一种负控仿真培训系统的设计

2023-05-05陈秋玲陈晨傅文进

电子技术与软件工程 2023年2期

陈秋玲陈晨傅文进

（国网江苏省电力有限公司盐城供电分公司江苏省盐城市 224000）

随着我国经济持续发展，人民生活水平不断提高，用电量日益增长，电力负荷管理工作越发重要。因此设计一种负荷控制仿真培训系统，能够模拟各种实际运行环境，在实训室内即可实施负荷控制装置的培训使用，用于对从事负荷管理工作的人员进行实训,提高相关工作人员的业务技能水平，具有十分重要的意义。

1 负控仿真培训系统概述

负控仿真培训系统涵盖国网Ⅰ型专变终端、国网Ⅱ型专变终端、国网Ⅲ型专变终端、三相智能电表等，用于专变采集终端的培训教学，利用仿真设备虚拟负荷源模拟现场用户用电情况，可设置终端、表计常见故障，利用新一代用电信息采集模拟仿真系统实现对用户的建档、设置参数、下发参数、数据采集、数据补招、有序用电方案执行、用户开关模拟跳闸等功能。

2 总体方案设计

负控仿真培训系统的实现包括仿真培训装置、电源加载系统、故障模拟器、计算机、负控管理仿真平台系统。

负控仿真培训系统的原理框图如图1所示。

图1：原理框图

负控管理仿真平台系统总体架构依据国家、行业和公司的有关标准、规范、导则进行设计，充分借鉴智慧能源服务平台、营销、采集设计思路和技术架构，采用SOA 架构、云架构、微服务框架开发规范进行建设。

负控管理仿真平台系统总体架构如图2所示。

图2：负控管理仿真平台系统总体架构

负控管理仿真平台系统负责对用户的用电信息进行采集、统计，虚拟负荷电源系统为系统的计量、交采等回路提供电源，故障模拟器实现二次回路的故障模拟及计量，计算机实现对虚拟负荷电源系统和故障模拟器的控制及整个系统运行状态的显示。整个系统模拟真实的现场环境，进行培训或考核。

3 负控仿真装置设计

负控仿真培训系统模拟现场应用环境，涵盖了国网Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型专变采集终端和电能表，用于专变采集终端的培训教学，各种终端、表计故障及新一代用采系统的模拟仿真。同时通过终端主站软件可以培训学员功控、电控及遥控（开关状态），显示当前电能表的各种错误代码，还可以自动判断学员负荷终端接线的正误，提高培训效率。

3.1 装置结构

装置采用计量屏式，分为三个操作面，每个操作面上部为计时器显示窗口，可根据控制软件设定的时间进行计时，并且还有“开始”、“结束”、“最后5 分钟”等语音提示。

装置A 面上部安装I 型终端，并预留三种终端的固定孔，方便实训。中下部为表计，模拟台区总表，分为三相三线和三相四线两种。终端和表计均配置有接线端子，方便进行装接实训。终端的各轮控制输出端子通过接线端子排与模拟现场用户的负荷断路器连接，遥信端子接入对应负荷断路器的辅助触点。终端采集回路包括脉冲采集回路和RS485 采集回路，终端脉冲端子与电能表脉冲端子连接，终端RS485 端子与电能表RS485 端子连接。装置A 面结构示意图如图3所示。

图3：A 面结构示意图

装置B 面设计八路遥控、遥信控制回路，包括模拟断路器、负荷指示灯、启动按钮、停止按钮和接线端子等，模拟断路器的遥控、遥信回路信号线接入到接线端子处，方便学员进行接线练习。装置B 面结构示意图如图4所示。

图4：B 面结构示意图

装置C 面设计八个用户，配置两只三相四线仿真电能表和6 只分路监测终端。其中两只电能表配置接线盒，8 个用户均配置接线端子，电压电流线、485 线、脉冲线均接至接线端子处。装置C 面结构示意图如图5所示。

图5：C 面结构示意图

3.2 硬件构成

负控仿真装置主要包括虚拟负荷电源系统、通讯转发器、故障模拟器、语音计时系统、三相电源箱、负荷管理终端等。

3.2.1 虚拟负荷电源系统

该电源系统可以输出各相电压电流，幅度、相位均可程序设定、调节及校准，可以实时测量输出电压有效值、电流有效值、功率、相位、对称度、失真度，可以根据测量标准值调整输出值，保证输出的精确度；所有功能实现均可通过网口控制,所有信息可通过网口读取；三相四线/三相三线，正相序/逆相序四种状态可任意组合输出。

3.2.2 通讯转发器

通讯转发器的主要目的是完成上位机与下位机之间的通讯转换任务，提供通讯服务。由于控制系统的下位机数量较大，所以对通讯转发器的通讯速率与质量要求较高。

通讯转发器主要是实现PC 机与故障模拟器的通讯转换功能，主要包含LAN、CAN 两个接口，上位机指令通过LAN 口下发至通讯转发器，转换后经CAN 口发出；设备的回传指令经CAN 口上传至通讯转发器，转换后经LAN 口上传至上位机。

3.2.3 故障模拟器

用于模拟终端、总表、用户表在不同用电环境中的电压断线、错相序、电流短路、开路、极性反、错相序等故障，通过CAN 总线与通讯转发器相连，由单片机引脚输出经光电隔离后直接控制继电器动作。

3.2.4 语音计时系统

包括计时器、喇叭、开关电源等。可根据上位机设定的时间进行倒计时，计时可根据需要暂停并继续，并且还有“开始”、“结束”、“继续”、“最后5 分钟”等语音提示。

3.2.5 三相标准电源箱

三相标准电源箱由电源箱主板和1U 机箱组成，标准化设计，主要应用于装置电源控制、功耗测量等。

电源箱具有本地、远程启停功能，回路电压电流、功率、漏电流测量功能，三相过欠压、过载及漏电检测功能，启停状态、告警状态指示灯输出功能。

3.2.6 负荷管理终端

负控仿真柜内专变采集终端涵盖国网Ⅰ型专变、国网Ⅱ型专变、国网Ⅲ型专变等，用于专变采集终端的培训教学，能够利用230 基站与电力负荷管理系统仿真平台软件进行通讯。

终端主要由MCU 单元、计量单元、数据采集单元、显示单元、通信单元、存储单元等组成。MCU 单元采用ARM cortex-M3 内核处理器LPC1778,采用灵活的操作管理系统,实现数据处理和对各模块的管理。计量单元采用高精度计量专用芯片IDT90E36,实现交流模拟量的计算及进行电能计量。数据采集包括状态量采集、脉冲量采集以及通过485 接口采集电能表数据。显示单元包括实时数据和信息的LCD 显示、菜单功能的操作以及相关状态的LED 指示。通过232 接口、红外接口进行数据维护,通过以太网或GPRS 通信接口与主站通信。通过USB 接口进行程序下载升级。存储单元实现数据的分类存储与管理,掉电数据的保存等。

3.3 终端控制原理

专变用户负荷控制通过专变采集终端输出控制信号，控制各用户负荷分支回路的断路器开关分断，实现切断负荷。现场应用时，将专变采集终端的各轮控制输出端子与现场负荷断路器连接，遥信端子接入对应负荷断路器的辅助触点，脉冲端子与现场电能表脉冲端口连接完成控制回路接线。终端上行通信优先采用无线公网和无线专网双模通信通道，分支监测单元通过RS485 接入终端。原理图如图6所示。

图6：专变采集终端负荷控制原理

数据采集：专变采集终端通过RS485 或脉冲方式采集各计量单元的功率数据，当需要进线有序用电等控制操作时，终端会结合相关数据按照预设的控制策略（如功率控制、电量控制等），按照轮次顺序执行控制。

控制输出：专变采集终端配置有控制输出功能，每一路控制输出与用户负荷分支断路器的脱扣装置（分励脱扣器或欠压脱扣器）连接，用于控制断路器分断。

结果反馈：专变采集终端发出控制信号后，通过采集相应开关的辅助触点变位情况判断当前该开关的开合状态，实现控制命令执行状态的闭环反馈。

3.4 控制软件

控制软件通过计算机网口经交换机给控制部分发送控制命令，设置各模块的工作状态，实时监测装置各模拟断路器的状态，用户负荷可自由设定，系统根据智能算法调整总表及终端的负荷大小。

根据实训需要，控制软件可以设置用户、总表及终端的各类线路故障，并通过数据读取功能向仿真电能表索要数据，通过仿真表读写功能进行仿真表操作，设置仿真表内部故障，更改仿真表内部参数等。

4 系统仿真平台软件

该系统仿真平台完全模拟真实现场的新一代用电信息采集系统，界面展现采用Vue.js 技术，服务器开发采用JDK1.6、JavaEE5.0 技术，数据访问采用JDBC 技术，数据库采用Mysql 8.0，通过WEB 浏览直接访问，输入用户名及密码，验证无误后即可进入主界面。

4.1 系统平台组成

电力负荷管理系统仿真平台软件建设充分考虑模块化、标准化、可升级等技术特点，共分为以下几个模块：

综合分析模块、系统监控模块、负荷调控模块、负荷应用模块、设备管理模块和系统支撑模块等。

综合分析模块和系统监控模块承载数据监测、指标管理、指挥演练等功能，通过统一展示界面，汇集整个系统数据。

负荷调控模块负责实时数据交换及中间过程管控，实时采集用户负荷数据，动态感知用户开关动作情况。实现客户运行负荷和状态信息的准实时监测、实时数据的过程研判分析告警、执行策略执行过程的负控管理功能的跨域调度、指令下发等功能。

负荷应用模块负责实现方案管理和效果评价等负荷应用管理，包括负荷用户新增、批量导入功能，接入开关回路信息的维护功能，负荷执行效果的个性化展示功能，指挥演练的监测、评价功能。

4.2 系统部署

电力负荷管理系统设备物理部署采用集中部署方式。在实训室内部署电力负荷管理仿真装置，围绕此装置，结合电力负荷管理系统仿真平台软件，开展负荷应用管理、负荷控制管理、运行管理等日常管理工作的培训及考核。

仿真主站系统：实现表计和终端的信息管理，数据召测，统计分析，负荷应用管理、负荷控制管理、运行管理功能。

控制管理软件：实现装置的控制、状态监测、逻辑判断与处理、故障设置、考试管理等功能。

模拟装置：为电力负荷管理系统提供场景模拟运行平台，实现负控管理的各种模拟功能。

仿真表计和采集终端：模拟用电信息采集系统中的各种用户，实现负控管理的采集数据对象模拟，同时实现各种通讯及抄表故障模拟。

4.3 系统应用架构

基于系统部署要求以及平台业务需求，新型电力负荷管理系统业务应用包括以下三部分：综合分析、业务应用、系统应用支撑。

综合分析应用涵盖了负荷监测、指标管理、负荷执行效果评价、指挥演练等应用内容，用于支撑数据抽取、策略下发以及统一指挥管控工作的开展。实现电力负荷调控业务的全景统计、精准调控、智能分析。

基于系统监测和控制业务需求，电力负荷管理系统开展负荷应用管理、负荷控制管理、运行管理等3 类应用，具体包括负控用户管理、设备档案管理、负荷监测、负荷特性分析、负控方案制定、负荷调控执行、负荷执行监测、执行效果分析、运行管理、用电安全、预警监测、指挥演练等11 项应用，用户支撑负荷控制专业操作人员进行日常管理工作。

系统应用支撑主要包括应用开发平台和中间件，通过建设应用支撑平台，实现界面、应用、数据及流程集成，达到所有系统的集成效果。

4.4 系统模块设计

电力负荷管理系统仿真平台主站整体功能包括为“系统管理”和“采集监控”两个部分。

4.4.1 系统管理

（1）设备档案：可进行终端和电表档案信息管理。

（2）参数设置：主要是对终端的参数进行设置，包括初始化、采集档案、脉冲、总加组、开关等。

（3）终端控制：对终端进行一系列控制，如：终端控制状态、时段控参数、厂休控参数、报停控参数、功控设置、下浮控设置、终端遥控、电控设置、终端保电解除等。

4.4.2 数据采集监控

（1）数据采集监控：数据召测及召测结果展示。数据召测包括召测终端、电表测量点、总加组、HPLC、电表事件、终端事件数据等。数据展示包括查询召测结果、电表召测、召测数据存库等。

（2）设备运行监控：可进行终端管理、数据巡测、数据巡查查询等。

5 系统功能设计

5.1 用电信息采集主站培训

装置能与新一代用电采集系统连接，仿真柜内的终端通过无线公网和230 无线专网与新一代用电信息采集系统进行通信，完成参数设置，档案新建，终端遥控跳闸、有序用电等功能。

主站软件上可以针对专变终端进行参数查询、参数设置、数据查询、终端控制、终端维护等，实现主站软件的操作实训和教学。

5.2 负荷轮控

装置内部采用程控电源控制，在响应主站控制专变各轮次时，装置能自动切换运行在不同大小的负荷模式下。

终端在系统主站的集中管理下，通过对客户侧终端进行功率、电量定值以及控制时间段的设置，由终端根据主台控制指令自动判断客户用电情况，如超过定值指标，则按照预定的跳闸顺序自动对客户开关进行控制操作，达到调整和限制负荷的目的。

5.3 数据采集培训

实现远程和本地数据采集培训功能，培训终端抄读电表实时数据、日冻结数据、月冻结数据、曲线数据等。

终端通过定时、随机、事件响应等方式对负荷数据（功率、最大需量及出现时间等）、电能量数据（有无功电能量累计值、电能表计量数据等）、电能质量数据（电压、功率因数、谐波、频率、停电时间等）、工况类数据（电能计量装置工况、开关状态等）、事件记录数据（越限时间、运行异常事件等）以及客户端其他相关设备提供的数据进行采集。