基于RT-LAB的高壓配電邏輯實時仿真研究與實現(xiàn)

王　清，趙　芳， 楊會敏，宋志鵬

（中國中車永濟電機公司， 陜西　西安　710016）

引言

一套高壓配電系統(tǒng)的軟硬件設計完成后，為了保證實際裝置及軟件程序的可行性和可靠性，通過半實物仿真試驗驗證是必不可少的。近年來，仿真技術以其經(jīng)濟性、可控性和安全性等特點得到了廣泛應用，以Matlab為代表的眾多仿真軟件使數(shù)字仿真技術進入到一個嶄新的階段[1]。Simulink是Matlab的一個工具箱,它不需用戶過多地了解數(shù)值問題，而是側重于系統(tǒng)的建模、分析與設計問題，其模塊化的結構及良好的人機界面再一次把數(shù)字仿真技術推向了一個新的高度。然而遺憾的是，Simulink卻沒有與硬件I/O的接口，不支持實時仿真。針對該軟件的不足，進行實時仿真就成為了解決該問題的突破口[2]。

加拿大Opal-RT公司開發(fā)的RT-LAB實時仿真平臺，它可以實現(xiàn)Matlab/Simulink的無縫連接。RT-LAB最大的特點是其開放性和可擴展性，它可以兼容標準的商業(yè)I/O板卡和PC處理器，從而降低了系統(tǒng)設計的成本，提高了集成性和擴展性[3]。

RT-LAB是一個分布式實時平臺，它能夠在很短的時間內(nèi)，以較低的花費，通過進行工程仿真或者是對實物在回路的實時系統(tǒng)建立動態(tài)模型，使得工程系統(tǒng)的設計過程變得更加簡單。RT-LAB的可測試性使得開發(fā)者能夠把計算機使用到任何需要應用的地方；其應用的靈活性使它能夠應用于解決最復雜的仿真和控制問題，目前，它已經(jīng)成功應用于硬件在回路實時仿真測試或者快速原型的開發(fā)、控制與測試領域[4]。

本文利用RT-LAB平臺搭建了一套某車型高壓配電系統(tǒng)的半實物仿真測試系統(tǒng),完成了高壓配電設備邏輯時序控制測試，該系統(tǒng)由受電弓（受電弓故障工況下由車間電源或蓄電池電源替代）連接一套高壓配電設備，直流高壓經(jīng)過高壓配電設備后，分別給車載空調(diào)和兩套變流器供電，實現(xiàn)兩套變流器及車載空調(diào)的高壓配電。高壓配電內(nèi)部設備主要包含斷路器、接觸器、熔斷器等。高壓設備連接兩套變流器，兩套變流器分別控制兩臺電機，兩套變流器可以完全獨立工作。

1　半實物仿真硬件平臺搭建

在半實物仿真測試系統(tǒng)中，牽引控制單元（TCU）為真實設備，搭建高壓配電系統(tǒng)的拓撲、數(shù)字輸入量、數(shù)字輸出量和模擬量輸出等模型運行在仿真機中。半實物仿真硬件平臺主要包括：1臺上位機、1臺RT-LAB仿真機和2臺牽引控制單元（TCU）及錄波儀。其中仿真機的作用為：一是模擬牽引控制單元的控制對象，在本文中主要為斷路器、接觸器的通斷信號。二是模擬司機室發(fā)出的控制指令給TCU，TCU中內(nèi)嵌控制程序，主要作用是響應司機室發(fā)出的控制指令，并對被控對象進行控制。下頁圖1和圖2分別為半實物仿真硬件平臺框圖及實物圖。

本文搭建的半實物仿真平臺主要實現(xiàn)牽引系統(tǒng)高壓配電邏輯的測試。仿真機中的CPU模擬司機控制室，給TCU發(fā)送控制指令，并通過上位機界面監(jiān)測狀態(tài)反饋信號；OP5330為模擬量輸出板卡，其主要作用是從系統(tǒng)邏輯測試模型中采集模擬量輸出給兩臺TCU參與控制；OP5353為數(shù)字量輸入板卡，當TCU收到司機室發(fā)出的指令后，通過OP5353板卡向系統(tǒng)邏輯測試模型發(fā)送指令，用于控制接觸器、斷路器通斷；OP5354為數(shù)字量輸出板卡，TCU發(fā)送指令給系統(tǒng)主電路，主電路通過OP5354發(fā)送狀態(tài)反饋量給TCU參與控制。系統(tǒng)中所有的控制指令和狀態(tài)反饋量都可通過錄波器進行全程實時監(jiān)控和記錄。

圖1　半實物仿真硬件平臺框圖

圖2　半實物仿真硬件平臺實物圖

2　系統(tǒng)邏輯軟件流程及測試結果分析

圖3給出了測試過程中的具體操作流程。圖中上電流程參照高壓配電設備接觸器物理位置。首先上電自檢，包括模擬量、數(shù)字量、狀態(tài)量采樣是否都正常；系統(tǒng)自檢通過后，選擇主控車（本文中選擇TCU2為主控車，TCU1為從控車），系統(tǒng)同時只允許一個TCU做為主控車；選擇主控車后才可以選擇供電方式，供電方式包括電網(wǎng)供電、車間電源供電和蓄電池供電，并且同時只允許選擇一種供電方式。當前供電方式故障時，可以切換為另外兩種供電方式；選擇供電方式后，檢查系統(tǒng)中相關的接觸器動作和狀態(tài)反饋正常后，確認電源配電成功；最后就可以控制相應的變流器進行牽引制動等工況的運行。

圖4是根據(jù)圖3的流程，采集的12路接觸器、開關、狀態(tài)反饋量的時序圖。

1）為了確保系統(tǒng)初始狀態(tài)的正確性，在高壓配電系統(tǒng)啟動之前需要系統(tǒng)自檢，軟件設置為降弓到位信號置1，即P=1，確定弓網(wǎng)是降弓狀態(tài)。

2）自檢完成后，首先讓降弓到位信號置0，即P=0，為升弓狀態(tài)。然后司機室給出主從選擇信號，本文中選擇TCU2為主機，TCU1為從機，相應的指令信號狀態(tài)為Z1=0，Z2=1。

圖3　測試操作流程圖

圖4　接觸器動作時序波形圖

3）高壓配電系統(tǒng)有3種供電方式，分別為弓網(wǎng)供電，車間電源供電和蓄電池供電。系統(tǒng)啟動后，只能選擇一種供電方式。只有在當前供電電源故障或者司機室操作選擇另外兩種供電電源時，才能被切換。本文中首先選擇弓網(wǎng)供電方式，司機室發(fā)送選擇弓網(wǎng)供電指令Q1=1，TCU給高壓系統(tǒng)發(fā)送電網(wǎng)控制指令KM1=1，司機室發(fā)送斷路器合閘按鈕指令CB_H=1后，相應的斷路器狀態(tài)反饋CB=1，空調(diào)控制指令KM3=1。此時，高壓配電系統(tǒng)在弓網(wǎng)供電情況下完成配電功能。

4）當弓網(wǎng)供電電源故障或者司機室操作選擇車間電源供電方式，先讓CB_H合閘按鈕清0，相應CB_F分閘按鈕置1，斷弓網(wǎng)供電Q1=0，待降弓到位信號P為1時，切換為車間電源Q2=1；當車間電源供電被選擇后，判斷降弓到位信號P是否為1，若是，相應KM1動作、待CB_H合閘按鈕選通后，進行CB動作、KM3動作。此時，高壓配電系統(tǒng)在車間電源供電情況下完成配電功能。

5）車間電源切換為蓄電池供電：首先CB_H合閘按鈕清0，相應CB_F分閘按鈕置1，斷車間電源供電Q2=0，切換為蓄電池供電電源Q3=1；當蓄電池供電被選擇后，判斷降弓到位信號P是否為1，若是，相應蓄電池牽引控制指令KM2動作，待CB_H合閘按鈕選通后再進行CB動作。此時，高壓配電系統(tǒng)在蓄電池電源供電情況下完成配電功能。

6）蓄電池切換弓網(wǎng)供電：首先CB_H合閘按鈕清零，相應CB_F分閘按鈕置1，斷蓄電池供電Q3=0，切換為弓網(wǎng)供電Q1=1，按步驟3進行。

7）主從互換：先讓CB_H合閘按鈕清零，相應CB_F分閘按鈕置1，斷弓網(wǎng)供電Q1=0，令Z2=0，Z1=1，此時TCU1為主機，TCU2為從機。

通過對上頁圖4時序波形圖分析，系統(tǒng)完全按照上頁圖3所示流程程序代碼實現(xiàn)。通過RT-LAB半實物仿真測試，實現(xiàn)了高壓配電設備邏輯測試驗證并達到預期的要求。

3　結語

本文所搭建的牽引系統(tǒng)高壓配電邏輯半實物仿真模型，以及所設計的邏輯控制算法在RT-LAB半實物仿真平臺和牽引控制單元（TCU）中能正確運行。實驗結果表明，系統(tǒng)邏輯時序完全按照程序算法設定的目標實現(xiàn)，驗證了TCU程序中設計的邏輯時序的正確性，為后續(xù)系統(tǒng)在現(xiàn)場試驗起到關鍵的指導作用，同時縮短及降低了試驗周期和成本。

[1]單家元，丁艷.半實物仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]上?？屏还?實時分布式仿真與測試[Z].上海：上?？屏嚎萍及l(fā)展有限公司，2004.

[3]薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用[M].北京：清華大學出版社,2001.

[4]常曉飛，符文星，閏杰.RT-LAB在半實物仿真系統(tǒng)中的應用研究[J].測控技術，2008，27（10）：75-78.