配電網物理仿真系統監控軟件設計

付宇澤 楊 帆 劉 堅 洪 翠

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116；2. 國網南平供電公司，福建 南平 353000）

配電網物理仿真系統監控軟件設計

付宇澤1楊 帆2劉 堅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計具備實時監測、故障模擬、查詢數據等多種功能的配電網物理仿真系統監控軟件。本文介紹該監控軟件的設計實現過程，并應用于配電網物理仿真系統。配合該軟件，配電網物理仿真系統實現10kV配電網工作運行及故障模擬，友好的人機界面便于操作人員直觀查看物理仿真系統中各模擬量，并能順利實現控制功能，具有良好的實用性。

配電網；物理仿真系統；監控軟件；LabVIEW

電力系統可用研究方法包括理論分析、實物試驗和仿真模擬研究[1]。受到經濟、安全等因素限制，通常不允許在實際電網中進行特性分析、裝備測試等實驗研究。為此，建立配電網模型系統，對配電網開展特性分析以及裝備測試等很有必要。模型可分物理模型和數學模型兩類。單純的數學建模往往無法模擬配電網復雜的運行規律和物理現象。根據相似性原理將一個真實配電網復制到實驗室中的物理仿真模型（配電網物理仿真系統），可仿真配電網正常運行情況并進行故障模擬，可在保證系統穩定的情況下，獲得與實際系統相同的實驗結果[2-3]。

為監視控制配電網物理仿真系統，本文采用LabVIEW構建監控軟件。監視系統的運行狀況、控制模擬開關投切、采集電量、進行故障模擬實驗、查閱和保存故障數據、為故障識別分析儲備數據。

1 配電網物理仿真系統

配電網物理仿真系統基于阻抗標幺值一致的等效原理設計實現，采用配電網典型接線結構和網絡結構，模擬真實的10kV配電網[4]。系統實物如圖1所示。整個系統由監控軟件、下位機軟件和元件/設備三部分組成。其中，監控軟件由應用程序、數據庫和通信服務器組成，主要實現下發操作指令、顯示和存儲數據等功能；下位機部分采用PLC作為控制單元，主要實現將三遙信息下達至硬件、上傳至監控軟件的功能；元件設備主要包括對應于配電網一次設備的模擬主變、電源模塊、饋線模塊以及實現配電線路故障模擬的故障模塊等，是各類指令執行終端對象，也是配電網物理仿真系統的硬件部分，采用了便于組裝的屏柜模式。

監控軟件是配電網物理仿真系統的關鍵部分，對整個系統的運行進行調控與監察，設計的優劣將直接影響整個仿真系統的性能。本文闡述監控軟件各模塊的設計實現，并以實驗運行檢驗監控軟件的應用，驗證了監控軟件的實用性和可靠性。

圖1 配電網物理仿真系統

2 監控軟件結構與功能

圖2是監控軟件總體功能結構圖，總體結構可分為3個部分：應用層、數據訪問層和通信層。軟件采用模塊化程序設計思路，不但可降低軟件的復雜程度，而且有利于程序的進一步擴展和升級。

圖2 監控軟件結構圖

軟件中應用程序主要實現人機交互功能，包括系統管理、實時監測、故障模擬、數據查詢等模塊。其中，系統管理模塊實現用戶管理、用戶登錄與注銷、系統退出等功能；實時監測模塊是對“三遙”信息進行監測；故障模擬模塊完成選擇故障點、設置故障類型、下發相應的故障指令給故障模擬器；數據查詢模塊主要用以查詢歷史遙測數據。

數據訪問層基于數據庫對大量監測、故障模擬數據存儲以備后期研究查詢。系統數據庫包括歷史數據庫和實時數據庫，實時數據庫為通信程序解析并存入的實時數據，這些數據會被下一筆數據所覆蓋；通信程序每隔一段時間讀取實時數據庫的數據，插入到歷史數據庫中。

通信層在上位機與各控制模塊之間建立通信功能，是監控軟件與下位機之間的橋梁，保證雙方可靠通信。報文上傳時，通信程序解析下位機所傳報文并將其存入數據庫，用以應用程序調用。報文下達時，通信程序轉發應用程序所傳報文并下發至下位機[5]。

3 應用程序模塊設計與實現

基于 LabVIEW 軟件平臺設計監控軟件應用程序，完成的系統主界面如圖3所示。主界面包括了監控軟件的主窗口平臺和功能菜單，可查看整個系統接線情況和包括各支路電流、各節點電壓、開關位置狀態、線路工作屬性的運行參數與狀態；能進行開關遠程控制，可進行分界面的切換[6-7]，可通過菜單選擇進入故障模擬等其他功能模塊。

圖3 應用程序主界面

3.1 遙控功能

模擬開關遠程控制功能采用事件結構設計這種高效代碼設計實現。在“編程→結構”中添加“事件結構”，添加事件分支“值改變”。通過創建屬性節點選擇“標簽文本”屬性作為條件結構的分支選擇器，在條件結構中配置相對應的子站號、地址、控制碼等信息，合成一條報文，將該報文解析后下發到下位機，實現指定開關的分合閘操作。

本項功能主要應用于正常運行時投切線路、故障時切斷故障等。

3.2 遙測功能

遙測功能是在實時監控界面查看系統運行時的參數信息，主要包括各母線、饋線電流和功率以及母線電壓等。監控界面如圖4所示。

實現時，調用數據庫，查詢RelProRtDa表中所有字段，按每行、每列索引數組，索引后的結果為字符串格式。為了提高數據顯示的精度，將字符串轉換成雙精度6位有效數字的數值形式，并在對應的位置實時顯示。程序框圖如圖5所示。

圖4 實時監控界面

圖5 實時監控功能程序框圖

本功能通常應用于配電網物理仿真系統正常工況和故障工況下電量信息和保護信息的實時監測。

3.3 遙信功能

遙信功能在開關巡檢界面實現，界面如圖6所示，可查看所有開關量的分合閘狀態。

圖6 開關巡檢界面

實現時，調用數據庫查詢SwitchRtSt表中所有字段，按每行、每列索引出開關名稱及狀態，隨后以圖形顯示在界面上。斷路器狀態指示沿用電力系統接線開關狀態色標，合閘顯示為紅色，分閘狀態顯示為綠色，有效提醒使用人關注。

本項功能通常應用于監測仿真系統的開關狀態，防止誤操作。

3.4 故障模擬功能

故障模擬是配電網物理仿真系統的重要實驗內容，最真實地模擬配電線路實際故障以獲取故障數據進行分析處理，還能檢驗配電裝備的故障運行特性。

在主界面菜單欄中選擇“故障模擬”，即可進入如圖7所示故障點選定界面選擇故障點，故障點以直觀、醒目的綠色圓圈形式顯示。設計時創建故障屬性節點，正常運行時將可見性設置為False，故障點選擇時將可見性設置為True。

圖7 故障點選取界面

完成故障節點選擇后即進入圖8所示故障模擬界面。基于該界面可實現選擇故障模塊、設置接地電阻、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

配電網物理仿真系統可模擬兩相短路、三相短路、單相永久接地、兩相接地等故障的發生，接地方式可設置為不接地、經大電阻接地、經小電阻接地、直接接地。進行故障模擬實驗時，由上位機將故障命令下達至故障模擬器。故障波形以基于過電流起動判據的錄波裝置進行采集，并以TDMS文件的形式按照不同故障類型存儲，使用讀取函數完成數據的存儲和讀取。

4 通信模塊功能設計與實現

4.1 通信數據管理模塊設計

本系統以SQL Server 2008 R2作為數據庫的開發平臺，通過LabVIEW指令實現對系統原始數據存儲、處理、查詢、管理等功能[8]。

監控軟件的程序需要頻繁與數據庫連接，如獲取主站號和開關狀態、查詢實時數據、存儲歷史數據等操作都會應用到數據庫。在進行數據庫操作之前，要在Windows ODBC數據源中創建一個DSN，并指定關聯的數據庫。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”，并在指定位置寫入數據源名稱、SQL命令，完成與數據庫的連接、查詢、關閉功能，程序框圖如圖9所示。

圖9 實現查詢功能的程序框圖

監控軟件數據庫共設定了9個數據表，分別為變電站表、分布式控制模塊表、開關信息表、用戶信息表、故障實驗記錄表、繼電保護裝置實時數據表和歷史數據表、電量采集器實時數據表和歷史數據表。變電站表主要用于存儲變電站的信息；開關信息表記錄開關名稱、彈簧儲能狀態、分合閘狀態、操作成功標志位等信息；用戶信息表存儲用戶個人信息；故障實驗記錄表主要記錄每次模擬實驗的故障位置、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 通信數據采集模塊設計

本系統監控軟件與各模塊間的通信采用客戶端和服務器（Client/Server）的結構，借助 LabVIEW圍繞 TCP/IP網絡協議構建服務器和客戶端之間一對多的通信方式。采用 TCP函數節點來實現基于TCP/IP協議的局域網通信。

實現時，編程“創建TCP偵聽器”-“讀取TCP數據”-“寫入TCP數據”-“關閉TCP連接”，并在指定位置寫入IP地址、端口號，完成與下位機的通信，TCP通信偵聽連接過程程序框圖如圖10所示[10]。

圖10 TCP通信偵聽連接過程程序框圖

為確保通信可靠，設計時利用“讀取TCP數據”和“寫入TCP數據”函數監測鏈路數組中的數據來判斷通信連接是否正常，一旦發生通信錯誤，則立即關閉該連接。循環檢查后連接正常的客戶端ID最終進入已連接的TCP數組。

系統采用永宏 FBs系列 PLC作為通信控制單元。PLC控制單元與監控軟件通信，接收并解析來自監控軟件的控制指令。同時，PLC會采集開關量輸入信息與保護實時遙測數據，上傳給監控軟件，完成通信控制指令的解析及執行操作。

5 運行試驗

5.1 正常工況

模擬配電系統正常運行，配電網物理仿真系統的負荷投切實驗波形如圖11所示。

圖11 負荷投入時922饋線三相電流實測波形圖

此時，操作人員通過監控軟件向各個控制模塊下發命令。包括查詢當前各線路負荷電流、零序電流、有功功率、無功功率、功率因數、母線電壓、零序電壓等；可查詢各控制模塊的工作狀態；可控制開關分合。饋線負荷投入時顯示子界面如圖 12所示。

圖12 922饋線負荷投入時顯示界面

5.2 故障工況

系統使用柔性故障模擬器模擬配電網中常見的故障，以圖7中F1為故障點，開展該點發生AB兩相短路故障模擬實驗，此時物理仿真系統錄波裝置記錄實驗波形如圖13所示。

圖13 故障實驗波形圖

波形顯示，故障兩相電流大小相等、方向相反，急劇增加。可見，物理仿真系統與 10kV配電系統實際系統具有相似的故障動態過程。

6 結論

本文基于 LabVIEW 設計開發配電網物理仿真系統監控軟件，論述了軟件功能、作用和編程實現思想。應用實驗表明，該軟件能夠適應系統的功能要求，滿足仿真系統運行需要，有效監控配電網物理仿真系統。能更為便利地獲取配電網故障數據，為合理利用配電網信息分析電網狀況提供便利，對配電網的研究和發展具有意義和價值。

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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目（JA15086）

付宇澤（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向為配電網及其自動化。