一種新型直流換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

賈帥鋒 張浩然 李鳳龍 趙冠華 張自朋

一種新型直流換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

賈帥鋒 張浩然 李鳳龍 趙冠華 張自朋

（許繼電氣直流輸電分公司，河南 許昌 461000）

通過對換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究，本文提出一種基于PSCAD/EMTDC的新型仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計方案，采用PSCAD自定義裝置模擬實際的控保裝置，構(gòu)建直流控保仿真系統(tǒng)，分別描述了自定義裝置之間、自定義裝置與運行人員控制系統(tǒng)之間的通信接口設(shè)計，優(yōu)化了運行人員控制系統(tǒng)和自定義裝置的通信規(guī)約和交互方式，使自定義裝置上送報文的數(shù)據(jù)區(qū)和實際裝置一致，從而能把工程現(xiàn)場的運行人員控制系統(tǒng)參數(shù)直接應(yīng)用到直流換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中。最后對該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)進行測試，驗證了其功能和暫態(tài)特性。

自定義裝置；接口設(shè)計；仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；直流換流站

0 引言

當(dāng)前，我國已有三十余條直流輸電工程建成投運，直流工程運維檢修工作日益繁重，直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制保護策略復(fù)雜[1-6]，因此對運行檢修人員的運行操作和檢修維護要求也更加專業(yè)。為了研究直流系統(tǒng)運行特性與檢修維護測試，需要搭建仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。直流仿真培訓(xùn)系統(tǒng)一般分為兩種：一種由硬件與軟件構(gòu)成，如由實時數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）和控保裝置構(gòu)成[7-11]，也有采用RTLAB或者HYPERSIM和控保裝置構(gòu)成[12-14]，但此種仿真系統(tǒng)設(shè)備多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；另一種由純軟件構(gòu)成，如在PSCAD/EMTDC中根據(jù)工程程序搭建控保邏輯[15-17]，但該種仿真系統(tǒng)所建模型與實際控保邏輯存在較大差異，且無法像工程物理模型一樣，為用戶提供詳細的系統(tǒng)狀態(tài)信息。

為此，亟需開發(fā)一種新型仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，既能高度模擬現(xiàn)場直流控制保護系統(tǒng)，實現(xiàn)仿真平臺與工程現(xiàn)場的工況高度一致，用于運檢人員的專業(yè)培訓(xùn)，又具備結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)濟性的優(yōu)點。

1 直流換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)簡介

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)目的是實現(xiàn)運行人員培訓(xùn)功能，為通過運行人員控制系統(tǒng)（以下簡稱后臺系統(tǒng)）的各種功能操作高壓直流輸電系統(tǒng)提供一個培訓(xùn)設(shè)施。一個典型兩端特高壓直流系統(tǒng)全軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（可以擴展為多端仿真培訓(xùn)系統(tǒng)）的整體結(jié)構(gòu)概況如圖1所示。它主要由兩個換流站的培訓(xùn)工作站、仿真服務(wù)器和連接它們的局域網(wǎng)（local area network, LAN）組成。兩臺培訓(xùn)工作站分別為整流站和逆變站的后臺系統(tǒng)工作站。

圖1 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)整體概況

2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)分為三部分：直流控保仿真系統(tǒng)、一次設(shè)備仿真系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)。其中直流控保仿真系統(tǒng)、一次設(shè)備仿真系統(tǒng)完全在仿真服務(wù)器中實現(xiàn)，后臺系統(tǒng)的前置程序也在仿真服務(wù)器中實現(xiàn)。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)邏輯模型整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 一次設(shè)備仿真系統(tǒng)方案設(shè)計

依據(jù)實際工程主接線圖和主回路參數(shù)等信息，使用PSCAD自帶元件庫對換流變壓器、換流器、直流線路等關(guān)鍵直流場設(shè)備進行仿真建模，調(diào)整模型參數(shù)使其外部特性與特高壓直流換流站內(nèi)一次設(shè)備高度一致，同時建立交流系統(tǒng)等值網(wǎng)絡(luò)，保證交流系統(tǒng)對直流系統(tǒng)外特性與實際工程高度一致。采用自主研發(fā)的DCSIM模塊對現(xiàn)場層測控裝置和部分一次設(shè)備（如刀開關(guān)、斷路器等）進行模擬，與PSCAD一次仿真模型一起配合，完成對直流輸電工程現(xiàn)場層的所有測控設(shè)備和刀開關(guān)、斷路器、換流閥等一次設(shè)備的仿真。

2.2 直流控保仿真系統(tǒng)方案設(shè)計

直流控保仿真系統(tǒng)在PSCAD中采用自定義模塊實現(xiàn)，其分層結(jié)構(gòu)在PSCAD中的映射如圖2中的直流控保仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制保護自定義模塊與工程控制保護裝置一一對應(yīng)，即每個實際控制保護裝置對應(yīng)PSCAD/EMTDC中一個自定義模塊。

圖2 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)邏輯模型整體結(jié)構(gòu)

實際工程的控制保護系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)可靠性，設(shè)置了各種冗余設(shè)計。比如在通信、控制保護裝置等環(huán)節(jié)設(shè)置雙系統(tǒng)冗余，直流保護系統(tǒng)則設(shè)計了三套保護。這些功能主要是加強了系統(tǒng)的可靠性，并不影響系統(tǒng)級仿真中直流的動態(tài)響應(yīng)特性。因此，控制保護仿真模型中不考慮這些容錯設(shè)計，所有控制保護層的裝置均為單系統(tǒng)即單套模擬裝置，通信環(huán)節(jié)簡化為單套信號直連。

直流控保仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中每個控制保護自定義模塊對應(yīng)一個實際的控制保護裝置。通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⒚總€許繼直流輸電公司研發(fā)的HCM3000控制保護裝置的程序轉(zhuǎn)換成一個仿真系統(tǒng)可識別的對應(yīng)的C代碼庫文件；然后每個控制保護自定義模塊通過入口fortran函數(shù)調(diào)用對應(yīng)的C代碼庫文件，完成實際控制保護系統(tǒng)代碼向控制保護自定義仿真模塊的轉(zhuǎn)換；最后根據(jù)實際工程控制保護裝置的通信連接關(guān)系，增加多個控制保護自定義仿真模塊之間的信號傳遞，將各個控制保護模塊組合成一個完整的直流輸電控制保護系統(tǒng)，從而完成對直流二次控保系統(tǒng)的仿真。

2.3 PSCAD自定義模塊之間的通信接口設(shè)計

實際直流控制保護裝置之間的通信主要通過硬接線和光纖實現(xiàn)，包括LAN網(wǎng)通信、現(xiàn)場總線通信、系統(tǒng)間快速控制總線通信、站間快速通信、時分復(fù)用技術(shù)（time-division multiplexing, TDM）光纖通信等。PSCAD仿真系統(tǒng)中，控制保護自定義模塊采用輸入輸出引腳連線來代替各種通信硬接線和光纖，將數(shù)據(jù)讀出寫入到指定通信類型的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，從而滿足模擬控制保護裝置之間各種通信數(shù)據(jù)類型傳遞的需求。

2.4 直流控保仿真系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)接口設(shè)計

直流控保仿真系統(tǒng)與運行人員控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互示意圖如圖3所示，基于PSCAD/EMTDC的直流控保仿真系統(tǒng)和后臺的前置程序都部署在仿真服務(wù)器上，兩者通過共享內(nèi)存塊進行數(shù)據(jù)交換；前置程序把直流控保仿真系統(tǒng)上送的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上送給后臺對象程序，并把對象程序通過客戶端下發(fā)的命令轉(zhuǎn)發(fā)給直流控保仿真系統(tǒng)。

圖3 直流控保仿真系統(tǒng)與運行人員控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互示意圖

在仿真服務(wù)器中，直流控保仿真系統(tǒng)由多個模擬裝置構(gòu)成，每個模擬裝置通過自定義接口模塊將各自的共享內(nèi)存映射到本裝置的內(nèi)存空間中，后臺系統(tǒng)的前置程序也將對應(yīng)共享內(nèi)存映射到本進程的內(nèi)存空間中，從而模擬裝置和前置程序可對同一共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)讀寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。最終實現(xiàn)直流控保仿真系統(tǒng)與后臺系統(tǒng)的互聯(lián)互通，并把仿真系統(tǒng)運行狀態(tài)的詳細信息在后臺系統(tǒng)顯示。

2.5 直流控保仿真系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)之間通信規(guī)約

為了利用已有工程的后臺參數(shù)，減少后臺配置工作量，降低報文組織對直流控保仿真系統(tǒng)運行效率的影響，在實際控保系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)通信規(guī)約的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，并依據(jù)共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交互的特點，修改規(guī)約交互方式。直流控保仿真系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)通信報文格式見表1。

表1中，0～9字是規(guī)約頭，每字占用兩個字節(jié)，從第10字開始存儲數(shù)據(jù)部分。模擬控保裝置和后臺系統(tǒng)前置程序采用三塊獨立的共享內(nèi)存進行通信，三塊共享內(nèi)存分別是：ADI塊共享內(nèi)存、SER塊共享內(nèi)存、CMD塊共享內(nèi)存。其中ADI塊用來存放遙信遙測數(shù)據(jù)；SER塊用來存放事件信息；CMD塊用來存放后臺系統(tǒng)下發(fā)的命令模塊。

表1 直流控保仿真系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)通信報文格式

遙信遙測數(shù)據(jù)上送采用ADI塊共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸。該內(nèi)存塊用來存儲模擬控保裝置上送的遙信遙測數(shù)據(jù)，該內(nèi)存區(qū)第2字默認為0，不進行事件上傳。從第10字開始存儲遙信遙測數(shù)據(jù)，其中每個遙測量數(shù)據(jù)占用一個字，每個遙信量占用一位或多位。前置程序每100ms讀取一次共享內(nèi)存，把虛擬裝置輸出到共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)解析出來，通過內(nèi)部接口上送給后臺系統(tǒng)，在客戶端顯示各個變量狀態(tài)。

SER信息上送采用SER塊共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸。該內(nèi)存塊用來存儲模擬裝置上送給后臺系統(tǒng)的事件信息，該內(nèi)存塊第3字默認為0x0a，即從第10字開始存儲事件信息。為了防止事件信息丟失，前置程序讀取完該塊內(nèi)存發(fā)現(xiàn)該內(nèi)存塊有事件，則應(yīng)寫一條報文，使該內(nèi)存塊第2字變?yōu)?；只有當(dāng)該內(nèi)存塊第2字為0時，模擬裝置才能把事件寫入該共享內(nèi)存。

后臺系統(tǒng)命令下發(fā)采用CMD塊進行數(shù)據(jù)傳輸。該內(nèi)存塊用來接收后臺系統(tǒng)下發(fā)的命令，后臺系統(tǒng)下發(fā)命令前，首先讀取該內(nèi)存塊內(nèi)容判斷該內(nèi)存塊第1字是否為0，若為0則說明該內(nèi)存塊沒有命令待讀取，可以把命令直接寫入該緩沖區(qū)；若不為0，則等待100ms并產(chǎn)生一條系統(tǒng)事件命令未被仿真系統(tǒng)取走，然后再把下發(fā)命令寫入該緩沖區(qū)。虛擬裝置取走命令后，應(yīng)回寫一條報文，使該內(nèi)存塊第1個字內(nèi)容變?yōu)?。

3 仿真培訓(xùn)實驗

為了驗證該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能、性能，本文以特高壓800kV雁淮直流工程仿真系統(tǒng)為例，進行解閉鎖實驗，驗證系統(tǒng)的培訓(xùn)功能。保留仿真培訓(xùn)系統(tǒng)解閉鎖實驗產(chǎn)生的錄波，與物模仿真系統(tǒng)（一次部分由實時仿真器模擬、二次部分為實際控制保護裝置）產(chǎn)生的波形進行對比，驗證該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的動態(tài)特性。

3.1 仿真實驗1

雁門關(guān)換流站極2解鎖實驗，直流系統(tǒng)輸送功率為400MW，直流系統(tǒng)運行方式為：極2雙換流器，單極功率控制，功率定值400MW。仿真波形對比如圖4所示。圖5為仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的操作界面。

圖4 雁淮直流極2解鎖，整流側(cè)仿真波形和物模波形對比

圖5 仿真培訓(xùn)系統(tǒng)操作界面

圖4中從上至下依次為觸發(fā)角、直流電流、直流電壓，灰色為物模波形，黑色為仿真波形。通過對比發(fā)現(xiàn)，雁淮直流仿真模型在解鎖過程中觸發(fā)角、直流電壓和直流電流的變化趨勢與物模解鎖過程基本保持一致。

3.2 仿真培訓(xùn)實驗2

極1低端換流器閉鎖，直流系統(tǒng)輸送功率為200MW。直流系統(tǒng)運行方式：極1低端換流器運行，單極功率控制，功率定值200MW，極1低端換流器閉鎖。仿真波形對比如圖6所示。

圖6中從上至下依次為觸發(fā)角、直流電流、直流電壓，灰色為物模波形，黑色為仿真波形。通過對比雁淮直流閉鎖的仿真波形和物模波形可以看出，雁淮直流閉鎖過程中仿真波形的觸發(fā)角、直流電壓、直流電流與物模波形的變化趨勢和幅度基本保持一致。

4 結(jié)論

本文提出了一種全軟件方法構(gòu)建的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，采用PSCAD自定義模塊模擬實際的控保裝置，進行直流控保仿真系統(tǒng)構(gòu)建，采用DCSIM模擬開關(guān)測控裝置和PASCAD一次模型模擬直流一次系統(tǒng)，優(yōu)化后臺系統(tǒng)和直流控保仿真系統(tǒng)的通信規(guī)約和交互方式，后臺系統(tǒng)可直接采用工程現(xiàn)場的后臺參數(shù)和上述系統(tǒng)一起構(gòu)建經(jīng)濟合理的直流仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。文中詳細介紹了該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計方案，最后進行仿真實驗，驗證了仿真系統(tǒng)的暫態(tài)特性和功能性。

圖6 雁淮直流極1低端換流器閉鎖，整流側(cè)仿真波形與物模波形對比

該套培訓(xùn)系統(tǒng)不需要實際的控保裝置，具有仿真環(huán)境搭建簡單、成本低等優(yōu)點，具有較大的推廣價值。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于換流站運行人員、檢修人員、大學(xué)高年級電氣工程專業(yè)學(xué)生教學(xué)培訓(xùn)，可以進行直流解鎖、閉鎖、順控、緊急停運、閥組投退等典型操作，可完成交流側(cè)單相接地和直流側(cè)接地等反事故演練。

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Design and implementation of the new simulation training system for DC converter station

JIA Shuaifeng ZHANG Haoran LI Fenglong ZHAO Guanhua ZHANG Zipeng

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

Through the research on the simulation training system of the DC converter station, a design scheme of the new simulation training system based on PSCAD/EMTDC is proposed. It uses PSCAD custom device which simulates the actual control protection device to construct the DC control protection simulation system. The design of communication interface between custom devices and between custom devices and operator control system is described respectively. The communication protocol and interactive mode between the operator control system and the custom devices are optimized, so that the data area of the message sent by the custom device is consistent with the actual device, which makes the parameters of the operator control system can be directly applied to the simulation training system of DC converter station. Finally, the simulation training system is tested to verify its function and transient characteristics.

custom device; interface design; simulation training system; DC converter station

2020-12-23

2020-12-31

賈帥鋒（1986—），男，河南省許昌市人，碩士，工程師，主要研究方向為高壓直流輸電自動化產(chǎn)品研發(fā)。