高壓配電全真負荷控制實訓考核系統(tǒng)的實現(xiàn)

喬新國，陳俊，王濤

（1.武漢電力職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430079；2.湖北省電力公司試驗研究院，湖北 武漢 430077）

0 引 言

高壓配電全真負荷控制實訓考核系統(tǒng)是用于對電力營銷負荷管理工作的人員的職業(yè)技能進行培訓的全真實訓考核系統(tǒng)，可以實現(xiàn)與現(xiàn)場完全一致的實際運行狀況，達到全真設備上的培訓考核效果。

電力系統(tǒng)中，負荷控制裝置是非常重要的用戶監(jiān)控和自動裝置設備。由于相關技術日新月異，對電能信息的自動采集和對電力營銷的業(yè)務支持方面等功能的應用不斷提高，如何在設備帶電運行狀態(tài)下實施負荷控制裝置的培訓使用，達到全真培訓考核效果，使培訓人員上崗即能具備其崗位職業(yè)技能是現(xiàn)代電力企業(yè)培訓功能的需要，是亟待解決的一個問題。

進行培訓必須進行理論性的講解，然后再進行生產(chǎn)技能的實踐操作，以便使學員具有實際操作的職業(yè)技能。但是現(xiàn)有的實訓設備不具有負荷控制的培訓功能，沒有考慮設置該功能，即只能實現(xiàn)對客戶端從業(yè)人員的培訓，不能滿足電力企業(yè)職工生產(chǎn)技能培訓需求。如果到客戶端現(xiàn)場進行培訓，可能對客戶端的供電可靠性造成影響，不能對保證學員的人身安全，甚至還可能損壞現(xiàn)場設備，并且違背操作規(guī)程。

針對上述現(xiàn)有技術要求，建設一種高壓配電全真負荷控制實訓考核系統(tǒng)，使得設備在帶電運行狀態(tài)下實施負荷控制裝置的培訓使用，以達到全真培訓考核效果。

1 技術方案

為了解決上述技術問題，須采用相應的技術方案滿足要求。高壓配電全真負荷控制實訓考核系統(tǒng)的實現(xiàn)，包括有負控終端主站系統(tǒng)、虛擬負荷源加載系統(tǒng)、電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)、全真10kV配電系統(tǒng)、工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng)，其中負控終端主站系統(tǒng)和電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)與全真10kV配電系統(tǒng)相連，全真10kV配電系統(tǒng)與虛擬負荷源加載系統(tǒng)相連，虛擬負荷源加載系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng)相連。

全真的10kV配電系統(tǒng)包括有綜合保護器、高壓進線柜、負控終端高壓計量柜和高壓出線柜，所述的綜合保護器和高壓進線柜通過負控終端高壓計量柜與高壓出線柜相連。

負控終端主站系統(tǒng)負責對用戶（終端）的用電信息進行采集，統(tǒng)計。虛擬負荷源加載系統(tǒng)模擬10kV供電系統(tǒng)給計量、交采等回路提供電源。電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)實現(xiàn)二次回路的錯誤接線模擬（故障模擬）及計量。全真10 kV配電系統(tǒng)使用全真的10kV配電系統(tǒng)以模擬真實的現(xiàn)場環(huán)境，以更出色的進行培訓或考核，實現(xiàn)全真培訓目的。工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng)實現(xiàn)對虛擬負荷源加載系統(tǒng)、電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)的控制及整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示及對相關人員的培訓、演示等。

整體設備的載體為10kV的雙電源單母線分段典型供電系統(tǒng)，其一次側加載真實的10kV電壓，二次側的輸出由虛擬負荷源加載系統(tǒng)輸出，虛擬負荷源加載系統(tǒng)可以根據(jù)工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng)要求的電壓、電流、功率因數(shù)、功率值來輸出相應的物理參數(shù)，同時可以驅(qū)動二次側所有儀表、電能表部分；加裝電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)串接在電壓電流互感器二次側和多功能電能表之間，工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng)可以通過設定電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)的錯誤類型來進行錯誤接線的模擬培訓；負荷終端主站系統(tǒng)通過放置在計量柜中的負荷控制終端，對電能信息進行采集，對負荷進行控制，完成電能采集、負荷的遠程控制、預付電費的實現(xiàn)、對計量裝置錯誤行為的及時發(fā)現(xiàn)。

負荷終端主站系統(tǒng)由主站軟硬件系統(tǒng)、前置機軟硬件系統(tǒng)及負荷控制終端，構成電能采集和控制系統(tǒng)，終端主MCU采用功能強大的32位ARM平臺，滿足了對用電現(xiàn)場各項功能的需求，并為后期的功能擴展及個性化的需求提供了充足的硬件資源。終端軟件架構采用獨特的“消息”處理機制，相對于傳統(tǒng)的“流程化”設計，提高了終端的運行效率和穩(wěn)定性。采用多用戶結構，可以多人終端同時監(jiān)控。

虛擬負荷源加載系統(tǒng) 系統(tǒng)由以太網(wǎng)通信控制器，三相交流信號波形發(fā)生器，功率放大控制器，信號采集反饋系統(tǒng)，上位控制軟件系統(tǒng)，功率保護系統(tǒng)，電壓升壓器和電流升流器組成，可以通過上位機設定輸出電壓電流及功率因數(shù)，可以模擬產(chǎn)生二次側的所有電的參數(shù)信號。

電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng) 用于模擬電能表的錯誤接線，由通信網(wǎng)絡控制器、電流接線控制系統(tǒng)、電壓接線控制系統(tǒng)、電流接線控制完成TA二次出線正反控制電流（TA二次）短路（混連）模塊、電流換相、表尾電流方向切換；電壓切換可控制相序切換、電壓（TV一次、二次）通／斷、電壓跨相，可分別實現(xiàn)電壓相序、電壓線在電能表表尾不對應造成跨相等接線方式。

工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng) 主要負責整個系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)的上傳和顯示功能.監(jiān)控設備開關的合分閘狀態(tài)，從而控制虛擬負荷功率源，實現(xiàn)二次電壓、二次電流的升降與數(shù)值設定，真實模擬各種設備的負荷運行情況，具備電能計量、模擬現(xiàn)場功率控制、電量控制、終端故障模擬（終端錯接線，電壓回路包括開路、斷相，電流回路短路、開路等）等功能。

對于10kV典型配電實訓室，通過系統(tǒng)配置的主站系統(tǒng)可直接對10kV配電系統(tǒng)中所安裝的負荷終端進行控制，采集電能表數(shù)據(jù)，進行遠程控制跳閘等行為，可以真實實現(xiàn)對不法用戶實施竊電行為的模擬與監(jiān)控，實施負控裝置反竊電的培訓考核。

該系統(tǒng)的設備與現(xiàn)場的真實10kV真實設備完全一致，并且按照現(xiàn)場典型客戶配電室真實帶電運行，其負控終端主站系統(tǒng)和電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)采集的是真實的數(shù)據(jù)。所有的二次回路保護輸出都可以被上位機和主控程序遙控，同時根據(jù)培訓的需要，帶有以太網(wǎng)接口的程控功率電壓電流源可以根據(jù)上位機的設定真實的輸出保護回路所需信號，電能計量回路所需信號，可以開展如遠方抄表、購電控制、短期負荷預測、計量設備在線監(jiān)測、用配變監(jiān)測、系統(tǒng)變采集和低壓用戶集抄等新型功能應用的培訓考核，可達到培訓考核職工技能的需要。

2 主要方式

2.1 整體結構

高壓配電全真負荷控制實訓考核系統(tǒng)整體結構如圖1所示，其特征在于包括有負控終端主站系統(tǒng)、虛擬負荷源加載系統(tǒng)、電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)、全真10kV配電系統(tǒng)、工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng)，其中負控終端主站系統(tǒng)和電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)與全真10kV配電系統(tǒng)相連，全真10kV配電系統(tǒng)與虛擬負荷源加載系統(tǒng)相連，虛擬負荷源加載系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng)相連。

圖1 整體結構框圖

全真10kV配電系統(tǒng)包括綜合保護器、高壓進線柜、負控終端高壓計量柜和高壓出線柜，綜合保護器和高壓進線柜通過負控終端高壓計量柜與高壓出線柜相連。負控終端主站系統(tǒng)負責對用戶（終端）的用電信息進行采集、統(tǒng)計。虛擬負荷源加載系統(tǒng)模擬10kV供電系統(tǒng)對計量、交采等回路提供電源。電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)實現(xiàn)二次回路的錯誤接線模擬（故障模擬）及計量。使用全真的10kV配電系統(tǒng)以模擬真實的現(xiàn)場環(huán)境，進行培訓或考核，實現(xiàn)“仿真逼真、模擬操作”目的。工業(yè)控制機及顯示系統(tǒng)實現(xiàn)對虛擬負荷源加載系統(tǒng)、電能計量裝置錯誤接線加載系統(tǒng)的控制及整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的顯示及對相關人員的培訓、演示等。

2.2 負控終端主站系統(tǒng)采集電能表數(shù)據(jù)及設定功能說明

負控終端主站系統(tǒng)可以遠程采集電能表數(shù)據(jù)，它提供了一點對多點的負荷控制、遠方自動抄表、防竊電、用戶預購電等多種營銷技術手段，在實現(xiàn)有序用電和限電不分閘等情況中發(fā)揮了重要作用。電力負荷管理系統(tǒng)的一個主要功能就是對所監(jiān)控的裝置進行運行參數(shù)遙測，因此實訓系統(tǒng)的構建必須在模擬裝置上有接近實際運行狀態(tài)的電氣參數(shù)量，在本方案中采取虛負荷接入方式模擬系統(tǒng)參數(shù)運行，用于給裝置上的電能表和負控終端提供電流、電壓和功率等電氣量，并可平滑調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了接近現(xiàn)場實際運行狀態(tài)的創(chuàng)新。

在正常運行和發(fā)生事故時，使操作人員所看到的儀表顯示、指示顯示及事故現(xiàn)象與實際一模一樣。實現(xiàn)高壓斷路器動作、指示顯示、標示及事故現(xiàn)象等與真實現(xiàn)場一致。本方案中增加了虛負荷源加載柜體和電能表錯誤接線加載方式，在各配電裝置互感器后端增加接線端子用于連接虛擬負荷功率源，故障模擬器。將各柜體中電壓電流互感器的二次測量輸出接入功率源，在這里功率源可檢測互感器的實時電壓電流數(shù)據(jù)，可反應系統(tǒng)實際加載的高低壓電壓電流數(shù)據(jù)，同時這種功率源帶有工業(yè)以太網(wǎng)接口，與電腦通過工業(yè)以太網(wǎng)通信，可進行內(nèi)部電路切換，通過電腦設置功率源的電壓電流輸出值，可以按照操作者具體的培訓需要，設置相應的一次設備故障和二次設備故障（斷路器拒分、拒合、表計錯誤、狀態(tài)指示不正確、TV斷線、控制回路斷線、無功補償接線錯誤等，以真實的仿真一次故障。各柜體內(nèi)須加裝電路接線原理框圖如圖2所示。

配電裝置內(nèi)互感器二次測量線圈輸出接入虛擬功率源測量單元，功率源根據(jù)測得的實時電壓電流數(shù)據(jù)，輸出與實際一致的電壓電流值，同時也可以在電腦對功率源的輸出進行切換，改為由電腦設定功率源的電壓電流輸出值。功率源電壓電流輸出接入綜自保護單元，綜自保護電流出線再接入計量故障模擬器，功率源電壓出線并聯(lián)接入綜自保護單元和計量故障模擬器，故障模擬器的電壓電流輸出再接入計量表計（即電壓表、電流表、電能表）。

一 次故障模擬時，功率源電壓電流輸出切換至由電腦控制，從而實現(xiàn)過流、速 斷、欠壓、過壓的故障模擬。二次故障模擬時，功率源電壓電流輸出切換至由功率源內(nèi)部控制，即功率源根據(jù)測量的互感器值進行輸出，同時通過電腦控制故障模擬器，從而實現(xiàn)電壓電流回路短路、斷路、反相序等電能表錯誤接線故障模擬。其中功率源、綜自保護單元、故障模擬器、計量電能表均帶有通信，通過工業(yè)以太網(wǎng)與電腦進行通信，實現(xiàn)電腦對系統(tǒng)的實時檢測和控制。

圖2 柜內(nèi)加裝線路原理框圖

2.3 負荷控制在現(xiàn)場的實現(xiàn)

負控終端主站系統(tǒng)由主站，通訊網(wǎng)絡，電能采集設備所組成。主站又由后臺工作站，應用服務器，數(shù)據(jù)庫服務器，采集前置機系統(tǒng)所組成。通訊網(wǎng)絡由230M專網(wǎng)、GPRS、CDMA公網(wǎng)、電話、電力線等組成。采集設備為采集終端，負荷管理系統(tǒng)軟件主要由主控程序模塊、自動任務程序模塊、綜合電力采集前置機模塊及Web數(shù)據(jù)發(fā)布組成。

2.3.1 主控程序模塊與自動任務程序模塊

把主控程序與自動任務程序模塊放到一起，是因為自動任務程序相當于一個定時執(zhí)行的特殊的主控程序，且這兩個程序間的采集任務模塊都是共享的。

這兩個模塊的開發(fā)環(huán)境都是Visual Basic6.0＋SP6，主控程序提供人機交互，完成檔案管理、數(shù)據(jù)查詢、終端調(diào)試安裝等日常監(jiān)測、管理工作；自動任務定時完成采集、數(shù)據(jù)分析等工作。

2.3.2 綜合電力采集前置機模塊

綜合電力采集前置機模塊使用Visual C＋6.0做為開發(fā)環(huán)境，主要完成對通信任務的管理、通信資源統(tǒng)一調(diào)度、通信協(xié)議（規(guī)約）解釋等工作，在運行管理模塊（主控程序與自動任務程序）與現(xiàn)場設備終端通信之間起橋梁作用。

2.3.3 Web發(fā)布

Web使用JavaScript做開發(fā)語言，IBM Websphere為發(fā)布平臺，完成數(shù)據(jù)發(fā)布、提供數(shù)據(jù)查詢、實現(xiàn)跨部門數(shù)據(jù)共享。

軟件系統(tǒng)的結構如圖3所示，其邏輯組成主要包括：前置通信系統(tǒng)、系統(tǒng)基礎應用和系統(tǒng)高層應用系統(tǒng)、與外部系統(tǒng)的接口、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)管理等幾個主要部分?？傮w上而言，系統(tǒng)設計采用了軟總線和模塊化的思想，系統(tǒng)各組成部分之間保證相對的獨立性，各組成部分的變化和修改不會引起其它部分的變化，保證了系統(tǒng)具有較高的擴展性。

圖3 系統(tǒng)軟件結構示意圖

3 結束語

采用現(xiàn)代工業(yè)控制技術與高壓電力負荷控制技術理論結合，以虛擬功率源和故障模擬器及計算機技術等組成的實訓系統(tǒng)，解決了高壓負荷控制裝置在全真條件下檢測培訓的技術難題，實現(xiàn)了對相關技術人員在全真高壓配電設備上的技能培訓，培訓對象可以在培訓考核評價系統(tǒng)中進行技能的操作，解決真實設備不能操作的難題，培訓效果均與真實的設備完全相同，滿足電力企業(yè)對職工技能培訓及考核需求。

［1］湖北省電力公司.電力營銷標準［S］.湖北：湖北省科學技術出版社，2005（2）：306-308.

［2］穆習主編.電能計量裝置接線檢查實用指南［M］.遼寧：遼寧科學技術出版社，2008（6）：15-19.

［3］喬新國主編.電力營銷基本知識［M］.北京：中國電力出版社，2007（5）：177-178.

［4］黃凈主編.電氣控制與可編程控制器［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004（8）：71.

［5］喬新國，王濤，陳俊，等.高壓配電全真負荷控制實訓考核系統(tǒng)；中國，201120233404.7［P］，2012-02-01.