福州大學電氣工程與自動化學院、國網南平供電公司的研究人員付宇澤、楊帆、劉堅、洪翠， 在2017年第11期《電氣技術》雜誌上撰文， 基於LabVIEW軟體以模組化思想設計具備即時監測、故障類比、查詢資料等多種功能的配電網物理模擬系統監控軟體。
介紹該監控軟體的設計實現過程， 並應用於配電網物理模擬系統。 配合該軟體， 配電網物理模擬系統實現10kV配電網工作運行及故障類比， 友好的人機界面不但便於操作人員直觀查看物理模擬系統中各類比量， 並能順利實現控制功能， 具有良好的實用性。
電力系統可用研究方法包括理論分析、實物試驗和模擬模擬研究。
根據相似性原理將一個真實配電網複製到實驗室中的物理模擬模型（配電網物理模擬系統）， 可模擬配電網正常運行情況並進行故障類比， 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。
為監視控制配電網物理模擬系統， 本文採用LabVIEW構建監控軟體。 監視系統的運行狀況、控制類比開關投切、採集電量、進行故障類比實驗、查閱和保存故障資料、為故障識別分析儲備資料。
1配電網物理模擬系統
配電網物理模擬系統基於阻抗標么值一致的等效原理設計實現， 採用配電網典型接線結構和網路結構， 類比真實的10kV配電網。 系統實物如圖1所示。
整個系統由監控軟體、下位機軟體和元件/設備三部分組成。 其中， 監控軟體由應用程式、資料庫和通信伺服器組成， 主要實現下發操作指令、顯示和存儲資料等功能；下位機部分採用PLC作為控制單元， 主要實現將三遙資訊下達至硬體、上傳至監控軟體的功能；元件設備主要包括對應於配電網一次設備的類比主變、電源模組、饋線模組以及實現配電線路故障類比的故障模組等，
監控軟體是配電網物理模擬系統的關鍵部分， 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模擬系統的性能。 本文闡述監控軟體各模組的設計實現， 並以實驗運行檢驗監控軟體的應用， 驗證了監控軟體的實用性和可靠性。
圖1 配電網物理模擬系統
2監控軟體結構與功能
圖2是監控軟體總體功能結構圖， 總體結構可分為3個部分：應用層、資料訪問層和通信層。 軟體採用模組化程式設計思路， 不但可降低軟體的複雜程度， 且有利於程式的進一步擴展和升級。
軟體中應用程式主要實現人機交互功能， 包括系統管理、即時監測、故障類比、資料查詢等模組。 其中， 系統管理模組實現使用者管理、使用者登錄與登出、系統退出等功能；即時監測模組是對“三遙”資訊進行監測；故障類比模組完成選擇故障點、設置故障類型、下發相應的故障指令給故障模擬器；資料查詢模組主要用以查詢歷史遙測資料。
資料訪問層基於資料庫對大量監測、故障類比資料存儲以備後期研究查詢。 系統資料庫包括歷史資料庫和即時資料庫， 即時資料庫為通信程式解析並存入的即時資料， 這些資料會被下一筆資料所覆蓋；通信程式每隔一段時間讀取即時資料庫的資料， 插入到歷史資料庫中。
通信層在上位機與各控制模組之間建立通信功能， 是監控軟體與下位機之間的橋樑， 保證雙方可靠通信。 報文上傳時， 通信程式解析下位機所傳報文並將其存入資料庫， 用以應用程式調用。 報文下達時， 通信程式轉發應用程式所傳報文並下發至下位機。
圖2 監控軟體結構圖
3應用程式模組設計與實現
基於LabVIEW軟體平臺設計監控軟體應用程式，完成的系統主介面如圖3所示。主介面包括了監控軟體的主視窗平臺和功能功能表，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；能進行開關遠端控制，可進行分介面的切換，可通過功能表選擇進入故障類比等其它功能模組。
圖3 應用程式主介面
3.1 遙控功能
類比開關遠端控制功能採用事件結構設計這種高效代碼設計實現。在“程式設計→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“標籤文本”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、位址、控制碼等資訊，合成一條報文，將該報文解析後下發到下位機，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
遙測功能是在即時監控介面查看系統運行時的參數資訊，主要包括各母線、饋線電流和功率以及母線電壓等。監控介面如圖4所示。
圖4 即時監控介面
實現時，調用資料庫，查詢RelProRtDa表中所有欄位，按每行、每列索引陣列，索引後的結果為字串格式。為了提高資料顯示的精度，將字串轉換成雙精度6位有效數字的數值形式，並在對應的位置即時顯示。程式框圖如圖5所示。
圖5 即時監控功能程式框圖
本功能通常應用於配電網物理模擬系統正常工況和故障工況下電量資訊和保護資訊的即時監測。
3.3 遙信功能
遙信功能在開關巡檢介面實現，介面如圖6所示，可查看所有開關量的分合閘狀態。
圖6 開關巡檢介面
實現時，調用資料庫查詢SwitchRtSt表中所有欄位，按每行、每列索引出開關名稱及狀態，隨後以圖形顯示在介面上。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。
本項功能通常應用於監測模擬系統的開關狀態，防止誤操作。
3.4 故障類比功能
故障類比是配電網物理模擬系統的重要實驗內容，最真實地類比配電線路實際故障以獲取故障資料進行分析處理，還能檢驗配電裝備的故障運行特性。
在主介面功能表列中選擇“故障類比”，即可進入如圖7所示故障點選定介面選擇故障點，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 故障點選取介面
完成故障節點選擇後即進入圖8所示故障類比介面。基於該介面可實現選擇故障模組、設置接地電阻、選擇故障類型等功能並可顯示故障波形。
圖8 故障類比介面
配電網物理模擬系統可類比兩相短路、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。進行故障類比實驗時，由上位機將故障命令下達至故障模擬器。故障波形以基於過電流起動判據的錄波裝置進行採集，並以TDMS檔的形式按照不同故障類型存儲，使用讀取函數完成資料的存儲和讀取。
4 通信模組功能設計與實現
4.1 通訊資料管理模組設計
本系統以SQL Server 2008 R2作為資料庫的開發平臺，通過LabVIEW指令實現對系統原始資料存儲、處理、查詢、管理等功能。
監控軟體的程式需要頻繁與資料庫連接，如獲取主站號和開關狀態、查詢即時資料、存儲歷史資料等操作都會應用到資料庫。在進行資料庫操作之前，要在Windows ODBC資料來源中創建一個DSN，並指定關聯的資料庫。
在程式框圖中程式設計“ADO Connection Create.vi”-“ADO ConnectionOpen.vi”-“ADO Connection Execute.vi”-“SQL Fetch Data.vi”-“ADO ConnectionClose.vi”，並在指定位置寫入資料來源名稱、SQL命令，完成與資料庫的連接、查詢、關閉功能，程式框圖如圖9所示。
圖9 實現查詢功能的程式框圖
監控軟體資料庫共設定了9個資料表，分別為變電站表、分散式控制模組表、開關資訊表、使用者資訊表、故障實驗記錄表、繼電保護裝置即時資料表和歷史資料表、電量採集器即時資料表和歷史資料表。
變電站表主要用於存儲變電站的資訊；開關資訊表記錄開關名稱、彈簧儲能狀態、分合閘狀態、操作成功標誌位元等資訊；使用者資訊表存儲使用者個人資訊；故障實驗記錄表主要記錄每次類比實驗的故障位置、故障類型和故障波形檔案名等資訊，便於後期查詢分析。
4.2 通訊資料獲取模組設計
本系統監控軟體與各模組間的通信採用用戶端和伺服器（Client/Server）的結構，借助LabVIEW圍繞TCP/IP網路通訊協定構建伺服器和用戶端之間一對多的通信方式。採用TCP函數節點來實現基於TCP/IP協定的局域網通信。
實現時，程式設計“創建TCP偵聽器”-“讀取TCP資料”-“寫入TCP資料”-“關閉TCP連接”，並在指定位置寫入IP位址、埠號，完成與下位機的通信，TCP通訊偵聽連接過程程式框圖如圖10所示。
圖10 TCP通訊偵聽連接過程程式框圖
為確保通信可靠，設計時利用“讀取TCP資料”和“寫入TCP資料”函數監測鏈路陣列中的資料來判斷通信連接是否正常，一旦發生通信錯誤立即關閉該連接。迴圈檢查後連接正常的用戶端ID最終進入已連接的TCP陣列。
系統採用永巨集FBs系列PLC作為通信控制單元。PLC控制單元與監控軟體通信，接收並解析來自監控軟體的控制指令。同時，PLC會採集開關量輸入資訊與保護即時遙測資料，上傳給監控軟體，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
類比配電系統正常運行，配電網物理模擬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體向各個控制模組下發命令。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、功率因素、母線電壓、零序電壓等；可查詢各控制模組的工作狀態；可控制開關分合。饋線負荷投入時顯示子介面如圖12所示。
圖12 922饋線負荷投入時顯示介面
5.2故障工況
系統使用柔性故障模擬器類比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兩相短路故障類比實驗，此時物理模擬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，物理模擬系統與10kV配電系統實際系統具有相似的故障動態過程。
6結論
本文基於LabVIEW設計開發配電網物理模擬系統監控軟體，論述了軟體功能、作用和程式設計實現思想。應用實驗表明，該軟體能夠適應系統的功能要求，滿足模擬系統運行需要，有效監控配電網物理模擬系統。能更為便利地獲取配電網故障資料，為合理利用配電網資訊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。
3應用程式模組設計與實現
基於LabVIEW軟體平臺設計監控軟體應用程式，完成的系統主介面如圖3所示。主介面包括了監控軟體的主視窗平臺和功能功能表，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；能進行開關遠端控制，可進行分介面的切換，可通過功能表選擇進入故障類比等其它功能模組。
圖3 應用程式主介面
3.1 遙控功能
類比開關遠端控制功能採用事件結構設計這種高效代碼設計實現。在“程式設計→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“標籤文本”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、位址、控制碼等資訊，合成一條報文，將該報文解析後下發到下位機，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
遙測功能是在即時監控介面查看系統運行時的參數資訊，主要包括各母線、饋線電流和功率以及母線電壓等。監控介面如圖4所示。
圖4 即時監控介面
實現時，調用資料庫，查詢RelProRtDa表中所有欄位，按每行、每列索引陣列，索引後的結果為字串格式。為了提高資料顯示的精度，將字串轉換成雙精度6位有效數字的數值形式，並在對應的位置即時顯示。程式框圖如圖5所示。
圖5 即時監控功能程式框圖
本功能通常應用於配電網物理模擬系統正常工況和故障工況下電量資訊和保護資訊的即時監測。
3.3 遙信功能
遙信功能在開關巡檢介面實現，介面如圖6所示，可查看所有開關量的分合閘狀態。
圖6 開關巡檢介面
實現時，調用資料庫查詢SwitchRtSt表中所有欄位，按每行、每列索引出開關名稱及狀態，隨後以圖形顯示在介面上。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。
本項功能通常應用於監測模擬系統的開關狀態，防止誤操作。
3.4 故障類比功能
故障類比是配電網物理模擬系統的重要實驗內容，最真實地類比配電線路實際故障以獲取故障資料進行分析處理，還能檢驗配電裝備的故障運行特性。
在主介面功能表列中選擇“故障類比”，即可進入如圖7所示故障點選定介面選擇故障點，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 故障點選取介面
完成故障節點選擇後即進入圖8所示故障類比介面。基於該介面可實現選擇故障模組、設置接地電阻、選擇故障類型等功能並可顯示故障波形。
圖8 故障類比介面
配電網物理模擬系統可類比兩相短路、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。進行故障類比實驗時，由上位機將故障命令下達至故障模擬器。故障波形以基於過電流起動判據的錄波裝置進行採集，並以TDMS檔的形式按照不同故障類型存儲，使用讀取函數完成資料的存儲和讀取。
4 通信模組功能設計與實現
4.1 通訊資料管理模組設計
本系統以SQL Server 2008 R2作為資料庫的開發平臺，通過LabVIEW指令實現對系統原始資料存儲、處理、查詢、管理等功能。
監控軟體的程式需要頻繁與資料庫連接，如獲取主站號和開關狀態、查詢即時資料、存儲歷史資料等操作都會應用到資料庫。在進行資料庫操作之前，要在Windows ODBC資料來源中創建一個DSN，並指定關聯的資料庫。
在程式框圖中程式設計“ADO Connection Create.vi”-“ADO ConnectionOpen.vi”-“ADO Connection Execute.vi”-“SQL Fetch Data.vi”-“ADO ConnectionClose.vi”，並在指定位置寫入資料來源名稱、SQL命令，完成與資料庫的連接、查詢、關閉功能，程式框圖如圖9所示。
圖9 實現查詢功能的程式框圖
監控軟體資料庫共設定了9個資料表，分別為變電站表、分散式控制模組表、開關資訊表、使用者資訊表、故障實驗記錄表、繼電保護裝置即時資料表和歷史資料表、電量採集器即時資料表和歷史資料表。
變電站表主要用於存儲變電站的資訊；開關資訊表記錄開關名稱、彈簧儲能狀態、分合閘狀態、操作成功標誌位元等資訊；使用者資訊表存儲使用者個人資訊；故障實驗記錄表主要記錄每次類比實驗的故障位置、故障類型和故障波形檔案名等資訊，便於後期查詢分析。
4.2 通訊資料獲取模組設計
本系統監控軟體與各模組間的通信採用用戶端和伺服器（Client/Server）的結構，借助LabVIEW圍繞TCP/IP網路通訊協定構建伺服器和用戶端之間一對多的通信方式。採用TCP函數節點來實現基於TCP/IP協定的局域網通信。
實現時，程式設計“創建TCP偵聽器”-“讀取TCP資料”-“寫入TCP資料”-“關閉TCP連接”，並在指定位置寫入IP位址、埠號，完成與下位機的通信，TCP通訊偵聽連接過程程式框圖如圖10所示。
圖10 TCP通訊偵聽連接過程程式框圖
為確保通信可靠，設計時利用“讀取TCP資料”和“寫入TCP資料”函數監測鏈路陣列中的資料來判斷通信連接是否正常，一旦發生通信錯誤立即關閉該連接。迴圈檢查後連接正常的用戶端ID最終進入已連接的TCP陣列。
系統採用永巨集FBs系列PLC作為通信控制單元。PLC控制單元與監控軟體通信，接收並解析來自監控軟體的控制指令。同時，PLC會採集開關量輸入資訊與保護即時遙測資料，上傳給監控軟體，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
類比配電系統正常運行，配電網物理模擬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體向各個控制模組下發命令。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、功率因素、母線電壓、零序電壓等；可查詢各控制模組的工作狀態；可控制開關分合。饋線負荷投入時顯示子介面如圖12所示。
圖12 922饋線負荷投入時顯示介面
5.2故障工況
系統使用柔性故障模擬器類比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兩相短路故障類比實驗，此時物理模擬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，物理模擬系統與10kV配電系統實際系統具有相似的故障動態過程。
6結論
本文基於LabVIEW設計開發配電網物理模擬系統監控軟體，論述了軟體功能、作用和程式設計實現思想。應用實驗表明，該軟體能夠適應系統的功能要求，滿足模擬系統運行需要，有效監控配電網物理模擬系統。能更為便利地獲取配電網故障資料，為合理利用配電網資訊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。