成与虚负荷功率源（RS232）、终端表

计（RS485）、继电保护（Mod-bus）进行通

信操作，通过DAC 输出不同幅度的电压，进

行模拟温度传感器模拟信号输出，将其输入到

温度控制器，以驱动温度控制器进行不同控制

策略操作。

3 系统功能

系统功能由设备功能模拟、系统运行工

况模拟、培训管理、考试管理四部分组成。

3.1 设备功能展示

系统通过对指定高压配电柜内电气元器

件二次侧控制接口进行控制信号输入、输入接

口进行开关状态量及模拟量的输入，以驱动其

进行相应的动作。以进行高压配电柜内各电气

元件的功能展示操作。

系统使用现场真实使用的配电设备及电

气元器件，所有的铭牌、参数等均与现场真实

使用的设备保持一致。通过上位机的控制对柜

体功能进行设置展示：真空断路器分合闸控制、

继电保护装置保护切入及解除、表计计量、终

端数据采集及费控操作等。

3.2 运行工况模拟

由于高压配电柜一次侧不通电，为达到

和设备正常投运时相同表象，需进行配电柜内

正常运行工况及异常运行工况模拟，以向学员

展示柜体运行的工况，达到最佳的培训效果。

虚负荷功率源输出回路分别接入柜体二次侧电

压、电流回路，通过调节须符合功率源输出的

电压、电流值进行柜体运行工况模拟展示。同

时通过虚负荷功率源的控制，可进行缺相、接

地等异常用电工况模拟。

柜体采用通过虚负荷控制技术，使用二

次侧变化工况反应一次侧工况变化的方式进行

柜体工况展示。虚负荷功率源输出电压、电流

信号在进行柜体二次侧连接操作时，需将所有

电流输入端依据极性进行串联，电压输入端进

行并联，这样达到在一台虚负荷功率源输出条

件下，驱动柜体内多个带电指示、继保测量、

表计计量等操作。

通过控制DAC 输出幅度，模拟温度传感

器的输出电平变化，以达到配电柜内温度变化

时，温度传感器输出模拟电平的变化的模拟仿

真。温度控制器根据所输入的模拟温度传感器

模拟信号变化，进行对应的温度保护操作。

3.3 培训管理

培训管理包含教师管理、学员管理及考

试管理三部分。教师及学员通过不同的账户进

行登录，拥有不同权限的操作等级，教师账户

可进行学员账户的添加/ 删除、柜体工况设置、

考试出题、题库设置等权限，学员账户仅可进

行工况测定、考试答题、试卷回看等权限。

教师通过对柜体内各指定元器件逐一进

行功能模拟展示操作，以驱动元器件进行正常

工况展示，异常工况动作，对每个元器件的外

形结构、接线方式、工作原理、操作机构、动

作方式等进行展示操作，结合理论讲解，让学

员从理论及实际操作两方面都能得到很好的受

训工作。

3.4 考试管理

系统初始化一套题库用于学员考试操作，