（电气工程专业论文）电力网故障电流模拟试验测控技术研究.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 本论文使用授权说明 日期：坦亡：生矿 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留沦文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名皿导师签名：望壅塑日期： 摘要 在电力系统运行过程中，经常会发生各种故障，其中最为常见，且危害严重 的故障就是各种形式的短路。因为短路故障会影响电力系统的正常运行，破坏电 力的正常供应，给工农业生产和人民生活带来严重危害。通过对短路故障的研究， 采取相应措施，可以防止短路故障的发生，或在故障发生后将故障带来的危害降 到最小。因此，对于短路故障的研究具有非常重要的意义。 利用模拟试验测控系统可以进行短路电流研究，获取科研数掭：也可承担相 关学科科研项目和完成教学实验等。本论文主要基于故障电流试验控制系统，对 系统涉及的关键性技术和理论作详细的研究和探讨。文章首先从模拟实验室模拟 电力系统组成和故障电流实验台结构出发，对控制对象和系统控制要求做了简要 介绍。在此基础上，确定了控制系统结构和控制方案。其次是系统功能的实现， 这也是文章的重点所在。文章主要从硬件和软件两个方面，对系统实现过程中的 关键技术和理论进行了深入研究。硬件方面主要包括硬件选择、数据采集卡设计 以及采取的相应抗干扰技术：软件则主要从模块化设计、界面优化、数据通信和 软件抗干扰技术等几个方面进行了分析，并探讨了短路电流计算的计算机实现， 对v i s u a lb a s i c 环境下如何调用m a t l a b 进行复杂运算作了详细介绍。此外， 文章从系统可靠性设计的深层机理出发，对系统设计过程中硬件和软件的可靠性 设计进行了详细分析，并介绍了所采用的若干设计方法和技术。最后，文章还就 本系统存在的不足给出了系统发展的设想和展望。 关键词：电网故障模拟测控 a b s t r a c t s o m em a l f u n c t i o n so f t e na r i s ed u r i n gt h er u n n i n gp r o c e s so fp o w e rs y s t e m b u tt 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 ss h o r tc i r c u i t a l lk i n d so fs h o r t c i r c u i ts o m e t i m e sb r i n gs e r i o u sd a m a g et oi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e sp r o d u c t i o n a n dp e o p l e sl i f e ，b e c a u s et h e yc a na f f e c tt h ew e l b b a t a n e e dr u n n i n go fp o w e r s y s t e ma n dc o n s e q u e n t l yd e s t r o yt h es u p p l yo fe l e c t r i c i t y s o ，i t si m p o r t a n tt o s t u d ys h o r tc i r c u i t t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ec o r r e l a t i v e l yp i v o t a lt e c h n i q u ea n dt h e o r y d u r i n g t h e d e s i g np r o c e s s o fc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mf o r s h o r tc i r c u i t e x p e r i m e n t a t i o n ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to fd y n a m i cs i m u l a t i o nl a b o r a t o r y f i r s t l y , t h et h e s i se x p a t i a t e st h es t r u c t u r ea n dt h ep r o j e c to ft h ec o n t r o l s y s t e m ，b a s e do nt h es t r u c t u r eo fs i m u l a t i v ep o w e rs y s t e ma n dt h ec o n s t i t u t i o no f s h o r tc i r c u i te x p e r i m e n tp l a t f o r m s e c o n d l y , t h et h e s i sg i v e se m p h a s i st o t h ep i v o t a lt e c h n i q u ea n dt h e o r y a b o u ts y s t e mh a r d w a r ea n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h ec o n t e n to ft h i sp a r ti st h e e m p h a s e so ft h i st h e s i s i na s p e c to fh a r d w a r e ，i tb a s i c a l l yi n c l u d e ss e l e c t i o no f h a r d w a r ea n dd e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o nb o a r d i na s p e c to fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e ， t h et h e s i sm a i n l yc o v e r st h eb l o c k i n gd e s i g n ，i n t e r f a c eo p t i m i z a t i o n d a t at r a f f i c ， a n ds oo n i na d d i t i o n ，t h et h e s i sd i s c u s s e sh o wt oc a l c u l a t es h o r tc i r c u i tc u r r e n t b yc o m p u t e r e s p e c i a l l y , i ts t u d i e s t h ed e s i g nt e c h n i q u eh o wt oa c c o m p l i s h c o m p l i c a t e d c a l c u l a t i o n b y m a t l a bl a n g u a g eu n d e rt h ev i s u a lb a s i c e n v i r o n m e n t t h i r d l y ，t h et h e s i sa n a l y s e st h ed e p e n d a b i l i t yd e s i g no fc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h ep r i n c i p i u mo f t h ed e p e n d a b i l i t y a tl a s t , t h et h e s i sg i v e st h e e x p e c t a t i o no nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e m 5 第1 章绪论 在研究连续物理系统时，一般采用三种研究方法：理论分析、实物试验和模 拟研究。其中，模拟研究是指建立起被研究物理系统的模型，用对模型的研究来 得到原系统物理规律的研究方法。模拟研究中通常采用两种模型：物理模型和数 学模型。物理模型是按照真实物理系统放大或缩小的尺寸，制作出不改变真实系 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) 。根据模拟所采用的模型，即可分为物理模拟和数学模拟。 其中采用动态的物理模型，可以保持系统的物理本质，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。因此，进行动态的物理模拟实验是 取得原物理系统各利唷用参数的有效方法之一。 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。当一个新的控制设备试制完成，或者现有使用的设备需要检修，或者在实际 运行系统中进行研究的代价高昂或危险性太大时，通常应用动态模拟实验系统进 行性能检测或科学研究来取得各种设备的性能参数和科研数据。另外，在新技术、 新设备的研究初期，也可以通过动态模拟实验系统进行原理、算法等验证工作。 随着国民经济和工农业生产的迅速发展，对电力系统的要求也越来越高。电 力系统正在不断地发生变化：发电机( 组) 的容量越来越大，远距离电力输送的 传输电压越来越高，电力网( 包括输电网和配电网) 的区域也越来越广。相应地， 在理沦上和实践中出现了许多问题亟待解决，各种新的理论需要加以验证，各种 新设备和新器件需要进行实验等等。电力系统动态模拟系统正是解决这些问题的 重要途径之一。电力系统物理模拟主要适用于电力系统电磁机械动态的研究，包 括试验改善电力系统性能的新措施，研究和试验各种新装置、新设备和新的应用 软件以及教学和培训等。 1 1 电力网故障电流模拟试验室的发展现状 电力网故障电流模拟试验室的发展在国外起步较早，现已向着综合自动化和 智能化方向发展。国内电力网故障电流模拟试验室的发展则相对较晚，最早的是 清华大学电力系统动态模拟实验室，于5 0 年代末建成。但随着计算机的发展和 广泛应用，原来动态模拟的某些研究领域逐渐被计算机仿真所取代，在一段时问 内国内有些动态模拟实验室都处于萧条状态。随着计算机控制技术在动态模拟实 验室中的应用和实验室自动化程度的不断提高，电力系统动态模拟实验室又重新 显示出其在电力系统研究中不可替代的作用。尤其在实时控制领域，动态模拟比 其它研究工具有着不可比拟的优越性。 以下是国内电力系统动态模拟实验室在模拟设备方面的基本发展情况： ( 1 ) 在模拟发电机方面：最初的发电机定子绕组没有抽头，不能模拟发电机 定子绕组匝间短路故障。后来在发电机定子三相绕组中性点侧增设了中间抽头， 现在则在发电机定子三相绕组机端增设中间抽头( 如南京电力自动化研究院在 1 9 9 8 年6 月订购的两台3 0 k v a 模拟发电机组) 以模拟定子绕组各处匝间短路故 障。 关于模拟发电机的容量，也从最初的3 7 5 k v a 、5 k v a 、6 2 5 k v a ，发展到 1 5 k v a 、3 0 k v a 和6 0 k v a 机组。 ( 2 ) 在驱动模拟发电机的原动机方面：目前几乎全部是用直流电动机，为 此配套用的是直流驱动电源。早期建设的动态模拟实验室均是选用一般工业用可 控硅整流装置。为了更接近实际的水轮机、汽轮机的动态特性模拟，先后有湖南 大学动模室、华中理工大学动模室和清华大学动模室开发并生产了集成电路型、 微机型动态模拟发电机组专用可控硅直流驱动电源，并且还在不断的改进探索 中。 ( 3 ) 在模拟发电机励磁系统方面：从最初的直流发电机励磁直流负阻机到交 流励磁机励磁直流负阻机，发展到现在的微机型全数字式非线性励磁装置及微机 型直流负阻机。 ( 4 ) 在模拟线路方面：一般均是集中参数的“兀型”电路( 即中问是空芯电 抗器模拟线路的阻抗，并且主要是线路电抗，两侧挂接电容器模拟线路导纳) ， 再由多个单元组合成所要求的长距离1 1 0 k v 或2 2 0 k v 的输电线路。部分动模实 验室则建立了分布参数的“型”等值电路，更为精确地模拟5 0 0 k v 超高压输电 线路。 ( 5 ) 在模拟变压器方面：除了常规的模拟爿压变压器和模拟降压变压器外， 新发出的模拟涌流变压器，可模拟大容量变压器合闸投入电网的瞬问。测量其合 闸电流的瞬时值与稳态空载电流倍数，以提供在整定保护时应予以考虑的重要参 数，以及大型变压器继电保护产品的检测试验手段。 ( 6 ) 在模拟负荷方面：一般较为简单，几乎都是用白炽灯泡模拟静态负荷， 用异步电动机一直流发电机组模拟动态负荷。 ( 7 ) 在模拟互感器方面：对模拟电压互感器没有特殊要求。而对模拟电流互 感器，则要考虑5 a 1 0 、5 a 2 0 倍及5 a 2 5 倍( 或3 0 倍) 和1 a x l 0 倍、 l a x 2 0 倍、1 a 2 5 倍( 或3 0 倍) ，以满足对继电保护装置的考核要求。 ( 8 ) 在数据测量、录波方面：从早期的表盘读数、光线示波器录波，现已发 展到微机型数据自动采集及波形录波。 ( 9 ) 在整个动态模拟系统监控方面：最初基本是完全手动式，渐渐发展为分 布式现地中央监控系统。如山东工业大学动模室，应用2 8 6 和3 8 6 微机开发研 制而成，现已淘汰。后来，华北电力大学动模室采用两台工控机，实现了系统的 完全自动监控。 1 2 计算机控制系统在模拟实验室中的应用 1 2 。1 计算机控制系统的发展历程 计算机控制系统的发展是与计算机技术和工业生产发展密切相关的。它起始 于5 0 年代，6 0 年代中至7 0 年代为集中式计算机控制系统发展时期，7 0 年代中 期进入以采用4 c 技术( 计算机、通讯、控制、c r t ) 为特征的集散型控制系统 发展时期，进入9 0 年代后期，现场总线计算机控制系统的出现为计算机控制在 工业生产及其它领域的应用开辟了更广阔的前景9 】 2 1 1 。 ( 1 ) 计算机控制系统的初创时期( 5 0 年代) 在应用到控制之前，计算机仅仅用在工厂、实验室或其它测试环境中进行数 据采集和分析，因而当时的计算机只起到“离线”的作用。计算机只是作为数值 运算工具，或进行数值统计、数值分析，而计算机与控制装置之间没有任何物理 上的连接。在后来的发展中，扩充了对控制器设定值和执行器位置值的计算，因 而操作人员可以根据计算后的值实施对过程的控制和调节。到5 0 年代末，可以 产生模拟量控制器所遵循的设定点的计算机控制系统开始出现，它可以用于数据 记录，并带部分控制功能。这一开创性的工作开辟了计算机应用的一个新领域。 但由于当时的计算机太大，速度太慢，价格昂贵，而且不可靠，因此，这一时期 的计算机只用于管理方式，给操作员以操作指导，给模拟仪表以设定点和控制方 式。 ( 2 ) 集中式计算机控制系统发展时期( 6 0 年代7 0 年代) 在这之前，虽然计算机已应用于控制系统，但仍不能称之为计算机控制，其 根本原因在于它并不直接参与实际控制。在随后的发展中，人们开始试验通过提 供计算机与控制装置之间接口的办法，使计算机与变送器和执行器之间的信号双 向传递都不用人工干涉，并获得了成功。到此，计算机配备上变送器、执行器和 信号连接装置就完全可以实现过程的检测、监视以及对过程的管理和控制。然而 由于计算机与被控装置之问的双向信号流动是通过硬性的物理连接装置，其中流 动的信号都是电气信号，因此计算机不可能与现场装簧离得太远，所以每台计算 机所控制和管理的控制装置量很少，多数情况下的应用为单回路控制。1 9 6 2 年， 英国帝国工业公司( i c i ) 安装了f e r r a n t i a r g u s 计算机控制系统，替代了全部模 拟控制仪表，即模拟技术由数字技术来代替，而系统的功能却保持不变。这是集 中式计算机控制系统应用的开端。集中式计算机控制系统总的特点是由一台计算 机来实现系统的所有功能，所有被控对象均由这台计算机来控制，这其中需要的 仅仅是一些有关的i o 没备和c r t 、键盘、打印机等外部设备。集中型计算机控 制比起常规仪表控制系统有很大的优越性，控制功能齐全，而且可以实现模拟仪 表难以实现甚至不能实现的功能和先进控制、连锁控制等复杂控制功篚。但也因 为集中的原因，使得系统的可靠性不高。集中式计算机控制系统的发展又先后经 历了直接数字控制( d d c ) 和监督计算机控制系统( s c c ) 两个不同的阶段。 ( 3 ) 集散型计算机控制系统( 7 0 年代一) 鉴于集中式计算机控制系统存在的问题，在1 9 7 5 年率先由h o n e y w e l l 公司 推出集散型控制系统( d c s ) 。它是对集中式计算机控制系统进行合理的分解， 形成了单回路、多回路分散控制与集中监视操作相结合的分布式体系结构，能够 运用现代控制理论实现优化控制、分级协调控制和管理自动化功能。 集散型控制系统的实质是利用计算机的集中监视、操作、管理和分散控制的 一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网 络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生的，既不同于分散型仪表控制系统， 又不同于集中式计算机控制系统。它是吸收了两者的优点，在他们的基础上发展 起来的- - f q 系统工程技术，具有很强的生命力和显着的优越性。 随着微处理器、超大规模集成电路技术的发展和智能控制技术渗入到现场控 制一级，由此而带来的现场仪表的智能化发展，以及计算机技术、容错技术和人 机接口技术的发展，再加上数据通信链路和通信网络技术的发展，集散型计算机 控制系统将向着综合化、开放化和智能化方向发展。同时，小型集散型计算控制 系统也将是一个新的发展方向。 ( 4 ) 现场总线控制系统( 9 0 年代一) 现场总线控制系统( f c s ) 代表了一种新的控制观念现场控制。它的出 现对d c s 做出了很大的变革。现场总线控制系统的核心是现场总线。根据现场 总线基金会( f f ) 的定义，现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字 式、开放的双向通信网络。现场总线的节点是现场设备或现场仪表。现场设备具 有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。 与传统的集散型计算机控制系统( d c s ) 想比较，现场总线控制系统能充分 发挥上层系统调度、优化、决策的功能，更容易构成计算机集成制造系统( c i m s ) ， 并更好地发挥作用；其次，将降低系统投资成本和减少运行费用。据专家分析估 计，仅系统布线、安装、维修等费用可比现有系统减少约三分之二，节约电缆导 线约三分之一。如果系统各部分分别选择合适的总线类型，会更有效地降低成本。 1 2 2 计算机控制系统在模拟实验室中的应用 现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被称为是发展最快的两个分 支。计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，它是工业自动化的重要支柱， 计算机控制系统的迅速发展为工业生产提供了新的动力。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j 口赴行， 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。近年来，微控制器以及大规模和超大规模集成电路迅速发展，计算机监 控系统在电力系统中的应用也得到了迅猛发展，在电力系统自动化发展方面发挥 着重要作用。作为电力系统的研究工具与手段的常规动态模拟装置受到了强烈的 冲击。但由于常规动态模拟设备如发电机、变压器、异步电动机及负荷等都是特 殊设计的，它能保持被模拟电力系统中各个物理量的性质，并且在稳态和暂态时 也能保持模型的特性与参数同原型保持致。因此它能用来深入研究电力系统中 的一些故障现象和物理本质，可作为电力系统中新技术措施及新自动装置在投入 使用前的实验场所。因此，纯计算机辅助仿真手段是无法替代的，只能对他们进 行改造与更新，使之适应于新技术发展的需要。为此，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。 1 3 电力网故障电流模拟试验测控系统发展现状 短路故障作为电力系统中一种最为常见，且危害严重的故障，从电力系统 研究开始就受到人们的重视。而短路实验是进行短路故障研究最为直接而且最容 易获得有用参考数据的手段，因此，短路实验装置和设备的自动化水平也在电力 系统动态模拟实验室的发展中得到不断提高。随着计算机控制系统进入动态模拟 实验室，故障电流控制系统便进入了主要由计算机来控制的时期。在很多电力系 统动态模拟实验室中，已经做到了对电力系统故障电流实验的完全自动控制。包 括对实验过程的自动控制、数据自动采集、存储、处理、状态显示，以及短路电 流计算等，达到了很高的自动化水平，从而提高了实验数据的准确性和可靠性， 给短路故障研究创造了很好的条件。 1 4 论文研究内容和完成的主要工作 木沦文主要结合电力网故障电流模拟试验测控的设计，对系统实现过程中涉 及的关键性技术和理论作详细的研究和探讨，并就本测控系统存在的不足给出分 析和将来发展及实现的设想。 本论文内容将主要从以下几个方面展开： 第二章对计算机控制系统的不同结构作了整体性对比，并由此根据本试 验系统的实际情况、所要完成的功能和设计要求达到的目标等等选择合 适的系统结构和控制方案。 第三章根据上述确定好的系统组成结构从硬件和软件两个方面对系统 实现过程中采用的关键设计思想和设计技术做深入研究和探讨。 第四章从短路电流计算的原理过程出发，详细介绍短路电流计算的计算 机实现。尤其突出的是在进行短路电流计算中，通过v i s u a lb a s i c 程序 动态调用m a t l a b 来进行数值运算，以简化程序结构，缩短程序流程， 减少程序编写的工作量，使应用程序更加紧凑、可靠。 第五章进行系统可靠性分析与设计。对于计算机控制系统，可靠性是至 关重要的。本部分主要对系统设计实现过程中所采用的可靠性设计技 术，从硬件可靠性和软件可靠性两个方面进行介绍。 文章的最后部分为总结与展望。在对本系统的设计实现和本论文所做工 作进行总结的基础上，给出了系统将来发展的设想。 第2 章电力网故障电流模拟测控系统的构成 2 i 电力网故障电流模拟试验测控试验台的组成 2 1 1 电力网的组成 电力系统是由生产、输送、分配和消费电能的发电机、变压器、电力线路和 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【4 。电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、安全自动装置、 调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统( 一般称为二次系统) ，以及通过 电或机械的方式连入电力系统的设备( 如发电机的励磁调节器、调速器等) 。电 力系统示意图见图2 - 1 所示。 图例： 0 一发电机 一训相机 一电动机 囡一一枷姗一一 园一固一一d 一、 图2 - i电力系统单线示意图 1 3 电力网络是电力系统中输送、变换和分配电能的一部分，如图2 - 1 中虚线框 内的部分，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。同时，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。在现代电力系统中既有超高压三相交流输电，又有超高压直流输电( 这种电 力系统又称交、直流混合输电系统) 。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。 动力系统是电力系统和“动力部分”的总和。动力部分包括热力发电厂的锅 炉、汽轮机、热力网和用热设备；水力发电厂的水库、水轮机：原子能发电厂的 反应堆等。 2 1 2 电力网故障电流模拟试验台组成 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 - 2 所示。 汽机或升压 水轮机 发屯机 变压器 输电线路 降压 变压器 负荷 例2 - 2 电力糸统结线幽 图中粗线条部分称为母线，母线上接有多条回路。 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。本套动态模 拟实验室模拟电力系统示意图如图2 3 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、输电线路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。电力网故障电流试 验就是其中一种。这里的故障电流，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，在己设置好的短路点处 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1 7 1 的。 对于短路故障点的设置，图中做出了标识。 电力系统动态模拟实验台就是在图2 3 所示的模拟电力系统的基础上，附加 相应的设备和接线，完成电力网故障电流试验的一套实验设备。 图2 - 3 模拟电力系统示意圈 2 2 电力网模拟试验测控系统的结构组成 计算机控制系统的发展从5 0 年代开始，迄今为止已经经历了近5 0 年的历史。 在这一发展过程中，计算机控制系统结构和复杂程度的不同又将这一发展历程分 为几个不同的阶段，每一阶段都有其突出的系统结构和控制方式，而对于一个计 算机控制系统的设计首先应考虑的就是其组成结构和控制方式。 2 2 1 计算机控制系统结构概述 计算机控制系统结构是随着：】二业生产发展水平的改变而不断改变的。从具有 实际控制意义的控制系统开始，控制系统的结构大致经历了集中式、集散型和现 场总线型三个阶段 5 】【2 1 【3 9 】。下面就这三个不同阶段控制系统的组成结构做一概要 介绍。 ( 1 ) 集中式计算机控制系统 集中式计算机控制系统的发展又分为直接数字控制系统( d d c ) 和监督计算 机控制系统( s c c ) 两个阶段。这两个阶段计算机控制系统的结构和控制方式虽 有不同，但从总的控制结构上同属于集中式计算机控制系统。 这类系统的主要特点是结构紧凑、轻便灵活、操作方便、便于维护，有较高 的抗干扰能力和控制精度。集中式计算机控制系统只需要一台计算机以及有关的 i o 设备和c r t 、键盘、打印机等外部设备即可完成系统功能。结构框图如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 臻中犁摔靠| | 系统结构框图 由于集中式计算机控制系统的所有处理功能都集中于一台计算机，所以一旦 出现故障，其影响面将涉及到各部分，从而使系统的可靠性大为降低。这就需要 将计算机控制系统由集中转向分散，于是出现了“控制分散、信息集中”的集散 型控制系统。 ( 2 1 集散型计算机控制系统( d c s ) 如上所述，管理的集中性和控制的分散性这一实际需要推动了集散型计算 机控制系统的发展。集散控制系统又称为分布式控制系统，它是融直接数字控制 系统和峪督计算机控制系统及管理为一体的高级控制系统，其实质是利用计算机 网络技术对被控刘象进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。 集散型计算机控制系统的结构是一个分布式系统。从整体逻辑结构上讲，是一个 分支树结构。它一般由四个基本部分组成，即系统网络、现场i o 控制站、操作 员站和工程师站。其中现场i o 控制站、操作员站和工程师站都是由独立的计算 机构成( 这些完成特定功能的计算机被称为节点) ，它们分别完成数据采集、控 制、监视、报警、系统组态、系统管理等功能。它们分别通过系统网络连接在一 起，成为一个完整统一的系统，依次来实现分散控制和集中监视、集中操作的目 的。按系统结构进行垂直分解，它分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合 信息管理级。其典型的体系结构如图2 5 所示。 图2 - 5 d c s 系统结构框图 集散型计算机控制系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中式计算 机控制系统。d c s 使用多台计算机分担了控制的功能和范围，使处理能力大大 提高。由于控制分散，危险性得以分散，可靠性进一步提高。而且在系统扩充方 面比集中式控制系统更具优越性。只需增加所需的节点，并修改相应的组态，即 可实现系统的扩充。但随着传感器技术、通信技术、计算机技术以及智能仪表和 控制技术的发展，传统的d c s 也显示出它的不足。例如：开放性差、分散不够， 需要大量信号电缆以及无法监控现场一次仪表设备，传输信号仍采用模拟信号 等。因此，以现场总线为基础，c p u 为处理核心，数字通信为传送方式的新一 代计算机控制系统现场总线控制系统( f c s ) 应运而生。 ( 3 ) 现场总线控制系统( f c s ) 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结 构的通信网络，它实现了控制的彻底分散，且每个回路的自治性好。采用现场总 线技术构成的计算机控制系统称为现场总线控制系统。现场总线控制系统不仅是 一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统，它全数字化的信号 传输和完全分散的控制弥补了集散型计算机控制系统的不足。 现场总新控制系统结构如图2 - 6 所示。 崮2 - 6 现场总线系统结构框图 现场总线控制系统的优点主要有：( 1 ) 可靠性高：数字信号传输不仅精度高， 而且抗干扰性强；( 2 ) 可控性：操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的 工作状况，也能对其进行参数调整，还可预测或诊断故障；( 3 ) 互换性：用户可 以自由选择不同品牌的仪表互连：( 4 ) 互操作性：用户把不同制造商的各种品牌 的仪表集成在一起，进行统一组态，构成所需的控制回路，实现“即接即用”； ( 5 ) 综合性：现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能；( 6 ) 分散性：控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可构成控制回路，实现 了控制的彻底分散；( 7 ) 开放性：现场总线为开放式互联网络，用户可以自由集 成不同制造商的通信网络。 虽然计算机控制系统的发展经历了不同的阶段，并且每一发展阶段都有其代 表性的体系结构，但在实际设计应用中并不一定完全按照同一种结构形式进行。 随着微处理器系统的引入，有些功能就重迭并合起来。这样，计算机控制系统的 设计者就不仅可以从各类系统的功能和特点进行选择，还可以将它们组合起来， 根据实际应用设计出更适合实际控制要求的计算机控制系统。 2 2 2 电力网故障电流模拟试验测控系统结构及功能要求 电力网故障电流模拟试验是电力系统教学和研究的重要手段之一。 电力网故障电流模拟测控系统是争f x , j 电力系统动态模拟实验室中电力系统 短路实验部分，按照短路实验的操作控制要求及实验目的而设计的 1 、短路的概念 电力系统有两种基本的运行状态，即稳态和暂态 2 】。 电力系统稳态运行时，发电厂中原动机( 汽轮机或水轮机) 的输入功率同发 电机的输出功率相平衡，系统的频率和电压都是稳定的。然而，当系统受到某种 干扰时，上述功率舱平衡即被打破，运动状态也将随之而改变。由于系统中包含 有许多惯性组件，运动状态的变化不能瞬时完成，而必须经过一个过渡状态，这 种过渡状态称为暂态。 由于实际干扰总是有大有小，因此电力系统在经受干扰以后，其过渡的结局 便有两种可能性：一种情况，系统从原来的稳态过渡到另一种新的稳态后，其运 行参数( 电压和频率) 相对于正常值的偏差能够保持在一定的允许范围内，系统 仍能正常工作。例如负荷的增减，原动机的调整等。正常运行中的电力系统，实 际上就是经常处于这种较小的变动过程中。另一种情况，当电力系统发生各种故 障时，系统的运行将经受剧烈变化，所趋于的状态，或者是其运行参数大大偏离 正常值，以至电能质量严重变坏；或者更为严重，导致电力系统对用户的正常供 电局部的甚至全部的遭到破坏。总之，不采取特别措施，系统就很难恢复正常运 行，这就是电力系统运行的事故状态。这种状态的出现，将会给工农业生产、国 防建设以及人们的生活带来严重后果。 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、断相以及各种复杂故障等。而短路故障则是电力系统中危害最为严重 的故障。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问或相与地 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，以及设训、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。 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1 1 。 表i - i 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 力 k ( 3 ) 一 ， 两相短路 蟹 k ( 2 ) 单相接地短路l 一 ， 7 k ( 1 ) 崎膨彬 两相接地短路垆 k ( 1 ) 一 彬鼍膨鼍胛 2 0 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 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i 隔度下降，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寸。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： 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和相应的短路计算是很有必要的。 电力网故障电流模拟试验室测控系统正是针对电力系统短路故障，模拟电力 系统中短路点组建的，用以进行电力系统短路故障研究和实验的控制装罨。 2 、系统的功能要求和操作控制任务 电力网故障电流模拟试验室测控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，可以方便地设置不同类型的短路故障和实验参数以 及控制方式，分析实验线路的暂态过程，将实验过程、实验现象和实验数据以图 形、表格等形式进行实时显示，并对实验过程出现的故障进行及时报警。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 的正过零点并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、分析及控制。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问电阻。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。数字量主要是9 6 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 2 8 个开关量的输出来完成。这1 2 8 个 开关量要根据每次实验的不同和实验所采集数据及实验状态的不同而改变控制 输出的顺序，但所有输出必须在预没的4 7 个时间段内完成。每个时间段内的输 出控制由系统本身或操作员来设置完成，时问没定精确到1 0 0 微秒级。时间段的 时间间隔为：1 0 0us 1 0 s 。 开关量( 端子) 定义如表2 - 2 。 序号端子定义序号端子定义序号 端子定义 l 合l 叭1 a 相 1 22 3 跳1 0 2 1 c 相 2合1 0 1 1 b 相1 3 跳1 0 1 2 a 相 2 4 3 台1 0 1 1 c 相 1 4 跳1 0 1 2 b 相 2 5 合1 0 2 2 a 相 41 5 跳1 0 1 2 c 相2 6合1 0 2 2 b 相 5跳l 叭1 a 相 1 62 7 合1 0 2 2 c 相 6跳1 0 1 1 b 相 1 7 台1 0 2 l a 相2 8 7 跳1 0 i i c 相 1 8 合1 0 2 1 b 相 2 9 跳1 0 2 2 a 相 81 9 台1 0 2 1 c 相 3 0 跳1 0 2 2 b 相 9合1 0 1 2 a 相 2 0 3 1 跳1 0 2 2 c 相 1 0 合1 0 1 2 b 相 2 1跳1 0 2 1 a 相3 2 1 1 合1 0 1 2 c 相 2 2 跳1 0 2 1 b 相 3 3 合1 0 3 1 a 相 续表2 2 序号端子定义序号端子定义序号端子定义 3 4合1 0 3 1 b 相 6 1 接地故障点k 1 1 8 8 相间故障点k 9 1 3 5合1 0 3 1 c 相 6 2 接地故障点k 1 2 8 9相间故障点k 9 2 3 66 3 接地故障点k 2 一l 9 0相问故障点k 1 0 1 3 7跳1 0 3 1 a 相 6 4 接地故障点k 2 2 9 l 相间故障点k 1 0 2 3 8跳1 0 3 1 b 相 6 5 接地故障点k 3 1 9 2 接地故障点k 6 1 3 9跳1 0 3 1 c 相 6 6 接地故障点k 3 2 9 3 接地故障点k 6 2 4 06 7 接地故障点i ( 4 1 9 4接地故障点k 7 1 4 1合1 0 3 2 a 相 6 8 接地故障点k 4 2 9 5 接地故障点k 7 2 4 2合1 0 3 2 b 相 6 9 接地故障点k 5 1 9 6 接地故障点k 8 1 4 3 合1 0 3 2 c 相 7 0 接地故障点k 5 2 9 7接地故障点k 8 2 4 4 7 1 选i 回故障a 相 9 8 接地故障点k 9 1 4 5 跳1 0 3 2 a 相 7 2 选1 回故障b 相 9 9 接地故障点k 9 2 4 6 跳1 0 3 2 b 相 7 3 选i 回故障c 相 1 0 0接地故障点k 1 0 一l 4 7 跳1 0 3 2 c 相 7 4i 回相问电阻短接1 0 l接地故障点k 1 0 2 4 8 7 5 1 回相间电阻测量 1 0 2 选i i 回故障a 相 4 9 永久故障 7 6 i 回相问电阻升 1 0 3 选l i 回故障b 相 5 0 永久故障切除 7 7i 匝l 相间电阻降1 0 4选儿回故障c 相 5 1 相问故障点k 1 1 7 8 i 回接地电阻短接 1 0 5 i i 回相间电阻短接 5 2 相间故障点k 1 2 7 9 i 回接地电阻测量 1 0 6 i i 回相间电阻测量 5 3 相问故障点k 2 1 8 0 i 回接地电阻升 1 0 7i i 回相间电阻升 5 4 相问故障点k 2 2 8 1i 回接地电阻降 1 0 8 i i 回相间电阻降 5 5相问故障点k 3 一l8 2相间故障点k 6 1 1 0 9 i i 回接地电阻短接 5 6相间故障点k 3 2 8 3 相问故障点k 6 2 1 1 0 i i 回接地电阻测量 5 7 相间故障点k 4 1 8 4 相问故障点k 7 1 1 1 1i i 回接地电阻升 5 8 相间故障点k 4 2 8 5相问故障点k 7 21 1 2i i 同接地电阻降 5 9相间故障点k 5 18 6相| i i j 故障点k 8 1 1 1 3 i 回故障开关 6 0 相间故障点k 5 2 8 7 相问故障点k 8 2 1 1 4 i i 回故障开关 另外，因为电