付宇澤 楊 帆 劉 堅(jiān) 洪 翠

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 國(guó)網(wǎng)南平供電公司，福建 南平 353000）

配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

付宇澤1楊 帆2劉 堅(jiān)2洪 翠1

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 國(guó)網(wǎng)南平供電公司，福建 南平 353000）

本文基于LabVIEW軟件并以模塊化思想設(shè)計(jì)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障模擬、查詢數(shù)據(jù)等多種功能的配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)監(jiān)控軟件。本文介紹該監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并應(yīng)用于配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)。配合該軟件，配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)10kV配電網(wǎng)工作運(yùn)行及故障模擬，友好的人機(jī)界面便于操作人員直觀查看物理仿真系統(tǒng)中各模擬量，并能順利實(shí)現(xiàn)控制功能，具有良好的實(shí)用性。

配電網(wǎng)；物理仿真系統(tǒng)；監(jiān)控軟件；LabVIEW

電力系統(tǒng)可用研究方法包括理論分析、實(shí)物試驗(yàn)和仿真模擬研究[1]。受到經(jīng)濟(jì)、安全等因素限制，通常不允許在實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行特性分析、裝備測(cè)試等實(shí)驗(yàn)研究。為此，建立配電網(wǎng)模型系統(tǒng)，對(duì)配電網(wǎng)開(kāi)展特性分析以及裝備測(cè)試等很有必要。模型可分物理模型和數(shù)學(xué)模型兩類。單純的數(shù)學(xué)建模往往無(wú)法模擬配電網(wǎng)復(fù)雜的運(yùn)行規(guī)律和物理現(xiàn)象。根據(jù)相似性原理將一個(gè)真實(shí)配電網(wǎng)復(fù)制到實(shí)驗(yàn)室中的物理仿真模型（配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)），可仿真配電網(wǎng)正常運(yùn)行情況并進(jìn)行故障模擬，可在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，獲得與實(shí)際系統(tǒng)相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2-3]。

為監(jiān)視控制配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)，本文采用LabVIEW構(gòu)建監(jiān)控軟件。監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、控制模擬開(kāi)關(guān)投切、采集電量、進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)、查閱和保存故障數(shù)據(jù)、為故障識(shí)別分析儲(chǔ)備數(shù)據(jù)。

1 配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)

配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)基于阻抗標(biāo)幺值一致的等效原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，采用配電網(wǎng)典型接線結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，模擬真實(shí)的10kV配電網(wǎng)[4]。系統(tǒng)實(shí)物如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控軟件、下位機(jī)軟件和元件/設(shè)備三部分組成。其中，監(jiān)控軟件由應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)和通信服務(wù)器組成，主要實(shí)現(xiàn)下發(fā)操作指令、顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等功能；下位機(jī)部分采用PLC作為控制單元，主要實(shí)現(xiàn)將三遙信息下達(dá)至硬件、上傳至監(jiān)控軟件的功能；元件設(shè)備主要包括對(duì)應(yīng)于配電網(wǎng)一次設(shè)備的模擬主變、電源模塊、饋線模塊以及實(shí)現(xiàn)配電線路故障模擬的故障模塊等，是各類指令執(zhí)行終端對(duì)象，也是配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的硬件部分，采用了便于組裝的屏柜模式。

監(jiān)控軟件是配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)控與監(jiān)察，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)仿真系統(tǒng)的性能。本文闡述監(jiān)控軟件各模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并以實(shí)驗(yàn)運(yùn)行檢驗(yàn)監(jiān)控軟件的應(yīng)用，驗(yàn)證了監(jiān)控軟件的實(shí)用性和可靠性。

圖1 配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)

2 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)與功能

圖2是監(jiān)控軟件總體功能結(jié)構(gòu)圖，總體結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)部分：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和通信層。軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)思路，不但可降低軟件的復(fù)雜程度，而且有利于程序的進(jìn)一步擴(kuò)展和升級(jí)。

圖2 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件中應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，包括系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障模擬、數(shù)據(jù)查詢等模塊。其中，系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)用戶管理、用戶登錄與注銷、系統(tǒng)退出等功能；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊是對(duì)“三遙”信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)；故障模擬模塊完成選擇故障點(diǎn)、設(shè)置故障類型、下發(fā)相應(yīng)的故障指令給故障模擬器；數(shù)據(jù)查詢模塊主要用以查詢歷史遙測(cè)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層基于數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)大量監(jiān)測(cè)、故障模擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以備后期研究查詢。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包括歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為通信程序解析并存入的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)被下一筆數(shù)據(jù)所覆蓋；通信程序每隔一段時(shí)間讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，插入到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中。

通信層在上位機(jī)與各控制模塊之間建立通信功能，是監(jiān)控軟件與下位機(jī)之間的橋梁，保證雙方可靠通信。報(bào)文上傳時(shí)，通信程序解析下位機(jī)所傳報(bào)文并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)，用以應(yīng)用程序調(diào)用。報(bào)文下達(dá)時(shí)，通信程序轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用程序所傳報(bào)文并下發(fā)至下位機(jī)[5]。

3 應(yīng)用程序模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于 LabVIEW 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件應(yīng)用程序，完成的系統(tǒng)主界面如圖3所示。主界面包括了監(jiān)控軟件的主窗口平臺(tái)和功能菜單，可查看整個(gè)系統(tǒng)接線情況和包括各支路電流、各節(jié)點(diǎn)電壓、開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)、線路工作屬性的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)；能進(jìn)行開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制，可進(jìn)行分界面的切換[6-7]，可通過(guò)菜單選擇進(jìn)入故障模擬等其他功能模塊。

圖3 應(yīng)用程序主界面

3.1 遙控功能

模擬開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)程控制功能采用事件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這種高效代碼設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在“編程→結(jié)構(gòu)”中添加“事件結(jié)構(gòu)”，添加事件分支“值改變”。通過(guò)創(chuàng)建屬性節(jié)點(diǎn)選擇“標(biāo)簽文本”屬性作為條件結(jié)構(gòu)的分支選擇器，在條件結(jié)構(gòu)中配置相對(duì)應(yīng)的子站號(hào)、地址、控制碼等信息，合成一條報(bào)文，將該報(bào)文解析后下發(fā)到下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)指定開(kāi)關(guān)的分合閘操作。

本項(xiàng)功能主要應(yīng)用于正常運(yùn)行時(shí)投切線路、故障時(shí)切斷故障等。

3.2 遙測(cè)功能

遙測(cè)功能是在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面查看系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)信息，主要包括各母線、饋線電流和功率以及母線電壓等。監(jiān)控界面如圖4所示。

實(shí)現(xiàn)時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢RelProRtDa表中所有字段，按每行、每列索引數(shù)組，索引后的結(jié)果為字符串格式。為了提高數(shù)據(jù)顯示的精度，將字符串轉(zhuǎn)換成雙精度6位有效數(shù)字的數(shù)值形式，并在對(duì)應(yīng)的位置實(shí)時(shí)顯示。程序框圖如圖5所示。

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能程序框圖

本功能通常應(yīng)用于配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)正常工況和故障工況下電量信息和保護(hù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3 遙信功能

遙信功能在開(kāi)關(guān)巡檢界面實(shí)現(xiàn)，界面如圖6所示，可查看所有開(kāi)關(guān)量的分合閘狀態(tài)。

圖6 開(kāi)關(guān)巡檢界面

實(shí)現(xiàn)時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)查詢SwitchRtSt表中所有字段，按每行、每列索引出開(kāi)關(guān)名稱及狀態(tài)，隨后以圖形顯示在界面上。斷路器狀態(tài)指示沿用電力系統(tǒng)接線開(kāi)關(guān)狀態(tài)色標(biāo)，合閘顯示為紅色，分閘狀態(tài)顯示為綠色，有效提醒使用人關(guān)注。

本項(xiàng)功能通常應(yīng)用于監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，防止誤操作。

3.4 故障模擬功能

故障模擬是配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最真實(shí)地模擬配電線路實(shí)際故障以獲取故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，還能檢驗(yàn)配電裝備的故障運(yùn)行特性。

在主界面菜單欄中選擇“故障模擬”，即可進(jìn)入如圖7所示故障點(diǎn)選定界面選擇故障點(diǎn)，故障點(diǎn)以直觀、醒目的綠色圓圈形式顯示。設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建故障屬性節(jié)點(diǎn)，正常運(yùn)行時(shí)將可見(jiàn)性設(shè)置為False，故障點(diǎn)選擇時(shí)將可見(jiàn)性設(shè)置為True。

圖7 故障點(diǎn)選取界面

完成故障節(jié)點(diǎn)選擇后即進(jìn)入圖8所示故障模擬界面?；谠摻缑婵蓪?shí)現(xiàn)選擇故障模塊、設(shè)置接地電阻、選擇故障類型等功能并可顯示故障波形。

圖8 故障模擬界面

配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)可模擬兩相短路、三相短路、單相永久接地、兩相接地等故障的發(fā)生，接地方式可設(shè)置為不接地、經(jīng)大電阻接地、經(jīng)小電阻接地、直接接地。進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，由上位機(jī)將故障命令下達(dá)至故障模擬器。故障波形以基于過(guò)電流起動(dòng)判據(jù)的錄波裝置進(jìn)行采集，并以TDMS文件的形式按照不同故障類型存儲(chǔ)，使用讀取函數(shù)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。

4 通信模塊功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 通信數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以SQL Server 2008 R2作為數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)LabVIEW指令實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、查詢、管理等功能[8]。

監(jiān)控軟件的程序需要頻繁與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，如獲取主站號(hào)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)、查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)等操作都會(huì)應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫(kù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作之前，要在Windows ODBC數(shù)據(jù)源中創(chuàng)建一個(gè)DSN，并指定關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)。在程序框圖中編程“ADO Connection Create.vi”-“ADO Connection Open.vi”-“ADO Connection Execute.vi”-“SQL Fetch Data.vi”-“ADO Connection Close.vi”，并在指定位置寫(xiě)入數(shù)據(jù)源名稱、SQL命令，完成與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、查詢、關(guān)閉功能，程序框圖如圖9所示。

圖9 實(shí)現(xiàn)查詢功能的程序框圖

監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)庫(kù)共設(shè)定了9個(gè)數(shù)據(jù)表，分別為變電站表、分布式控制模塊表、開(kāi)關(guān)信息表、用戶信息表、故障實(shí)驗(yàn)記錄表、繼電保護(hù)裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表和歷史數(shù)據(jù)表、電量采集器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表和歷史數(shù)據(jù)表。變電站表主要用于存儲(chǔ)變電站的信息；開(kāi)關(guān)信息表記錄開(kāi)關(guān)名稱、彈簧儲(chǔ)能狀態(tài)、分合閘狀態(tài)、操作成功標(biāo)志位等信息；用戶信息表存儲(chǔ)用戶個(gè)人信息；故障實(shí)驗(yàn)記錄表主要記錄每次模擬實(shí)驗(yàn)的故障位置、故障類型和故障波形文件名等信息，便于后期查詢分析[9]。

4.2 通信數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)監(jiān)控軟件與各模塊間的通信采用客戶端和服務(wù)器（Client/Server）的結(jié)構(gòu)，借助 LabVIEW圍繞 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建服務(wù)器和客戶端之間一對(duì)多的通信方式。采用 TCP函數(shù)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)通信。

實(shí)現(xiàn)時(shí)，編程“創(chuàng)建TCP偵聽(tīng)器”-“讀取TCP數(shù)據(jù)”-“寫(xiě)入TCP數(shù)據(jù)”-“關(guān)閉TCP連接”，并在指定位置寫(xiě)入IP地址、端口號(hào)，完成與下位機(jī)的通信，TCP通信偵聽(tīng)連接過(guò)程程序框圖如圖10所示[10]。

圖10 TCP通信偵聽(tīng)連接過(guò)程程序框圖

為確保通信可靠，設(shè)計(jì)時(shí)利用“讀取TCP數(shù)據(jù)”和“寫(xiě)入TCP數(shù)據(jù)”函數(shù)監(jiān)測(cè)鏈路數(shù)組中的數(shù)據(jù)來(lái)判斷通信連接是否正常，一旦發(fā)生通信錯(cuò)誤，則立即關(guān)閉該連接。循環(huán)檢查后連接正常的客戶端ID最終進(jìn)入已連接的TCP數(shù)組。

系統(tǒng)采用永宏 FBs系列 PLC作為通信控制單元。PLC控制單元與監(jiān)控軟件通信，接收并解析來(lái)自監(jiān)控軟件的控制指令。同時(shí)，PLC會(huì)采集開(kāi)關(guān)量輸入信息與保護(hù)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，上傳給監(jiān)控軟件，完成通信控制指令的解析及執(zhí)行操作。

5 運(yùn)行試驗(yàn)

5.1 正常工況

模擬配電系統(tǒng)正常運(yùn)行，配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的負(fù)荷投切實(shí)驗(yàn)波形如圖11所示。

圖11 負(fù)荷投入時(shí)922饋線三相電流實(shí)測(cè)波形圖

此時(shí)，操作人員通過(guò)監(jiān)控軟件向各個(gè)控制模塊下發(fā)命令。包括查詢當(dāng)前各線路負(fù)荷電流、零序電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、母線電壓、零序電壓等；可查詢各控制模塊的工作狀態(tài)；可控制開(kāi)關(guān)分合。饋線負(fù)荷投入時(shí)顯示子界面如圖 12所示。

圖12 922饋線負(fù)荷投入時(shí)顯示界面

5.2 故障工況

系統(tǒng)使用柔性故障模擬器模擬配電網(wǎng)中常見(jiàn)的故障，以圖7中F1為故障點(diǎn)，開(kāi)展該點(diǎn)發(fā)生AB兩相短路故障模擬實(shí)驗(yàn)，此時(shí)物理仿真系統(tǒng)錄波裝置記錄實(shí)驗(yàn)波形如圖13所示。

圖13 故障實(shí)驗(yàn)波形圖

波形顯示，故障兩相電流大小相等、方向相反，急劇增加?？梢?jiàn)，物理仿真系統(tǒng)與 10kV配電系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)具有相似的故障動(dòng)態(tài)過(guò)程。

6 結(jié)論

本文基于 LabVIEW 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)監(jiān)控軟件，論述了軟件功能、作用和編程實(shí)現(xiàn)思想。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，該軟件能夠適應(yīng)系統(tǒng)的功能要求，滿足仿真系統(tǒng)運(yùn)行需要，有效監(jiān)控配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)。能更為便利地獲取配電網(wǎng)故障數(shù)據(jù)，為合理利用配電網(wǎng)信息分析電網(wǎng)狀況提供便利，對(duì)配電網(wǎng)的研究和發(fā)展具有意義和價(jià)值。

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Design of Monitoring Software for Physical Simulation System of Distribution Network

Fu Yuze1Yang Fan2Liu Jian2Hong Cui1
(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116;2. State Grid Nanping Electric Power Supply Company, Nanping, Fujian 353000)

Based on LabVIEW software, the monitoring software for physical simulation system of distrubution network which has many funtions suchas real-time monitoring, fault simulaton and view data is designed with modular thinking. The design implementation of monitoring software is introduced in detail, and has been applied to test in the physical simulation system of distrubution network. The physical simulation system of distrubution network realizes the operation and fault simulation of the 10kV distribution network with the software whose friendly graphical user interface notonly making it easy for the operators to view analog quantity, but also realizing the control function smoothly. The software has good practicality.

distribution network；physical simulation system；monitoring software；LabVIEW

福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA15086）

付宇澤（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)及其自動(dòng)化。