基于實時仿真系統的交流信號狀態序列發生器的仿真建模

劉 霡

（三峽大學國際文化交流學院，湖北宜昌 44300）

0 引言

電力系統中的測控、保護裝置均是采集系統電壓、電流并提取特征值實現正常工作的，裝置的研發和調試階段，通過電力系統仿真系統模擬電力系統運行工況或采用繼電保護測試儀模擬電壓、電流狀態序列，可以為裝置提供一定的試驗環境，提高產品的開發周期。電壓電流狀態序列指的是交流量在若干個時間段內，依次發生變化，近似模擬電力系統某一特定的運行工況，如線路區內故障，保護跳閘，并重合閘。狀態序列的特征有三相電壓、三相電流同步變化，序列時間精確控制等。電力系統實時仿真器不僅具備電力系統動態仿真功能，還具有繼電保護測試儀的狀態序列模擬功能，但需搭建對應的控制觸發邏輯才能實現狀態序列的輸出。基于電力系統實時仿真系統，開發一個通用型、高集成度的狀態序列觸發邏輯，可以進一步增強實時仿真系統的靈活應用。

基于模塊化的設計思想，基于實時仿真系統分別開發了初始化配置模塊、通道切換模塊及序列精確控制邏輯模塊等，實現了通用型、高集成度的狀態序列的精確控制序列的設計，有助于提升電力系統二次測控設備的開發、調試效率。

1 系統概述

交流電壓、電流狀態序列發生器，需具備使用便捷、序列控制精確、高集成度等特點。采用模塊化設計思路，完成狀態序列發生器控制邏輯的設計，如圖1所示為狀態序列發生器結構框圖。

圖1 狀態序列發生器結構框圖

序列發生器主要有四部分組成：初始化、通道切換、信號發生及序列精確控制邏輯部分。初始化模塊的主要功能為定義狀態序列個數、各狀態序列的電壓電流幅值、各狀態序列的持續時間等。通道切換模塊的主要功能為實時接收狀態序列精確控制模塊的通道切換信號，并執行電壓通道、電流通道的順序切換。狀態序列精確控制模塊，根據狀態序列個數及各狀態序列持續時間，執行精確時序的順序控制。信號發生模塊實時接收交流信號的幅值，結合預定的相角和頻率，合成交流信號并輸出。

2 建模設計

以具有6個狀態的電壓電流序列為例，開展設計思路的介紹。圖2所示的通道切換邏輯圖中，Ux_Init（x=a，b，c）、Ix_Init（x=a，b，c）為電壓電流初始狀態的幅值；Ux_End（x=a，b，c）、Ix_End（x=a，b，c）為電壓電流結束狀態的幅值。Ux_Stan（x=a，b，c）、Ix_Stan（x=a，b，c）為第n（n=1，2，3，4，5，6）個狀態下，電壓電流的幅值。Seq_Num為狀態序列序號標志位，即，第n個狀態期間，Seq_Num=n，且通道選擇器將對應狀態的幅值輸出給M_Ux（x=a，b，c）和M_Ix（x=a，b，c）。

圖2 通道切換邏輯圖

狀態序列精確控制邏輯如圖3所示，主要有三部分組成：序列啟動與終止觸發邏輯、狀態序列精確控制子模塊、狀態序列集成邏輯。各序列的幅值與時間初始化完成之后，觸發序列啟動按鈕，控制邏輯啟動計時器，并觸發狀態1啟動信號，狀態1

工作標志位置1，狀態1執行結束之后自動閉鎖狀態1，且該閉鎖信號為狀態2的啟動信號，依次執行各狀態序列。當最后一個狀態序列執行結束并閉鎖后，觸發終止序列邏輯，狀態序列執行結束。

圖3 狀態序列精確控制邏輯

圖3 所示中，En_Sta1為啟動狀態1信號，Timer為時鐘信號，Sta6為狀態序列6的運行標志位，下降沿觸發邏輯終止程序。Dis_Sta1為序列1閉鎖信號，Dt_Sta1為狀態1持續時間定值。狀態序列集成邏輯主要負責Seq_Num數值的生成，如狀態序列3運行階段，其他序列標志位均為0，Sta3=1，實現了Seq_Num與正在執行序列產生關聯，該信號經過簡答的運算加工，可以靈活的應用于通道選擇模塊。

3 仿真算例

為驗證所設計的狀態序列精確控制邏輯的有效性，在仿真系統中進行了控制邏輯的建模，并設計了仿真算例進行試驗驗證。表1所示為初始化模塊各序列階段的電壓幅值、電流幅值及序列持續時間定值，圖4、圖5分別為試驗錄波圖。

表1 狀態序列初始化定值

圖4中，Timer為狀態序列中的計時器時鐘信號，仿真算例中6個狀態序列的時間長度為1.2s，Seq_Num為序列標志位，試驗過程中依次從0遞增到6。Start標志位貫穿狀態序列始末。分析各序列標志位可知，對應序列標志位保持時間與設定值一致。

圖4 序列標志位錄波圖

圖5中，U1A，U1B，U1C為三相電壓狀態序列錄波，I1A，I1B，I1C為電流狀態序列錄波，Rms_U為三相電壓有效值，Rms_I為三相電流有效值。

圖5 交流狀態錄波圖

分析圖5可知，狀態1（0.0s～0.1s）區間內，電壓、電流有效值為0；狀態2（0.1s～0.3s）區間內，電壓、電流有效值為2；狀態3（0.3s～0.6s）區間內，電壓、電流有效值為3；狀態4（0.6s～0.9s）區間內，電壓、電流有效值為4；狀態5（0.9s～1.1s）區間內，電壓、電流有效值為5；狀態6（1.1 s～1.2s）區間內，電壓、電流有效值為6，滿足設定預期。

4 結語

所開發的模塊化、高集成的電壓電流狀態序列精確控制邏輯，實現了基于實時仿真系統平臺下的狀態序列的便捷配置、精確發生，對電力系統測控、保護裝置的開發調試，具有一定的促進作用。對各個子模塊的核心原理展開了介紹，基于電力系統實時仿真系統進行了仿真建模，并設計了典型的仿真算例，進行邏輯驗證。試驗結果表明，所提出的控制建模方法是有效可行的，對測控、保護裝置開發人員具有一定的參考價值。