基于实时仿真系统的交流信号状态序列发生器的仿真建模

刘 霡

（三峡大学国际文化交流学院，湖北宜昌 44300）

0 引言

电力系统中的测控、保护装置均是采集系统电压、电流并提取特征值实现正常工作的，装置的研发和调试阶段，通过电力系统仿真系统模拟电力系统运行工况或采用继电保护测试仪模拟电压、电流状态序列，可以为装置提供一定的试验环境，提高产品的开发周期。电压电流状态序列指的是交流量在若干个时间段内，依次发生变化，近似模拟电力系统某一特定的运行工况，如线路区内故障，保护跳闸，并重合闸。状态序列的特征有三相电压、三相电流同步变化，序列时间精确控制等。电力系统实时仿真器不仅具备电力系统动态仿真功能，还具有继电保护测试仪的状态序列模拟功能，但需搭建对应的控制触发逻辑才能实现状态序列的输出。基于电力系统实时仿真系统，开发一个通用型、高集成度的状态序列触发逻辑，可以进一步增强实时仿真系统的灵活应用。

基于模块化的设计思想，基于实时仿真系统分别开发了初始化配置模块、通道切换模块及序列精确控制逻辑模块等，实现了通用型、高集成度的状态序列的精确控制序列的设计，有助于提升电力系统二次测控设备的开发、调试效率。

1 系统概述

交流电压、电流状态序列发生器，需具备使用便捷、序列控制精确、高集成度等特点。采用模块化设计思路，完成状态序列发生器控制逻辑的设计，如图1所示为状态序列发生器结构框图。

图1 状态序列发生器结构框图

序列发生器主要有四部分组成：初始化、通道切换、信号发生及序列精确控制逻辑部分。初始化模块的主要功能为定义状态序列个数、各状态序列的电压电流幅值、各状态序列的持续时间等。通道切换模块的主要功能为实时接收状态序列精确控制模块的通道切换信号，并执行电压通道、电流通道的顺序切换。状态序列精确控制模块，根据状态序列个数及各状态序列持续时间，执行精确时序的顺序控制。信号发生模块实时接收交流信号的幅值，结合预定的相角和频率，合成交流信号并输出。

2 建模设计

以具有6个状态的电压电流序列为例，开展设计思路的介绍。图2所示的通道切换逻辑图中，Ux_Init（x=a，b，c）、Ix_Init（x=a，b，c）为电压电流初始状态的幅值；Ux_End（x=a，b，c）、Ix_End（x=a，b，c）为电压电流结束状态的幅值。Ux_Stan（x=a，b，c）、Ix_Stan（x=a，b，c）为第n（n=1，2，3，4，5，6）个状态下，电压电流的幅值。Seq_Num为状态序列序号标志位，即，第n个状态期间，Seq_Num=n，且通道选择器将对应状态的幅值输出给M_Ux（x=a，b，c）和M_Ix（x=a，b，c）。

图2 通道切换逻辑图

状态序列精确控制逻辑如图3所示，主要有三部分组成：序列启动与终止触发逻辑、状态序列精确控制子模块、状态序列集成逻辑。各序列的幅值与时间初始化完成之后，触发序列启动按钮，控制逻辑启动计时器，并触发状态1启动信号，状态1

工作标志位置1，状态1执行结束之后自动闭锁状态1，且该闭锁信号为状态2的启动信号，依次执行各状态序列。当最后一个状态序列执行结束并闭锁后，触发终止序列逻辑，状态序列执行结束。

图3 状态序列精确控制逻辑

图3 所示中，En_Sta1为启动状态1信号，Timer为时钟信号，Sta6为状态序列6的运行标志位，下降沿触发逻辑终止程序。Dis_Sta1为序列1闭锁信号，Dt_Sta1为状态1持续时间定值。状态序列集成逻辑主要负责Seq_Num数值的生成，如状态序列3运行阶段，其他序列标志位均为0，Sta3=1，实现了Seq_Num与正在执行序列产生关联，该信号经过简答的运算加工，可以灵活的应用于通道选择模块。

3 仿真算例

为验证所设计的状态序列精确控制逻辑的有效性，在仿真系统中进行了控制逻辑的建模，并设计了仿真算例进行试验验证。表1所示为初始化模块各序列阶段的电压幅值、电流幅值及序列持续时间定值，图4、图5分别为试验录波图。

表1 状态序列初始化定值

图4中，Timer为状态序列中的计时器时钟信号，仿真算例中6个状态序列的时间长度为1.2s，Seq_Num为序列标志位，试验过程中依次从0递增到6。Start标志位贯穿状态序列始末。分析各序列标志位可知，对应序列标志位保持时间与设定值一致。

图4 序列标志位录波图

图5中，U1A，U1B，U1C为三相电压状态序列录波，I1A，I1B，I1C为电流状态序列录波，Rms_U为三相电压有效值，Rms_I为三相电流有效值。

图5 交流状态录波图

分析图5可知，状态1（0.0s～0.1s）区间内，电压、电流有效值为0；状态2（0.1s～0.3s）区间内，电压、电流有效值为2；状态3（0.3s～0.6s）区间内，电压、电流有效值为3；状态4（0.6s～0.9s）区间内，电压、电流有效值为4；状态5（0.9s～1.1s）区间内，电压、电流有效值为5；状态6（1.1 s～1.2s）区间内，电压、电流有效值为6，满足设定预期。

4 结语

所开发的模块化、高集成的电压电流状态序列精确控制逻辑，实现了基于实时仿真系统平台下的状态序列的便捷配置、精确发生，对电力系统测控、保护装置的开发调试，具有一定的促进作用。对各个子模块的核心原理展开了介绍，基于电力系统实时仿真系统进行了仿真建模，并设计了典型的仿真算例，进行逻辑验证。试验结果表明，所提出的控制建模方法是有效可行的，对测控、保护装置开发人员具有一定的参考价值。