配电网物理仿真系统监控软件设计

福州大学电气工程与自动化学院、国网南平供电公司的研究人员付宇泽、杨帆、刘坚、洪翠，在2017年第11期《电气技术》杂志上撰文，基于LabVIEW软件以模块化思想设计具备实时监测、故障模拟、查询数据等多种功能的配电网物理仿真系统监控软件。

介绍该监控软件的设计实现过程，并应用于配电网物理仿真系统。配合该软件，配电网物理仿真系统实现10kV配电网工作运行及故障模拟，友好的人机界面不但便于操作人员直观查看物理仿真系统中各模拟量，并能顺利实现控制功能，具有良好的实用性。

电力系统可用研究方法包括理论分析、实物试验和仿真模拟研究。受到经济、安全等因素限制，通常不允许在实际电网中进行特性分析、装备测试等实验研究。为此，建立配电网模型系统，对配电网开展特性分析以及装备测试等很有必要。模型可分物理模型和数学模型两类。单纯的数学建模往往无法模拟配电网复杂的运行规律和物理现象。

根据相似性原理将一个真实配电网复制到实验室中的物理仿真模型（配电网物理仿真系统），可仿真配电网正常运行情况并进行故障模拟，可在保证系统稳定的情况下，获得与实际系统相同的实验结果。

为监视控制配电网物理仿真系统，本文采用LabVIEW构建监控软件。监视系统的运行状况、控制模拟开关投切、采集电量、进行故障模拟实验、查阅和保存故障数据、为故障识别分析储备数据。

1配电网物理仿真系统

配电网物理仿真系统基于阻抗标幺值一致的等效原理设计实现，采用配电网典型接线结构和网络结构，模拟真实的10kV配电网。系统实物如图1所示。

整个系统由监控软件、下位机软件和元件/设备三部分组成。其中，监控软件由应用程序、数据库和通信服务器组成，主要实现下发操作指令、显示和存储数据等功能；下位机部分采用PLC作为控制单元，主要实现将三遥信息下达至硬件、上传至监控软件的功能；元件设备主要包括对应于配电网一次设备的模拟主变、电源模块、馈线模块以及实现配电线路故障模拟的故障模块等，是各类指令执行终端对象，也是配电网物理仿真系统的硬件部分，采用了便于组装的屏柜模式。

监控软件是配电网物理仿真系统的关键部分，对整个系统的运行进行调控与监察，设计的优劣将直接影响整个仿真系统的性能。本文阐述监控软件各模块的设计实现，并以实验运行检验监控软件的应用，验证了监控软件的实用性和可靠性。

图1 配电网物理仿真系统

2监控软件结构与功能

图2是监控软件总体功能结构图，总体结构可分为3个部分：应用层、数据访问层和通信层。软件采用模块化程序设计思路，不但可降低软件的复杂程度，且有利于程序的进一步扩展和升级。

软件中应用程序主要实现人机交互功能，包括系统管理、实时监测、故障模拟、数据查询等模块。其中，系统管理模块实现用户管理、用户登录与注销、系统退出等功能；实时监测模块是对“三遥”信息进行监测；故障模拟模块完成选择故障点、设置故障类型、下发相应的故障指令给故障模拟器；数据查询模块主要用以查询历史遥测数据。

数据访问层基于数据库对大量监测、故障模拟数据存储以备后期研究查询。系统数据库包括历史数据库和实时数据库，实时数据库为通信程序解析并存入的实时数据，这些数据会被下一笔数据所覆盖；通信程序每隔一段时间读取实时数据库的数据，插入到历史数据库中。

通信层在上位机与各控制模块之间建立通信功能，是监控软件与下位机之间的桥梁，保证双方可靠通信。报文上传时，通信程序解析下位机所传报文并将其存入数据库，用以应用程序调用。报文下达时，通信程序转发应用程序所传报文并下发至下位机。

图2 监控软件结构图

3应用程序模块设计与实现

基于LabVIEW软件平台设计监控软件应用程序，完成的系统主界面如图3所示。主界面包括了监控软件的主窗口平台和功能菜单，可查看整个系统接线情况和包括各支路电流、各节点电压、开关位置状态、线路工作属性的运行参数与状态；能进行开关远程控制，可进行分界面的切换，可通过菜单选择进入故障模拟等其它功能模块。

图3 应用程序主界面

3.1 遥控功能

模拟开关远程控制功能采用事件结构设计这种高效代码设计实现。在“编程→结构”中添加“事件结构”，添加事件分支“值改变”。通过创建属性节点选择“标签文本”属性作为条件结构的分支选择器，在条件结构中配置相对应的子站号、地址、控制码等信息，合成一条报文，将该报文解析后下发到下位机，实现指定开关的分合闸操作。

本项功能，主要应用于正常运行时投切线路，故障时切断故障等。

3.2 遥测功能

遥测功能是在实时监控界面查看系统运行时的参数信息，主要包括各母线、馈线电流和功率以及母线电压等。监控界面如图4所示。

图4 实时监控界面

实现时，调用数据库，查询RelProRtDa表中所有字段，按每行、每列索引数组，索引后的结果为字符串格式。为了提高数据显示的精度，将字符串转换成双精度6位有效数字的数值形式，并在对应的位置实时显示。程序框图如图5所示。

图5 实时监控功能程序框图

本功能通常应用于配电网物理仿真系统正常工况和故障工况下电量信息和保护信息的实时监测。

3.3 遥信功能

遥信功能在开关巡检界面实现，界面如图6所示，可查看所有开关量的分合闸状态。

图6 开关巡检界面

实现时，调用数据库查询SwitchRtSt表中所有字段，按每行、每列索引出开关名称及状态，随后以图形显示在界面上。断路器状态指示沿用电力系统接线开关状态色标，合闸显示为红色，分闸状态显示为绿色，有效提醒使用人关注。

本项功能通常应用于监测仿真系统的开关状态，防止误操作。

3.4 故障模拟功能

故障模拟是配电网物理仿真系统的重要实验内容，最真实地模拟配电线路实际故障以获取故障数据进行分析处理，还能检验配电装备的故障运行特性。

在主界面菜单栏中选择“故障模拟”，即可进入如图7所示故障点选定界面选择故障点，故障点以直观、醒目的绿色圆圈形式显示。设计时创建故障属性节点，正常运行时将可见性设置为False，故障点选择时将可见性设置为True。

图7 故障点选取界面

完成故障节点选择后即进入图8所示故障模拟界面。基于该界面可实现选择故障模块、设置接地电阻、选择故障类型等功能并可显示故障波形。

图8 故障模拟界面

配电网物理仿真系统可模拟两相短路、三相短路、单相永久接地、两相接地等故障的发生，接地方式可设置为不接地、经大电阻接地、经小电阻接地、直接接地。进行故障模拟实验时，由上位机将故障命令下达至故障模拟器。故障波形以基于过电流起动判据的录波装置进行采集，并以TDMS文件的形式按照不同故障类型存储，使用读取函数完成数据的存储和读取。

4 通信模块功能设计与实现

4.1 通讯数据管理模块设计

本系统以SQL Server 2008 R2作为数据库的开发平台，通过LabVIEW指令实现对系统原始数据存储、处理、查询、管理等功能。

监控软件的程序需要频繁与数据库连接，如获取主站号和开关状态、查询实时数据、存储历史数据等操作都会应用到数据库。在进行数据库操作之前，要在Windows ODBC数据源中创建一个DSN，并指定关联的数据库。

在程序框图中编程“ADO Connection Create.vi”-“ADO ConnectionOpen.vi”-“ADO Connection Execute.vi”-“SQL Fetch Data.vi”-“ADO ConnectionClose.vi”，并在指定位置写入数据源名称、SQL命令，完成与数据库的连接、查询、关闭功能，程序框图如图9所示。

图9 实现查询功能的程序框图

监控软件数据库共设定了9个数据表，分别为变电站表、分布式控制模块表、开关信息表、用户信息表、故障实验记录表、继电保护装置实时数据表和历史数据表、电量采集器实时数据表和历史数据表。

变电站表主要用于存储变电站的信息；开关信息表记录开关名称、弹簧储能状态、分合闸状态、操作成功标志位等信息；用户信息表存储用户个人信息；故障实验记录表主要记录每次模拟实验的故障位置、故障类型和故障波形文件名等信息，便于后期查询分析。

4.2 通讯数据采集模块设计

本系统监控软件与各模块间的通信采用客户端和服务器（Client/Server）的结构，借助LabVIEW围绕TCP/IP网络协议构建服务器和客户端之间一对多的通信方式。采用TCP函数节点来实现基于TCP/IP协议的局域网通信。

实现时，编程“创建TCP侦听器”-“读取TCP数据”-“写入TCP数据”-“关闭TCP连接”，并在指定位置写入IP地址、端口号，完成与下位机的通信，TCP通讯侦听连接过程程序框图如图10所示。

图10 TCP通讯侦听连接过程程序框图

为确保通信可靠，设计时利用“读取TCP数据”和“写入TCP数据”函数监测链路数组中的数据来判断通信连接是否正常，一旦发生通信错误立即关闭该连接。循环检查后连接正常的客户端ID最终进入已连接的TCP数组。

系统采用永宏FBs系列PLC作为通信控制单元。PLC控制单元与监控软件通信，接收并解析来自监控软件的控制指令。同时，PLC会采集开关量输入信息与保护实时遥测数据，上传给监控软件，完成通信控制指令的解析及执行操作。

5运行试验

5.1正常工况

模拟配电系统正常运行，配电网物理仿真系统的负荷投切实验波形如图11所示。

图11 负荷投入时922馈线三相电流实测波形图

此时，操作人员通过监控软件向各个控制模块下发命令。包括查询当前各线路负荷电流、零序电流、有功功率、无功功率、功率因素、母线电压、零序电压等；可查询各控制模块的工作状态；可控制开关分合。馈线负荷投入时显示子界面如图12所示。

图12 922馈线负荷投入时显示界面

5.2故障工况

系统使用柔性故障模拟器模拟配电网中常见的故障，以图7中F1为故障点，开展该点发生AB两相短路故障模拟实验，此时物理仿真系统录波装置记录实验波形如图13所示。

图13 故障实验波形图

波形显示，故障两相电流大小相等、方向相反，急剧增加。可见，物理仿真系统与10kV配电系统实际系统具有相似的故障动态过程。

6结论

本文基于LabVIEW设计开发配电网物理仿真系统监控软件，论述了软件功能、作用和编程实现思想。应用实验表明，该软件能够适应系统的功能要求，满足仿真系统运行需要，有效监控配电网物理仿真系统。能更为便利地获取配电网故障数据，为合理利用配电网信息分析电网状况提供便利，对配电网的研究和发展具有意义和价值。