CN102097024A - 一种配电室安全仿真培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种配电室安全仿真实训系统，包括教练机、学员机、高压单元、低压单元、变压器单元、程控模拟负荷源组、故障模拟器单元，所述程控模拟负荷源组，包括若干程控模拟负荷源，程控模拟负荷源的电压输出与高压单元各柜中的二次回路进线端对应连接，其各组电流输出通过电流互感器与高压单元各柜中的二次输出对应连接，程控模拟负荷源的电压输出与相应低压出线柜的二次回路进线端对应连接，其各组电流输出与低压单元各柜中的各组电流互感器的二次输出对应连接；故障模拟器电路、程控模拟负荷源组、模拟屏单元分别通过通信线路与教练机通讯接口连接，学员机通过网络与教练机连接。本发明的系统引入了安全的电压，可以保障学员的安全操作。

Description

一种配电室安全仿真培训系统

技术领域

本发明属于电力系统仿真领域，涉及一种配电室的仿真培训系统，尤其涉及一种安全仿真培训系统，用于学员培训时使用。 

背景技术

配电室是电力系统的重要组成部分，为了保证配电室的安全运行，需要对在配电室工作的人员进行培训。由于配电室的复杂操作情况，在培训时广泛采用文字讲解、绘图描述、多媒体动画等方式，这些培训方式虽然可以对理论部分有更多的认识，但学员不能实际进行操作，很多故障不能体验到，培训的效果不好。为了解决这一问题，目前国内出现一种可以仿真配电室的系统，例如专利申请号为：201010101697.3的专利申请文件公开了一种配电室仿真实训系统，该仿真实训系统中的硬件与真实配电室相同，通过虚负荷技术实现了高压电和实际负荷，使用故障模拟器实现了各种现场故障的模拟；该系统与现场真实一致，可以让学员在高度仿真的环境下进行操作，但是这种配电室仿真系统也存在一定缺陷，如附图1所示，在该系统中是将程控模拟负荷源电压直接连接到母线上，电流虚拟负荷从母线上获取同步信号并输出电流。本领域的技术人员都了解母线是由铜排或铝排组成，柜体中的各段母排通过铜制螺栓连接，连接点无保护层，当操作人员出现违规操作时可以接触到，发生触电事故；由于该系统主要用于教学、培训，实际操作频繁，参训人员水平不同，如果发生误操作还是会产生安全隐患。 

为了解决现有技术中存在的这一问题，需要对配电室仿真系统进行改进以保证所有培训人员的安全。 

发明内容

为了克服现有技术中的缺点，本发明提供了一种更为安全的配电室仿真实训系统。

为了实现本发明的目的，采用的技术方案概述如下： 

一种配电室安全仿真实训系统，其特征在于：包括教练机、学员机、高压单元、低压单元、变压器单元、程控模拟负荷源组、故障模拟器单元，高压单元通过变压器单元连接低压单元，所述程控模拟负荷源组，包括若干程控模拟负荷源，程控模拟负荷源的电压输出与高压单元各柜中的二次回路进线端对应连接，其电流输出通过电流互感器与高压单元各柜中的二 次回路输出端对应连接，程控模拟负荷源的电压输出与低压单元各柜中的二次回路进线端对应连接，其各组电流输出通过电流互感器与低压单元各柜中的二次回路输出端对应连接；故障模拟器电路、程控模拟负荷源组、模拟屏单元分别通过通信线路与教练机通讯接口连接，学员机通过网络与教练机连接。 

所述高压单元包括高压出线柜、高压计量柜、高压PT柜、高压出线柜及高压母联和高压母联隔离柜。 

所述低压单元包括低压进线柜、低压出线柜、电容补偿柜和低压母联柜。 

所述程控模拟负荷源组由若干模拟负荷源单元组成，每个模拟负荷源均包括同步触发电路、程序控制电路、信号产生电路、功率放大电路、升压器和升流器，所述程序控制电路的输入端与同步触发电路输出端连接，程序控制电路的输出端与信号产生电路的输入端相连，信号产生电路的输出端依次与所述功率放大电路及升压器和升流器连接，所述程序控制电路通过通讯器与教练机相连。 

所述通讯器的输入端分别与相应的光电隔离器相连接，所述通讯器的输出端与教练机相连。 

所述故障模拟器包括开关状态采集部分和故障模拟部分，开关状态采集部分采集开关状态，开关状态采集部分采集开关状态，故障模拟部分由计算机设置故障发送给故障模拟部分模拟。 

所述开关状态采集部分包括单片机、开关量采集电路、模拟开关，故障模拟部分包括CPLD、继电器和通讯器，所述开关量采集电路连接模拟开关，所述模拟开关连接单片机，所述单片机连接所述CPLD，所述CPLD的输出端与继电器的输入端相连，继电器的输出端与各柜体的二次回路相连，所述单片机通过通讯器与教练机相连。 

所述通讯器的输入端分别与光电隔离器和单片机相连接，所述通讯器的输出端与教练机相连。 

所述开关量采集电路包括干接点开关和带电开关。 

包括两路高压单元和两路低压单元，两路高压单元之间设有高压母联柜及母联隔离柜；两路低压单元之间设有低压母联柜。 

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是： 

1、本发明系统直接将程控模拟负荷源的电压和电流输出连接到二次回路中，保证了培训人员的安全。 

2、本发明系统控制各个源的输出是先通过开关采集电路获取各级断路器的状态，通过所有断路器的状态判断各种柜体的电压状态(方向是从高压到低压)，在有电压的状态下判断电 流的输出(从低压负荷到高压负荷)，保证了即使误操作也能保证培训人员的安全。 

附图说明

图1为现有技术中程控模拟负荷源与配电室硬件设备的连接示意图； 

图2为本发明配电室仿真系统结构图。 

图3为本发明程控模拟负荷源与配电室硬件设备的连接示意图； 

图4为本发明程控模拟负荷源与高压端的母联柜连接示意图； 

图5为本发明程控模拟负荷源与高压端计量柜连接示意图； 

图6为本发明程控模拟负荷源与高压端进线柜连接示意图； 

图7为本发明程控模拟负荷源与高压端出线柜连接示意图； 

图8为本发明程控模拟负荷源与高压端母联隔离柜连接示意图； 

图9为本发明程控模拟负荷源与低压端进线柜连接示意图； 

图10为本发明程控模拟负荷源与低压端补偿柜连接示意图； 

图11为本发明程控模拟负荷源与低压端出线柜连接示意图； 

图12为本发明程控模拟负荷源与低压端母联柜连接示意图； 

图13为本发明各种柜体的电压状态、电流输出的顺序示意图； 

图14为本发明判断各种柜体的电压状态、电流输出的流程示意图； 

图15为本发明刷新电压值的流程示意图； 

图16为本发明刷新电流值的流程示意图； 

图17为本发明故障模拟器结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 

本发明的配电室仿真系统包括高压开关柜单元、变压器单元、低压开关柜单元、程控模拟负荷源组、故障模拟器单元，所述高压单元包括高压出线柜、高压计量柜、高压PT柜、高压出线柜及高压母联和高压母联隔离柜，所述低压单元包括低压进线柜、低压出线柜、电容补偿柜和低压母联柜；所述程控模拟负荷源组，包括若干程控模拟负荷源，每台程控模拟负荷源的三相电压输出与相应的高压开关柜的二次回路进线端对应连接，其各组电流输出通过仿真电流互感器与各种高压单元各柜中的二次输出对应连接，每台程控模拟负荷源的三相电压输出与相应低压出线柜的二次回路进线端对应连接，其各组电流输出与低压单元各柜中的各组电流互感器的二次输出对应连接；故障模拟器电路、程控模拟负荷电源组分别通过通信线 路与教练机的通讯接口连接。学员机通过网络与教练机连接。所述程控模拟负荷源均包括同步触发电路、程序控制电路、信号产生电路、功率放大电路、升压器和升流器，所述程序控制电路的输入端与同步触发电路输出端连接，程序控制电路的输出端与信号产生电路的输入端相连，信号产生电路的输出端依次与所述功率放大电路及升压器和升流器连接，所述程序控制电路通过通讯器与教练机相连。所述通讯器的输入端分别与相应的光电隔离器和单片机相连接，所述通讯器的输出端与教练机相连。 

如图2所示，本发明另一种实施例的系统结构包括：教练机、1号和2号两路高压单元和1号和2号两路低压单元，两路高压单元包括两面高压进线柜、两面高压计量柜、两面高压PT柜、两面高压出线柜及高压母联和高压母联隔离柜，低压单元包括低压进线柜、低压出线柜、电容补偿柜和低压母联柜，还包括故障模拟器电路和与各配电柜对应的程控模拟负荷电源；一路高压出线柜和另一路高压出线柜的一次出线端之间设有高压母联柜及母联隔离柜；1号低压出线柜和2号低压出线柜的一次出线端之间设有低压母联柜；上述两个高压单元所配备的程控电源的三相电压输出分别与两个高压单元的二次回路进线端对应连接，其各组电流输出与高压单元各柜中的各组电流互感器的二次输出对应连接；上述两个低压单元配备的程控模拟负荷源的三相电压输出分别与两个低压单元的二次回路进线端对应连接，其各组电流输出与低压单元各柜中的各组电流互感器的二次输出对应连接；所述各故障模拟器电路、两个低压单元配备的程控模拟负荷源和两个高压单元所配备的程控电源、模拟屏单元分别通过通信线路与教练机的通讯接口连接。 

如图3所示，本发明系统直接将程控模拟负荷源的电压和电流输出连接到高低压设备的二次回路中，采用不通过母线直接将电压和电流信号连接到二次回路中的方法。在本发明的系统中控制各个源的输出是先通过开关采集获取各级断路器的状态，通过所有断路器的状态判断各种柜体的电压状态(方向是从高压到低压)，在有电压的状态下判断电流的输出(从低压负荷到高压负荷)。具体的，程控模拟负荷源与高压设备的连接，如图4所示，1号程控模拟负荷源的电压输出接高压端的母联柜综保采样，如图5所示，2号程控模拟负荷源的电压输出接高压计量柜的计量采样端，电流输出通过一个5A电流互感器接高压计量柜的计量采样端；如图6所示，3号程控模拟负荷源的电压输出端接高压进线柜的综保采样端和高压PT柜的表计指示端，电流输出通过5A电流互感器接高压进线柜的综保采样表计指示端和高压母联柜的综保采样端；如图7所示，4号程控模拟负荷源的电压输出接高压出线柜的综保采样端，电流输出通过5A电流互感器接高压出线柜的综保采样表计指示端；如图8所示，5号程控模拟负荷源的电压输出接高压母联隔离柜的综保采样端和高压母联柜的电压采样端，电流输出通过5A电流互感器接高压母联柜的综保采样表计指示端；6-10号程控模拟负荷源与 高压设备的恶连接方式与1-5号程控模拟负荷源相同。程控模拟负荷源与低压设备的连接，如图9所示，11号程控模拟负荷源的电压输出接低压进线柜表计指示端和低压补偿柜功率表采样端，电流输出通过5A电流互感器接低压进线柜表计指示端和低压补偿柜功率表采样端；如图10所示，12号程控模拟负荷源的电压输出接低压补偿柜自动补偿装置采样端，电流输出接低压补偿柜自动补偿装置采样端；如图11所示，13号程控模拟负荷源的电流输出接低压出线柜表计指示端；如图12所示，14号程控模拟负荷源的电流输出接低压母联柜表计指示端，15-17号程控模拟负荷源与低压设备的连接方式与11-14号程控模拟负荷源相同。 

如图13所示，在教练机上安装用于控制各种硬件设备的软件，按照图示顺序判断各种柜体的电压状态(方向是从高压到低压)，在有电压的状态下判断电流的输出(从低压负荷到高压负荷)。 

如图14所示，在教练机上安装用于控制各种硬件设备的软件判断流程为：查询各个高低压器件的状态，如果器件有动作，在模拟屏的显示界面上显示出来，该器件的动作如果影响了电压电流值，刷新电压的值，刷新电流的值。其中刷新电压值的流程如图15所示，刷新电流值的流程如图16所示。 

刷新电压 

刷新电压使用递归算法。先赋值两进线柜进线电压，然后把电压值赋值给与进线柜(A)相连的所有柜体(B)的电压(满足赋值电压大于被赋值柜体电压时)。最后再把B的电压赋值给与B相连的所有柜体，如此递归刷新这个系统电压。 

刷新电流 

刷新电压之后，各个柜体之间就形成了一个整体的电压供电关系，通过这个关系然后再刷新电流。先清空所有柜体电流值，然后从所有的低压出线柜开始，把低压出线柜(A)的电流加给，给他提供电压的柜体(B)，B再把B的电流加给，给B提供电压的柜体，同理赋值给所有的柜体，这样整个柜体的电流就被刷新了。 

所述程控模拟负荷源组由多个完全独立的模拟电源单元组成。每个模拟电源均包括同步触发电路、程序控制电路、信号产生电路、功率放大电路、升压器和升流器，所述程序控制电路的输入端与同步触发电路输出端连接，程序控制电路的输出端与信号产生电路的输入端相连，信号产生电路的输出端依次与所述功率放大电路及升压器和升流器连接，所述程序控制电路通过通讯器与教练机相连。所述通讯器的输入端分别与相应的光电隔离器和单片机相连接，所述通讯器的输出端与教练机相连。 

上述程控模拟负荷源主要模拟高压开关柜各种柜体及低压开关柜各种柜体的二次电压、电流信号，模拟低压出线柜的负载状态，程控模拟负荷源工作原理：操作者通过键盘或通讯 口将指令下达给程序控制电路MCU，MCU根据指令对程控模拟负荷源的输出类型、数字信号(即三相数字信号源)进行控制，三相数字信号源所产生的电压、电流信号经电压稳压功放放大后，经电压变换器(升压器)输出；电流信号由电流稳流功放放大后，经电流变换器(升流器)输出。输出电压、电流经取样反馈电路返回功放分别形成稳压和稳流闭环控制系统，以保证输出幅度稳定。同时输出取样信号，经一定幅度调整后送至MCU再送模拟屏显示单元显示，对输出三相电压和电流进行实时显示。若有过载情况发生，功放将向MCU发出过载信号，由MCU立即发出报警信号，并使整机回到准备状态。 

如图17所示，本发明的故障模拟器单元包括开关状态采集部分、故障模拟部分，开关采集分为干接点开关采集与带电开关采集，开关采集部分的工作原理是：通过多路光耦采样将所检测开关状态发送给故障模拟器内部模拟开关，通过单片机内部比较器判断开关状态，程序处理后发送给上位机，故障模拟部分的工作原理：故障模拟器通过485通讯接收上位机所设置故障指令，通过数据总线传送给CPLD驱动继电器动作。所述故障模拟器包括开关状态采集部分和故障模拟部分，开关状态采集部分采集开关状态发送给故障模拟部分模拟。所述开关量采集电路包括干接点开关和带电开关。 

所述开关状态采集部分包括单片机、开关量采集电路、模拟开关，故障模拟部分包括CPLD、继电器和通讯器，故障模拟器具体包括单片机、开关量采集电路、光耦检测电路、模拟开关、CPLD、继电器和通讯器，所述开关量采集电路连接模拟开关，所述模拟开关连接单片机，所述单片机连接所述CPLD，所述CPLD的输出端与驱动器的输入端连接，驱动器的输出端与继电器的输入端相连，继电器的输出端与柜体的二次回路相连(测量回路，保护回路、计量回路、控制回路)所述通讯器的输入端分别与相应的光电隔离器和单片机相连接，所述通讯器的输出端与教练机相连。 

所述通讯器的输入端分别与光电隔离器和单片机相连接，所述通讯器的输出端与教练机相连。 

Claims (10)

1.一种配电室安全仿真实训系统，其特征在于：包括教练机、学员机、高压单元、低压单元、变压器单元、程控模拟负荷源组、故障模拟器单元、模拟屏单元，高压单元通过变压器单元连接低压单元，所述程控模拟负荷源组，包括若干程控模拟负荷源，程控模拟负荷源的电压输出与高压单元各柜中的二次回路进线端对应连接，其电流输出通过电流互感器与高压单元各柜中的二次回路输出端对应连接，程控模拟负荷源的电压输出与低压单元各柜中的二次回路进线端对应连接，其各组电流输出通过电流互感器与低压单元各柜中的二次回路输出端对应连接；故障模拟器电路、程控模拟负荷源组、模拟屏单元分别通过通信线路与教练机通讯接口连接，学员机通过网络与教练机连接。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高压单元包括高压出线柜、高压计量柜、高压PT柜、高压出线柜及高压母联和高压母联隔离柜。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述低压单元包括低压进线柜、低压出线柜、电容补偿柜和低压母联柜。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述程控模拟负荷源组由若干模拟负荷源单元组成，每个模拟负荷源均包括同步触发电路、程序控制电路、信号产生电路、功率放大电路、升压器和升流器，所述程序控制电路的输入端与同步触发电路输出端连接，程序控制电路的输出端与信号产生电路的输入端相连，信号产生电路的输出端依次与所述功率放大电路及升压器和升流器连接，所述程序控制电路通过通讯器与教练机相连。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述通讯器的输入端分别与相应的光电隔离器相连接，所述通讯器的输出端与教练机相连。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述故障模拟器包括开关状态采集部分和故障模拟部分，开关状态采集部分采集开关状态，故障模拟部分由计算机设置故障发送给故障模拟部分模拟。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述开关状态采集部分包括单片机、开关量采集电路、模拟开关，故障模拟部分包括CPLD、继电器和通讯器，所述开关量采集电路连接模拟开关，所述模拟开关连接单片机，所述单片机连接所述CPLD，所述CPLD的输出端与继电器的输入端相连，继电器的输出端与各柜体的二次回路相连，所述单片机通过通讯器与教练机相连。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述通讯器的输入端分别与光电隔离器和单片机相连接，所述通讯器的输出端与教练机相连。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述开关量采集电路包括干接点开关和带电开关。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括两路高压单元和两路低压单元，两路高压单元之间设有高压母联柜及母联隔离柜；两路低压单元之间设有低压母联柜。

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