高压配电全真负荷控制实训考核系统的实现

乔新国，陈俊，王涛

（1.武汉电力职业技术学院，湖北 武汉 430079；2.湖北省电力公司试验研究院，湖北 武汉 430077）

0 引 言

高压配电全真负荷控制实训考核系统是用于对电力营销负荷管理工作的人员的职业技能进行培训的全真实训考核系统，可以实现与现场完全一致的实际运行状况，达到全真设备上的培训考核效果。

电力系统中，负荷控制装置是非常重要的用户监控和自动装置设备。由于相关技术日新月异，对电能信息的自动采集和对电力营销的业务支持方面等功能的应用不断提高，如何在设备带电运行状态下实施负荷控制装置的培训使用，达到全真培训考核效果，使培训人员上岗即能具备其岗位职业技能是现代电力企业培训功能的需要，是亟待解决的一个问题。

进行培训必须进行理论性的讲解，然后再进行生产技能的实践操作，以便使学员具有实际操作的职业技能。但是现有的实训设备不具有负荷控制的培训功能，没有考虑设置该功能，即只能实现对客户端从业人员的培训，不能满足电力企业职工生产技能培训需求。如果到客户端现场进行培训，可能对客户端的供电可靠性造成影响，不能对保证学员的人身安全，甚至还可能损坏现场设备，并且违背操作规程。

针对上述现有技术要求，建设一种高压配电全真负荷控制实训考核系统，使得设备在带电运行状态下实施负荷控制装置的培训使用，以达到全真培训考核效果。

1 技术方案

为了解决上述技术问题，须采用相应的技术方案满足要求。高压配电全真负荷控制实训考核系统的实现，包括有负控终端主站系统、虚拟负荷源加载系统、电能计量装置错误接线加载系统、全真10kV配电系统、工业控制机及显示系统，其中负控终端主站系统和电能计量装置错误接线加载系统与全真10kV配电系统相连，全真10kV配电系统与虚拟负荷源加载系统相连，虚拟负荷源加载系统通过工业以太网与工业控制机及显示系统相连。

全真的10kV配电系统包括有综合保护器、高压进线柜、负控终端高压计量柜和高压出线柜，所述的综合保护器和高压进线柜通过负控终端高压计量柜与高压出线柜相连。

负控终端主站系统负责对用户（终端）的用电信息进行采集，统计。虚拟负荷源加载系统模拟10kV供电系统给计量、交采等回路提供电源。电能计量装置错误接线加载系统实现二次回路的错误接线模拟（故障模拟）及计量。全真10 kV配电系统使用全真的10kV配电系统以模拟真实的现场环境，以更出色的进行培训或考核，实现全真培训目的。工业控制机及显示系统实现对虚拟负荷源加载系统、电能计量装置错误接线加载系统的控制及整个系统运行状态的显示及对相关人员的培训、演示等。

整体设备的载体为10kV的双电源单母线分段典型供电系统，其一次侧加载真实的10kV电压，二次侧的输出由虚拟负荷源加载系统输出，虚拟负荷源加载系统可以根据工业控制机及显示系统要求的电压、电流、功率因数、功率值来输出相应的物理参数，同时可以驱动二次侧所有仪表、电能表部分；加装电能计量装置错误接线加载系统，该系统串接在电压电流互感器二次侧和多功能电能表之间，工业控制机及显示系统可以通过设定电能计量装置错误接线加载系统的错误类型来进行错误接线的模拟培训；负荷终端主站系统通过放置在计量柜中的负荷控制终端，对电能信息进行采集，对负荷进行控制，完成电能采集、负荷的远程控制、预付电费的实现、对计量装置错误行为的及时发现。

负荷终端主站系统由主站软硬件系统、前置机软硬件系统及负荷控制终端，构成电能采集和控制系统，终端主MCU采用功能强大的32位ARM平台，满足了对用电现场各项功能的需求，并为后期的功能扩展及个性化的需求提供了充足的硬件资源。终端软件架构采用独特的“消息”处理机制，相对于传统的“流程化”设计，提高了终端的运行效率和稳定性。采用多用户结构，可以多人终端同时监控。

虚拟负荷源加载系统 系统由以太网通信控制器，三相交流信号波形发生器，功率放大控制器，信号采集反馈系统，上位控制软件系统，功率保护系统，电压升压器和电流升流器组成，可以通过上位机设定输出电压电流及功率因数，可以模拟产生二次侧的所有电的参数信号。

电能计量装置错误接线加载系统 用于模拟电能表的错误接线，由通信网络控制器、电流接线控制系统、电压接线控制系统、电流接线控制完成TA二次出线正反控制电流（TA二次）短路（混连）模块、电流换相、表尾电流方向切换；电压切换可控制相序切换、电压（TV一次、二次）通／断、电压跨相，可分别实现电压相序、电压线在电能表表尾不对应造成跨相等接线方式。

工业控制机及显示系统 主要负责整个系统的控制及数据的上传和显示功能.监控设备开关的合分闸状态，从而控制虚拟负荷功率源，实现二次电压、二次电流的升降与数值设定，真实模拟各种设备的负荷运行情况，具备电能计量、模拟现场功率控制、电量控制、终端故障模拟（终端错接线，电压回路包括开路、断相，电流回路短路、开路等）等功能。

对于10kV典型配电实训室，通过系统配置的主站系统可直接对10kV配电系统中所安装的负荷终端进行控制，采集电能表数据，进行远程控制跳闸等行为，可以真实实现对不法用户实施窃电行为的模拟与监控，实施负控装置反窃电的培训考核。

该系统的设备与现场的真实10kV真实设备完全一致，并且按照现场典型客户配电室真实带电运行，其负控终端主站系统和电能计量装置错误接线加载系统采集的是真实的数据。所有的二次回路保护输出都可以被上位机和主控程序遥控，同时根据培训的需要，带有以太网接口的程控功率电压电流源可以根据上位机的设定真实的输出保护回路所需信号，电能计量回路所需信号，可以开展如远方抄表、购电控制、短期负荷预测、计量设备在线监测、用配变监测、系统变采集和低压用户集抄等新型功能应用的培训考核，可达到培训考核职工技能的需要。

2 主要方式

2.1 整体结构

高压配电全真负荷控制实训考核系统整体结构如图1所示，其特征在于包括有负控终端主站系统、虚拟负荷源加载系统、电能计量装置错误接线加载系统、全真10kV配电系统、工业控制机及显示系统，其中负控终端主站系统和电能计量装置错误接线加载系统与全真10kV配电系统相连，全真10kV配电系统与虚拟负荷源加载系统相连，虚拟负荷源加载系统通过工业以太网与工业控制机及显示系统相连。

图1 整体结构框图

全真10kV配电系统包括综合保护器、高压进线柜、负控终端高压计量柜和高压出线柜，综合保护器和高压进线柜通过负控终端高压计量柜与高压出线柜相连。负控终端主站系统负责对用户（终端）的用电信息进行采集、统计。虚拟负荷源加载系统模拟10kV供电系统对计量、交采等回路提供电源。电能计量装置错误接线加载系统实现二次回路的错误接线模拟（故障模拟）及计量。使用全真的10kV配电系统以模拟真实的现场环境，进行培训或考核，实现“仿真逼真、模拟操作”目的。工业控制机及显示系统实现对虚拟负荷源加载系统、电能计量装置错误接线加载系统的控制及整个系统运行状态的显示及对相关人员的培训、演示等。

2.2 负控终端主站系统采集电能表数据及设定功能说明

负控终端主站系统可以远程采集电能表数据，它提供了一点对多点的负荷控制、远方自动抄表、防窃电、用户预购电等多种营销技术手段，在实现有序用电和限电不分闸等情况中发挥了重要作用。电力负荷管理系统的一个主要功能就是对所监控的装置进行运行参数遥测，因此实训系统的构建必须在模拟装置上有接近实际运行状态的电气参数量，在本方案中采取虚负荷接入方式模拟系统参数运行，用于给装置上的电能表和负控终端提供电流、电压和功率等电气量，并可平滑调节，实现了接近现场实际运行状态的创新。

在正常运行和发生事故时，使操作人员所看到的仪表显示、指示显示及事故现象与实际一模一样。实现高压断路器动作、指示显示、标示及事故现象等与真实现场一致。本方案中增加了虚负荷源加载柜体和电能表错误接线加载方式，在各配电装置互感器后端增加接线端子用于连接虚拟负荷功率源，故障模拟器。将各柜体中电压电流互感器的二次测量输出接入功率源，在这里功率源可检测互感器的实时电压电流数据，可反应系统实际加载的高低压电压电流数据，同时这种功率源带有工业以太网接口，与电脑通过工业以太网通信，可进行内部电路切换，通过电脑设置功率源的电压电流输出值，可以按照操作者具体的培训需要，设置相应的一次设备故障和二次设备故障（断路器拒分、拒合、表计错误、状态指示不正确、TV断线、控制回路断线、无功补偿接线错误等，以真实的仿真一次故障。各柜体内须加装电路接线原理框图如图2所示。

配电装置内互感器二次测量线圈输出接入虚拟功率源测量单元，功率源根据测得的实时电压电流数据，输出与实际一致的电压电流值，同时也可以在电脑对功率源的输出进行切换，改为由电脑设定功率源的电压电流输出值。功率源电压电流输出接入综自保护单元，综自保护电流出线再接入计量故障模拟器，功率源电压出线并联接入综自保护单元和计量故障模拟器，故障模拟器的电压电流输出再接入计量表计（即电压表、电流表、电能表）。

一 次故障模拟时，功率源电压电流输出切换至由电脑控制，从而实现过流、速 断、欠压、过压的故障模拟。二次故障模拟时，功率源电压电流输出切换至由功率源内部控制，即功率源根据测量的互感器值进行输出，同时通过电脑控制故障模拟器，从而实现电压电流回路短路、断路、反相序等电能表错误接线故障模拟。其中功率源、综自保护单元、故障模拟器、计量电能表均带有通信，通过工业以太网与电脑进行通信，实现电脑对系统的实时检测和控制。

图2 柜内加装线路原理框图

2.3 负荷控制在现场的实现

负控终端主站系统由主站，通讯网络，电能采集设备所组成。主站又由后台工作站，应用服务器，数据库服务器，采集前置机系统所组成。通讯网络由230M专网、GPRS、CDMA公网、电话、电力线等组成。采集设备为采集终端，负荷管理系统软件主要由主控程序模块、自动任务程序模块、综合电力采集前置机模块及Web数据发布组成。

2.3.1 主控程序模块与自动任务程序模块

把主控程序与自动任务程序模块放到一起，是因为自动任务程序相当于一个定时执行的特殊的主控程序，且这两个程序间的采集任务模块都是共享的。

这两个模块的开发环境都是Visual Basic6.0＋SP6，主控程序提供人机交互，完成档案管理、数据查询、终端调试安装等日常监测、管理工作；自动任务定时完成采集、数据分析等工作。

2.3.2 综合电力采集前置机模块

综合电力采集前置机模块使用Visual C＋6.0做为开发环境，主要完成对通信任务的管理、通信资源统一调度、通信协议（规约）解释等工作，在运行管理模块（主控程序与自动任务程序）与现场设备终端通信之间起桥梁作用。

2.3.3 Web发布

Web使用JavaScript做开发语言，IBM Websphere为发布平台，完成数据发布、提供数据查询、实现跨部门数据共享。

软件系统的结构如图3所示，其逻辑组成主要包括：前置通信系统、系统基础应用和系统高层应用系统、与外部系统的接口、数据存储、系统管理等几个主要部分。总体上而言，系统设计采用了软总线和模块化的思想，系统各组成部分之间保证相对的独立性，各组成部分的变化和修改不会引起其它部分的变化，保证了系统具有较高的扩展性。

图3 系统软件结构示意图

3 结束语

采用现代工业控制技术与高压电力负荷控制技术理论结合，以虚拟功率源和故障模拟器及计算机技术等组成的实训系统，解决了高压负荷控制装置在全真条件下检测培训的技术难题，实现了对相关技术人员在全真高压配电设备上的技能培训，培训对象可以在培训考核评价系统中进行技能的操作，解决真实设备不能操作的难题，培训效果均与真实的设备完全相同，满足电力企业对职工技能培训及考核需求。

［1］湖北省电力公司.电力营销标准［S］.湖北：湖北省科学技术出版社，2005（2）：306-308.

［2］穆习主编.电能计量装置接线检查实用指南［M］.辽宁：辽宁科学技术出版社，2008（6）：15-19.

［3］乔新国主编.电力营销基本知识［M］.北京：中国电力出版社，2007（5）：177-178.

［4］黄净主编.电气控制与可编程控制器［M］.北京：机械工业出版社，2004（8）：71.

［5］乔新国，王涛，陈俊，等.高压配电全真负荷控制实训考核系统；中国，201120233404.7［P］，2012-02-01.