莊美圓楊耿杰高 源洪 翠

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

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復(fù)雜配電網(wǎng)物理模擬系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

莊美圓1楊耿杰1高 源2洪 翠1

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

以步科 MT4512人機(jī)界面為載體，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)配電網(wǎng)動(dòng)模系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。通過對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的分析，基于模塊化思想，提出了一套設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)過程。采用以太網(wǎng)通信方式實(shí)現(xiàn)與PLC組合控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)模系統(tǒng)自動(dòng)化控制。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，能夠較好地實(shí)現(xiàn)就地操作和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能，能有效提高模擬系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

人機(jī)交互；觸摸屏；以太網(wǎng)；PLC；配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)與用戶之間電能傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，其供電可靠性至關(guān)重要。為了提高配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，研究其運(yùn)行特性和故障狀態(tài)就顯得尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)，需要理論分析和試驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合，而由于配電網(wǎng)運(yùn)行的特殊性，如短路試驗(yàn)會(huì)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此通常不能直接在配電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［1］，這就使得電力研究人員必須通過建立仿真模型來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)是根據(jù)相似原理保證在模型上所反應(yīng)的過程和實(shí)際系統(tǒng)的過程相似，且二者的物理實(shí)質(zhì)要相同［2］。相比于靜態(tài)模擬系統(tǒng)和數(shù)字仿真等方法，動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)能夠很好地復(fù)制電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)研究人員的研究能夠提供更大的幫助［3-4］?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，將動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到配電網(wǎng)中，建立配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，能夠解決配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備間距小等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)研究造成的問題。

人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)是基于自主開發(fā)的一套復(fù)雜配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用。該配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)為了真實(shí)地模擬實(shí)際配電網(wǎng)，采用了數(shù)量眾多的PLC實(shí)現(xiàn)通信功能和控制功能，而人機(jī)界面的應(yīng)用能更好地發(fā)揮PLC的作用。通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)開關(guān)投切、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)讀取，參數(shù)設(shè)置等多項(xiàng)就地控制功能，為系統(tǒng)提供簡單便捷的操作，降低誤操作概率。

1 配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前我國 10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)中，主要采用架空線和電纜線相結(jié)合的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際配電網(wǎng)中常見的接線模式，配電網(wǎng)動(dòng)模系統(tǒng)的主接線設(shè)計(jì)如圖1所示。對(duì)于當(dāng)前配電網(wǎng)中其他接線方式，如有需要可以通過其他方式擴(kuò)展。如自愈功能可以通過與配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息交互實(shí)現(xiàn)；花瓣式接線可以通過饋線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)；對(duì)于分布式電源的接入，也可以通過預(yù)留的接入節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)等。

圖1　配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)主接線

主接線中所有饋線均有設(shè)置分段開關(guān)，用于模擬真實(shí)配電網(wǎng)多分段、多分支和多聯(lián)絡(luò)的復(fù)雜接線情況。該系統(tǒng)包含2座變電站，B變電站擁有兩臺(tái)相同容量的變壓器，通過單母線分段接線方式連接，可模擬負(fù)荷中心變電站。A變電站與B變電站通過電纜連接多個(gè)環(huán)網(wǎng)柜，可模擬城市或城郊變電站。該系統(tǒng)既可以將3臺(tái)變壓器分別獨(dú)立運(yùn)行，也可以模擬3個(gè)電源配合的運(yùn)行情況，從而實(shí)現(xiàn)模擬多源復(fù)雜配電網(wǎng)的運(yùn)行。

配電網(wǎng)動(dòng)模系統(tǒng)的控制部分由集中控制設(shè)備、分布式控制模塊、故障模擬器、故障錄波裝置以及監(jiān)控軟件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。其中，集中控制設(shè)備由人機(jī)界面和PLC組合，通過以太網(wǎng)通信方式，完成相應(yīng)的系統(tǒng)操作。

1.2人機(jī)交互功能

根據(jù)主接線圖將系統(tǒng)按照控制對(duì)象分為：常規(guī)電源控制模塊、饋線單元控制模塊、環(huán)網(wǎng)柜控制模塊以及故障模擬模塊等。各模塊人機(jī)交互的功能需求如下：

1）常規(guī)電源控制模塊：實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制和信息采集，包括線路開關(guān)投切，三相及零序電壓、電流的顯示，更改系統(tǒng)的接地方式等。

2）饋線單元控制模塊：饋線分為電纜、架空線以及纜線可切換線路三種。控制開關(guān)投切，實(shí)現(xiàn)饋線長度的改變和饋線類型的切換，模擬長度可變的全電纜、全架空或纜線混合線路。

3）環(huán)網(wǎng)柜控制模塊：實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，模擬實(shí)際開關(guān)動(dòng)作特性，并提供信號(hào)源給FTU，實(shí)現(xiàn)FTU的功能和性能測(cè)試。

4）故障生成控制模塊：實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，模擬產(chǎn)生三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路、斷線等多種故障。且需要設(shè)置閉鎖控制，防止失控。

1.3通信方式

人機(jī)界面與PLC間的通信常采用串口通信和以太網(wǎng)通信兩種方式，串口通信包含RS232和RS485等，通信接口及編程簡單，但傳送速度較慢。以太網(wǎng)通信有通信速度快，通信效率高，易于安裝且兼容性好等優(yōu)勢(shì)［5］。步科MT4512TE觸摸屏同時(shí)支持以太網(wǎng)通信和串口通信，由于動(dòng)模系統(tǒng)中，有13臺(tái)PLC分別對(duì)電源模塊、饋線模塊和環(huán)網(wǎng)柜模塊進(jìn)行控制，綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸速度、通信效率和布線方便性等因素，采用以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)一臺(tái)觸摸屏對(duì)多臺(tái)PLC的控制，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化人機(jī)交互的要求。操作員通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)與動(dòng)模系統(tǒng)的信息交互，動(dòng)模系統(tǒng)的主站通過 IEC 60870-5-104通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的信息交互。

2 人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)方案

2.1界面設(shè)計(jì)規(guī)劃

結(jié)合配電網(wǎng)動(dòng)模系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能需求，采用模塊化方法將人機(jī)界面設(shè)計(jì)的規(guī)劃方案確定如下：

1）按照3臺(tái)變壓器的供電對(duì)象和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為：A站1#主變及線路901，B站1#主變及線路911、912，B站2#主變及線路921、922，以及1#-4#環(huán)網(wǎng)柜共7個(gè)模塊。

2）按照操作功能歸類主要分為遙控、遙信和遙測(cè)，為了便于在開關(guān)投切的同時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)狀態(tài)，以確保開關(guān)分合閘成功，將遙控與遙信置于同一界面組態(tài)。

3）主接線圖和故障模擬器分別組態(tài)。

4）采用逐級(jí)菜單切換模式進(jìn)入目標(biāo)界面，各級(jí)菜單設(shè)置如圖2所示。

圖2　人機(jī)界面規(guī)劃

2.2建立地址標(biāo)簽庫

人機(jī)界面通過讀取或?qū)懭隤LC的地址值實(shí)現(xiàn)與PLC的信息交互，因此需要對(duì)人機(jī)界面中的各元件進(jìn)行地址配置。地址配置的方式有兩種：①直接在元件屬性中選擇地址類型并輸入地址編號(hào)；②從地址標(biāo)簽庫中選擇。由于該系統(tǒng)的控制量數(shù)量較為龐大，為了增強(qiáng)元件地址的可讀性，采用建立地址標(biāo)簽庫的方式，用于存儲(chǔ)工程中需要使用的地址信息。地址標(biāo)簽庫包含的信息有：標(biāo)簽名稱、觸摸屏編號(hào)、PLC編號(hào)與站號(hào)、數(shù)據(jù)類型、地址類型、地址。使用地址標(biāo)簽庫能夠?qū)崿F(xiàn)批量修改和管理等操作，便于檢查和更新，降低地址匹配錯(cuò)誤率。

3 人機(jī)界面功能實(shí)現(xiàn)

3.1人機(jī)界面選型

目前市面上的人機(jī)界面種類繁多，如西門子的MP系列與計(jì)算機(jī)的通信功能較為強(qiáng)大，三菱的GOT1000系列可以作為服務(wù)器并通過計(jì)算機(jī)監(jiān)視，富士的UG30系列能夠通過發(fā)送郵件到手機(jī)的方式傳遞故障信息等［6］。該系統(tǒng)選擇人機(jī)界面主要是以操作方便、編程簡單為準(zhǔn)則，選用了步科（Kinco）MT4512TE型號(hào)人機(jī)界面。Kinco的人機(jī)界面是專門面向PLC應(yīng)用，且與系統(tǒng)選用的永宏FBs系列PLC間有較好的兼容性。

步科的人機(jī)界面組態(tài)采用其自主開發(fā)的專用組態(tài)軟件Kinco HMIware實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，通過自由組合的文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC內(nèi)部繼電器的控制和數(shù)據(jù)緩存器的讀寫。

3.2人機(jī)界面制作

根據(jù)人機(jī)界面的元件是否能夠直接實(shí)現(xiàn)邏輯功能，將制作過程分為常規(guī)功能和特殊功能分別實(shí)現(xiàn)。

1）常規(guī)功能實(shí)現(xiàn)

（1）遙控/遙信模塊

遙控選用“位狀態(tài)切換開關(guān)”元件實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合閘控制，選中元件后將其拖動(dòng)至組態(tài)區(qū)域即可進(jìn)入屬性設(shè)置：①利用地址標(biāo)簽庫配置地址；②設(shè)置開關(guān)類型為“切換開關(guān)”，也即當(dāng)對(duì)應(yīng)地址中的值為0時(shí)分閘，值為 1時(shí)合閘；③選擇開關(guān)圖形；④設(shè)置“操作員確認(rèn)”，防止誤操作。遙信選用“位狀態(tài)指示燈”元件實(shí)現(xiàn)開關(guān)分合閘狀態(tài)的指示，組態(tài)過程與遙控的①～③相似。界面效果如圖3所示（以A站 1#主變及線路 901為例），在下方遙控區(qū)域點(diǎn)按某個(gè)開關(guān)，開關(guān)圖形顏色由綠變紅表示開關(guān)由分閘切換至合閘。若操作成功，上方遙信區(qū)域?qū)?yīng)開關(guān)將隨之變化，指示當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)。

圖3　遙控/遙信界面

（2）遙測(cè)模塊

遙測(cè)采用功能鍵“數(shù)值顯示”反映遙測(cè)量的數(shù)值，界面效果如圖4所示。遙測(cè)量的屬性設(shè)置與遙控/遙信的不同之處在于數(shù)據(jù)類型的設(shè)置，為了提高數(shù)據(jù)顯示的精度，在正確設(shè)置整數(shù)位數(shù)的基礎(chǔ)上，要合理設(shè)置小數(shù)位數(shù)。目前遙測(cè)量的屬性僅是顯示數(shù)值，后續(xù)將完善檢測(cè)功能（正常、異常、臨界、越限、報(bào)警、壞數(shù)據(jù)等）以及其他功能。

圖4　遙測(cè)界面

2）特殊功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中有部分功能需要通過加入宏指令實(shí)現(xiàn)對(duì)元件的邏輯控制。Kinco HMIware的宏指令使用C語言源代碼的編輯方式，實(shí)現(xiàn)邏輯和算術(shù)運(yùn)算等特殊應(yīng)用。將宏指令與相關(guān)元件配合使用，可實(shí)現(xiàn)元件本身無法實(shí)現(xiàn)的邏輯和運(yùn)算功能。以實(shí)現(xiàn)線路不同長度組合為例介紹宏指令的應(yīng)用：①功能分析，確定元件類型；選擇“多狀態(tài)切換開關(guān)”元件作為宏指令執(zhí)行載體，在屬性中設(shè)置地址和標(biāo)簽，即當(dāng)值為0時(shí)顯示5km，值為1時(shí)顯示10km，值為2時(shí)顯示15km；②定義宏變量；③編寫宏代碼；原理：元件地址值為0時(shí)，合開關(guān)1及開關(guān)2，線路長度設(shè)定為5km；值為1時(shí)，合開關(guān)1且分開關(guān)2，線路長度設(shè)定為10km；值為2時(shí)，分開關(guān)1及開關(guān)2，線路長度設(shè)定為15km；④宏指令與元件匹配；在對(duì)應(yīng)元件屬性中選擇“觸發(fā)宏操作”；⑤編譯，模擬。宏指令編寫界面如圖5所示。

圖5　宏指令編輯界面

3.3人機(jī)界面優(yōu)化

人機(jī)界面作為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的載體，不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)功能，還需要充分考慮界面布局的合理性和美觀性，以及用戶體驗(yàn)是否流暢等。因此，在完成上述的功能實(shí)現(xiàn)后，還應(yīng)根據(jù)以下幾個(gè)原則進(jìn)行布局優(yōu)化［7-8］：①布局無障礙原則：如遙控/遙信界面中，遙信體現(xiàn)在接線圖中，遙控元件集中放置。采用上下布局形式組態(tài)；②界面一致性原則：如所有控制功能同屬一類的界面，其內(nèi)容和布局應(yīng)盡量一致，使之在界面切換過程中不因界面的變化而顯得雜亂無章；③顏色合理使用原則：如選用的開關(guān)按鈕和狀態(tài)指示燈的圖形是否符合電力標(biāo)準(zhǔn)（如：綠色代表分閘狀態(tài)、紅色代表合閘狀態(tài)）等。

3.4人機(jī)界面檢測(cè)與下載

完成界面制作后進(jìn)行工程編譯，若編譯結(jié)果提示工程存在錯(cuò)誤或警告，根據(jù)提示找出原因并修改。若編譯通過，則可以在模擬方式下試用界面功能。模擬分為離線模擬和在線模擬，離線模擬不需要與PLC連接，可以測(cè)試元件功能是否正常；在線模擬需要連接PLC獲得數(shù)據(jù)，可以檢驗(yàn)地址匹配是否正確。采用模擬試用可以減少下載時(shí)間，便于即時(shí)修改。完成上述操作即可下載至觸摸屏實(shí)體上進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用，Kinco HMIware提供3種下載方式：USB、串口、網(wǎng)口，通常采用USB下載方式，簡單快捷。

4 結(jié)論

隨著對(duì)配電網(wǎng)研究的逐步深入，基于配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)研究將會(huì)更加普遍。網(wǎng)絡(luò)化人機(jī)交互界面的應(yīng)用能夠便捷實(shí)現(xiàn)就地操作和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，文中詳細(xì)描述了人機(jī)界面制作的方案確定思路，功能實(shí)現(xiàn)過程，與PLC的通信方式等。通過對(duì)人機(jī)界面與PLC的組合控制，在已建成的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)上經(jīng)過多次試驗(yàn)測(cè)試，不僅增強(qiáng)了設(shè)備控制的可靠性，而且充分展現(xiàn)了人機(jī)界面操作便捷、界面友好等優(yōu)勢(shì)。

［1］楊德先，陳德樹，張鳳鴿，等. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)行［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（9）：118-121，125.

［2］周澤昕，周春霞，董明會(huì)，等. 國家電網(wǎng)仿真中心動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及繼電保護(hù)試驗(yàn)研究［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2008，38（22）：50-55.

［3］潘貞存，高厚磊，王新超，等. 電網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控［J］. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2001，13（1）：7-11，49.

［4］付育穎，王浩. 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬綜述［J］. 中國電力教育，2008（S3）：517-519.

［5］Kinco HMIware 組態(tài)編輯軟件使用手冊(cè)，上海步科自動(dòng)化股份有限公司.

［6］廖常初. 人機(jī)界面的發(fā)展趨勢(shì)［J］. 電氣應(yīng)用，2006，25（12）：14-16.

［7］邱金升. PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的實(shí)踐［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（31）：136-136.

［8］錢昆. 觸摸屏界面通用設(shè)計(jì)原則分析［J］. 信息技術(shù)與信息化，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，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116；2. State Grid Fujian Electric Power Research Instituteujian，F(xiàn)uzhou 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

莊美圓（1992-），女，福建莆田人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)及其自動(dòng)化。