基于工控机和Lab Windows/CVI工具实现静模系统的软硬件设计

作者：王新超，潘贞存，高厚磊

电力系统静态模拟简称静模，是根据相似性原理建立的一种物理模拟。它利用线路等值阻抗模拟实际线路，用等值电源替代发电机构成模拟系统，可以模拟除系统振荡和发电机电磁暂态过程以外的各种运行状态，包括正常状态和事故状态，从而可以对继电保护和自动装置动作的可靠性进行实验，是教学、科研、保护设备整定校验的得力助手。

当前计算机监控技术在电力系统中得到了广泛的应用，并成为静模技术发展的一个重要方向。静模系统的数据可以由计算机数据采集系统得到，并通过计算机实时处理，而故障的设置及开关操作等经常性的工作可采用计算机进行控制。这就进一步提高了静模系统的灵活性和自动化水平。

1 静模系统的构成及基本功能

静模系统主要由三大部分构成，即一次模拟系统、智能化监控系统和继电保护装置，其结构见图1。

一次模拟系统主要由双侧电源、模拟线路、断路器、PT（电压互感器）、CT（电流互感器）和控制回路等部分组成，完成一次系统的模拟和手动控制功能。

智能化监控系统主要由模拟量采集模块、开关量采集模块、586工业控制计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、执行继电器箱和打印机等部分组成。主要完成以下功能：

（1）采集和处理模拟线路两端电压、电流等模拟量；

（2）模拟线路主接线和运行参数的定时显示及故障数据的存储和分析；

（3）监视两侧断路器位置及各开关量位置，监视保护动作出口的状态；

（4）线路两侧断路器的跳、合闸控制；

（5）在模拟线路的11个短路模拟点上，选定任意一个短路模拟点，设置故障类型、合闸角及故障时间；

（6）控制短路开关（DLABC）的关断。

继电保护装置为微机实现的数字式超高压线路成套快速保护装置。由于装置以短路开关替代机电开关制造短路，所以对于两相以上的并发短路故障的同时性，有了更为精确的实现，其短路角度的任意设置，更为装置的应用提供了宽松的条件。

2 静模系统控制部分的硬件组成

静模系统计算机控制部分实现简单故障的设置、两侧断路器的开关操作和各种开关量的采集及显示等功能。静模系统控制部分硬件结构框图如图2所示。

2.1 工控机

工控机采用研华公司生产的PRETRUMII工业控制机。

2.2 可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器采用OMRON新一代产品CQM1，它比较适合于小规模机器控制，可实现高速输入输出应答，包括中断输入处理、间隔时间中断处理，内部高速计数器可实现精确定时、计数以及频率变换等复杂功能。其网络联接有标准RS232、RS485端口与计算机连接，实现与计算机的信息交换。

在本装置中，工控机的控制命令通过RS-232C串口，按照约定好的通讯协议，以串行通讯的方式传送给可编程逻辑控制器（PLC），利用PLC具有逻辑控制、时序控制、计时控制的特点，将这一命令转变成可具体实现的时序控制命令，控制相应的接触器和智能合闸角控制电路，从而完成故障设置或开关操作任务。

2.3 开关量采集板

开关量采集板PC-DIO-24/Pnp是一个24位并行数字输入/输出接口板，可对其进行8位、16位或24位编程，它接于计算机ISA数据总线，具有即插即用功能。在本系统中开关量采集板的24位输入/输出数据位均置输入状态使用。

2.4智能合闸角控制装置

智能合闸角控制装置由TK-51CUP板、电压鉴相电路、RS485串行通信接口、手动合闸角设置开关、光电隔离、触发驱动电路、双向可控硅等7部分组成，如图3所示。

装置的启动合闸方式，可由故障类型、故障相别、合闸角等参数决定。其中故障类型定义为单相、双相、三相接地短路；故障相别分为A、B、C相。由于电压鉴相采用3个独立回路，因此可以方便地实现合闸角的A、B、C相基准任意选择。

合闸角设置定义了手动与自动两种方式。手动设置通过三段式十进制拨码开关实现“0～360度”的任意设定，又用两个单段式十进制拨码开关分别实现故障类型、故障相别的选择，通过手动触发按钮可直接触发双向可控硅，制造短路故障。自动设置由PLC通过RS485总线传送故障类型、故障相别、合闸角以实现方式设置；传送校验采取回送式，即ＣＰＵ板将接收到的全部指令数据码传回PLC，以便由PLC决定是否重发，如校验无误，即发出触发指令。手动与自动设置的切换采用点按“切换按钮”切换至手动设置，而用PLC对合闸角电路的每次命令刷新将设置切换到自动状态。

3 软件系统

计算机控制系统的软件系统是在Win98环境下，运用Lab Windows/CVI工具软件平台开发的，全部程序用C语言编制而成。Lab Windows/CVI具有良好的图形用户界面开发工具，具有ANSI C编译器和方便的调试环境。主程序框图如图4所示。

下面介绍各模块的具体功能。

（1）初始化模块：完成接口板的初始化、人机界面的初始化设置等功能；

（2）界面模块：完成界面文件的编写以及电气主接线的绘制；

（3）开关量采集模块：实现开关量的采集及显示；

（4）故障设置模块：实现在模拟线路上进行任意一种简单故障的设置；

（5）开关操作模块：实现两侧模拟断路器的开关操作。

4 系统操作

短路故障控制器软件系统的主窗口如图5所示。

它由模拟线路电气主接线示意图、短路母线接线示意图、功能菜单、信息栏和通讯状态几部分组成。在主窗中，操作者可以通过鼠标或键盘选择其中任意一个功能选项，并通过下拉菜单选择该功能选项中的任意一个功能条。

（1）退出：用于退出系统主窗口，并返回到主控系统。

（2）故障设置：此功能选项用于在系统主窗口中显示的模拟线路上进行任意一种简单故障的设置。其中，故障位置选择参数用于操作者设置故障点。故障类型选择参数用于选择故障类型。故障时间选择参数用于选择故障持续时间。

（3）开关操作：用于实现对两侧模拟断路器的跳合闸操作。操作者用鼠标滚动功能条，选择任意功能选项，用鼠标单？quot;确定“，则开关操作设置窗口退出，弹出”密码“窗口，确认密码后，一种开关操作便被设置完毕。

（4）还原：此功能选项用于恢复故障设置和开关操作。当操作者完成一项故障设置或开关操作后，用鼠标单击”还原“，则系统恢复初始状态，等待进行下一项故障设置或开关操作。

（5）帮助：内含关于开关操作和故障设置的帮助信息。

（6）信息栏：用于显示此次故障设置或开关操作的信息。

（7）通讯状态：用于显示计算机与可编程逻辑控制器（PLC）之间的通讯状态。若通讯状态良好，则在通讯状态栏中显示”正确接收“；若通讯有误，则在通讯状态栏中显示通讯错误的种类。

另外，当模拟线路上有开关变位时，如完成了一次故障设置、开关操作或保护动作跳闸后，在系统主窗口电气主接线图的相应开关位置上将立即显示出开关变位情况。

以上介绍了静模系统控制部分的硬件、软件组成和主要功能的设计与实现。硬件系统结构简单、软件系统运用 Lab Windows/CVI工具软件开发，具有良好的图形用户界面，操作简单灵活，修改参数方便，对提高静模系统的实验水平和教学效果有着十分重要的作用。文中提出的设计方案已于山东电力科学研究院静态模拟实验室成功实现，验证了其可行性和有效性。

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