許繼電氣直流輸電分公司的研究人員賈帥鋒
更新時間：2024-01-25 11:03:35作者：佚名
許繼電氣直流輸電分公司的研究人員賈帥鋒、張浩然、李鳳龍、趙冠華、張自朋，在2021年第7期《電氣技術》上撰文，通過對換流站仿真培訓系統的研究，提出一種基于PSCAD/EMTDC的新型仿真培訓系統設計方案，采用PSCAD自定義裝置模擬實際的控保裝置，建立直流控保仿真系統，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之間的通訊插口設計，優化了運行人員控制系統和自定義裝置的通訊規約和交互方法，使自定義裝置上送報文的數據區和實際裝置一致，因而能把工程現場的運行人員控制系統參數直接應用到直流換流站仿真培訓系統中。
當前，我國已有三十余條直流輸電工程建成投產，直流工程運維檢修工作日漸艱巨，直流輸電系統結構及控制保護策略復雜，因而對運行檢修人員的運行操作和檢修維護要求也愈發專業。為了研究直流系統運行特點與檢修維護測試，須要搭建仿真培訓系統。
直流仿真培訓系統通常分為兩種：一種由硬件與軟件構成，如由實時數字仿真（realtimedigitalsimulation,RTDS）和控保裝置構成，也有采用RTLAB或則HYPERSIM和控保裝置構成，但此種仿真系統設備多且結構復雜；另一種由純軟件構成，如在PSCAD/EMTDC中按照工程程序搭建控保邏輯，但該種仿真系統所建模型與實際控保邏輯存在較大差別，且未能像工程數學模型一樣，為用戶提供詳盡的系統狀態信息。
因此，亟待開發一種新型仿真培訓系統，既能高度模擬現場直流控制保護系統，實現仿真平臺與工程現場的工況高度一致，用于運檢人員的專業培訓，又具備結構簡單和經濟性的優點。
1直流換流站仿真培訓系統簡介
仿真培訓系統目的是實現運行人員培訓功能，為通過運行人員控制系統（以下簡稱后臺系統）的各類功能操作高壓直流輸電系統提供一個培訓設施。一個典型兩端特高壓直流系統全軟件仿真培訓系統（可以擴充為多端仿真培訓系統）的整體結構概況如圖1所示。它主要由兩個換流站的培訓工作站、仿真服務器和聯接它們的局域網（localareanetwork,LAN）組成。兩臺培訓工作站分別為檢波站和逆變站的后臺系統工作站。
圖1仿真培訓系統整體概況
2仿真培訓系統的總體方案設計
仿真培訓系統分為三部份：直流控保仿真系統、一次設備仿真系統和后臺系統。其中直流控保仿真系統、一次設備仿真系統完全在仿真服務器中實現，后臺系統的后置程序也在仿真服務器中實現。仿真培訓系統邏輯模型整體結構如圖2所示。
2.1一次設備仿真系統方案設計
根據實際工程主接線圖和主回路參數等信息，使用PSCAD自帶器件庫對換流變壓器、換流器、直流線路等關鍵直流場設備進行仿真建模，調整模型參數使其外部特點與特高壓直流換流站內一次設備高度一致，同時完善交流系統等值網路，保證交流系統對直流系統外特點與實際工程高度一致。
采用自主研制的DCSIM模塊對現場層測控裝置和部份一次設備（如刀開關、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場層的所有測控設備和刀開關、斷路器、換流閥等一次設備的仿真。
2.2直流控保仿真系統方案設計
直流控保仿真系統在PSCAD中采用自定義模塊實現，其分層結構在PSCAD中的映射如圖2中的直流控保仿真系統結構，控制保護自定義模塊與工程控制保護裝置一一對應，即每位實際控制保護裝置對應PSCAD/EMTDC中一個自定義模塊。
圖2仿真培訓系統邏輯模型整體結構
實際工程的控制保護系統為了保證系統可靠性，設置了各類冗余設計。諸如在通訊、控制保護裝置等環節設置雙系統冗余，直流保護系統則設計了三套保護。這種功能主要是強化了系統的可靠性，并不影響系統級仿真中直流的動態響應特點。為此，控制保護仿真模型中不考慮這種容錯設計，所有控制保護層的裝置均為單系統即單套模擬裝置，通訊環節簡化為單套訊號直連。
直流控保仿真系統結構中每位控制保護自定義模塊對應一個實際的控制保護裝置。通過轉換程序將每位許繼直流輸電公司研制的HCM3000控制保護裝置的程序轉換成一個仿真系統可辨識的對應的C代碼庫文件；之后每位控制保護自定義模塊通過入口fortran函數調用對應的C代碼庫文件，完成實際控制保護系統代碼向控制保護自定義仿真模塊的轉換；最后依據實際工程控制保護裝置的通訊聯接關系，降低多個控制保護自定義仿真模塊之間的訊號傳遞，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，進而完成對直流二次控保系統的仿真。
2.3PSCAD自定義模塊之間的通訊插口設計
實際直流控制保護裝置之間的通訊主要通過硬接線和光纖實現，包括LAN網通訊、現場總線通訊、系統間快速控制總線通訊、站間快速通訊、時分復用技術（time-divisionmultiplexing,TDM）光纖通訊等。PSCAD仿真系統中，控制保護自定義模塊采用輸入輸出引腳連線來替代各類通訊硬接線和光纖，將數據讀出寫入到指定通訊類型的數據緩存區中，因而滿足模擬控制保護裝置之間各類通訊數據類型傳遞的需求。
2.4直流控保仿真系統和后臺系統插口設計
直流控保仿真系統與運行人員控制系統的數據交互示意圖如圖3所示，基于PSCAD/EMTDC的直流控保仿真系統和后臺的后置程序都布署在仿真服務器上，二者通過共享顯存塊進行數據交換；后置程序把直流控保仿真系統上送的數據通過網路合同上獻給后臺對象程序，并把對象程序通過顧客端下發的命令轉發給直流控保仿真系統。
圖3直流控保仿真系統與運行人員控制系統數據交互示意圖
在仿真服務器中，直流控保仿真系統由多個模擬裝置構成，每位模擬裝置通過自定義插口模塊將各自的共享顯存映射到本裝置的顯存空間中，后臺系統的后置程序也將對應共享顯存映射到本進程的顯存空間中，因而模擬裝置和后置程序可對同一共享顯存進行數據讀寫，實現數據交換。最終實現直流控保仿真系統與后臺系統的互聯互通，并把仿真系統運行狀態的詳盡信息在后臺系統顯示。
2.5直流控保仿真系統和后臺系統之間通訊規約
為了借助已有工程的后臺參數，降低后臺配置工作量，減少報文組織對直流控保仿真系統運行效率的影響，在實際控保系統和后臺系統通訊規約的基礎上進行了優化，并根據共享顯存進行數據交互的特性，更改規約交互方法。直流控保仿真系統和后臺系統通訊報文格式見表1。
表1直流控保仿真系統和后臺系統通訊報文格式
表1中，0～9字是規約頭，每字占用兩個字節，從第10字開始儲存數據部份。模擬控保裝置和后臺系統后置程序采用三塊獨立的共享顯存進行通訊，三塊共享顯存分別是：ADI塊共享顯存、SER塊共享顯存、CMD塊共享顯存。其中ADI塊拿來儲存遙信遙測數據；SER塊拿來儲存風波信息；CMD塊拿來儲存后臺系統下發的命令模塊。
遙信遙測數據上送采用ADI塊共享顯存進行數據傳輸。該顯存塊拿來儲存模擬控保裝置上送的遙信遙測數據，該顯存區第2字默認為0，不進行風波上傳。從第10字開始儲存遙信遙測數據，其中每位遙測量數據占用一個字，每位遙信量占用一位或多位。后置程序每100ms讀取一次共享顯存，把虛擬裝置輸出到共享顯存的數據解析下來，通過內部插口上獻給后臺系統，在顧客端顯示各個變量狀態。
SER信息上送采用SER塊共享顯存進行數據傳輸。該顯存塊拿來儲存模擬裝置上獻給后臺系統的風波信息，該顯存塊第3字默認為0x0a，即從第10字開始儲存風波信息。為了避免風波信息遺失，后置程序讀取完該塊顯存發覺該顯存塊有風波，則應寫一條報文，使該顯存塊第2字變為0；只有當該顯存塊第2字為0時，模擬裝置能夠把風波寫入該共享顯存。
后臺系統命令下發采用CMD塊進行數據傳輸。該顯存塊拿來接收后臺系統下發的命令，后臺系統下發命令前，首先讀取該顯存塊內容判定該顯存塊第1字是否為0電氣設計培訓，若為0則說明該顯存塊沒有命令待讀取，可以把命令直接寫入該緩沖區；若不為0，則等待100ms并形成一條系統風波命令未被仿真系統拿走，之后再把下發命令寫入該緩沖區。虛擬裝置拿走命令后，應回寫一條報文，使該顯存塊第1個字內容變為0。
3仿真培訓實驗
為了驗證該仿真培訓系統的功能、性能，本文以特高壓800kV雁淮直流工程仿真系統為例，進行解閉鎖實驗，驗證系統的培訓功能。保留仿真培訓系統解閉鎖實驗形成的錄波，與物模仿真系統（一次部份由實時仿真器模擬、二次部份為實際控制保護裝置）形成的波形進行對比，驗證該仿真培訓系統的動態特點。
3.1仿真實驗1
居庸關換流站極2解鎖實驗，直流系統輸送功率為400MW電氣設計培訓，直流系統運行方法為：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為仿真培訓系統的操作界面。
圖4雁淮直流極2解鎖，檢波側仿真波形和物模波形對比
圖5仿真培訓系統操作界面
圖4中從上至下依次為觸發角、直流電壓、直流電流，藍色為物模波形，紅色為仿真波形。通過對比發覺，雁淮直流仿真模型在解鎖過程中觸發角、直流電流和直流電壓的變化趨勢與物模解鎖過程基本保持一致。
3.2仿真培訓實驗2
極1高端換流器閉鎖，直流系統輸送功率為200MW。直流系統運行方法：極1高端換流器運行，單極功率控制，功率定值200MW，極1高端換流器閉鎖。仿真波形對比如圖6所示。
圖6中從上至下依次為觸發角、直流電壓、直流電流，藍色為物模波形，紅色為仿真波形。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角、直流電流、直流電壓與物模波形的變化趨勢和幅度基本保持一致。
4推論
本文提出了一種全軟件方式建立的仿真培訓系統，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建立，采用DCSIM模擬開關測控裝置和PASCAD一次模型模擬直流一次系統，優化后臺系統和直流控保仿真系統的通訊規約和交互方法，后臺系統可直接采用工程現場的后臺參數和上述系統一起建立經濟合理的直流仿真培訓系統。
圖6雁淮直流極1高端換流器閉鎖，檢波側仿真波形與物模波形對比
文中詳盡介紹了該仿真培訓系統的設計方案，最后進行仿真實驗，驗證了仿真系統的暫態特點和功能性。
該套培訓系統不須要實際的控保裝置，具有仿真環境搭建簡單、成本低等優點，具有較大的推廣價值。該系統可廣泛應用于換流站運行人員、檢修人員、大學高年級電氣工程專業中學生教學培訓，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，可完成交流側三相接地和直流側接地等反車禍演習。
本文編自2021年第7期《電氣技術》，論文標題為“一種新型直流換流站仿真培訓系統的設計與實現”，作者為賈帥鋒、張浩然等。