基于RTDS和PLC的配电系统硬件在环仿真平台_宋关羽.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 7 期 2023 年 7 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.7 Jul.2023 收稿日期:2023-02-08 基金项目:国家自然科学基金项目（51977139）；天津大学实验室建设与管理改革项目（天大校资产20233 号）作者简介:宋关羽（1990），男，辽宁东港，博士，高级工程师，主要研究方向为智能配电网、微电网运行控制，。通信作者:苏江（1984），男，山西大同，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统动态模拟与运行控制，。引文格式:宋关羽，黄升宇，张良天，等.基于 RTDS 和 PLC 的配电系统硬件在环仿真平台J.实验技术与管理,2023,40(7):157-161.Cite this article:SONG G Y,HUANG S Y,ZHANG L T,et al.Hardware-in-the-loop simulation platform of distribution system based on RTDS and PLCJ.Experimental Technology and Management,2023,40(7):157-161.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.07.024 基于 RTDS 和 PLC 的配电系统硬件在环仿真平台 宋关羽1,2，黄升宇1，张良天1，胡博伟1，赵金利1，王智颖1,2，苏 江1,2（1.天津大学 智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2.天津大学 电气工程与自动化国家级虚拟仿真实验教学中心，天津 300072）摘 要：该文基于实时数字仿真器（RTDS）和可编程逻辑控制器（PLC）研发了配电系统硬件在环仿真平台，该平台由 NovaCor 仿真器、I/O、PLC、HMI 触摸屏和计算机组成。NovaCor 仿真器用于模拟配电系统运行状态；I/O 板卡用于数据实时交互；PLC 和 HMI 触摸屏用于调整配电网络结构和负荷，并实时监测配电系统的运行状态。该仿真平台采用模块化设计，可根据实验需要调整系统网络结构和运行参数，并通过开发相应的输入输出接口实现信息实时交互，提高了仿真平台的灵活性和可操作性。关键词：配电系统；硬件在环；实时数字仿真；仿真平台；可编程逻辑控制器 中图分类号：TM74 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)07-0157-05 Hardware-in-the-loop simulation platform of distribution system based on RTDS and PLC SONG Guanyu1,2,HUANG Shengyu1,ZHANG Liangtian1,HU Bowei1,ZHAO Jinli1,WANG Zhiying1,2,SU Jiang1,2(1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.National Virtual Simulation Experimental Teaching Center of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:In this paper,a hardware-in-the-loop simulation platform for distribution system is developed based on real-time digital simulation system(RTDS)and programmable logic controller(PLC).The hardware in the platform consists of NovaCor simulator,I/O,PLC,HMI,and PC.The NovaCor simulator can realize the simulation of the operation status of the distribution network in real time,and its data interaction is realized by I/O.The structure and loads of the distribution network can be adjusted using the touch screen and PLC,monitoring its real-time operation status.The modular-designed simulation platform can adjust the network and operation parameters according to experimental needs.The modular-designed simulation platform also improves its flexibility and operability by developing corresponding input and output interfaces for real-time information interaction on the platform.Key words:distribution system;hardware-in-the-loop;RTDS;simulation platform;PLC 随着“双碳”目标的提出和能源新技术的快速发展，配电系统作为分布式可再生能源灵活接入、有效消纳与高效利用的关键支撑平台，越来越受到关注1-2。现有的配电系统仿真平台多采用潮流计算稳态模拟软件3或离线电磁暂态仿真工具4-5：潮流计算稳态模拟忽略了配电系统的动态特性，且建模精度也略有不足；离线电磁暂态仿真虽然实现了配电系统精确建模，但无法实时反映网络结构、分布式电源和负荷变化对系统的动态影响，也无法为外部控制器提供策略验证的实验环境6。因此，亟需开发灵活、可靠的配电系统硬158 实 验 技 术 与 管 理 件在环仿真平台，以满足实验验证和测试的需求。配电系统硬件在环仿真平台包含虚拟对象（配电系统实例）和实物对象（外部策略控制器），能够实时反映系统的运行情况，具有置信水平高、安全性高和测试周期短等特点7，是未来实验测试平台的主要发展方向。近年来，已有大量关于配电系统仿真和实验平台建设的研究。例如：文献5采用电磁暂态仿真软件 EMTP-RV 开展电力系统离线仿真，并分析电力系统动态特性；文献8基于实时仿真平台 RTDS 进行了含光伏、燃料电池等分布式电源的有源配电网暂态实时仿真建模；文献9结合 RT-LAB、DSP 嵌入式系统、OPNET 网络仿真环境和配电网主站系统，设计了能量流与信息流深度交互的新型有源配电网CPS混合仿真平台；文献10使用 RT-LAB、OPNET 仿真套件，搭建了新型直流微电网信息物理系统实时仿真平台，并针对直流微电网分布式协同控制测试算例进行了仿真测试验证；文献11实现了基于 IEC 61850 标准的仿真平台柔性配电网“四遥”功能，为国内新型配电网实时仿真和 IEC 61850 标准研究提供了参考；文献12建立了基于事件驱动的配电网多状态暂态仿真模型；文献13建立了配电网典型电磁暂态仿真模型；文献14通过虚拟仿真与 3D 建模的方式，实现了微电网系统仿真分析与策略验证；文献15借助实时数字仿真器（RTDS）构建了硬件在环测试平台，对风电机组控制器进行次/超同步振荡风险分析。1 配电系统硬件在环仿真平台总体设计 基于 RTDS 和 PLC 的配电系统硬件在环仿真平台，可以实现配电系统的实时仿真建模和运行状态监测、控制。该平台设计和开发了基于 RTDS 的配电网实时仿真系统和基于 PLC 的配电网运行状态监测与控制系统，能够通过真实的外部控制器实时改变配电系统运行状态，并实时监测和反馈其运行情况。1.1 平台基本架构 图 1 为配电系统硬件在环仿真平台的基本架构。在该架构中，主机 1 使用 RSCAD 软件搭建配电系统实时仿真模型和配置参数，并配置输入输出接口。该模型通过以太网连接到 RTDS 硬件平台的 NovaCor 仿真器中，NovaCor 仿真器实时运行配电系统仿真模型。主机 2 使用 TIA Portal V15.1 软件设计控制程序和人机交互界面，通过以太网将程序分别下载至 PLC 和HMI 触摸屏中。PLC 可运行控制和监测程序，通过组态的 AQ、AI 等模块实现与 NovaCor 仿真器产生的模拟量和数字量信号交互。HMI 触摸屏可实时显示配电网的运行状态，同时具备改变配电网节点负荷、自动投切线路和控制线路通断等功能。图 1 配电系统硬件在环仿真平台架构 1.2 仿真平台软硬件 本仿真平台的硬件由两台上位机（主机）、NovaCor 仿真器、HMI 触摸屏、PLC 和相关扩展输入输出模块等组成，软件则包括 TIA Portal V15.1 和RSCAD。NovaCor 仿真器是 RTDS 实时数字仿真系统的硬件装置，该仿真器机箱包含 20 个 I/O 接口、4 个串行传输协议接口、6 个与其他机箱相连接的端口、12 个监测模拟输出通道。在本仿真平台中，NovaCor 仿真器通过 FPGA 与外部 I/O 板卡或者仿真单元进行数据交互，完成信息通信。西门子 S7-1200 PLC 是面向工程应用的模块化可编程逻辑控制器，可完成逻辑控制、HMI 人机交互和网络通信等任务。在本仿真平台中，PLC 作为控制器，通过 AI 输入模块采集 NovaCor 仿真器输出的电压、功率等模拟量和线路通断状态等数字量，实现对配电 宋关羽，等：基于 RTDS 和 PLC 的配电系统硬件在环仿真平台 159 网运行状态的实时监测；通过 AQ 输出模块发送被控节点的有功、无功功率和被控线路投切状态，实现对配电网运行状态的实时控制，完成硬件和软件交互。主机 1 配备了 RSCAD 仿真软件。在本平台中，该软件用于建立配电系统的实时仿真模型，并设置输入输出接口。搭建好模型后，将其下载到 NovaCor 仿真器中，实现配电系统实时仿真和数据输入输出功能，并与外部装置 PLC 和主机进行信息交互。主机 2 配备了 TIA Portal V15.1 软件。该软件包含 Step 7 和 WinCC 两部分，是 PLC 的控制系统开发软件。其中，Step 7 用于设置设备组态、IP 地址和以太网通信。通过编写程序将采集的模拟量信号转化为所需的节点状态量，并通过编写控制程序实现节点负荷调整、线路通断控制、低电压预警和线路自动投切等功能。WinCC 用于搭建人机交互界面，通过界面可直接观测配电网运行状态，通过改变节点负荷和投切线路可对配电网运行状态进行调整。在通信方面，主机 1 与 NovaCor 之间通过网线传输配电系统模型和参数等信息；主机 2、S7-1200PLC和 HMI 触摸屏通过以太网交换机连接并通信。其中，主机 2 将监测与控制程序传送至 PLC，将人机交互界面传送至 HMI 触摸屏。PLC 与 HMI 触摸屏之间可实时交互信息，实现配电系统运行状态的实时监测与控制。此外，PLC 与 NovaCor 之间借助各自的输入输出模块，通过串口传输模拟量和数字量信号。本平台对实时仿真的配电系统的运行状态进行监测与控制，具体流程如下。（1）主机 1 将配电系统模型和输入输出接口的配置程序下载到 NovaCor 仿真器，并进行实时仿真，实现配电系统运行状态的实时模拟。（2）NovaCor 仿真器通过 GTAO 和 GTDO 板卡将配电系统节点电压、负荷功率、线路通断等模拟量和数字量信息传送至 PLC 控制器 AI 模块。（3）PLC 控制器与 HMI 触摸屏实时交互信息，实时显示配电网的运行状态及参数。（4）通过 HMI 触摸屏改变配电系统节点负荷功率和投切线路。（5）PLC 控制器通过 GTAI 和 GTDI 板卡将系统参数传输给 NovaCor 仿真器，NovaCor 仿真器完成参数修改并进行实时仿真，然后将系统运行状态反馈给PLC 控制器，并在 HMI 触摸屏实时显示。2 配电系统实时仿真模型 配电系统实时仿真模型主要由线路、变压器、负荷和断路器等元件模型构成，这些元件的实时仿真模型属于电磁暂态模型范畴。（1）线路模型。由于配电系统供电半径通常不大，故使用以集中参数表示的 PI 型等效电路模型，通常可忽略线路对地电容的影响，以带互感耦合的多相 RL串联电路阻抗表示。（2）变压器模型。对于三相变压器模型，当不考虑公共磁路上的耦合与不对称情况时，使用三个单相的变压器模型，根据元件的拓扑连接关系，实现不同接线方式的三相变压器模型构建。当不考虑变压器饱和及磁滞等非线性特性时，使用单相线性变压器模型。（3）负荷模型。配电系统中的负荷一般使用 RL串联或 RL 并联支路模型进行模拟。对于给定的有功功率和无功功率值，可根据当前节点电压或支路电流的瞬时值，计算出电阻和电感的值，并参与时步仿真计算。（4）断路器模型。配电系统仿真断路器模型通常使用理想开关模型描述系统层面的动态过程。该过程不考虑开关状态切换时的非线性过程。在实时仿真中，使用双电阻模型对断路器进行建模。当断路器闭合时，使用小电阻进行模拟；当断路器断开时，使用大电阻进行模拟。3 配电系统硬件在环仿真平台设计 本文设计的配电系统硬件在环仿真平台如图 2所示，分为控制部分和被控部分，控制部分为配电网运行状态监测与控制系统，被控部分为配电网实时仿真系统，两部分通过 I/O 接口连接，实现信息实时交互。3.1 配电网实时仿真系统设计 结合配电系统电磁暂态模型、配电网实时仿真模型需求和 RSCAD 软件功能，选取了电源、线路、负荷、开关等典型元件，以及电压、功率等监测元件，建立配电系统实时仿真模型。在设计阶段，通过搭建或调整配电系统实时仿真模型，模拟不同规模、结构和电压等级的配电网。本文以 IEEE 33 节点配电网系统为例，搭建配电系统实时仿真模型，如图 3 所示，TS1TS5 为联络开关。配电网实时仿真系统的硬件部分包括 NovaCor仿真器和主机 1，软件部分则为 RSCAD，软件被装载在主机 1 中。配电网实时仿真系统搭建流程如下。（1）从 RSCAD 模块库中选取所需的模型，采用电阻、电感串联的线路模式，负荷采用动态 PQ 负荷。（2）结合图 3 中的配电网系统结构，在平台上搭建 IEEE 33 节点配电网算例。（3）按照给定的算例参数设定线路参数、负荷功率，将节点 1 设定为 PV 节点，其余节点设置为 PQ节点，并对系统的初始电压进行统一设置。160 实 验 技 术 与 管 理 图 2 配电系统硬件在环仿真平台实物图 图 3 IEEE 33 节点配电网算例结构图 （4）算例运行测试并设定待观测变量，使用3 Phases RMS 模块观测节点的三相电压，使用 Meter模块观测节点的有功/无功功率等。将系统运行观测值与理论计算值进行对比，并校验其正确性。（5）设置输入输出接口参数。在软件上选取GTAO、GTAI 和 GTDI 等模块，接入需要与 PLC 进行信息交互的电气量，并对输入输出变比进行适应性调整设定。（6）实时仿真系统整体运行调试，借助仪表读取板卡输出的电压信号，并将其与理论计算值进行比较，以校验接口设定的正确性。3.2 配电网运行状态监测与控制系统设计 配电网运行状态监测与控制系统硬件部分包括PLC（含 AI 模块、AQ 模块）和主机 2，软件部分则为 TIA Portal V15.1，软件被装载在主机 2 中。配电网运行状态监测与控制系统的搭建流程如下。（1）在 TIA Portal V15.1 软件中，搭建 PLC、AQ输出模块、AI 输入模块、HMI 触摸屏等硬件并完成组态。将主机 2、PLC 和 HMI 触摸屏的 IP 地址设定在同一网段下，从实现通信。（2）编写数字信号采集与转换程序，包括各线路通断情况和节点运行状态。在 TIA Portal V15.1 中定义接口地址，将对应接口与 GTDO、GTDI 板卡相连，实现数据交互，完成线路投切控制。（3）编写模拟信号采集与转换程序。PLC 通过拓展 AI 模拟量输入模块，采集实时电压信号。经标准化模块 NORM_X 得到标幺值，再根据不同量程的缩放模块 SCALE_X 得到对应监测状态量，并在 HMI 触摸屏实时显示。在 HMI 触摸屏上修改指定节点的有功功率，PLC 根据 NovaCor 仿真器设置，将所需改变负荷值转化为电压信号，经标准化和放缩后，得到对应数字量。数字量在扩展的 AQ 输出模块通过 GTAI 板卡输入到 NovaCor 仿真器，实现负荷动态调整。（4）使用 WinCC 软件设计人机交互界面。实时监测电源节点、负荷节点等 13 个节点功率及 12 条线路通断情况，HMI 人机交互界面如图 4 所示。图 4 HMI 人机交互界面 （5）硬件接线。使用接线连接 PLC 数字量输出接口与 GTDI 板卡、AI 输入模块与 GTAO 板卡、AQ 输出模块与 GTAI 板卡，使用 24 V 直流电源驱动信号。当配电网实时仿真系统运行后，人机交互界面会实时显示配电网运行状态信息。通过节点颜色表征负荷状态：绿色表示正常运行状态；灰色表示失电状态；闪烁红灯表示电压越限。通过点击控制负荷按钮可以 宋关羽，等：基于 RTDS 和 PLC 的配电系统硬件在环仿真平台 161 对指定节点的有功功率进行控制，如增加或减小，以观察配电网运行状态的变化。通过点击开关 1 和开关2，可以实现线路的通断控制。4 实验测试 以 IEEE 33 节点算例为例，对搭建的配电系统硬件在环仿真平台进行测试。IEEE 33 节点算例的电压等级为 12.66 kV，共有 32条支路和 5条联络开关支路。该算例有功负荷为 3 715 kW，无功负荷为 2 300 kW，有关负荷和线路的详细参数见文献16。本文设定了 3种实验场景进行测试验证。4.1 配电网故障及负荷转移 在 RSCAD 中打开搭建的 IEEE 33 算例文件，连接 NovaCor 仿真器进行实时仿真。同时，打开 PLC 和HMI 触摸屏，系统正常运行，系统损耗 202.68 kW（场景 1）。实验设置节点 616 间线路发生故障，节点2633 负荷全部失电，失电负荷达 920.00 kW，系统损耗 76.70 kW（场景 2）。当配电网运行状态监测与控制系统监测到线路故障或负荷失电时，HMI 人机交互界面会显示节点 626间线路断开（提示灯为灰色），以及节点 2633 负荷失电（提示灯为灰色）。通过触摸屏闭合联络开关 TS2（提示灯为绿色），可以使节点 2633 负荷全部复电，系统损耗为 206.36 kW（场景 3）。3 种场景电压情况如图 5 所示，图中纵轴表示电压标幺值。场景 2 部分节点失电，电压为 0，场景 3经负荷转供后恢复供电，恢复后的电压标幺值相比故障前略低。图 5 3 种场景各节点电压情况 实验验证了基于 RTDS 和 PLC 的配电系统硬件在环仿真平台的有效性。该平台可以实时交互配电网故障和开关动作信息，实现了配电网运行状态的实时监测，并验证了模拟量输出、数字量输入输出接口的有效性。4.2 配电网负荷变化及电压预警 在 RSCAD 中打开搭建的 IEEE 33 算例文件，连接 NovaCor 仿真器进行实时仿真。同时，打开 PLC 和HMI 触摸屏，系统正常运行。在该实验中，节点 6 的有功负荷为 60 kW，实验设置动态调整节点 6 的有功负荷，通过触摸屏按钮以 50 kW 为步长逐渐增大负荷。随着负荷的增大，节点电压持续降低。当节点 6 的有功负荷增加至 860 kW 时，节点 18 的电压标幺值由0.92 降低到 0.90，进而触发节点电压预警。同时，节点 提 示 灯 由 绿 色 变 为 红 色 并 闪 烁，系 统 损 耗 为277.94 kW。实验验证了平台能够实时改变负荷功率信息，并实现配电网功率和电压的实时监测与预警。同时，验证了模拟量输入输出接口的有效性。5 结语 本文基于 RTDS 和 PLC，设计了配电系统硬件在环仿真平台。采用配电系统电磁暂态仿真模型，基于RSCAD 软件和 NovaCor 仿真器建立了配电系统实时仿真系统，并利用 TIA Portal V15.1 软件对 PLC 和人机交互界面进行开发，完成硬件在环仿真平台的搭建。同时，对仿真平台进行了测试。测试结果表明，本仿真平台能够实时监测配电系统运行状态，并能对配电系统进行实时控制。在本仿真平台上进行配电系统运行控制策略验证，证明了仿真平台的灵活性与可操作性。该仿真平台可用于分析不同调控策略在配电系统中的应用效果，显著提升电气工程专业的人员对配电系统运行控制问题的理解与认识。参考文献(References)1 王成山，王瑞，于浩，等.配电网形态演变下的协调规划问题与挑战J.中国电机工程学报，2020,40(8):23852396.2 黄雨涵，丁涛，李雨婷，等.碳中和背景下能源低碳化技术综述及对新型电力系统发展的启示J.中国电机工程学报，2021,41(增刊 1):2851.3 王灿，孙建军，余攀，等.基于前推回代法的多供区互联配电网潮流计算J.电力系统自动化，2020,44(11):95101.4 董毅峰，王彦良，韩佶，等.电力系统高效电磁暂态仿真技术综述J.中国电机工程学报，2018,38(8):22132231,2532.5 宋关羽，赵金利，于浩，等.面向新型电力系统发展的三层次电气工程专业实践教学体系构建与实施J.实验技术与管理，2022,39(9):217221.6 王宇，刘崇茹，李庚银.基于 FPGA 的模块化多电平换流器实时仿真建模与硬件在环实验J.中国电机工程学报，2018,38(13):39123920,4033.7 杨春雨，卜令超，陈斌，等.基于 PLC 和 dSPACE 的带式输送机系统硬件在环仿真平台J.实验技术与管理，2021,38(12):9198.8 于力，许爱东，郭晓斌，等.基于 RTDS 的有源配电网暂态实时仿真与分析J.电力系统及其自动化学报，2015,27(4):1825.（下转第 177 页）邬宾杰，等：海洋调查船绞车遥控装置设计 177 2 丁洋.300 吨远洋船用拖曳绞车设计J.中小企业管理与科技，2016(4):177178.3 江峰，陈恺恺.浅析船用被动式恒张力控制液压绞车J.液压气动与密封，2013,33(11):3840.4 薛光辉，赵贺，孙宗正.基于 LoRa 技术的矿用无线复合传感器设计与实现J.煤炭工程，2020,52(4):166170.5 杨贵新，张燕芬,吴新.基于 LoRa 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