特高壓直流輸電現(xiàn)場(chǎng)層模擬仿真技術(shù)應(yīng)用

楊廣羽，劉敏，馮廣濤，王彥賓

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

特高壓直流輸電現(xiàn)場(chǎng)層模擬仿真技術(shù)應(yīng)用

楊廣羽，劉敏，馮廣濤，王彥賓

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

介紹了特高壓直流輸電系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)層模擬仿真技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，分析了 SIMIT仿真模擬器裝置及PROFIBUS DP總線協(xié)議的主要功能。根據(jù)6MD和DFU測(cè)控裝置的不同特性，現(xiàn)場(chǎng)層模擬技術(shù)配置相應(yīng)的模擬裝置及接口信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用，即采用硬件接口模擬及現(xiàn)場(chǎng)總線通訊模型仿真方式，完全模擬直流工程PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線及測(cè)控功能。從而在動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)中做到用最少的資源完成控制保護(hù)主機(jī)完整的閉環(huán)控制。

特高壓直流；現(xiàn)場(chǎng)層模擬裝置；仿真技術(shù)；現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議；仿真應(yīng)用。

0 前言

隨著高壓直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，目前高壓直流工程具有更高的電壓等級(jí)、更大的輸送容量和更遠(yuǎn)的傳輸距離等特點(diǎn)。這就對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備在可靠性和功能完善性上提出了更高的要求[1]。目前，RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)是開展高壓直流控制保護(hù)試驗(yàn)最廣泛和最有效的手段之一[2]。國(guó)內(nèi)驗(yàn)證控制保護(hù)系統(tǒng)性能常規(guī)的做法就是利用RTDS數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)(Dynamic Performance Test)，簡(jiǎn)稱DPT實(shí)驗(yàn)。但RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)的仿真能力有限，以處理器GPC為例，1個(gè)Rack僅能計(jì)算66個(gè)觸點(diǎn)和56個(gè)開關(guān)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足直流換流站交直流場(chǎng)斷路器、隔刀、地刀等眾多設(shè)備的閉環(huán)控制需求。

直流換流站每種一次設(shè)備都有大量的模擬量及開關(guān)量的告警、命令及設(shè)備狀態(tài)信息。這些通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置處理的信息不但要用于連鎖、邏輯判斷，還需要送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)用于顯示。但眾多I/O現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置的設(shè)備全部參與DPT實(shí)驗(yàn)，不但需要巨大的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，而且屏間接線工作繁瑣，需要占用大量的人力、物力及時(shí)間周期。而且大量的斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等一次設(shè)備不能在RTDS里面進(jìn)行一次模擬，會(huì)出現(xiàn)“無(wú)控而控”情況，不能滿足直流工程動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)完全模擬直流工程現(xiàn)場(chǎng)的需求?，F(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)的應(yīng)用，不但完全可以解決上述問(wèn)題，還能完全模擬直流工程PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線及測(cè)控功能。從而做到在直流工程的動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)中，完成控制保護(hù)主機(jī)完整的閉環(huán)控制。下面以±800 kV普僑直流工程為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層模擬器SIMIT從工程應(yīng)用方面進(jìn)行分析和探討。

1 現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置功能介紹

實(shí)際直流工程的直流控制保護(hù)系統(tǒng)具體分層結(jié)構(gòu)圖見圖1：主要分為運(yùn)行人員控制層、控制保護(hù)

設(shè)備層、現(xiàn)場(chǎng)層、一次系統(tǒng)設(shè)備層?，F(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置位于現(xiàn)場(chǎng)層中，主要完成信號(hào)采集，處理及與主站進(jìn)行PROFIBUS DP協(xié)議總線通訊等功能。

圖1 特高壓控制保護(hù)系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

1.1 主要現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置

根據(jù)±800 kV特高壓直流工程就地測(cè)控的設(shè)計(jì)要求，交流場(chǎng)、交流濾波器組、直流場(chǎng)等裝置連鎖邏輯需求放在現(xiàn)場(chǎng)層來(lái)配置，配置6MD測(cè)控裝置；對(duì)于只有信號(hào)采集功能需求的，如交流站接口、換流變接口屏等，為了節(jié)約成本，配置DFU系列的I/O測(cè)控裝置。

DFU測(cè)量控制裝置是一個(gè)采用微處理器分布式現(xiàn)場(chǎng)控制裝置。它主要作用為：進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制層一次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)執(zhí)行主控站的控制輸出命令。DFU裝置通過(guò)PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線與主站進(jìn)行通信，并支持冗余的通信接口配置。在±800 kV普僑直流工程，DFU測(cè)控裝置主要用于換流變壓器分接頭及告警信號(hào)的采集和控制等信號(hào)的采集。

6MD測(cè)量控制裝置是采用微處理器現(xiàn)場(chǎng)控制裝置。它不但能完成測(cè)控I/O的數(shù)據(jù)采集處理功能，還能夠完成開關(guān)連鎖控制功能。它主要作用為：進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理及數(shù)據(jù)上傳，進(jìn)行相應(yīng)開關(guān)連鎖邏輯，控制輸出命令；它不但可以通過(guò)PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線與主站進(jìn)行通信，還可以通過(guò)裝置間的裝置內(nèi)部通訊(Inter-device communication)，簡(jiǎn)稱IDC通訊。這種通訊方式使得信息可以在各個(gè)控制單元之間互相傳遞，而不需要PROFIBUS DP主站的干預(yù)。在±800 kV普僑直流工程，6MD控制裝置主要用于換流站交、直流場(chǎng)開關(guān)及閥廳接口等現(xiàn)場(chǎng)層控制。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)層裝置串行現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議

由于串行現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)接線方便，且采用了高速傳輸用戶數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFIBUS DP協(xié)議，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制器和現(xiàn)場(chǎng)層分散I/O現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備之間的通訊[3]。DFU和6MD系列測(cè)控裝置都采用了這種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議方式?，F(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真裝置的串行現(xiàn)場(chǎng)總線跟這些裝置的協(xié)議完全相同，其協(xié)議結(jié)構(gòu)見表一。

表一 PROFIBUS DP協(xié)議結(jié)構(gòu)表

該通訊標(biāo)準(zhǔn)模型共有七層結(jié)構(gòu)，分為兩類，分別為：用戶層和網(wǎng)絡(luò)層。PROFIBUS DP協(xié)議使用了第一層、第二層和用戶接口。這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)，保證了高速數(shù)據(jù)的傳輸[3]。

直流控制保護(hù)系統(tǒng)的PROFIBUS DP總線設(shè)備采用單主站結(jié)構(gòu)，1個(gè)主站最多能連接125個(gè)從站，主站和從站的信息交互有專門的內(nèi)存區(qū)，讀本地內(nèi)存能獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，寫本地內(nèi)存能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 PROFIBUS DP單主站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DP主站與DP從站循環(huán)地交換用戶數(shù)據(jù)，它采用輪詢表來(lái)執(zhí)行通訊，主站周期地讀取從站的上傳信息，同時(shí)周期地向從站發(fā)送輸出信號(hào)，輪詢表情況詳見圖3。

圖3 PROFIBUS DP主從站信息交互輪詢表

2 現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真應(yīng)用

在進(jìn)行DPT實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控單元不參與此實(shí)驗(yàn)，雖然部分一次設(shè)備也可以在RTDS中進(jìn)行仿真，但 RTDS自身價(jià)格昂貴，節(jié)點(diǎn)容量有限，而且不能模擬測(cè)控單元的現(xiàn)場(chǎng)總線功能，不能完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。而且RTDS仿真設(shè)備對(duì)開關(guān)連鎖等做在6MD測(cè)控裝置中等功能無(wú)法測(cè)試，不能滿足DPT實(shí)驗(yàn)?zāi)M直流現(xiàn)場(chǎng)的要求。

下面對(duì)南網(wǎng)±800 kV普僑直流工程動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)中成功應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)層模擬器從工程仿真應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方法方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析介紹。

在進(jìn)行DPT試驗(yàn)時(shí)，采用現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真裝置的應(yīng)用分層結(jié)構(gòu)圖見圖4，其仿真技術(shù)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置的全部功能。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)層模擬仿真裝置的應(yīng)用分層結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真裝置主要有四方面作用：

1)完全模擬完成6MD和DFU就地設(shè)備的測(cè)控功能：下發(fā)主站開關(guān)開合命令、返回一次設(shè)備狀態(tài)及告警、采集模擬量及上傳 SER事件等功能。

2)與直流控制保護(hù)系統(tǒng)DP主站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線通訊，實(shí)現(xiàn)所有從站與主站的信息交互功能。

3)有專用接口卡，滿足直流控制保護(hù)系統(tǒng)與測(cè)控裝置及RTDS接口信號(hào)的需求。把換流變交流開關(guān)、濾波器、換流變分接頭以及直接影響運(yùn)行方式的主要開關(guān)通過(guò)接口卡送到RTDS接口，實(shí)現(xiàn)在RTDS上模擬；其余大量的斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等一次設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真完成。

4)采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；通過(guò)在計(jì)算機(jī)中安裝可視化的軟件程序，實(shí)現(xiàn)工程的就地測(cè)控軟件的真實(shí)仿真開關(guān)量信息及在線監(jiān)視。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真系統(tǒng)其主要的實(shí)現(xiàn)方法分為2部分：一、硬件平臺(tái)主要提供現(xiàn)場(chǎng)層模擬系統(tǒng)；二、軟件部分采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，來(lái)進(jìn)行軟件仿真。

在工程中，除交流開關(guān)場(chǎng)、直流開關(guān)場(chǎng)全部配置6MD控制裝置外，閥組控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線配置為6MD+DFU系列測(cè)控裝置。現(xiàn)場(chǎng)層模擬裝置主要模擬這兩部分測(cè)控裝置的功能。

現(xiàn)場(chǎng)層模擬系統(tǒng)硬件裝置主要分為四部分：SIMIT工作站、6MD模擬裝置、DFU模擬裝置及接口裝置。見圖5所示。

圖5 SIMIT現(xiàn)場(chǎng)層模擬器裝置

圖6 SIMIT現(xiàn)場(chǎng)層模擬器功能框圖

SIMIT現(xiàn)場(chǎng)層模擬工作站 (PC)主要采集完成DFU和6MD模擬裝置信號(hào)的接口模擬功能及直流換流站交直流場(chǎng)一次設(shè)備操作模擬仿真。如圖7所示：SIMIT PC工作站中通過(guò)軟件配置6MD、DFU及VBM接口裝置，可以方便快捷收集測(cè)控裝置的信號(hào)，用于一次設(shè)備的模擬。

普僑特高壓直流工程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)每個(gè)站配置兩臺(tái)VME機(jī)箱，即DFU模擬機(jī)箱和VME硬件接口機(jī)箱。DFU系列硬件機(jī)箱配置包含現(xiàn)場(chǎng)層總線板卡、信號(hào)接口卡、CPU板卡、時(shí)鐘同步板卡等。它主要完成DFU裝置模擬系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線接口及通訊模型解析。VME硬件接口機(jī)箱是SIMIT現(xiàn)場(chǎng)層模擬系統(tǒng)與RTDS和直流控制保護(hù)系統(tǒng)的外部接口裝置。外部接口信號(hào)通過(guò)機(jī)箱的采集插件采集處理后，送到SIMIT現(xiàn)場(chǎng)層模擬器工作站進(jìn)行設(shè)備操作邏輯處理。

SIMIT現(xiàn)場(chǎng)層模擬裝置模擬6MD系列硬件采用的是計(jì)算機(jī)主機(jī)。由于6MD裝置需要驗(yàn)證其程序及開關(guān)連鎖等功能，在6MD PC主機(jī)中運(yùn)行了不同的軟件功能來(lái)完全模擬實(shí)際的6MD所有裝置功能。Device Server可視化軟件是用來(lái)模擬6MD實(shí)際裝置本身的功能，提供6MD實(shí)際裝置一樣的操作界面及配置，并把不同配置6MD裝置的參數(shù)生成為 “.SIM”文件。DP Server軟件用來(lái)配置屬于同一條現(xiàn)場(chǎng)總線的從站的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送到現(xiàn)場(chǎng)總線卡總進(jìn)行傳輸。Simulation Server軟件是用來(lái)管理每臺(tái)計(jì)算機(jī)主機(jī)中的所有運(yùn)行6MD的SIM文件，可以方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、關(guān)閉仿真程序功能。對(duì)于6MD裝置的 IDC通訊是采用 IDC Server來(lái)模擬的。計(jì)算機(jī)的PCI插槽上安裝現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接DP主站和計(jì)算機(jī)模擬的DP從站進(jìn)行通訊，

2.2 現(xiàn)場(chǎng)層模擬器的仿真應(yīng)用效果分析

在此工程中，現(xiàn)場(chǎng)層模擬器主要作用是替代眾多的現(xiàn)場(chǎng)層采集裝置，實(shí)現(xiàn)其裝置的模擬交直流開關(guān)場(chǎng)的隔離開關(guān)、高速斷路器等一次設(shè)備的動(dòng)作特性、采集裝置的測(cè)控及連鎖功能。工程中的6MD裝置的功能在6MD模擬PC中完成；DFU裝置的功能在VME DFU模擬裝置中完成。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真應(yīng)用原理

在動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)中，SIMIT現(xiàn)場(chǎng)層模擬仿真系統(tǒng)通過(guò)解析現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議中的報(bào)文信息，根據(jù)主站的命令信息模擬交直流開關(guān)場(chǎng)的隔離開關(guān)、高速斷路器等一次設(shè)備的動(dòng)作特性，并把一次設(shè)備的狀態(tài)信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線方式上傳主站。對(duì)于影響直接影響運(yùn)行方式的主要開關(guān)通過(guò)接口卡，送到RTDS接口，實(shí)現(xiàn)在RTDS模擬。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真技術(shù)和采用現(xiàn)場(chǎng)層裝置直流兩種仿真技術(shù)方案的對(duì)比結(jié)果，可以得出：

1)采用現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真裝置：與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)一致，不需要改動(dòng)直流控制保護(hù)程序，利用實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)層裝置的程序進(jìn)行仿真及通訊方面測(cè)試，完全替代現(xiàn)場(chǎng)層裝置功能；還可以模擬一次設(shè)備如地刀、隔刀狀態(tài)與操作，可以快速搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，節(jié)約RTDS資源。

2)采用現(xiàn)場(chǎng)層裝置：與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)一致，不需要改動(dòng)直流控制保護(hù)程序，滿足直流工程的閉環(huán)控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上介紹了現(xiàn)場(chǎng)層模擬仿真系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)其重要的現(xiàn)場(chǎng)層串行總線協(xié)議進(jìn)行了介紹。現(xiàn)場(chǎng)層模擬器仿真技術(shù)的應(yīng)用，避免了大量的繁雜的接線等工作，使直流動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及性能得以真實(shí)、快捷的驗(yàn)證。直流控制保護(hù)系統(tǒng)、RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真設(shè)備構(gòu)成完整的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，解決了RTDS的仿真節(jié)點(diǎn)不足的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的完整測(cè)試。

[1] 陳潛，張堯，鐘慶，等.±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式的仿真研究 [J].繼電器，2007，35(16)：27-32.

[2] 王偉，周鵬鵬，傅潤(rùn)偉，等.直流現(xiàn)場(chǎng)層模擬系統(tǒng)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(8)：119-123.

[3] 張浩，譚克強(qiáng)，朱守云.現(xiàn)場(chǎng)總線與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)手冊(cè) [M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002.8.86 -91.

Engineering Application and Realization Method of Field Layer Simulation Technology in UHVDC System

YANG Guangyu，LIU Min，F(xiàn)ENG Guangtao，WANG Yanbin
(XJ Electric Co.Ltd.，Xuchang，Henan 461000，China)

In this text we gave detail introduction of field layer principle and realization of simulation technology in process for UHVDC transmission system.It was described analysis primary functions of SIMIT Simulator devices and the PROFIBUS DP bus protocol.According to different characteristics of 6MD and DFU devices，SIMIT system configures the appropriate Simulator and the interface signals.Field layer simulation technology is used in UHVDC transmission system in manner of simulation for field bus communication model and hardware interfaces.It can full simulate PROFIBUS DP field buses and control device's functions.In dynamic performance test，so that we can complete protection and control system test with closed loop control，by RTDS with the least resources.

ultra-high voltage DC(UHVDC)；field layer simulator；simulation techniques；field bus protocol；simulation application.

TM76

B

1006-7345(2014)06-0135-04

2014-06-27

楊廣羽 (1979)，女，工程碩士，工程師，許繼集團(tuán)直流輸電公司，從事高壓直流控制保護(hù)成套電氣設(shè)計(jì) (e-mail)ygy2311＠126.com。

劉敏 (1968)，女，工程碩士，高級(jí)工程師，許繼集團(tuán)直流輸電公司，從事高壓直流控制保護(hù)成套電氣設(shè)計(jì)。

馮廣濤 (1982)，男，工程師，許繼集團(tuán)直流輸電公司，從事高壓直流控制保護(hù)軟件設(shè)計(jì)。