复杂配电网物理模拟系统网络化人机交互界面设计

庄美圆杨耿杰高 源洪 翠

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116；2. 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）



复杂配电网物理模拟系统网络化人机交互界面设计

庄美圆1杨耿杰1高 源2洪 翠1

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116；2. 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

以步科 MT4512人机界面为载体，设计了一套针对配电网动模系统的人机交互界面。通过对系统结构和功能的分析，基于模块化思想，提出了一套设计方案，并详细介绍了实现过程。采用以太网通信方式实现与PLC组合控制，实现动模系统自动化控制。经过测试验证，能够较好地实现就地操作和实时监测等功能，能有效提高模拟系统的可靠性和稳定性。

人机交互；触摸屏；以太网；PLC；配电网模拟系统

配电网作为电力系统与用户之间电能传输的重要环节，其供电可靠性至关重要。为了提高配电网运行的稳定性和安全性，研究其运行特性和故障状态就显得尤为重要。为了实现研究目标，需要理论分析和试验实践相结合，而由于配电网运行的特殊性，如短路试验会对配电网系统的运行产生严重影响，因此通常不能直接在配电网系统中进行实验［1］，这就使得电力研究人员必须通过建立仿真模型来进行实验。

动态模拟系统是根据相似原理保证在模型上所反应的过程和实际系统的过程相似，且二者的物理实质要相同［2］。相比于静态模拟系统和数字仿真等方法，动态模拟系统能够很好地复制电力系统的实际运行状况，对研究人员的研究能够提供更大的帮助［3-4］。基于上述优势，将动态模拟系统的优势应用到配电网中，建立配电网动态模拟系统，能够解决配电网结构复杂、设备间距小等因素对实验研究造成的问题。

人机交互界面设计是基于自主开发的一套复杂配电网动态模拟系统中的应用。该配电网动态模拟系统为了真实地模拟实际配电网，采用了数量众多的PLC实现通信功能和控制功能，而人机界面的应用能更好地发挥PLC的作用。通过人机界面实现开关投切、状态监测、数据读取，参数设置等多项就地控制功能，为系统提供简单便捷的操作，降低误操作概率。

1 配电网动态模拟系统

1.1系统结构

目前我国 10kV配电网系统中，主要采用架空线和电缆线相结合的网架结构，根据实际配电网中常见的接线模式，配电网动模系统的主接线设计如图1所示。对于当前配电网中其他接线方式，如有需要可以通过其他方式扩展。如自愈功能可以通过与配电网自动化系统进行信息交互实现；花瓣式接线可以通过馈线扩展实现；对于分布式电源的接入，也可以通过预留的接入节点实现等。

图1　配电网动态模拟系统主接线

主接线中所有馈线均有设置分段开关，用于模拟真实配电网多分段、多分支和多联络的复杂接线情况。该系统包含2座变电站，B变电站拥有两台相同容量的变压器，通过单母线分段接线方式连接，可模拟负荷中心变电站。A变电站与B变电站通过电缆连接多个环网柜，可模拟城市或城郊变电站。该系统既可以将3台变压器分别独立运行，也可以模拟3个电源配合的运行情况，从而实现模拟多源复杂配电网的运行。

配电网动模系统的控制部分由集中控制设备、分布式控制模块、故障模拟器、故障录波装置以及监控软件和网络设备等组成。其中，集中控制设备由人机界面和PLC组合，通过以太网通信方式，完成相应的系统操作。

1.2人机交互功能

根据主接线图将系统按照控制对象分为：常规电源控制模块、馈线单元控制模块、环网柜控制模块以及故障模拟模块等。各模块人机交互的功能需求如下：

1）常规电源控制模块：实现开关控制和信息采集，包括线路开关投切，三相及零序电压、电流的显示，更改系统的接地方式等。

2）馈线单元控制模块：馈线分为电缆、架空线以及缆线可切换线路三种。控制开关投切，实现馈线长度的改变和馈线类型的切换，模拟长度可变的全电缆、全架空或缆线混合线路。

3）环网柜控制模块：实现开关控制，模拟实际开关动作特性，并提供信号源给FTU，实现FTU的功能和性能测试。

4）故障生成控制模块：实现开关控制，模拟产生三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路、断线等多种故障。且需要设置闭锁控制，防止失控。

1.3通信方式

人机界面与PLC间的通信常采用串口通信和以太网通信两种方式，串口通信包含RS232和RS485等，通信接口及编程简单，但传送速度较慢。以太网通信有通信速度快，通信效率高，易于安装且兼容性好等优势［5］。步科MT4512TE触摸屏同时支持以太网通信和串口通信，由于动模系统中，有13台PLC分别对电源模块、馈线模块和环网柜模块进行控制，综合考虑数据传输速度、通信效率和布线方便性等因素，采用以太网通信实现一台触摸屏对多台PLC的控制，达到网络化人机交互的要求。操作员通过触摸屏实现与动模系统的信息交互，动模系统的主站通过 IEC 60870-5-104通信规约实现与配电网自动化系统的信息交互。

2 人机交互实现方案

2.1界面设计规划

结合配电网动模系统的结构和功能需求，采用模块化方法将人机界面设计的规划方案确定如下：

1）按照3台变压器的供电对象和系统结构，分为：A站1#主变及线路901，B站1#主变及线路911、912，B站2#主变及线路921、922，以及1#-4#环网柜共7个模块。

2）按照操作功能归类主要分为遥控、遥信和遥测，为了便于在开关投切的同时监测开关状态，以确保开关分合闸成功，将遥控与遥信置于同一界面组态。

3）主接线图和故障模拟器分别组态。

4）采用逐级菜单切换模式进入目标界面，各级菜单设置如图2所示。

图2　人机界面规划

2.2建立地址标签库

人机界面通过读取或写入PLC的地址值实现与PLC的信息交互，因此需要对人机界面中的各元件进行地址配置。地址配置的方式有两种：①直接在元件属性中选择地址类型并输入地址编号；②从地址标签库中选择。由于该系统的控制量数量较为庞大，为了增强元件地址的可读性，采用建立地址标签库的方式，用于存储工程中需要使用的地址信息。地址标签库包含的信息有：标签名称、触摸屏编号、PLC编号与站号、数据类型、地址类型、地址。使用地址标签库能够实现批量修改和管理等操作，便于检查和更新，降低地址匹配错误率。

3 人机界面功能实现

3.1人机界面选型

目前市面上的人机界面种类繁多，如西门子的MP系列与计算机的通信功能较为强大，三菱的GOT1000系列可以作为服务器并通过计算机监视，富士的UG30系列能够通过发送邮件到手机的方式传递故障信息等［6］。该系统选择人机界面主要是以操作方便、编程简单为准则，选用了步科（Kinco）MT4512TE型号人机界面。Kinco的人机界面是专门面向PLC应用，且与系统选用的永宏FBs系列PLC间有较好的兼容性。

步科的人机界面组态采用其自主开发的专用组态软件Kinco HMIware实现人机界面的设计，通过自由组合的文字、按钮、图形、数字等来实现对PLC内部继电器的控制和数据缓存器的读写。

3.2人机界面制作

根据人机界面的元件是否能够直接实现逻辑功能，将制作过程分为常规功能和特殊功能分别实现。

1）常规功能实现

（1）遥控/遥信模块

遥控选用“位状态切换开关”元件实现开关分合闸控制，选中元件后将其拖动至组态区域即可进入属性设置：①利用地址标签库配置地址；②设置开关类型为“切换开关”，也即当对应地址中的值为0时分闸，值为 1时合闸；③选择开关图形；④设置“操作员确认”，防止误操作。遥信选用“位状态指示灯”元件实现开关分合闸状态的指示，组态过程与遥控的①～③相似。界面效果如图3所示（以A站 1#主变及线路 901为例），在下方遥控区域点按某个开关，开关图形颜色由绿变红表示开关由分闸切换至合闸。若操作成功，上方遥信区域对应开关将随之变化，指示当前开关状态。

图3　遥控/遥信界面

（2）遥测模块

遥测采用功能键“数值显示”反映遥测量的数值，界面效果如图4所示。遥测量的属性设置与遥控/遥信的不同之处在于数据类型的设置，为了提高数据显示的精度，在正确设置整数位数的基础上，要合理设置小数位数。目前遥测量的属性仅是显示数值，后续将完善检测功能（正常、异常、临界、越限、报警、坏数据等）以及其他功能。

图4　遥测界面

2）特殊功能实现

系统中有部分功能需要通过加入宏指令实现对元件的逻辑控制。Kinco HMIware的宏指令使用C语言源代码的编辑方式，实现逻辑和算术运算等特殊应用。将宏指令与相关元件配合使用，可实现元件本身无法实现的逻辑和运算功能。以实现线路不同长度组合为例介绍宏指令的应用：①功能分析，确定元件类型；选择“多状态切换开关”元件作为宏指令执行载体，在属性中设置地址和标签，即当值为0时显示5km，值为1时显示10km，值为2时显示15km；②定义宏变量；③编写宏代码；原理：元件地址值为0时，合开关1及开关2，线路长度设定为5km；值为1时，合开关1且分开关2，线路长度设定为10km；值为2时，分开关1及开关2，线路长度设定为15km；④宏指令与元件匹配；在对应元件属性中选择“触发宏操作”；⑤编译，模拟。宏指令编写界面如图5所示。

图5　宏指令编辑界面

3.3人机界面优化

人机界面作为实现人机交互的载体，不仅要求能够实现功能，还需要充分考虑界面布局的合理性和美观性，以及用户体验是否流畅等。因此，在完成上述的功能实现后，还应根据以下几个原则进行布局优化［7-8］：①布局无障碍原则：如遥控/遥信界面中，遥信体现在接线图中，遥控元件集中放置。采用上下布局形式组态；②界面一致性原则：如所有控制功能同属一类的界面，其内容和布局应尽量一致，使之在界面切换过程中不因界面的变化而显得杂乱无章；③颜色合理使用原则：如选用的开关按钮和状态指示灯的图形是否符合电力标准（如：绿色代表分闸状态、红色代表合闸状态）等。

3.4人机界面检测与下载

完成界面制作后进行工程编译，若编译结果提示工程存在错误或警告，根据提示找出原因并修改。若编译通过，则可以在模拟方式下试用界面功能。模拟分为离线模拟和在线模拟，离线模拟不需要与PLC连接，可以测试元件功能是否正常；在线模拟需要连接PLC获得数据，可以检验地址匹配是否正确。采用模拟试用可以减少下载时间，便于即时修改。完成上述操作即可下载至触摸屏实体上进行测试应用，Kinco HMIware提供3种下载方式：USB、串口、网口，通常采用USB下载方式，简单快捷。

4 结论

随着对配电网研究的逐步深入，基于配电网动态模拟系统的试验研究将会更加普遍。网络化人机交互界面的应用能够便捷实现就地操作和实时监测，文中详细描述了人机界面制作的方案确定思路，功能实现过程，与PLC的通信方式等。通过对人机界面与PLC的组合控制，在已建成的配电网动态模拟系统上经过多次试验测试，不仅增强了设备控制的可靠性，而且充分展现了人机界面操作便捷、界面友好等优势。

［1］杨德先，陈德树，张凤鸽，等. 现代电力系统动态模拟实验室建设和运行［J］. 电力系统保护与控制，2010，38（9）：118-121，125.

［2］周泽昕，周春霞，董明会，等. 国家电网仿真中心动模实验室建设及继电保护试验研究［J］. 电网技术，2008，38（22）：50-55.

［3］潘贞存，高厚磊，王新超，等. 电网静态模拟系统的计算机监控［J］. 电力系统及其自动化学报，2001，13（1）：7-11，49.

［4］付育颖，王浩. 电力系统动态模拟综述［J］. 中国电力教育，2008（S3）：517-519.

［5］Kinco HMIware 组态编辑软件使用手册，上海步科自动化股份有限公司.

［6］廖常初. 人机界面的发展趋势［J］. 电气应用，2006，25（12）：14-16.

［7］邱金升. PLC和触摸屏组合控制系统的实践［J］. 科技创新与应用，2015（31）：136-136.

［8］钱昆. 触摸屏界面通用设计原则分析［J］. 信息技术与信息化，2015（6）：152-153.

Design of Network Human-machine Interaction Interface for Physical Simulation System of Complex Distribution Network

Zhuang Meiyuan1Yang Gengjie1Gao Yuan2Hong Cui1
（1.College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116；2. State Grid Fujian Electric Power Research Instituteujian，Fuzhou 350007）

Based on the Kinco MT4512 HMI （Human-Machine Interface），a human-machine interaction interface system for a dynamic simulation system of the distribution network is designed. Through the analysis of system structure and function，based on the modular thought，a set of design scheme is put forward，and the realization process is introduced in detail. By combining with PLC using Ethernet communication mode，it can realize automation control for dynamic simulation system. After practical application，it shows that the design of HMI can finish on-site operation and real-time monitoring well，and it can effectively improve the reliability and stability of the simulation system.

human-machine interaction； HMI； ethernet； PLC； dynamic simulation system of distribution network

庄美圆（1992-），女，福建莆田人，硕士研究生，主要研究方向为配电网及其自动化。