高压电气试验仿真实训系统开发研究

伍家洁，苏 渊

(重庆电力高等专科学校，重庆400053)

高电压技术是高职工科院校电力类专业的专业核心课程，它重点研究绝缘材料与绝缘性能、高压电气试验与过电压保护等问题，具有较强的理论性和实践性。为配合该课程的理论教学，多数院校单独开设了高电压技术实训环节，通过让学生动手做电气试验，熟悉和掌握电气设备绝缘试验的方法，能根据试验结果正确判断电气设备的绝缘状况。

由于电气设备绝缘试验所施加的电压通常达到几十千伏，甚至上百千伏，再加上学生没有在高电压条件下进行操作的经验，所以在试验过程中必须高度重视学生的人身安全问题。这样就带来一系列现实的问题:一方面，老师在开展实训教学时，因为担心学生接线错误而导致设备损坏，甚至引起人身伤亡，所以不敢放手让学生自行接线;另一方面，即便经过老师演示与详尽的危险点分析后，放手让学生接线，老师也必须对每一组学生进行监护，从而影响了教学效率，使得实训教学必须分组展开，花费更多不必要的时间。正是由于以上安全和时间方面的种种原因，使得我们在开展高电压技术实训时，大多数学生没能得到很好的动手锻炼机会，制约了学生高压测试、绝缘判断能力的培养。

为此，重庆电力高等专科学校电力系专业教师联合试验设备生产厂家，共同研究开发了高压电气试验仿真实训系统。该系统采用计算机为上层机作为主控平台，以DSP集成电路作为控制模块，使用RS485总线通信方式，从而用低压电子技术实现了高压电气试验。该方法使学生在低电压工作环境下就可以模拟高电压试验全过程，试验安全可靠，设备可靠性高，经久耐用，同时还可以开展试验接线的故障查找与维修，从而提高学生或培训人员的技术水平和动手能力。

1 高压电气试验仿真实训系统设计

1.1 硬件设计

高压电气试验仿真实训系统主要由上位机系统、仿真高压测试仪器和仿真高压被试设备等三部分组成。第一部分由上层计算机操作和管理系统组成，可对整个仿真实训系统的运行工况进行设置，对试验数据结果进行保存、打印和管理。该部分通过485通信接口与第二部分下层机的各个仿真高压测试仪器连接起来。第二部分由各个独立的仿真高压测试仪器组成。该高压测试仪器仿真系统可以与第三部分被试设备组成一个独立的高压测试系统来完成特定的高压电气测试实训。

高电压技术混合仿真实训系统的组成如图1所示。

图1 高压电气试验仿真实训系统组成

上位机系统由一台计算机、多媒体设备、打印机、通讯管理模块构成。计算机用于提供一个人机界面良好的高压试验教学平台，在通讯管理模块的支持下，指导教师可通过计算机完成与仿真高压测试仪器和仿真高压被试设备之间的数据传输。多媒体设备包括音响和投影仪等设备，音响可以用来模拟演示试验中有关的声响;投影仪用来显示培训学生的课件;打印机用于打印试验记录和参数。

仿真高压测试仪器及其控制系统为由DSP控制的模拟设备，只要求进行试验接线、过程调节、控制、故障查找和试验结果显示，不能输出高压。利用上位机系统的计算机的仿真软件将一次试验设备、高压测试仪器、实训模型、控制和通信技术有机结合起来。试验的结果和数据可动态显示在每个高压测试仪器面板上。这些试验数据和结果老师可以在主控平台的计算机上进行事先设置和查看，也可以在每个测试仪器上进行实验数据的编辑和修改;同时，对学生试验的内容、试验结果可以进行保存和打印。高压测试仪器的机箱要根据实际仪器型号的不同而设计，且功能及操作方式和真实高压测试仪器相一致。

仿真高压被试设备可按设备价格高低选择为仿真模型或者真实设备。若选择为仿真模型，应注意仿真模型设备外形、接线端子等应与真实被试设备外型和特性相一致。

1.2 软件设计

软件仿真设计是确保本系统正确、可靠的重要环节。软件仿真系统通过通讯系统的数据库及命令语言方式来完成现场数据的采集、处理、控制运算、输出控制等功能。它既要通过开关量采集、逻辑判断来辨识试验操作的正确性，也需要建立强大的数据库模拟各种可能的设备状态。指导教师必须在仿真系统启动前从数据库中选择参数、设定初始条件值，如现场环境温度、设备内部温度等。通过设定不同的设备参数方便学生在不同的条件下进行试验，从而判断各种设备状态的正常或异常。

本仿真软件编程语言采用Visual Basic 6.0，数据库软件采用SQL Server For WINCC 2005，通讯采用MSCOMM控件进行串口通讯处理。

上传数据时，当选择了需要读取数据的设备后(通过画面切换)，按下“读数据”按钮，在其事件中打开对应的串口(串口控件为m_Com)，并初始化“读数据计数”变量(TestNum)为1。该变量数值变化触发VBS动作(ReadTestRecord.bas)，并发送读数据命令。MSCOMM控件处理数据接收事件，对接收到的数据进行规则检查(长度、同步头、校验码检查)，当接收到一组合格测试数据后，由HVDataDeal过程进行处理，根据设备类型和数据地址，进行换算，结果存储在设备对应的结构变量UpData中。读取的数据成功存储到结构变量中后，由过程TagToRecordTemp更新临时数据库(TempTestRecord)中的对应于本次测试的数据。该组数据更新后，如果本次测试数据没有读取完毕，则使“读数据计数”变量(TestNum)加1，再次触发ReadTestRecord动作，直到本次测试数据全部上传完毕，更新画面中的数据库控件和列表控件，显示上传的测试数据。

下传数据时，当选择了需要读取数据的设备(通过画面切换)，并且选择了一组20次测试参数后，按下“参数设置”按钮，在其事件中打开对应的串口(串口控件为m_Com2)，并调用ReadTestParameter过程;在该过程逐一读取画面中的ADODC控件的记录，并将记录数据换算成原始数据，将原始测试参数写至结构变量WritePara1～20中。结构变量写入成功后，初始化“写同组参数序列”变量(WriteSameGroupParaIndex)和“写参数计数”变量(WriteParaNum)为1。“写同组参数序列”变量值的变化触发VBS动作(WritePara.bas)。该动作根据待写入数据的设备类型、写参数计数变量值和“写同组参数序列”变量值，初始化数据写入地址，并从结构变量组WritePara提取待写入的数据，一次写一个测试参数至对应的串口发送缓冲区。m_Com2控件OnComm事件检查接收到的数据，对数据帧进行规格检查(长度、同步头、校验帧、写数据成功标志)，检查合格后，如果本次测试数据未写完，则使WriteSameGroupParaIndex加1;如果已写完本次测试数 据，则 使 WriteSameGroupParaIndex=1，使WriteParaNum加1，直至写完20次测试数据。

软件仿真系统按高压电气试验内容，分项目设置。为满足不同设备试验性能指标的差异，每一项仿真实训软件都可进行更新和修改。各试验项目仿真系统由“概述说明”、“视频演示”、“管理员操作”、“实验报告”及“排故实验”五大功能模块组成。“概述说明”模块用图文并茂的形式对各种试验进行试验目的、方法、接线、判断、危险点介绍。管理员可对文字部分进行修改，同时提供帮助文档功能。“视频演示”模块以视频的方式进行教学试验演示，帮助学生熟悉试验内容，其多媒体资源可不断更新。“管理员操作”模块可进行实验数据的编辑，并与下位机进行通信实验。“实验报告”模块能将下位机实验的数据自动读取和生成实验报告的功能。每份报告可填入3组数据，在“测量次数”输入测试组号(1至20组)，系统将自动读取该组实验数据形成报告，同时提供“打印”及“导出Excel文件”的功能。“排故实验”为接线、设备选择故障查找，在学生试验过程中，各个测试仪器与被测设备之间的短路、断路、错接等电气连接情况，实时显示在计算机上。

2 仿真实训系统功能与特点

2.1 仿真实训系统功能

高压电气试验仿真实训系统能完成的试验包括绝缘电阻测量、泄漏电流测量、介质损耗角正切值测量、直流耐压试验和交流耐压试验。为完成这些试验，仿真系统设计的基本功能包括参数设置、数据通信、异常保护和数据管理。

在参数设置功能中，试验人员可以设定试验方式、试验电压和试验时间。由于是仿真系统，一些试品是模型，并不是真实的设备，其绝缘数值也需提前由教师设定。教师可以设定合格的绝缘数值，也可以设定不合格的绝缘数值。

数据通信是指上位机和各高压测试仪器之间的数据交换。在本仿真实训系统中，上位机和各高压测试仪器之间采用RS485通信协议进行通信。上位机预先设置好的多组绝缘数值可以一次性发送给各高压测试仪器，而各高压测试仪器自身的一些状态数据也可以回传给上位机。

异常保护包括过压保护、过流保护、零位保护等。过压保护和过流保护的数值可以在试验前设定好，一旦试验过程中出现超过规定试验电压值或试品击穿导致电流过大情况时，电源会自动跳闸。零位保护是指当要进行高压试验时，当高压输出电位器没有调节到零时，按“高压启动”按钮，不能启动高压输出，调节高压输出电位器无反应。只有当高压输出电位器调节到零时，零位指示灯亮，此时，按“高压启动”按钮，测试设备才会输出电压。

数据管理是指仿真系统具有数据显示、数据存储和数据打印等功能。本仿真系统可以存储二十组测试数据，用以进行比较和判断。

2.2 仿真实训系统特点

高压电气试验仿真实训系统具有仿真环境的真实性、仿真功能的一致性和仿真操作的安全性等特点。

为了体现仿真环境的真实性，在开发仿真实训系统时，全部高压测试设备和大部分被试电气设备，均采用真实设备。部分被试电气设备(如油浸变压器)考虑到成本因素，其内部没有布置铁芯和绕组，但其外形仍然同真实设备一致。仿真环境真实性的目的是使培训学生能按照现场的试验接线对设备进行测试，保证学生在仿真操作训练后能更快地对真实设备进行实际高压测试，提高培训质量。

仿真培训系统要做到逼“真”，除仿真的外在环境条件外，还需要体现在其仿真功能上。因此，在开发过程中，本仿真培训系统的功能达到了与现场相一致，其中包括参数设置、数据管理、保护和监控等。仿真功能的一致性可以保证培训学生尽快掌握试验方法，熟悉试验操作，学会正确使用试验设备。

本仿真培训系统最大的特点就是使用安全。所有高压测试设备输出的电压都是在安全电压(36 V)以下，与真实测试设备动辄几千伏，甚至几十千伏的电压相比，在试验操作时可以确保试验人员的人身安全。在培训时，教师可以放手让学生自行接线，自行操作，从而提高培训效率，改善培训效果。

3 结语

高压电气试验仿真培训系统按照高压电气试验规范的要求，通过内部产生的低压电气信号来模拟高压试验测量的过程与结果，以使学生在安全的环境下能便捷而有效地开展各种高压试验的学习，其效果与真实现场下的电气试验一样;同时，教师可以通过功能完善的指导员台对高压试验的各种条件或参数加以修改，制造异常与缺陷，可更为有效地提高学生的实际操作能力和综合分析判断能力。

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［2］ 王勇，王邦志，林昌年.电气试验数字仿真与网络培训系统的设计与实现［J］.电力系统自动化，2008，(9):100-103.

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