基于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的交流信號(hào)狀態(tài)序列發(fā)生器的仿真建模

劉 霡

（三峽大學(xué)國際文化交流學(xué)院，湖北宜昌 44300）

0 引言

電力系統(tǒng)中的測(cè)控、保護(hù)裝置均是采集系統(tǒng)電壓、電流并提取特征值實(shí)現(xiàn)正常工作的，裝置的研發(fā)和調(diào)試階段，通過電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行工況或采用繼電保護(hù)測(cè)試儀模擬電壓、電流狀態(tài)序列，可以為裝置提供一定的試驗(yàn)環(huán)境，提高產(chǎn)品的開發(fā)周期。電壓電流狀態(tài)序列指的是交流量在若干個(gè)時(shí)間段內(nèi)，依次發(fā)生變化，近似模擬電力系統(tǒng)某一特定的運(yùn)行工況，如線路區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)跳閘，并重合閘。狀態(tài)序列的特征有三相電壓、三相電流同步變化，序列時(shí)間精確控制等。電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真器不僅具備電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真功能，還具有繼電保護(hù)測(cè)試儀的狀態(tài)序列模擬功能，但需搭建對(duì)應(yīng)的控制觸發(fā)邏輯才能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)序列的輸出。基于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，開發(fā)一個(gè)通用型、高集成度的狀態(tài)序列觸發(fā)邏輯，可以進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的靈活應(yīng)用。

基于模塊化的設(shè)計(jì)思想，基于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)分別開發(fā)了初始化配置模塊、通道切換模塊及序列精確控制邏輯模塊等，實(shí)現(xiàn)了通用型、高集成度的狀態(tài)序列的精確控制序列的設(shè)計(jì)，有助于提升電力系統(tǒng)二次測(cè)控設(shè)備的開發(fā)、調(diào)試效率。

1 系統(tǒng)概述

交流電壓、電流狀態(tài)序列發(fā)生器，需具備使用便捷、序列控制精確、高集成度等特點(diǎn)。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，完成狀態(tài)序列發(fā)生器控制邏輯的設(shè)計(jì)，如圖1所示為狀態(tài)序列發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 狀態(tài)序列發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

序列發(fā)生器主要有四部分組成：初始化、通道切換、信號(hào)發(fā)生及序列精確控制邏輯部分。初始化模塊的主要功能為定義狀態(tài)序列個(gè)數(shù)、各狀態(tài)序列的電壓電流幅值、各狀態(tài)序列的持續(xù)時(shí)間等。通道切換模塊的主要功能為實(shí)時(shí)接收狀態(tài)序列精確控制模塊的通道切換信號(hào)，并執(zhí)行電壓通道、電流通道的順序切換。狀態(tài)序列精確控制模塊，根據(jù)狀態(tài)序列個(gè)數(shù)及各狀態(tài)序列持續(xù)時(shí)間，執(zhí)行精確時(shí)序的順序控制。信號(hào)發(fā)生模塊實(shí)時(shí)接收交流信號(hào)的幅值，結(jié)合預(yù)定的相角和頻率，合成交流信號(hào)并輸出。

2 建模設(shè)計(jì)

以具有6個(gè)狀態(tài)的電壓電流序列為例，開展設(shè)計(jì)思路的介紹。圖2所示的通道切換邏輯圖中，Ux_Init（x=a，b，c）、Ix_Init（x=a，b，c）為電壓電流初始狀態(tài)的幅值；Ux_End（x=a，b，c）、Ix_End（x=a，b，c）為電壓電流結(jié)束狀態(tài)的幅值。Ux_Stan（x=a，b，c）、Ix_Stan（x=a，b，c）為第n（n=1，2，3，4，5，6）個(gè)狀態(tài)下，電壓電流的幅值。Seq_Num為狀態(tài)序列序號(hào)標(biāo)志位，即，第n個(gè)狀態(tài)期間，Seq_Num=n，且通道選擇器將對(duì)應(yīng)狀態(tài)的幅值輸出給M_Ux（x=a，b，c）和M_Ix（x=a，b，c）。

圖2 通道切換邏輯圖

狀態(tài)序列精確控制邏輯如圖3所示，主要有三部分組成：序列啟動(dòng)與終止觸發(fā)邏輯、狀態(tài)序列精確控制子模塊、狀態(tài)序列集成邏輯。各序列的幅值與時(shí)間初始化完成之后，觸發(fā)序列啟動(dòng)按鈕，控制邏輯啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，并觸發(fā)狀態(tài)1啟動(dòng)信號(hào)，狀態(tài)1

工作標(biāo)志位置1，狀態(tài)1執(zhí)行結(jié)束之后自動(dòng)閉鎖狀態(tài)1，且該閉鎖信號(hào)為狀態(tài)2的啟動(dòng)信號(hào)，依次執(zhí)行各狀態(tài)序列。當(dāng)最后一個(gè)狀態(tài)序列執(zhí)行結(jié)束并閉鎖后，觸發(fā)終止序列邏輯，狀態(tài)序列執(zhí)行結(jié)束。

圖3 狀態(tài)序列精確控制邏輯

圖3 所示中，En_Sta1為啟動(dòng)狀態(tài)1信號(hào)，Timer為時(shí)鐘信號(hào)，Sta6為狀態(tài)序列6的運(yùn)行標(biāo)志位，下降沿觸發(fā)邏輯終止程序。Dis_Sta1為序列1閉鎖信號(hào)，Dt_Sta1為狀態(tài)1持續(xù)時(shí)間定值。狀態(tài)序列集成邏輯主要負(fù)責(zé)Seq_Num數(shù)值的生成，如狀態(tài)序列3運(yùn)行階段，其他序列標(biāo)志位均為0，Sta3=1，實(shí)現(xiàn)了Seq_Num與正在執(zhí)行序列產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，該信號(hào)經(jīng)過簡答的運(yùn)算加工，可以靈活的應(yīng)用于通道選擇模塊。

3 仿真算例

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的狀態(tài)序列精確控制邏輯的有效性，在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了控制邏輯的建模，并設(shè)計(jì)了仿真算例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。表1所示為初始化模塊各序列階段的電壓幅值、電流幅值及序列持續(xù)時(shí)間定值，圖4、圖5分別為試驗(yàn)錄波圖。

表1 狀態(tài)序列初始化定值

圖4中，Timer為狀態(tài)序列中的計(jì)時(shí)器時(shí)鐘信號(hào)，仿真算例中6個(gè)狀態(tài)序列的時(shí)間長度為1.2s，Seq_Num為序列標(biāo)志位，試驗(yàn)過程中依次從0遞增到6。Start標(biāo)志位貫穿狀態(tài)序列始末。分析各序列標(biāo)志位可知，對(duì)應(yīng)序列標(biāo)志位保持時(shí)間與設(shè)定值一致。

圖4 序列標(biāo)志位錄波圖

圖5中，U1A，U1B，U1C為三相電壓狀態(tài)序列錄波，I1A，I1B，I1C為電流狀態(tài)序列錄波，Rms_U為三相電壓有效值，Rms_I為三相電流有效值。

圖5 交流狀態(tài)錄波圖

分析圖5可知，狀態(tài)1（0.0s～0.1s）區(qū)間內(nèi)，電壓、電流有效值為0；狀態(tài)2（0.1s～0.3s）區(qū)間內(nèi)，電壓、電流有效值為2；狀態(tài)3（0.3s～0.6s）區(qū)間內(nèi)，電壓、電流有效值為3；狀態(tài)4（0.6s～0.9s）區(qū)間內(nèi)，電壓、電流有效值為4；狀態(tài)5（0.9s～1.1s）區(qū)間內(nèi)，電壓、電流有效值為5；狀態(tài)6（1.1 s～1.2s）區(qū)間內(nèi)，電壓、電流有效值為6，滿足設(shè)定預(yù)期。

4 結(jié)語

所開發(fā)的模塊化、高集成的電壓電流狀態(tài)序列精確控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了基于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)平臺(tái)下的狀態(tài)序列的便捷配置、精確發(fā)生，對(duì)電力系統(tǒng)測(cè)控、保護(hù)裝置的開發(fā)調(diào)試，具有一定的促進(jìn)作用。對(duì)各個(gè)子模塊的核心原理展開了介紹，基于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模，并設(shè)計(jì)了典型的仿真算例，進(jìn)行邏輯驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的控制建模方法是有效可行的，對(duì)測(cè)控、保護(hù)裝置開發(fā)人員具有一定的參考價(jià)值。