２ ０ １ ５年１ ０月 蚪埤擎腽学稚 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｅｎｇｂｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｃｔ．２０ １ ５ Ｖ０１．４．Ｎｏ．５ 第４卷第５期 基于硬件仿真的配电自动化培训演示系统 余茂全 ，唐振，黄均安 合肥２３１６０３） （安徽水利水电职业技术学院机电工程系，安徽摘要：分析了国内外现有配电网自动化培训演示平台的现状及需求，介绍了目前智能配电网中的新技术，并设计 研发了一整套的配电网自动化培训演示平台。该培训演示系统具备配电设备操作、故障处理及终端测试等功能， 可广泛应用于配电自动化系统保护及运行等操作人员的培训和高等院校电气类专业的教学实践。 关键词：培训演示；配电自动化；硬件仿真；故障模拟 中图分类号：ＴＭ７２６ 文献标识码：Ａ 文章编号：（２０１５）０５－００１２—０４ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｂａｓｉｎｇ ｏｎ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＹＵ Ｍａｏ－ｑｕａｎ ，ＴＡＮＧ Ｚｈｅｎ，ＨＵＡＮＧ Ｊｕｎ・ａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｆｅｉ，２３１６０３，Ａｎｈｕｉ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｇｒｉｄ ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｒｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｇｒｉｄ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｒｏｎ ｇｒｉｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｄｅｍｏ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓ— ｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｒｏｕｂｌｅｓｈｏｏｔｉｎｇ，ａｎｄ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｌｅｃｔｉｒｃｉｔｙ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ｔｒａｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｐｅｒｓｏｎｎｅ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ；ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆａｕｌｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 配电自动化系统是包括供电、远动、通信和主站 的配电系统的整体数字自动化与配电信息管理系 统…。配电系统的实时监控系统（主站）通过通信 信道和远方终端联系，达到实时监控和动作的功能， 从而缩短线路故障后的停电时间，提高供电的效率， 为了使相关人员直观有效地学习及掌握配网自 动化的原理及操作，训练其遇到故障时的应变能力， 我们设计研发了基于硬件仿真的配电自动化培训演 形成安全、可靠、高效的坚强配电网 －３］。 配电网是电力系统中直接面向用户的一个环 节，配电人员对设备的操作熟练程度和对故障的处 理方式直接影响着用户用电的质量，所以对操作人 示系统。本系统使用低压线路来模拟高压线路，使 用低压断路器来模拟高压断路器，并在系统中使用 了实际工程中应用的配电终端，使得该配电自动化 培训演示系统与真实的配电网完全相似。 １ 系统总体结构设计 配电自动化演示培训系统整体网架由一条架空 线和一条电缆线组成，包括适量负载和故障模拟器， 架空线部分主要包括四个分段开关和一个联络开 关，还包括负载和故障模拟，电缆线部分主要由环网 柜组成，如图１所示。 员的培训是很有必要的。但是我国目前的配电培训 系统绝大多数采用的是纯软件仿真的方式来实现 的，受训人员了解的仅仅是软件的监控界面，由于无 真实的设备，难以真实模拟现场背景，造成人员遇到 故障时不知如何解决，设备的操作仍然不熟练，培训 效果大打折扣 。 通讯联系人 收稿日期：２０１５—０３—１９ 作者简介：余茂全（１９８６一），男，安徽合肥人，助教，硕士。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕｍａｏｑｕａｎ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ 余茂全等 基于硬件仿真的配电自动化培训演示系统 １３ 架空１架空２架空３ 口分段开关（常闭节点）＿联络开关（常开节点） 图１演示系统整体结构图 整个培训系统由８个柜子组成，即架空线柜（３ 个），主变柜（２个）和环网柜（３个）。每个柜子中的 配电终端通过电力协议ＩＥＣ１０４和主站连通。 该系统使用３６ Ｖ线路模拟ｌＯ ｋＶ线路；使用低 压３８０ Ｖ断路器模拟１０ ｋＶ断路器；使用５ Ａ电流 模拟１００ Ａ电流。即模拟系统和实际系统电压比为 １０ｋＶ／１００Ｖ；电流比为１００Ａ／５Ａ，这样明显降低了负 载功率，减小了设备体积。降压变电站、架空线、环 网柜均由单独柜体组成，每个柜体内均包括模拟断 路器和ＰＴ、ＣＴ等一次、ＤＴＵ等二次设备，还包括适 量负载。其中负载为三相负载，并使用集中电容模 拟分布式电容。二次设备主要由８台ＤＴＵ，３台 ，ＩＴＩ＇ｕ（仅环网柜有）及若干台故障指示器组成。 ＤＴＵ、ｒＩｆｒｕ和主站计算机以光纤环网的形式使用光 纤通信；，Ｉ’ｒｕ采用ＲＳ４８５方式连接到ＤＴＵ。 配电自动化培训演示系统能完成人员操作的培 训，还可完成线路相间短路和单相接地故障的模拟 和判断，真正做到培训、演示、教学的多重功效。 ２系统的硬件设计 ２．１一次线路 主网架为双电源四条出线的网格状结构，一次 设备主要包括：降压站２台；分段开关４台；联络开 关１台；出线开关４台；环网柜３台；负载若干台（含 故障模拟器用以模拟线路相间短路和单相接地）。 ２．１．１模拟主变柜 主变主要包括两台模拟总降压变压器的主变压 器（Ｂ１），为三相３８０Ｖ／３６Ｖ，容量为５ ｋＶＡ，采用Ｙ／ △型接线方式。使用３８０ Ｖ低压断路器模拟１０ ｋＶ 断路器，主变压器进线断路器Ｋｌ和出线断路器ｌ＜２ 分别采用３８０ Ｖ，２５ Ａ和３８０ Ｖ，６３ Ａ。Ｋ３为３８０ Ｖ， ２０ Ａ，Ｃｌ为６８ ×３电容，用以模拟线路对地电容 （如图２所示）。 ⅡＬ２ １２＇１＇２ 去榘空 去环网 图２主变柜主线路图 通往环网柜和架空柜的分支线路接有施耐德 ＮＳＸ塑壳带电动操作机构断路器ＤＬ１和ＤＬ２。电 流互感器ＣＴ１和ＣＴ２均为３０Ａ／５Ａ，准确度为０．５ 级，接智能配网自动化终端，能够完成对主变线路的 遥信、遥控等功能。 ２．１．２模拟架空线柜 架空线部分仍然使用３８０ Ｖ低压断路器模拟 １０ ｋＶ断路器。架空主线路上接测量用ＣＴ，监测主 线路电流。架空线主线路使用电动操作机构控制线 路的通断，控制回路电源模块通过３６Ｖ／２２０Ｖ的ＰＴ 接到架空主线路。 架空线主线路使用ＣＴ接终端来采集主线路的 电流值，并使用电动操作机构控制主线路的开合。 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３均为模拟负载，Ｃ１模拟线路对地电容， Ｒ４和Ｒ５分别模拟母线的单相接地和相间短路，Ｋ４ 断路器接三相变压器再接ｒＩＴＩ’ｕ测线路电压。如图３ 所示。 Ｘｌ １１１ 图３架空柜主线路图 １４ ２．１．３蚌埠学院学报模拟环网柜 ２０１５年１Ｏ月 第５卷 第５期（总第２３期） ２．２主线路控制回路 环网柜使用３８０ Ｖ低压断路器模拟１０ ｋＶ断路 两个主变的控制回路主要由控制电动操作机构 的两条相同的线路组成，每条线路由一个转换开关 选择远程控制及本地控制，本地控制即由按钮来控 制电动操作机构，远程控制是由ＤＴＵ来控制电动操 作机构。 每个架空线的控制回路除包括一条与主变相同 器。进线线路及出线线路接互感器ＣＴ１、ＣＴ２及零 序互感器ＣＴ３、ＣＴ４用来测量主线路Ａ相和Ｂ相电 流及零序电流，并使用电动操作机构ＤＬ１和ＤＬ２控 制线路的开合。 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３均为模拟负载，Ｒ１和Ｒ３还用来模 拟线路的相间短路和单相接地故障。ｃ１模拟线路 的电动操作机构控制回路外，还包括一条给电源模 对地电容，Ｒ４和Ｒ５分别模拟母线的单相接地和相 间短路，Ｋ２断路器接三相变压器再接１ＴＩ１ｕ测线路 电压。数据经互感器采集后均上传到ＤＴＵ，然后 ＤＴＵ分析数据并通过对电动操作机构的操作来实 现遥信和遥控功能。如图４所示。 ＤＬ３ Ｋ５ １１ １１５ 图４环网柜主线路图 ２．１．４模拟负载与模拟故障设备 负载箱的作用主要是模拟负载、线路分散电容 及模拟相间短路和单相接地故障，使用空气开关或 者断路器带负载。 每个环网柜及架空柜均带有负载。三相负载和 模拟线路分散电容均由三相断路器控制，可改变负 载的大小和性质，其中三相负载接指示灯用于直观 地显示带载情况。单相接地故障模拟和相间短路故 障模拟均由三相断路器接电阻构成，单相接地为一 单相上接一单相断路器到地，相间短路故障为两相 间通过断路器加电阻短接，均并接指示灯显示故障 是否发生。母线相间短路故障通过断路器加小电阻 直接将母线短接来模拟，母线单相接地故障将一相 母线通过断路器接小电阻接地来完成模拟，两种故 障均接指示灯来直观显示故障。注意母线故障模拟 因故障电流较大，均需选用较大的断路器。 环网柜负载箱中还安装，ＩＴｒｕ完成电压检测， １Ｔｒｕ使用４８５与ＤＴＵ通信再将数据送入主站，同时 也可通过ＧＰＲＳ直接与主站通信。模拟变压器初级 为３６ Ｖ，次级为２２０ Ｖ时接１＿ｒＵ（Ｕ），为３ Ｖ时接 ｒｒＵ（Ｉ）。 块供电的控制回路，该控制回路通过２个 （３６Ｖ／ ２２０Ｖ）接架空线路供电，接继电器线圈保证２个Ｐ１’ 只有一个可以对电源模块供电。 环网柜的控制回路包括一条与架空线相同的给 电源模块供电的控制回路，还包括四条与主变相同 的电动操作机构控制回路。 ２．３配电终端 ＤＴＵ采用基于当代先进的ＤＳＰ数字信号处理 技术和高速工业网络技术研制的一种集遥测、遥信、 遥控、保护和通信等功能于一体的智能配网自动化 终端。 终端可以完成测量４路电压，１８路电流，２４路 遥信输入以及１２路遥控信号输出，通讯方式采用串 口或Ｉｎｔｅｒ网方式，实现终端与主站之间的数据传输 或设置终端参数。使用该装置采集电流和遥信遥控 等信息，完成对线路的远程通信与操作。 ，兀１ｕ除ＳＣＡＤＡ功能外还能完成故障识别，并 支持Ｉｎｔｅｒ网通信和串行通信方式，且能进行分布式 通信，支持ＩＥＣ１０１和ＩＥＣ１０４通信，并支持分布式智 能网络重构。 终端的供电采用两路ＰＴ（３６Ｖ／２２０Ｖ）对２４伏 电源供电，电源接蓄电池，确保在停电时数据的采集 与保存。 ３软件设计及功能实现 ３．１平台的软件设计 该平台系统为自主研发的配电网综合自动化系 统。在设计上遵循相关的国际标准、电力行业的相 关标准和规范，满足了一次网络规划设计、配网自动 化技术的总体规划设计要求及配网自动化系统终端 的技术条件所要求的各项功能。同时，系统具备了 全方位的开放性。界面仿照系统一次结构图来完成 总图，每个柜子均配有单独的分界面以直观地观察 每一个断路器的分合状态和数据的实时情况，并可 通过软件界面下发控制命令来控制断路器的开合。 如图５所示。
