復雜配電網物理模擬系統網絡化人機交互界面設計

莊美圓楊耿杰高 源洪 翠

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007）

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復雜配電網物理模擬系統網絡化人機交互界面設計

莊美圓1楊耿杰1高 源2洪 翠1

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007）

以步科 MT4512人機界面為載體，設計了一套針對配電網動模系統的人機交互界面。通過對系統結構和功能的分析，基于模塊化思想，提出了一套設計方案，并詳細介紹了實現過程。采用以太網通信方式實現與PLC組合控制，實現動模系統自動化控制。經過測試驗證，能夠較好地實現就地操作和實時監測等功能，能有效提高模擬系統的可靠性和穩定性。

人機交互；觸摸屏；以太網；PLC；配電網模擬系統

配電網作為電力系統與用戶之間電能傳輸的重要環節，其供電可靠性至關重要。為了提高配電網運行的穩定性和安全性，研究其運行特性和故障狀態就顯得尤為重要。為了實現研究目標，需要理論分析和試驗實踐相結合，而由于配電網運行的特殊性，如短路試驗會對配電網系統的運行產生嚴重影響，因此通常不能直接在配電網系統中進行實驗［1］，這就使得電力研究人員必須通過建立仿真模型來進行實驗。

動態模擬系統是根據相似原理保證在模型上所反應的過程和實際系統的過程相似，且二者的物理實質要相同［2］。相比于靜態模擬系統和數字仿真等方法，動態模擬系統能夠很好地復制電力系統的實際運行狀況，對研究人員的研究能夠提供更大的幫助［3-4］。基于上述優勢，將動態模擬系統的優勢應用到配電網中，建立配電網動態模擬系統，能夠解決配電網結構復雜、設備間距小等因素對實驗研究造成的問題。

人機交互界面設計是基于自主開發的一套復雜配電網動態模擬系統中的應用。該配電網動態模擬系統為了真實地模擬實際配電網，采用了數量眾多的PLC實現通信功能和控制功能，而人機界面的應用能更好地發揮PLC的作用。通過人機界面實現開關投切、狀態監測、數據讀取，參數設置等多項就地控制功能，為系統提供簡單便捷的操作，降低誤操作概率。

1 配電網動態模擬系統

1.1系統結構

目前我國 10kV配電網系統中，主要采用架空線和電纜線相結合的網架結構，根據實際配電網中常見的接線模式，配電網動模系統的主接線設計如圖1所示。對于當前配電網中其他接線方式，如有需要可以通過其他方式擴展。如自愈功能可以通過與配電網自動化系統進行信息交互實現；花瓣式接線可以通過饋線擴展實現；對于分布式電源的接入，也可以通過預留的接入節點實現等。

圖1　配電網動態模擬系統主接線

主接線中所有饋線均有設置分段開關，用于模擬真實配電網多分段、多分支和多聯絡的復雜接線情況。該系統包含2座變電站，B變電站擁有兩臺相同容量的變壓器，通過單母線分段接線方式連接，可模擬負荷中心變電站。A變電站與B變電站通過電纜連接多個環網柜，可模擬城市或城郊變電站。該系統既可以將3臺變壓器分別獨立運行，也可以模擬3個電源配合的運行情況，從而實現模擬多源復雜配電網的運行。

配電網動模系統的控制部分由集中控制設備、分布式控制模塊、故障模擬器、故障錄波裝置以及監控軟件和網絡設備等組成。其中，集中控制設備由人機界面和PLC組合，通過以太網通信方式，完成相應的系統操作。

1.2人機交互功能

根據主接線圖將系統按照控制對象分為：常規電源控制模塊、饋線單元控制模塊、環網柜控制模塊以及故障模擬模塊等。各模塊人機交互的功能需求如下：

1）常規電源控制模塊：實現開關控制和信息采集，包括線路開關投切，三相及零序電壓、電流的顯示，更改系統的接地方式等。

2）饋線單元控制模塊：饋線分為電纜、架空線以及纜線可切換線路三種。控制開關投切，實現饋線長度的改變和饋線類型的切換，模擬長度可變的全電纜、全架空或纜線混合線路。

3）環網柜控制模塊：實現開關控制，模擬實際開關動作特性，并提供信號源給FTU，實現FTU的功能和性能測試。

4）故障生成控制模塊：實現開關控制，模擬產生三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路、斷線等多種故障。且需要設置閉鎖控制，防止失控。

1.3通信方式

人機界面與PLC間的通信常采用串口通信和以太網通信兩種方式，串口通信包含RS232和RS485等，通信接口及編程簡單，但傳送速度較慢。以太網通信有通信速度快，通信效率高，易于安裝且兼容性好等優勢［5］。步科MT4512TE觸摸屏同時支持以太網通信和串口通信，由于動模系統中，有13臺PLC分別對電源模塊、饋線模塊和環網柜模塊進行控制，綜合考慮數據傳輸速度、通信效率和布線方便性等因素，采用以太網通信實現一臺觸摸屏對多臺PLC的控制，達到網絡化人機交互的要求。操作員通過觸摸屏實現與動模系統的信息交互，動模系統的主站通過 IEC 60870-5-104通信規約實現與配電網自動化系統的信息交互。

2 人機交互實現方案

2.1界面設計規劃

結合配電網動模系統的結構和功能需求，采用模塊化方法將人機界面設計的規劃方案確定如下：

1）按照3臺變壓器的供電對象和系統結構，分為：A站1#主變及線路901，B站1#主變及線路911、912，B站2#主變及線路921、922，以及1#-4#環網柜共7個模塊。

2）按照操作功能歸類主要分為遙控、遙信和遙測，為了便于在開關投切的同時監測開關狀態，以確保開關分合閘成功，將遙控與遙信置于同一界面組態。

3）主接線圖和故障模擬器分別組態。

4）采用逐級菜單切換模式進入目標界面，各級菜單設置如圖2所示。

圖2　人機界面規劃

2.2建立地址標簽庫

人機界面通過讀取或寫入PLC的地址值實現與PLC的信息交互，因此需要對人機界面中的各元件進行地址配置。地址配置的方式有兩種：①直接在元件屬性中選擇地址類型并輸入地址編號；②從地址標簽庫中選擇。由于該系統的控制量數量較為龐大，為了增強元件地址的可讀性，采用建立地址標簽庫的方式，用于存儲工程中需要使用的地址信息。地址標簽庫包含的信息有：標簽名稱、觸摸屏編號、PLC編號與站號、數據類型、地址類型、地址。使用地址標簽庫能夠實現批量修改和管理等操作，便于檢查和更新，降低地址匹配錯誤率。

3 人機界面功能實現

3.1人機界面選型

目前市面上的人機界面種類繁多，如西門子的MP系列與計算機的通信功能較為強大，三菱的GOT1000系列可以作為服務器并通過計算機監視，富士的UG30系列能夠通過發送郵件到手機的方式傳遞故障信息等［6］。該系統選擇人機界面主要是以操作方便、編程簡單為準則，選用了步科（Kinco）MT4512TE型號人機界面。Kinco的人機界面是專門面向PLC應用，且與系統選用的永宏FBs系列PLC間有較好的兼容性。

步科的人機界面組態采用其自主開發的專用組態軟件Kinco HMIware實現人機界面的設計，通過自由組合的文字、按鈕、圖形、數字等來實現對PLC內部繼電器的控制和數據緩存器的讀寫。

3.2人機界面制作

根據人機界面的元件是否能夠直接實現邏輯功能，將制作過程分為常規功能和特殊功能分別實現。

1）常規功能實現

（1）遙控/遙信模塊

遙控選用“位狀態切換開關”元件實現開關分合閘控制，選中元件后將其拖動至組態區域即可進入屬性設置：①利用地址標簽庫配置地址；②設置開關類型為“切換開關”，也即當對應地址中的值為0時分閘，值為 1時合閘；③選擇開關圖形；④設置“操作員確認”，防止誤操作。遙信選用“位狀態指示燈”元件實現開關分合閘狀態的指示，組態過程與遙控的①～③相似。界面效果如圖3所示（以A站 1#主變及線路 901為例），在下方遙控區域點按某個開關，開關圖形顏色由綠變紅表示開關由分閘切換至合閘。若操作成功，上方遙信區域對應開關將隨之變化，指示當前開關狀態。

圖3　遙控/遙信界面

（2）遙測模塊

遙測采用功能鍵“數值顯示”反映遙測量的數值，界面效果如圖4所示。遙測量的屬性設置與遙控/遙信的不同之處在于數據類型的設置，為了提高數據顯示的精度，在正確設置整數位數的基礎上，要合理設置小數位數。目前遙測量的屬性僅是顯示數值，后續將完善檢測功能（正常、異常、臨界、越限、報警、壞數據等）以及其他功能。

圖4　遙測界面

2）特殊功能實現

系統中有部分功能需要通過加入宏指令實現對元件的邏輯控制。Kinco HMIware的宏指令使用C語言源代碼的編輯方式，實現邏輯和算術運算等特殊應用。將宏指令與相關元件配合使用，可實現元件本身無法實現的邏輯和運算功能。以實現線路不同長度組合為例介紹宏指令的應用：①功能分析，確定元件類型；選擇“多狀態切換開關”元件作為宏指令執行載體，在屬性中設置地址和標簽，即當值為0時顯示5km，值為1時顯示10km，值為2時顯示15km；②定義宏變量；③編寫宏代碼；原理：元件地址值為0時，合開關1及開關2，線路長度設定為5km；值為1時，合開關1且分開關2，線路長度設定為10km；值為2時，分開關1及開關2，線路長度設定為15km；④宏指令與元件匹配；在對應元件屬性中選擇“觸發宏操作”；⑤編譯，模擬。宏指令編寫界面如圖5所示。

圖5　宏指令編輯界面

3.3人機界面優化

人機界面作為實現人機交互的載體，不僅要求能夠實現功能，還需要充分考慮界面布局的合理性和美觀性，以及用戶體驗是否流暢等。因此，在完成上述的功能實現后，還應根據以下幾個原則進行布局優化［7-8］：①布局無障礙原則：如遙控/遙信界面中，遙信體現在接線圖中，遙控元件集中放置。采用上下布局形式組態；②界面一致性原則：如所有控制功能同屬一類的界面，其內容和布局應盡量一致，使之在界面切換過程中不因界面的變化而顯得雜亂無章；③顏色合理使用原則：如選用的開關按鈕和狀態指示燈的圖形是否符合電力標準（如：綠色代表分閘狀態、紅色代表合閘狀態）等。

3.4人機界面檢測與下載

完成界面制作后進行工程編譯，若編譯結果提示工程存在錯誤或警告，根據提示找出原因并修改。若編譯通過，則可以在模擬方式下試用界面功能。模擬分為離線模擬和在線模擬，離線模擬不需要與PLC連接，可以測試元件功能是否正常；在線模擬需要連接PLC獲得數據，可以檢驗地址匹配是否正確。采用模擬試用可以減少下載時間，便于即時修改。完成上述操作即可下載至觸摸屏實體上進行測試應用，Kinco HMIware提供3種下載方式：USB、串口、網口，通常采用USB下載方式，簡單快捷。

4 結論

隨著對配電網研究的逐步深入，基于配電網動態模擬系統的試驗研究將會更加普遍。網絡化人機交互界面的應用能夠便捷實現就地操作和實時監測，文中詳細描述了人機界面制作的方案確定思路，功能實現過程，與PLC的通信方式等。通過對人機界面與PLC的組合控制，在已建成的配電網動態模擬系統上經過多次試驗測試，不僅增強了設備控制的可靠性，而且充分展現了人機界面操作便捷、界面友好等優勢。

［1］楊德先，陳德樹，張鳳鴿，等. 現代電力系統動態模擬實驗室建設和運行［J］. 電力系統保護與控制，2010，38（9）：118-121，125.

［2］周澤昕，周春霞，董明會，等. 國家電網仿真中心動模實驗室建設及繼電保護試驗研究［J］. 電網技術，2008，38（22）：50-55.

［3］潘貞存，高厚磊，王新超，等. 電網靜態模擬系統的計算機監控［J］. 電力系統及其自動化學報，2001，13（1）：7-11，49.

［4］付育穎，王浩. 電力系統動態模擬綜述［J］. 中國電力教育，2008（S3）：517-519.

［5］Kinco HMIware 組態編輯軟件使用手冊，上海步科自動化股份有限公司.

［6］廖常初. 人機界面的發展趨勢［J］. 電氣應用，2006，25（12）：14-16.

［7］邱金升. PLC和觸摸屏組合控制系統的實踐［J］. 科技創新與應用，2015（31）：136-136.

［8］錢昆. 觸摸屏界面通用設計原則分析［J］. 信息技術與信息化，2015（6）：152-153.

Design of Network Human-machine Interaction Interface for Physical Simulation System of Complex Distribution Network

Zhuang Meiyuan1Yang Gengjie1Gao Yuan2Hong Cui1
（1.College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116；2. State Grid Fujian Electric Power Research Instituteujian，Fuzhou 350007）

Based on the Kinco MT4512 HMI （Human-Machine Interface），a human-machine interaction interface system for a dynamic simulation system of the distribution network is designed. Through the analysis of system structure and function，based on the modular thought，a set of design scheme is put forward，and the realization process is introduced in detail. By combining with PLC using Ethernet communication mode，it can realize automation control for dynamic simulation system. After practical application，it shows that the design of HMI can finish on-site operation and real-time monitoring well，and it can effectively improve the reliability and stability of the simulation system.

human-machine interaction； HMI； ethernet； PLC； dynamic simulation system of distribution network

莊美圓（1992-），女，福建莆田人，碩士研究生，主要研究方向為配電網及其自動化。