低压配电网虚拟仿真系统的设计

低压配电网虚拟仿真系统的设计

摘要：虚拟仿真实验概念的提出及实施，可较好地解决一些硬件过于大、过于昂贵的问题。利用计算机的强大资源可以使传统实验过程中的硬件软件化。基于虚拟仪器的软件平台，设计开发满足现阶段要求的虚拟仿真实验系统，可在一定程度上降低实验的成本，提高实验效率。同时，实现实验管理的信息化具有解放人力、提升效率、规范管理、资源共享，扩大影响和共同进步等优势。本文对低压配电网虚拟仿真系统的设计进行探讨。

关键词：配电网；虚拟仿真；系统设计

1仿真系统设计

1.1远程接口

实验系统中远程实验模块需要由上位机、智能电表通过Modbus总线连接，系统硬件示意图如图1所示。实验模块可通过智能电表LAD600向现场实验设备发送指令，接收现场传回的实验数据并存储于相应ACCESS数据库表格中。通过智能电表提供的多个数据通道可将实验室现有实验设备按实际需要连入实验模块，为远程实验的实现提供了条件。

图1 系统硬件示意图

远程实验上位机界面如图2所示，可方便用户根据实际需求对已有设备进行改造联网，实现与用户模块之间的数据传输。

图2 远程实验上位机界面

远程实验接口程序，步骤包括:

①利用Visa Configure Serial Port．vi节点初始化串口;②通过Visa Write节点和Visa Read节点对串口进行读写操作;③关闭串口，释放串口资源。采集的数据在进行字节

转换并与时间信息、操作者信息进行捆绑后，存储于数据库中。

1.2虚拟模块

虚拟实验搭建界面由实验界面、配电网结构选择界面、虚拟仪器库、硬件接口库、波形库以及滤波模块选择页面5个部分构成。采用标签结构进行切换。在这个平台上进行虚拟仿真实验之前，需要依次对配电网电路结构、虚拟仪器、硬件仪器、电流波形和滤波模块进行选择，搭建出需要的配电网结构，再在实验界面上进行虚拟仿真实验。

1.2.1配电网结构选择

在配电网结构标签下，可进行配网结构的选择，用户可根据实际需求对配网层级结构和支路结构进行设置。

1.2.2虚拟开关设备库

虚拟仪器库采用LabVIEW虚拟仪器技术，利用计算机的强大资源，让传统实验过程中的实际电气设备运行过程实现虚拟软件化。断路器按结构分为万能式断路器(ACB)、塑壳断路器(MCCB)和小型断路器(MCB)三种类型。本文以NA1-2000断路器的VI为例，虚拟断路器、实物图的数学模型如图3所示。NA1-2000断路器实物采用有三段保护特性，即IL为过载长延时整定电流值，IS为短路短延时整定电流值，II为短路瞬时整定电流值。因此，需要将这三段保护特性的数学关系建立模型，以对实物进行仿真。

图3 虚拟断路器、实物图的数学模型

1.2.3仿真波形数据库及信号还原装置

这套虚拟仿真系统的故障电流数据来源于PSCAD的仿真数据，实验操作是基于LabVIEW和PSCAD的联调实现的。波形选择模块如图4所示。通过图9(b)的程序，打开

PSCAD并搭建三相短路、两相不接地短路、两相接地短路以及单相短路等各种不同故障模型，仿真不同相角和故障电阻情况下得到的电流。PSCAD运行后会将仿真数据存入自动生成的out文件中，使用时可根据实际需要调用相关波形数据。

图4 波形选择模块

经过处理的波形可通过波形还原装置转换成模拟信号输出，方便应用于对实际开发的硬件系统的测试。

1.2.4波形库与滤波算法模块

系统中的滤波模块可对仿真波形数据进行处理。可编辑的小波算法模块如图5所示。若实验人员需要用二进小波对实验波形进行滤波，就点击页面上的二进小波，打开滤波模块中的二进小波变换算法模块进行编辑。在实验前，在图5(b)处对滤波模块进行选择即可。配电网中的支路电流大小和故障仿真波形在图5(a)右边的波形库页面中选择。

图5 可编辑的小波算法模块

2配电网虚拟仿真应用实例

本文以某工厂的配电网为例，该配电网拥有两层结构，分为中央配电盘与动力配电盘。通过前文所述的虚拟设备库、故障波形数据库以及滤波模块的选择，用户可以在这个系统上搭建这个配电网模型，并对电器设备在该模型中的工作情况进行虚拟仿真。配网模型设计界面如图6所示。在配电网结构选择界面选择配电网的分支结构，并在后面的虚拟仪器库和硬件接口库中选择配电网中需要使用到的虚拟仪器和硬件仪器。图5(a)所设置的电流

为分支线路1、2上的电流。在图5(b)处选择滤波模块，短路电流滤波后的效果如图4(a)所示。仿真时设置馈电线路1的电流为正常波形，馈电线路2的电流为故障波形，分支线路的电流为馈电线路1、2电流之和，一次侧电流又为分支线路1、2电流之和。每条支路前面的显示控件显示了该支路的额定电流有效值。

在工厂配电网正常工作时，若馈电线路2发生短路故障，为避免大面积的停电，必须由馈电线路2上的断路器来切除故障，而分支线路1等其他支路上的断路器不应动作，以保证非故障线路的正常运行。若各级断路器之间未实现选择性配合，则可能造成停电事故的扩大。为此，仿真前需要根据故障位置和线路预期短路电流选择合适的断路器，并合理设置各级断路器的动作阈值和动作时间。同时，仿真系统还设置后备保护功能，可验证断路器在机械故障导致无法可靠分断电路时，应由其上级断路器实现后备保护。用户可根据上述要求在该配电网中选择DSW1-3200放置于图中一次侧，选用NA1-3200和NA1-2000分别放置于分支线路1与馈电线路2。仿真前需打开NA1-2000的虚拟控制版面对断路器VI的参数进行设置。仿真运行结束后左下角的表格会显示运行数据并生成报表，在右上角生成分断特性曲线对比图。

通过该配网模型的虚拟仿真，用户可以①通过对比不同滤波模块下，同一个断路器在同一种故障下的分断时间，来选择最优的早期检测算法;②通过几个断路器的分段保护特性曲线的对比，来选择最适合配电网各个支路的断路器;③将滤波后的波形通过波形还原装置发出，在实物上进行实验，验证所选滤波模块在故障早期检测中的可行性。通过LabVIEW接口程序打开PSCAD软件，构建结构相同的配电网模型进行仿真。各个支路都能模拟不同类型和初始相角下的短路故障，并将仿真波形数据以OUT文件存储以供LabVIEW系统调用。馈电线路2在A相发生初始相角为0°的单相短路故障时，仿真波形如图12所示，仿真数据以OUT文件命名，并可直接导入虚拟仿真系统数据库中。

结束语

本文基于LabVIEW平台开发了低压配网虚拟仿真系统，构建可视化的仿真分析平台，减少了实验设备的投入成本，并结合PSCAD软件实现了低压配网的联合仿真与软硬件一体化分析。LabVIEW开发系统具有周期短、交互能力强等特点，在工程领域应用已经很普遍，随着虚拟硬件设备精度的不断提高，其在实践性实验方面的应用范围也不断提升，将成为低压配网系统分析与测试技术发展的新趋势。

参考文献

［1］许文良，周英姿，陈正馨，等．低压电器数字化仿真设计发展和应用［J］．低压电器，2013(14):1-4，27．

［2］张喜平，梅柏杉，王丽芳，等．大电网联合仿真培训系统设计［J］．低压电器，2011(13):33-37．