基于RT-LAB的高壓配電邏輯實時仿真研究與實現

王　清，趙　芳， 楊會敏，宋志鵬

（中國中車永濟電機公司， 陜西　西安　710016）

引言

一套高壓配電系統的軟硬件設計完成后，為了保證實際裝置及軟件程序的可行性和可靠性，通過半實物仿真試驗驗證是必不可少的。近年來，仿真技術以其經濟性、可控性和安全性等特點得到了廣泛應用，以Matlab為代表的眾多仿真軟件使數字仿真技術進入到一個嶄新的階段[1]。Simulink是Matlab的一個工具箱,它不需用戶過多地了解數值問題，而是側重于系統的建模、分析與設計問題，其模塊化的結構及良好的人機界面再一次把數字仿真技術推向了一個新的高度。然而遺憾的是，Simulink卻沒有與硬件I/O的接口，不支持實時仿真。針對該軟件的不足，進行實時仿真就成為了解決該問題的突破口[2]。

加拿大Opal-RT公司開發的RT-LAB實時仿真平臺，它可以實現Matlab/Simulink的無縫連接。RT-LAB最大的特點是其開放性和可擴展性，它可以兼容標準的商業I/O板卡和PC處理器，從而降低了系統設計的成本，提高了集成性和擴展性[3]。

RT-LAB是一個分布式實時平臺，它能夠在很短的時間內，以較低的花費，通過進行工程仿真或者是對實物在回路的實時系統建立動態模型，使得工程系統的設計過程變得更加簡單。RT-LAB的可測試性使得開發者能夠把計算機使用到任何需要應用的地方；其應用的靈活性使它能夠應用于解決最復雜的仿真和控制問題，目前，它已經成功應用于硬件在回路實時仿真測試或者快速原型的開發、控制與測試領域[4]。

本文利用RT-LAB平臺搭建了一套某車型高壓配電系統的半實物仿真測試系統,完成了高壓配電設備邏輯時序控制測試，該系統由受電弓（受電弓故障工況下由車間電源或蓄電池電源替代）連接一套高壓配電設備，直流高壓經過高壓配電設備后，分別給車載空調和兩套變流器供電，實現兩套變流器及車載空調的高壓配電。高壓配電內部設備主要包含斷路器、接觸器、熔斷器等。高壓設備連接兩套變流器，兩套變流器分別控制兩臺電機，兩套變流器可以完全獨立工作。

1　半實物仿真硬件平臺搭建

在半實物仿真測試系統中，牽引控制單元（TCU）為真實設備，搭建高壓配電系統的拓撲、數字輸入量、數字輸出量和模擬量輸出等模型運行在仿真機中。半實物仿真硬件平臺主要包括：1臺上位機、1臺RT-LAB仿真機和2臺牽引控制單元（TCU）及錄波儀。其中仿真機的作用為：一是模擬牽引控制單元的控制對象，在本文中主要為斷路器、接觸器的通斷信號。二是模擬司機室發出的控制指令給TCU，TCU中內嵌控制程序，主要作用是響應司機室發出的控制指令，并對被控對象進行控制。下頁圖1和圖2分別為半實物仿真硬件平臺框圖及實物圖。

本文搭建的半實物仿真平臺主要實現牽引系統高壓配電邏輯的測試。仿真機中的CPU模擬司機控制室，給TCU發送控制指令，并通過上位機界面監測狀態反饋信號；OP5330為模擬量輸出板卡，其主要作用是從系統邏輯測試模型中采集模擬量輸出給兩臺TCU參與控制；OP5353為數字量輸入板卡，當TCU收到司機室發出的指令后，通過OP5353板卡向系統邏輯測試模型發送指令，用于控制接觸器、斷路器通斷；OP5354為數字量輸出板卡，TCU發送指令給系統主電路，主電路通過OP5354發送狀態反饋量給TCU參與控制。系統中所有的控制指令和狀態反饋量都可通過錄波器進行全程實時監控和記錄。

圖1　半實物仿真硬件平臺框圖

圖2　半實物仿真硬件平臺實物圖

2　系統邏輯軟件流程及測試結果分析

圖3給出了測試過程中的具體操作流程。圖中上電流程參照高壓配電設備接觸器物理位置。首先上電自檢，包括模擬量、數字量、狀態量采樣是否都正常；系統自檢通過后，選擇主控車（本文中選擇TCU2為主控車，TCU1為從控車），系統同時只允許一個TCU做為主控車；選擇主控車后才可以選擇供電方式，供電方式包括電網供電、車間電源供電和蓄電池供電，并且同時只允許選擇一種供電方式。當前供電方式故障時，可以切換為另外兩種供電方式；選擇供電方式后，檢查系統中相關的接觸器動作和狀態反饋正常后，確認電源配電成功；最后就可以控制相應的變流器進行牽引制動等工況的運行。

圖4是根據圖3的流程，采集的12路接觸器、開關、狀態反饋量的時序圖。

1）為了確保系統初始狀態的正確性，在高壓配電系統啟動之前需要系統自檢，軟件設置為降弓到位信號置1，即P=1，確定弓網是降弓狀態。

2）自檢完成后，首先讓降弓到位信號置0，即P=0，為升弓狀態。然后司機室給出主從選擇信號，本文中選擇TCU2為主機，TCU1為從機，相應的指令信號狀態為Z1=0，Z2=1。

圖3　測試操作流程圖

圖4　接觸器動作時序波形圖

3）高壓配電系統有3種供電方式，分別為弓網供電，車間電源供電和蓄電池供電。系統啟動后，只能選擇一種供電方式。只有在當前供電電源故障或者司機室操作選擇另外兩種供電電源時，才能被切換。本文中首先選擇弓網供電方式，司機室發送選擇弓網供電指令Q1=1，TCU給高壓系統發送電網控制指令KM1=1，司機室發送斷路器合閘按鈕指令CB_H=1后，相應的斷路器狀態反饋CB=1，空調控制指令KM3=1。此時，高壓配電系統在弓網供電情況下完成配電功能。

4）當弓網供電電源故障或者司機室操作選擇車間電源供電方式，先讓CB_H合閘按鈕清0，相應CB_F分閘按鈕置1，斷弓網供電Q1=0，待降弓到位信號P為1時，切換為車間電源Q2=1；當車間電源供電被選擇后，判斷降弓到位信號P是否為1，若是，相應KM1動作、待CB_H合閘按鈕選通后，進行CB動作、KM3動作。此時，高壓配電系統在車間電源供電情況下完成配電功能。

5）車間電源切換為蓄電池供電：首先CB_H合閘按鈕清0，相應CB_F分閘按鈕置1，斷車間電源供電Q2=0，切換為蓄電池供電電源Q3=1；當蓄電池供電被選擇后，判斷降弓到位信號P是否為1，若是，相應蓄電池牽引控制指令KM2動作，待CB_H合閘按鈕選通后再進行CB動作。此時，高壓配電系統在蓄電池電源供電情況下完成配電功能。

6）蓄電池切換弓網供電：首先CB_H合閘按鈕清零，相應CB_F分閘按鈕置1，斷蓄電池供電Q3=0，切換為弓網供電Q1=1，按步驟3進行。

7）主從互換：先讓CB_H合閘按鈕清零，相應CB_F分閘按鈕置1，斷弓網供電Q1=0，令Z2=0，Z1=1，此時TCU1為主機，TCU2為從機。

通過對上頁圖4時序波形圖分析，系統完全按照上頁圖3所示流程程序代碼實現。通過RT-LAB半實物仿真測試，實現了高壓配電設備邏輯測試驗證并達到預期的要求。

3　結語

本文所搭建的牽引系統高壓配電邏輯半實物仿真模型，以及所設計的邏輯控制算法在RT-LAB半實物仿真平臺和牽引控制單元（TCU）中能正確運行。實驗結果表明，系統邏輯時序完全按照程序算法設定的目標實現，驗證了TCU程序中設計的邏輯時序的正確性，為后續系統在現場試驗起到關鍵的指導作用，同時縮短及降低了試驗周期和成本。

[1]單家元，丁艷.半實物仿真[M].北京：國防工業出版社，2008.

[2]上海科粱公司.實時分布式仿真與測試[Z].上海：上海科梁科技發展有限公司，2004.

[3]薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/simulink的系統仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社,2001.

[4]常曉飛，符文星，閏杰.RT-LAB在半實物仿真系統中的應用研究[J].測控技術，2008，27（10）：75-78.