（控制理论与控制工程专业论文）电力系统短路试验台控制系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 在电力系统运行过程中最为常见的故障之一就是短路故障。短路故障危害性极大， 轻则会烧坏设备，重则有时甚至会破坏整个电力系统的正常运行，给工农业生产和人民 生活带来严重干扰。通过对短路故障进行研究，可以了解其机理进而有助于采取相应措 施，防止短路故障的发生，或将短路故障带来的危害降到最小。另外电力系统短路实验 台是我校“2 1 l ”工程建设项目一电力系统动态模拟实验室的重要组成部分。所以对于 电力系统短路实验台控制系统的研究与开发具有非常重要的意义。 文中首先介绍了有关短路试验台控制系统的一些基本概念，并对短路试验台控制系 统的特点和设计关键进行了分析。然后对合闸角控制的不同方法进行了研究，并根据合 闸角控制的方法不同提出了基于p c 机的不同设计方案，并对各种方案进行了详细说明， 特别是w i n d o w s 和d o s 环境下精确短定时的实现以及在电力系统短路试验控制系统中 的应用。通过对各种方案的优缺点进行分析和对比，最后选择了一种最合理的设计方案 即双机主从控制方案作为最终设计方案。接下来分上位机和下位机对该方案设计中的一 些具体实现方法分别作了讨论，这一部分是文章的重点。最后，对系统可靠性的概念和 指标进行了介绍，并对系统设计中的抗干扰技术作了说明。 关键词： 短路试验精确定时实时控制合闸角控制系统d e l p h i 摘要 a b s t r a c t t h e r ew i l lb ea l lk i n d so fm a l f u n c t i o n sd u r i n gt h er u n n i n gp r o c e s so fp o w e r s y s t e m b u t t h em o s tf r e q u e n ta n dh a r m f u lm a l f u n c t i o ni st h es h o r tc i r c u i t s h o r tc i r c u i tm a l f u n c t i o nc a l l b r i n g s e r i o u s d a m a g e t o i n d u s t r y a n d a g r i c u l t u r e sp r o d u c t i o n a i l d p e o p l e sl i f e b y r e s e a r c h i n go f t h em a l f u n c t i o n so ft h es h o r tc i r c u i t ，w ec a na n a l y z et h em e c h a n i s mo fi ta n d a d o p ts o m ew a y st op r e v e n tt h eo c c u l t e r l c e o ft h es h o r tc i r c u i to rm a k et h eh a r mo ft h e m a l f u n c t i o n so ft h es h o r tc i r c u i tt ot h es m a l l e s t t h e p o w e rs y s t e m s h o r tc i r c u i tt e s tb e n c hi st h ei m p o r t a n t p a r to f t h ed y n a m i cs i m u l a t i o n l a bw h i c hi so n eo f t h e 2 1 1 ”p r o j e c ti t e m so f0 1 2 3 u n i v e r s i t y s o i t si m p o r t a n t t os t u d ya n dt o d e v e l o p t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ep o w e r s y s t e ms h o r t c i r c u i tt e s tb e n c h f i r s t l y , t h et h e s i ss t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n d t h ek e yo ft h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m o fs h o r tc i r c u i tt e s tb e n c h s e c o n d l y , w ed i s c u s st h ed i f f e r e n tw a y s t oc o n t r o lt h ei n i t i a lf a u l tc u r r e n ta n 百e ，a n dg i v e s o m ed i f f e r e n td e s i g np r o j e c t sb a s e do n p c b ya n a l y z i n gt h ee x c e l l e n c ea n d t h es h o r t c o m i n g o fa l lt h ed e s i g np r o j e c t s w es e l e c tt h eb e s td e s i g np r o j e c tw h i c hi st h a tt h es y s t e mb e c o n t r o l l e d b y t w o c o m p u t e r s l a s t l y , w e 垂v et h ep r i n c i p a lt e c h n i q u ea n dt h e o r ya b o u t t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n d a p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nt h i ss y s t e m k e y w o r d s ：s h o r t - c i r c u i t t e s t ，r e a l t i m ec o n t r o l ，p r e c i s et i m i n g i n i t i a lf a u l tc u r r e n ta n g l e ，c o n t r o ls y s t e m ，d e l p h i 诚信声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本论文中不包括其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者( 签名) ：| 磊c 訇 。y 年y 月日 河海大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景【1 】 第一章绪论 电力系统是由电厂、电力网和电力负荷组成的电能生产、输送和转化的通用系统， 发电、送电和用电是在同一瞬间进行并完成的连续过程。电力系统中的各种电气设备 在电磁关系上表现为相互耦合或直接连接，电力系统中任一地点的故障都将不同程度地 影响整个电力系统的正常运行，随着电力系统向高电压、大容量发展，稳态和暂态运行 状况日趋复杂，从理论到实践都出现了许多急待解决的问题，新理论需要加以验证，各 种新技术、新装置需要进行试验，由于电力系统的特殊性和安全性，在实际电力系统中 进行试验非常困难，甚至不可能，因此，绝大多数试验都是在电力系统仿真模型上进行。 电力系统仿真模型分物理模型和数学模型两种，物理模型是按照真实物理系统放大 或缩小的尺寸制作出的不改交真实系统物理特性的模型，数学模型则是用数学方法对真 实系统的物理规律进行描述形成的数学方程式( 组) 。在物理模型上的仿真称为电力系 统动态模拟试验，在计算机数学模型上的仿真称为电力系统数字仿真试验。电力系统动 态模拟试验，可以保存系统的物理本质，物理概念明确，能观察到难以进行或不能进行 数学描述的现象和过程，所以动态模拟实验在新技术和新设备的研究开发过程中具有不 可替代的重要作用。 电力系统可能发生的故障类型很多，其中短路故障是电力系统中危害最为严重的故 障。短路故障危害性极大，轻则会烧坏设备，重则有时甚至会破坏整个电力系统的正 常运行，给工农业生产和人民生活带来严重干扰。为了确保电力系统的稳定性，大部分 新接入的电气装置在实际应用于现场之前，都必须先在动态拟模实验室进行短路试验， 以验证其可靠性。例如继电保护装置的动作可靠性及准确性就是电力部门最为关心的问 题之一，因此继电保护装置在入网前都要经过有关检测机构的严格测试，其中最主要的 就是动模试验。动模试验能较准确地模拟电力系统的实际情况，因此无论是装置的生产 厂家，还是用户，都比较关心试验的过程及结果，然而要在动态模拟实验室中较全面考 核继电保护装置的动作行为，动模实验室必须尽可能模拟各种故障，这些故障的模拟是 由动模实验室的短路试验台控制装置来实现的。 我校的电力系统短路实验台是学校“2 1 1 ”工程建设项目电力系统动态模拟实 河海大学硕士研究生学位论文 验室的重要组成部分。该装置正是针对电力系统短路故障，模拟电力系统中各种短路现 象。用以进行电力系统短路故障研究和试验的控制装置。它不仅可以为研究电力系统短 路故障提供有效手段，而且还可承接相关学科的科研项目，同时也为电力系统专业学生 的培养提供良好的实验科研环境，但是目前该装置的自动化水平较低，仍然处于继电器 控制状态，系统的整体性能较差，几乎不能满足短路试验的要求，所以非常有必要采用 计算机进行控制。例如以往在动态模拟实验室进行短路试验时，通常每一步操作都需要 人的参与，即人工操作、人工记录实验结果、人工撰写实验报告，造成实验周期长，人 为造成的实验结果不准确因素增加，因此，对于电力系统短路试验台控制系统的研究与 开发具有非常重要的意义。 1 2 课题研究现状 计算机控制系统在动态模拟实验室中的应用虽然也是随着计算机控制系统的发展 而发展的，但是由于种种原因，在过去很长一段时间内，动态模拟实验室的自动化水平 一直停留在一个较低的发展状态。计算机在实验室中扮演的角色往往只是作为数值运算 的工具，或进行数值统计，或进行数值分析。并没有真正和实验设备在物理上连接起来。 国内大部分动态模拟实验室的监控系统也是应用老式的监控平台和仪表系统，不但结构 复杂，而且自动化水平低，很多的操作和控制以及数据的读取都要人工进行，对教学、 科研和试验都很不方便。 随着工业控制领域计算机控制系统越来越多的成功应用以及人们逐步认识到动态 模拟实验室在教学、科研中的重要作用，动态模拟实验室自动化也随之发展起来。清华 大学、山东工业大学、华中理工大学和华北电力大学等一些高校以及一些电力系统研究 所先后对各自动态模拟实验室的控制装置进行了改造或重新设计，大大提高了实验的自 动化水平。这些大学以及科研院所动态模拟实验室的计算机控制系统大都采用较为先进 的控制设备和控制方式，集数据采集、数据存储、数据分析、状态监视以及输出控制于 一体，基本实现了计算机的完全自动控制，不仅提高了操作的自动化水平，同时也保证 了数据的准确性和精确度，大大提高了教学、科研和实验水平。 短路试验台控制系统的主要功能就是使系统在各种不同的合闸角( 短路发生瞬间 线路中电流的相角) 发生短路故障，同时测取系统的各个动态参量在短路过程中的瞬时 变化曲线，以检验其指标是否合格，所以用于电力系统短路试验的数据采集和控制系统 2 河海大学硕士研究生学位论文 必须精度高，响应快，实时性强，并且能够精确控制合闸角的人小。采集与控制系统能 否达到这样的要求在很大程度上决定了短路试验的成败。 正是由于短路试验台控制系统的实时性较强，合闸角控制精度高( 达到5 0 微秒级) ， 外围输入输出量较大，并且要求操作界面直观、方便，功能强大，所以具体实现起来比 较困难。在较早时期，有的实验室采用r c 电路构成的定时装置来实现时序控制，现有 的也用p l c 控制器来控制。前者的缺点是定时准确性较差，后者虽然较易实现各种逻 辑控制，但不易实现合闸角控制功能。有些资料提出采用1 6 位高速单片机实现模拟故 障的控制，该方法能较好地实现各种模拟故障过程控制功能，并能较好的实现合闸角的 控制，但由于系统输入输出量较大，所以软硬件设计起来比较复杂。另外常用的一种方 法是使用m 公司的l a b v i e w 或l a b w i n d o w s 作为开发环境，并且配用该公司专门的高 速高精度p c i 总线数据采集卡和专门的合闸角控制器以及反并联可控硅开关及控制器 来实现，该方案的具体思想在第三章作了详细说明，这种方法设计的系统性能较好但总 体代价较高。综上所述，对于短路试验台控制系统的设计需要寻找一种更好的实现方法， 使得系统不仅能够满足合闸角的精确控制，而且能够提供功能强大的功能和友好的人机 界面，并且系统总体设计代价较低，具体实现比较方便。 1 3 本论文完成的主要工作 本文结合电力系统短路试验台控制系统的设计，重点研究了开关合闸角精确控制的 各种方法，提出了一种控制精确、功能强大、实现方便、经济实用的设计方案，并给出 了该方案在电力系统短路试验台控制系统中的具体实现。 论文的主要内容安排如下： 夺绪论。本章主要介绍了课题的选题背景和研究现状，阐述了研究本课题的重 要意义。 夺电力系统短路试验台控制系统及其特点。本章首先介绍了几个有关概念，如电 力系统、电力系统动模试验装置、电力系统短路、短路试验台控制系统等，然 后分析了短路试验台控制系统的功能要求和特点，把握设计的关键，最后提出 几种实时系统的设计方法。 夺电力系统短路试验台控制系统方案选择。短路试验台控制系统的设计关键是开 关合闸角的精确控制，本章根据合闸角控制的不同方法，提出三种可行的设计 河海大学硕士研究生学位论文 方案，通过不同方案的对比最后选择双机主从控制方案最为本系统的最终设计 方案。 夺短路试验控制系统上位机功能实现。本章主要介绍了上位机设计中的软硬件选 择、总体功能设计、串口通信的实现、线路开关动作延时的测量、开关状态的 实时显示与控制等问题。 令短路试验台控制系统下位机功能实现。本章主要从硬件和软件两方面对下位机 实现中采用的关键技术作了深入的研究和探讨。硬件方面主要包括主机的选择、 电压过零检测装置的设计、电阻测量电路的设计；软件方面主要包括开关延时 的测量、合闸角的精确控制、串口通信的实现等内容。 夺控制系统可靠性分析与设计。本系统的可靠性要求较高，本章首先介绍了可靠 性的概念和主要指标，然后对系统设计实现过程中所采用的抗干扰措施进行了 说明。 夺总论和展望。本章首先对完成本课题所做的工作进行了总结，最后给出了系统 将来发展的设想。 4 望查奎兰堡圭堑塞生兰望鲨苎 第二章短路试验台控制系统及其特点 2 1 电力系统的组成【2 】 电力系统是由生产、输送、分配和消费电能的发电机、变压器、电力网络和电力用 户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。电力网 络是电力系统中输送、变换和分配电能的一部分。包含输电网络和配电网络。其中输电 网络一般是电力系统中最高电压等级的电网，是电力系统的主要网络，它主要负责将电 能通过高压或超高压输电线路输送到负荷中心，然后在负荷中心由电压等级较低的网络 把电能分配到不同等级的用户，输电线路还有联络相邻电力系统和联系相邻枢纽变电所 的作用。而配电网是将电能从枢纽变电所分配到配电变电所后，再向用户供电的电力网 络。通过以上对电力系统组成的描述，可将电力系统用一个简单的线路图来表示，如图 2 1 所示。 汽机或升压 水轮机发电机 变压器 降压 输电网络变压器 图2 1 电力系统组成 图中粗线条部分称为母线，母线上接有多条回路。 2 2 电力系统动态模拟试验装置【3 1 【4 】 负荷 电力系统动态模型是根据相似原理建立的一种具有真实电力系统的本质，而在各项 参数上以一定的比例缩小的电力系统模型。它主要由模拟发电机组，模拟变压器，模拟 输电线路和模拟负载组成。目前电力系统的研究方法主要由动态模拟与计算机模拟两 种，两者相互补充和验证，但无法替代。与计算机模拟相比，动态模拟具有下列一些特 点： 河海大学硕士研究生学位论文 1 、可以在模型上直接观察到所研究的物理过程，得到明确的物理概念； 2 、对于目前还不能或不完全能用数学方程式表示的新问题利用动态模拟便于探求 问题的物理本质，并可校验理论和数学模型的合理性、正确性，或指出简化的方向，使 理论进一步完善； 3 、在动态模型上可以接入实物，如新型的自动装置，继电保护装置，都可以直接 接入动态模型来研究它们在电力系统中的作用： 4 、由于动态模型的各个元件都是独立的，参数是可调的，因此能够方便地配置各 种需要研究的电力系统，改变参数和运行方式，模拟不同的故障，并且可以方便的多次 重复各种运行状态，以获得清晰的物理概念。 电力系统动态模拟实验装置实现了对实际电力系统的完整模拟。我校动态模拟实验 室模拟电力系统示意图如图2 - 2 所示。此模拟电力系统包括对电力系统原动机、发电机、 变压器、输电网络和电力系统负荷的模拟。这套系统是实际电力系统的完整再现，可以 完成大部分基于电力系统的物理实验，电力系统短路实验就是其中一种。 圈2 - 2 动态模拟实验室模拟电力系统示意图 2 3 电力系统短路故障及其危害皿0 1 1 2 3 】 2 3 1 短路的概念 电力系统可能发生的故障类型比较多，常见的对电力系统危害比较严重的有：短路、 断相以及其它各种复杂故障。而短路故障是电力系统中最为常见危害最为严重的故障。 6 河海大学硕士研究生学位论文 所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间或相与地之间的“短接”。 在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的，如果由于某种原 因使其绝缘破坏而构成了通路，我们就称为电力系统发生了短路故障。 产生短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏。引起绝缘损坏的原因有：各 种形式的过电压、绝缘材料自然老化、脏污、直接机械损伤等。绝缘的破坏大多数情况 下是由于没有及时发现和消除设备中的缺陷，以及设计、安装和运行维护不良所致。 总之，产生短路的原因有主观的也有客观的。虽然，通过要求有关工作人员提高警 惕，加强责任心，严格按科学态度办事，可以把短路故障的发生控制在一个很低的限度 内，但是，对于短路问题的研究依然具有非常重要的意义。 2 3 2 短路的分类 在三相系统中，三相同时短接的情况称为三相短路。由于各种阻抗相同，三相对称， 所以又称为对称短路。电力系统在同一地点所发生的不对称短路有：两相短路、两相接 地短路和单相接地短路。电力系统的运行经验表明，各类短路发生的次数在总次数中所 占的百分比是不同的。其中单相接地短路较多，而相间短路则较少。但是也不能由此就 轻视相间短路的研究，特别是三相短路。各种短路示意图和代表符号列于表2 1 。 表2 1 短路示意图和代表符号 短路种类 示意图短路代表符号 三相短路 石 k p 一 ， 两相短路 k 圆 。 蟹 单相接地短路i 一 ， 1 ) 钟1 、彬、删 ， 两相接地短路、。矿 1 1 ) 1 彬、a 艘 7 河海大学硕士研究生学位论文 2 3 3 短路的危害 电力系统发生短路时，伴随短路所产生的基本现象是电流的剧烈增加。例如发电机 出线端处三相短路时，电流的最大瞬时值可能高达额定电流的1 0 一1 5 倍。从绝对值来讲 可达到上万安培，甚至十几万安培。在电流急剧增加的同时，系统电压将大幅度下降。 例如系统发生三相短路时，短路点的电压将降到零，短路点附近各点的电压也将明显降 低。 由于短路时有上述现象发生，因而短路所引起的后果是破坏性的。具体表现在以下 几个方面： ( 1 ) 短路点的电弧有可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流通过设备会使发热 增加，当短路持续时间较长时，可能使设备过热而损坏。 ( 2 ) 短路时，系统电压大幅度下降，对用户工作影响很大。系统中最主要的负荷 是异步电动机，它的电磁转矩同它的端电压的平方成正比，电压下降时，电 磁转矩将显着降低，使电动机停转，以致造成产品报废及设备损坏等严重后 果。 ( 3 ) 当电力系统发生短路时，有可能使并列运行的发电厂失去同步，破坏系统稳 定，使整个系统的正常运行遭到破坏，引起大片地区的停电。这是短路故障 最严重的后果。 ( 4 ) 不对称接地短路所造成的不平衡电流，将产生零序不平衡磁通，会在邻近的 平行线路内( 如通信线路，铁道信号系统等) 感应出很大的电动势。这将造 成对通信的干扰，并危及设备和人身安全。 由此可见，对短路过程的研究具有十分重要的意义。实际上，短路问题已成为电力 技术方面的基本问题之一。在发电厂、变电所以及整个电力系统设计和运行的许多工作 中，都必须有短路计算的结果作依据。例如，选择合理的电气接线图，选用有足够热稳 定和机械强度的电气设备及载流导体，确定限制短路电流的措施，研制和在电力系统中 合理地配置各种继电保护装置和自动装置，并正确地整定其参数等等。因此深入研究短 路故障是很有必要的。 河海大学硕士研究生学位论文 2 4 电力系统短路试验台控制系统 1 、电力系统短路试验 电力系统短路试验是指根据真实电力系统中常见短路故障，人为地在模拟电力系统 中设置短路故障点。在试验过程中，在已设置好的短路点处造成短路故障，从而通过计 算机控制系统进行实时数据采集、处理、状态显示、输出控制等，通过获取故障发生后 的实验数据来达到研究故障的目的。 2 、电力系统短路试验台 电力系统短路试验台就是在图2 2 所示的模拟电力系统的基础上，附加相应的开关、 电阻和接线，用于完成电力系统短路实验的一套实验设备。短路实验控制台台面示意图 如图2 3 所示。 图2 - 3 短路实验台示意图 短路实验台台面示意图完整显示了短路实验装置的组成和物理连接，该电路主要包 括接地可调电阻、相间可调电阻、接地故障点选择开关、相问故障点选择开关、故障类 型选择开关和故障控制开关构成( 上述开关皆为接触器开关) 。其中的故障点选择开关 用于选择在系统的哪一点模拟故障；故障类型选择开关用于设定故障的相别，而故障控 制开关用于短路控制，该开关的闭合时间即决定所模拟故障的时间长短。模拟短路故障 过程的控制就是对有关开关进行时序控制，只要每一开关都有自己的定时动作时序，在 执行时独立、灵活地设置输出，就能满足控制要求。 9 河海大学硕士研究生学位论文 3 、电力系统短路实验台控制系统 我们设计开发的短路实验台控制系统就是安装在试验台的控制柜内，用于完成上述 短路实验功能的自动化控制装置。具体来讲就是可以根据各种短路故障的需要，完成有 关开关的精确动作时序控制，实现电力系统短路故障的实验和研究。 2 5 短路试验台控制系统的功能要求 电力系统短路实验台控制系统的设计要实现短路故障的控制和分析功能，提供友好 的人机界面，可以方便地设置i o 板的地址、开关量的物理地址、不同类型的短路故障 等，并将实验数据以图形和表格等形式进行实时显示。具体来讲，系统首先要在实验设 备和系统本身工作正常的前提下检测一段母线工频电压的正过零点作为实验启动计时 参考。在实验开始后系统即按照操作员对实验的参数设置进行实时数据采集及控制，试 验结束后显示试验数据，最后将试验数据存入历史数据库。 数据采集包括模拟量和数字量采集。模拟量主要包括接地电阻和相间电阻。在对接 地电阻和相问电阻进行测量时，对电阻的输出调节要按三种不同的方式来进行：自动按 系统预置值调节、键盘鼠标点动调节和操作台手动点动调节。数字量的测量主要是8 3 个开关量状态，这些开关量包括母联开关、线路开关、故障开关、短路开关、电阻连接 开关以及电阻短接、测量和调节开关等。系统的输出控制通过1 1 4 个开关量的输出来完 成。这1 1 4 个开关量要根据每次实验的不同而改变控制的合闸角和输出的顺序，每个合 闸角的大小及该合闸角时的输出控制均由操作员来设置完成，合闸角的设定精度精确到 1 度( 约5 0 微秒) 。 短路试验台控制系统的功能要求可总结为：友好的人机界面、硬件参数的灵活设置、 大量的数据库操作、实时数据采集与显示、电阻的精确测量与调节、精确控制合闸角、 精确测量开关延时、开关的实时控制等，另外，因为电力系统动态模拟实验室是个强电 实验室，电压高、电流大、电磁干扰强，抗干扰问题突出，在系统性能上必须做到稳定、 可靠。 2 6 短路试验控制系统设计关键 短路试验台控制系统的主要特点是可靠性和实时性。因为动态模拟系统是实物模 型，是对现场运彳亍的实物模拟，因此保证试验装置可靠运行是试验成功与否的关键。另 1 0 河海大学硕士研究生学位论文 外在进行短路试验时，需要对各项试验参数进行实时的监控，同时控制命令也要快速执 行，因此还要保证系统数据采集与控制的实时性。具体来讲本系统的设计关键有如下几 个方面： l 、如何实现合闸角的精确控制? 本控制系统一个最主要功能就是精确控制开关的合闸角，采集与控制系统能否达到 这样的要求在很大程度上决定了短路试验的成败。由于试验电路电压周波的频率为 5 0 h z ，相位的一度相当于5 0 u s 的时间，所以短路试验台控制系统的实时性特别强，如 何实现此功能最为关键。 2 、如何设计工频电压过零检测装置? 所谓合闸角是指当开关实际动作时刻电路中电压的相位角度值，它是相对于某一电 压正过零时刻一个相对值，所以为了精确控制合闸角的大小必须首先精确检测出电压正 过零时刻作为初始时刻，否则合闸角的控制将失去意义，电压过零检测电路正是为实现 以上目的而设计的。 3 、如何测量与调节接地电阻和短路电阻? 短路试验开始之前需要首先设定与调节接地电阻和短路电阻，为短路试验作好准各。 电阻的测量与调节构成一个闭环控制系统，需要自行编程实现信号的检测处理和控制电 机的控制，另外测量电阻的模拟量采集板需要自行设计，还需设计其驱动程序。 4 、如何测量和处理开关延时? 本短路试验台电路使用的是交流接触器开关，交流接触器动作延时一般为毫秒级， 而且各个开关延时还不一样，所以需要准确测量每个开关的实际延时，然后让开关提前 动作。 5 、数据库如何建立? 由于i o 板的基地址、开入开出端子的硬件地址要求可以软件更改，用户设定的合 闸角控制表与开关实际动作控制表存在差异等原因，所以本系统的数据种类很多，有用 户设定的合闸角控制数据、开关延时数据、开关实际动作控制数据、i o 板的基地址数 据、开出端子定义数据、开入端子定义数据、实时采集的数据、试验结果数据、历史数 据等等。各数据间有一定的关系，所以要合理设计数据库的结构，使得系统效率最高。 6 、如何实现数据的实时动态显示? 先将数据采集到实时数据库，然后定时扫描实时数据库，实现数据的动态显示。 7 、接触器开关的控制方式有两种如何处理? 河海大学硕士研究生学位论文 接触器开关的控制方式有两种，一种是按钮式：开与关是两个控制信号；另一种是 开关式，由一个信号的的状态确定开关的状态。这两种方式区别很大，要分别加以处理。 2 7 控制系统实时性的实现方法 电力系统短路试验台控制系统实际上是一个实时计算机控制系统，所谓实时计算机 控制系统是指在限定的时间内对外来事件能够作出反应的系统。也就是说如果一个计算 机系统需要在确定的时间内从外部环境输入数据，并向它发送数据，或者进行一些其他 的处理，那么该系统就称为一个实时计算机控制系统。实时计算机控制系统的主要特点 是：实时性、现场信号的输入与控制输出能力、高可靠性、可维护性、抗干扰性等。 实时系统的实现方法主要有：单片机实现、d s p 实现、实时嵌入式系统实现、基于 p c 机的实现等。单片机系统设计简单，成本较低，但计算能力和处理速度较低，对于 复杂系统的设计工作量较大。使用d s p 实现的系统计算能力很高和处理速度很快，可以 实现精确短定时和实时处理，但软硬件设计比较复杂，设计成本较高。实时嵌入式系统 功能强大，性能更加优越，但同样存在系统设计复杂，设计成本较高的问题。现在，世 界上许多国家的厂家都在从事与i s a p c i 总线标准兼容的各种模板的研制和生产工 作，特别是进入9 0 年代之后，世界上许多主要从事工业控制计算机系统的公司也纷纷 把高档的p c 机引入于各自的系统之中。 p c 机广泛应用于工业控制系统的主要原因如下所述： l _ 充分容纳功能强的c p u ： 2 软件资源特别丰富。操作系统有多种，各种软件包更是数量众多： 3 显示适配卡和相应的支持软件齐全。各种高档的图形显示适配卡和相应的支持 软件齐全，可以比较容易地绘出测控现场的设备状态模拟显示图： 4 硬件资源相当丰富。各种i 0 模板种类全、数量多、功能强： 5 联网方便。现在比较流行的大部分网络产用均可以在p c 机上运行，从而可以很 方便地构成集散型测控系统： 6 功能升级方便。在各种总线的计算机系统中，p c 机的升级最快，资源丰富充足： 7 价格比较低廉： 本文主要探讨了基于p c 机的实时控制系统的实现问题，以及在电力系统短路试验 台控制系统中的应用。 1 2 河海大学硕士研究生学位论文 2 8 本章小结 本章首先介绍了几个有关概念，如电力系统、电力系统动模试验装置、电力系统短 路、短路试验台控制系统等，然后分析了短路试验台控制系统的功能要求和特点以及系 统设计的关键，最后对几种实时控制系统的设计方法进行了比较。 河海大学硕士研究生学位论文 第三章短路试验台控制系统方案选择 电力系统短路试验台控制系统的特点主要有三个：友好的操作界面、大量的数据库 操作以及精确合闸角的控制，其中能否实现合闸角的精确控制决定了短路试验的成败， 所以能否实现精确短定时决定了控制系统设计方案的选择。 合闸角的含义是指开关动作时电路中电压的相位值，电路中电压信号是频率为 5 0 h z 的正弦信号，其电压值可表示为： y=a 4s i n ( 2 刀乒+ 妒o ) = a4 s i n ( 垂) 其中f = 5 0 是周波的频率，a 为电压幅值，中= 2j r # - i - 。是周波相位，可以推出 t = ( 妒一妒。) ，2 刀，从中我们可以看出电压的相位角度值中与时间t 成正比，与 电压值y 也有一一对应关系( 当 9 0 度时) ，所以控制合闸角即周波相位角的方法有 两种：方法一是通过精确定时来控制合闸角；方法二是通过先根据合闸角的大小确定该 合闸角时的电压值，然后将实时采集的电压值和计算确定的电压值进行比较，当两者相 等时则表示要求的合闸角相位已到。这两种方法各有优缺点，第一种方法计算简单，但 要求实现微秒级的精确定时，对于一般的非实时性系统来讲实现起来可能比较困难；第 二种方法要求系统具有高速高精度的模拟量输入输出通道，并且无法处理电路开关的动 作延时，如果不考虑开关延时和系统成本，该方法可以在w i n d o w s 下单机实现合闸角 的精确控制。 下面根据实现合闸角控制的不同方法给出三种电力系统短路试验台控制系统的设 计方案，并分别对其进行详细说明和对比，最后选出一种较佳的设计方案作为本系统的 最终实施方案。 3 1 方案一：使用l a b v i e w 软件及专用硬件实现【3 】 3 1 1 本方案的特点 采用专门的合闸角控制器和反并联可控硅开关及其控制器，采用专用虚拟仪器设计 软件l a b v i e w 及其高速高精度数据采集输出板，使用合闸角控制的第二种方法实现合 1 4 河海大学硕士研究生学位论文 闸角的控制。 3 1 2 本方案的设计原理 系统的设计思想是计算机通过数据采集子系统从试验线路中获取有关信号，再经过 控制子系统向试验线路反馈回控制信号，控制试验线路的运行。系统的硬件由美国国家 仪器公司( n a t i o n a li n s t n m a e n t s ) 提供的1 2 位p c i 总线结构数据采集输出板、6 8 芯屏 蔽电缆、接线端子、计算机、电压电流传感器、合闸角控制器、反并联可控硅开关及其 控制器组成。软件在开发平台l a b v i e w 上编制，能够实时采集数据、显示和存储结果， 而且系统仅仅通过软件操作，就可以任意调节合闸角的大小，满足短路试验的需要。 当系统采集数据时，线路中的电压电流信号通过霍尔传感器转换成测量信号，由 6 8 芯屏蔽电缆和接线端子输入到数据采集输出板上，再由计算机实时显示测量结果， 存储和处理数据。根据设定的合闸角计算该合闸角时的电压值，再根据此电压值的大小 通过模拟采集输出板发出相应大小的模拟控制电平来触发合闸角控制器，合闸角控制器 比较该控制电平和实时电压值的大小，当两者相等时合闸角控制器发出信号给反并联可 控硅开关控制器，为反并联可控硅的门极提供触发脉冲，以开通可控硅，实现短路。 硬件组成： 为了能够获得高采样频率和高采集精度，并能精确控制合闸角的大小，采用以下各 个器件来构成系统。 数据采集输出板选用n i 公司的1 2 位基于p c i 总线结构的e 系列a d c 板卡。它在 高采样速率的情况下，仍然能够保证采集的精度，可以高质量地完成高速动态数据的 实时采集工作。这种数据采集板的单通道采样速率可达到5 0 0 k s s ，多通道采样速率可 达到2 5 0 k s s ，它有1 6 个单端( s i n g l e - e n d e d ) 或8 个差分( d i f f e r e n t i a l ) 精度达到1 2 位的 模拟输入通道，2 个精度同样为1 2 位的模拟输出通道，8 通道数字输入，输出( d i 垂t a li o ) ， 2 通道t i m i n gf o ，支持模拟，数字触发方式。 电压电流传感器采用霍尔器件，这种传感器的精度高，响应速度快，响应时间只有 几us ，所以能测取线路中电压电流信号在短路前后的瞬时变化过程。被测的电压电流 参量通过磁场感应，产生输出信号，测量回路与被测线路没有电气上的直接联系，它们 之间高度绝缘，被测线路短路不会损坏传感器本身。 合闸角控制器由美国国家半导体公司( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 生产的电压比较器和 河海大学硕士研究生学位论文 德州仪器公( t e x a si n s t r u m e n t s ) 生产的双d 型正边沿触发器等集成电路组成。反并联可 控硅开关控制器包括双与非门、5 5 5 定时器和变压器等器件。 为了减少合闸角的误差，利用反并联可控硅开关代替传统的接触器开关或断路器来 实现动模试验装置的短路。每个反并联可控硅开关由两只晶体管反并联组成。接触器开 关或断路器动作的时间误差可达毫秒级，这对于线路中一个周期只有2 0 m s 的工频电压 来说，意味着合闸角的误差可达到几十度。而反并联可控硅开关动作的误差则只有微秒 量级，合闸角的误差可以缩小1 0 0 0 倍，精度大大提高。 整个合闸角控制子系统( 计算机、d a q 数据采集板、屏蔽电缆、接线端子、合闸 角控制器、反并联可控硅开关及其控制器) 的总延时在微秒量级，这就使得系统能够精 确控制合闸角的大小。 软件设计： 实时数据采集和控制系统软件在图形化开发环境i a b w 5 0 下开发完成。 l a b v i e w 将g 语言和图形化的开发环境融合在一起，可以用来完成数据采集和控制设 备等工作。首先设定合闸角的大小，系统采集线路中的信号，然后系统根据合闸角的大 小输出相应的数据给模拟输出部分。与此相并行的是数据采集过程。d a q 卡根据配置 的情况，采集线路中的信号，同时实时显示采集的结果。这个过程采用条件循环结构 ( w h i l el o o p ) ，当程序运行出现错误或使循环控制变为f a l s e 时，程序结束数据采集，存 储数据，释放缓冲区。 利用l a b v i e w 编制的虚拟仪器程序( v i ) 主要由程序前面板( f r o n tp a n e l ) 和框图程序 ( b l o c kd i a g r a m ) 两部分组成。 在前面板上，可以改变合闸角的大小，使系统在不同的角度下发生短路。另外，还 可以对数据采集过程进行相关的配置。 与前面板相对应的框图程序，包含一系列由图标表示的功能模块，相当于子程序， 主程序通过调用、组合子程序来创建实际应用程序。 n i d a q 驱动程序是软件和硬件接口之间的桥梁，它具有通用的应用编程接口 ( a p d ，能够遥过接1 2 1 把硬件设备和计算机连接，交换数据。借助于n i - d a q ，利用 l a b v i e w 开发的各种实际应用程序，可以支持多种操作系统，可移植性强。 1 6 河海大学硕士研究生学位论文 3 1 3 本方案的优缺点 优点： 1 、可以非常精确的控制合闸角的大小。 2 、能够实时显示短路前后被测参量的瞬时变化过程。 3 、可以同时获得高采样速率和高采样精度。 4 、用户界面比较友好。 5 、系统开发比较简单。 6 、综上所述该方案能较好的满足电力系统短路试验的要求。 缺点： i 、需要专用的l a b v i e w 软件和昂贵的数据采集板、合闸角控制器；需要将原来 的接触器开关全部更换为反并联可控硅开关及其控制器，使得系统成本较高。 2 、用户界面不是特别友好。 3 、数据库操作不是很方便。 4 、一般只适合单合闸角的控错u p - p 要求所有开关同时动作；不太适合开关量大、合 闸角不同的场合。 5 、对于合闸角大于9 0 度的场合实现较困难。 3 2 方案- - ：单机集中控制方案 3 2 1 本方案的设计框架 a 采用研华p c 巧l o 工控机p 5 0 0 b 使用研华p c l - 7 3 0 数字量i o 板 c 安装w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统 d 使用a c c e s s 2 0 0 0 数据库 e 使用d e l p h i 7 0 开发环境 3 2 2 本方案的特点陆1 w i n d o w s 操作系统以其友好的图形用户界面、强大的功能、便捷的操作和广泛的应 1 7 河海大学硕士研究生学位论文 用前景受到普遍的欢迎。w i n d o w s 为软件的开发提供了丰富的应用程序接口函数，从而 使程序员能够轻松地设计出漂亮的人机界面，大大节省了程序的开发时间。对于用户来 说，w i n d o w s 的标准界面使得用户在学习一个应用程序之后，也熟悉了其它程序的使用， 经过少量的学习就可以使用一个软件。然而w i n d o w s 并非一种实时操作系统，众所周 知，在w i n d o w s 下编程是基于消息驱动机制的，任何事件的执行都是通过发送和接收 消息来完成的。一旦计算机的c p u 被某个进程占用，或系统资源紧张时，发送在消息 队列中的消息就暂时被挂起，得不到实时处理，这样就给实时控制系统的开发带来了很 大的困难。因此w i n d o w s 环境下开发实时控制系统的技术就显得尤其重要。 w i n d o w s 下实现友好的操作界面和数据库操作非常方便，关键是精确控制合闸角的 实现，本方案中使用定时的方法实现合闸角的控制，如果w i n d o w s 能够实现精确短定 时，那本方案将是最佳设计方案。下面主要讨论w i n d o w s 下的短定时的实现问题。 3 2 3w i n d o w s 下的短定时的实现方法分析瞪】【6 】 1 、通用微机的定时机制分析 图3 l 为微机系统定时器结构图。系统采用v l s i 芯片8 2 5 3 ( 或8 2 5 4 ) 作为系统计数 器，定时器电路，提供3 个相互独立的计数，定时通道，分别完成对系统定时的要求。3 个通道分别为：( 1 ) 通道t c 0 ：日时钟，精确到0 0 1 s ；( 2 ) 通道t c i ：存储器刷新；( 3 ) 通道t i c 2 ：声音输出。 l 蚺蠼l 一 叫i 卜数矗n ，通道0 。 o n * 0 p c 揠 一蕉院定时器1 8 2 i h 4 0 l | c t 袖t 机 - 叫汁散嚣l 酒遵1 o 瞰l 总 s 2 5 3 ，8 2 5 4 - i 目蝽 请球发生器 线 逻辑4 1 t 1 1 ( ：l k i t 。 控 制叫计数器2 ，通道2 l o m 2 躬h 一肯河撼发生器l 一 内息f j ，4 2 1 - 1 。c u 2 t 。 l u t1 1 i 图3 - 1微机系统定时器结构图 系统计时器中计数，定时通道t c 0 的基本时钟是1 1 9 3 1 8 m h z 方波信号，输出可以 直接作为系统中断请求，接到系统定义的最高级可屏蔽中断0 上。这样每经过5 7 9 2 5 m s ， 河海大学硕士研究生学位论文 在中断级上将产生一个中断请求，由系统直接调用固化的中断向量定义为i n t0 8 h 的 b i o s 中断处理程序。该程序首先完成日时钟的计时，随之处理软驱的延迟判断操作， 然后进行i n t1 c h 软件中断调用，为用户提供一个可用的定时操作服务程序入口。 2 、使用w i n d o w s 中提供的常规定时器 各种可视化编程语言( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 、c + + b u i l d e r 等) 都 提供了t i m e r 控件。可以设置该控件的i n t e r v a l 属性指定定时时间间隔，即产生定时事 件之间的毫秒数值。同时程序员也可以通过调用a p i 函数的s e t t i m e r 和k i l l t i m e r 函数 来设置和删除一个定时器。这二种方法实际上是一样的都基于w i n d o w s 的常规定时器 消息处理。该定时器是建立在m mp c 机硬件和r o mb i o s 中系统定时器的简单扩充 基础之上的。它通过周期性的向应用程序发送w m _ t i m e r 消息，使应用程序周期性的 获得c p u 的使用权。在p c 中有一个8 2 5 3 的定时芯片，r o mb i o s 将其设为每5 4 9 2 m s 产生一次编号为0 x 0 8 的硬件中断。当硬件i n t0 8 h 定时计数中断触发以后，将由 w i n d o w s 系统驱动程序s y s t e m