吳述超，周紹元，喬記陽(yáng)，魏民權(quán)，張寶華

直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)研究

吳述超，周紹元，喬記陽(yáng)，魏民權(quán)，張寶華

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)的好壞直接影響到直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，硬件平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)是驗(yàn)證其好壞最快速、有效的手段。結(jié)合各個(gè)板卡的功能特點(diǎn)和性能，提出了直流輸電控制系統(tǒng)MACH2硬件平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)方案。該測(cè)試系統(tǒng)基于板卡替換原理，通過(guò)軟、硬件結(jié)合的方式對(duì)板卡的功能和性能進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MACH2目標(biāo)插件的檢測(cè)。實(shí)際應(yīng)用效果表明該測(cè)試系統(tǒng)能正確完成MACH2硬件平臺(tái)板卡的功能和性能測(cè)試，測(cè)試操作簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果可靠，提高了硬件平臺(tái)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

高壓直流輸電；MACH2硬件平臺(tái)；測(cè)試系統(tǒng)；功能測(cè)試；板卡替換原理

0 引言

直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)是保證直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的一種重要的測(cè)試工具。隨著MACH2硬件平臺(tái)在直流輸電工程中的廣泛應(yīng)用，更多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要得到更及時(shí)的檢修、測(cè)試，設(shè)備維護(hù)的及時(shí)性等因素對(duì)直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的影響越來(lái)越大，所以對(duì)MACH2平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的需求越來(lái)越迫切。本文介紹了直流輸電控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想、詳細(xì)設(shè)計(jì)方案以及應(yīng)用分析。

1 測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 MACH2硬件平臺(tái)系統(tǒng)

直流輸電控制系統(tǒng)MACH2硬件平臺(tái)由主機(jī)系統(tǒng)和分布式I/O系統(tǒng)組成。主機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建于高性能工控機(jī)。分布式I/O系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)模擬量的采集和數(shù)字量（開(kāi)關(guān)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)命令）的傳輸，采集的模擬量和數(shù)字量分別通過(guò)TDM總線和CAN總線傳送到主機(jī)系統(tǒng)的DSP板卡。

1.2 測(cè)試方案

該測(cè)試系統(tǒng)采用的是離線測(cè)試方法，用于MACH2板卡的故障檢測(cè)，對(duì)板卡進(jìn)行功能性檢查，確認(rèn)板卡功能、精度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

將MACH2硬件平臺(tái)中的各種板卡組成一套板卡相互聯(lián)系緊密的測(cè)試系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，使測(cè)試系統(tǒng)操作性更好、測(cè)試結(jié)果顯示更直觀。

該測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示，測(cè)試系統(tǒng)由主機(jī)系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)和HMI組成。主機(jī)系統(tǒng)配置有處理器板卡，用于數(shù)據(jù)處理以及與I/O系統(tǒng)、HMI的通信；I/O系統(tǒng)中包含模擬量板卡、數(shù)字量板卡、通信板卡和微處理器板卡；MACH2主機(jī)系統(tǒng)與HMI工作站通過(guò)網(wǎng)線連接，通過(guò)HMI監(jiān)視界面進(jìn)行測(cè)試操作以及觀察測(cè)試結(jié)果；與I/O機(jī)箱的連接采用CAN總線和TDM總線，兩個(gè)I/O機(jī)箱均連接到CAN總線和TDM總線。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

測(cè)試系統(tǒng)上各個(gè)組件按照一定的規(guī)則組成一個(gè)能夠獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能測(cè)試到每個(gè)組件（或板卡）的功能、精度等參數(shù)。

板卡進(jìn)行測(cè)試時(shí)，用待測(cè)板卡替換指定位置板卡，裝載相應(yīng)的測(cè)試代碼，然后根據(jù)測(cè)試步驟的提示操作完成測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)將測(cè)試信息上傳給后臺(tái)計(jì)算機(jī)HMI，通過(guò)HMI測(cè)試界面顯示測(cè)試信息。用戶可根據(jù)顯示的信息判斷板卡是否正常。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MACH2硬件平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)由一臺(tái)工控機(jī)、兩臺(tái)I/O機(jī)箱以及一臺(tái)HMI服務(wù)器組成。工控機(jī)為MACH2主機(jī)，主機(jī)與HMI服務(wù)器相連，完成測(cè)試命令的下發(fā)以及測(cè)試結(jié)果的上送。HMI服務(wù)器是一臺(tái)安裝了HMI程序的個(gè)人計(jì)算機(jī)。

MACH2主機(jī)和I/O機(jī)箱安裝在測(cè)試柜中。兩臺(tái)I/O機(jī)箱分別命名為RACK1和RACK2，RACK1和RACK2配置了相關(guān)I/O板卡，實(shí)現(xiàn)板卡的測(cè)試功能。除了MACH2主機(jī)和I/O機(jī)箱之外，測(cè)試柜中還包括供電系統(tǒng)、工控機(jī)輸入輸出設(shè)備、測(cè)試端子以及照明設(shè)備等部分。設(shè)計(jì)完成的測(cè)試柜整體布局簡(jiǎn)化圖如圖2所示。其中F11、F12、F18為空氣開(kāi)關(guān)。X111～X215為測(cè)試端子，模擬量板卡所需激勵(lì)量均從接線端子上輸入。

圖2 M2TEST-100測(cè)試系統(tǒng)布局圖

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MACH2系統(tǒng)的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境是Hidraw。Hidraw是一種圖形化的編程工具。

3.1MACH2主機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括MAINCPU程序設(shè)計(jì)和PCI板卡程序設(shè)計(jì)兩部分。

3.1.1 MAINCPU程序設(shè)計(jì)

MAINCPU程序設(shè)計(jì)包括主應(yīng)用程序調(diào)度（MAIN）、應(yīng)用程序通信接口（COMM）。該程序的流程圖如圖3所示。主應(yīng)用程序調(diào)度主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的配置、PCI板卡配置以及符號(hào)表定義。

圖3 MAINCPU程序流程圖

應(yīng)用程序通信接口（COMM）功能主要包括：模擬量數(shù)據(jù)接收、計(jì)算與上傳，數(shù)字量數(shù)據(jù)接收與上傳以及PCI板卡、I/O板卡通信狀態(tài)信息接收。

3.1.2 PCI板卡程序設(shè)計(jì)

PCI板卡不僅與TDM和CAN總線通信以及狀態(tài)監(jiān)視功能；還與雙端口RAM數(shù)據(jù)交換，完成模擬量的采集和處理。

PCI板卡程序與I/O板卡進(jìn)行通信，通過(guò)CAN總線和TDM總線接口接收開(kāi)關(guān)量和模擬量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理采用了巴特沃斯低通濾波和傅里葉級(jí)數(shù)計(jì)算，處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)DPM上傳至MAINCPU；PCI板卡程序流程圖如圖4所示。

圖4 PCI程序流程圖

PCI主應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的配置、CAN通信接口配置、DSP的配置、板卡與總線狀態(tài)監(jiān)視與信息上傳以及CAN總線測(cè)試數(shù)據(jù)的接收和處理等。

DSP的配置是根據(jù)應(yīng)用的需要完成PCI板卡6個(gè)DSP的加載及初始化。該測(cè)試系統(tǒng)配置了DSP1和DSP2，DSP1處理來(lái)自RACK1的模擬量數(shù)據(jù)，DSP2處理來(lái)自RACK2的模擬量數(shù)據(jù)。

板卡與總線狀態(tài)監(jiān)視與信息上傳。此功能完成DSP狀態(tài)、TDM總線狀態(tài)、CAN總線狀態(tài)以及總線上各個(gè)板卡狀態(tài)的監(jiān)視，并將狀態(tài)信息上送到HMI界面。

3.2 I/O板卡軟件設(shè)計(jì)

I/O板卡應(yīng)用程序的功能是測(cè)試交、直流模擬量板卡和數(shù)字量板卡。

模擬量板卡程序功能是采集外部的交、直流模擬量，對(duì)采集到的模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過(guò)通信總線將數(shù)據(jù)上送至主機(jī)系統(tǒng)的DSP板卡。該程序的流程圖如圖5所示。

圖5模擬量IO程序流程圖

數(shù)字量板卡程序功能是將數(shù)字量輸出板卡和輸入板卡組成一個(gè)環(huán)路進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果上送給主機(jī)系統(tǒng)。該程序的流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)字量IO程序流程圖

3.3 HMI應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

HMI應(yīng)用程序是MACH2測(cè)試系統(tǒng)中用戶交互控制的主要界面。

顯示界面的內(nèi)容包括測(cè)試結(jié)果，顯示重要的測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)信息，如DSP運(yùn)行狀態(tài)、CAN通信狀態(tài)和TDM通信狀態(tài)等；分界面要求有測(cè)試步驟的提示功能，方便測(cè)試人員操作。

根據(jù)I/O機(jī)箱的配置圖及需要顯示的信息，應(yīng)用程序主界面如圖7所示。

HMI界面左上角的DSP1、DSP2為工控機(jī)上PCI板卡的工作狀態(tài)，TDM1、TDM2為測(cè)試系統(tǒng)中TDM通信情況。

HMI界面右上角是狀態(tài)指示說(shuō)明，綠色表示正常，紅色表示故障，灰色表示無(wú)效狀態(tài)。

HMI界面上Rack1、Rack2分別代表I/O機(jī)箱1、2，Rack1、Rack2的第1行數(shù)字為板卡所在的機(jī)箱的槽號(hào)，第2行數(shù)字為該位置板卡在測(cè)試程序中的CAN節(jié)點(diǎn)號(hào)。

HMI界面中Rack1、Rack2上方的指示燈表示該板卡的CAN通信檢測(cè)結(jié)果，下方的指示燈表示該板卡功能測(cè)試結(jié)果。

數(shù)字量板卡的測(cè)試結(jié)果顯示到主界面上，主界面上有CAN總線狀態(tài)和測(cè)試結(jié)果指示燈。模擬量板卡的測(cè)試較復(fù)雜，設(shè)計(jì)了測(cè)試子項(xiàng)的顯示界面。

圖7應(yīng)用程序主界面

4 實(shí)例分析

4.1通信總線和數(shù)字量板卡測(cè)試

給測(cè)試系統(tǒng)上電，大約5 min后，MACH2主機(jī)和I/O機(jī)箱正常運(yùn)行，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)完成數(shù)字量板卡的測(cè)試，通信總線和數(shù)字量板卡的測(cè)試結(jié)果上傳至HMI。

觀察HMI界面，得到測(cè)試結(jié)果如圖8所示。DSP1、DSP2、TDM1、TDM2和各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)指示燈均為綠色，表示通信總線正常。RACK1的槽位12、13和RACK2的槽位10、11、12的“測(cè)試結(jié)果”指示燈均為綠色，表示數(shù)字量板卡測(cè)試功能正常。

圖8 測(cè)試結(jié)果

4.2 模擬量板卡測(cè)試

以XS862L板卡為例進(jìn)行測(cè)試介紹以及測(cè)試結(jié)果分析。

單擊HMI界面中的機(jī)箱RACK2的XS862L，進(jìn)入XS862L測(cè)試界面。單擊XS862L測(cè)試界面的“設(shè)置基準(zhǔn)值”，在通道1~4基準(zhǔn)值欄輸入該板卡的測(cè)試基準(zhǔn)值。通道1~4的誤差值自動(dòng)計(jì)算并顯示在誤差欄里。

使用信號(hào)源給XS862L的四個(gè)通道施加直流電流1.414 A，實(shí)際測(cè)量值和誤差如圖9所示。XS862L是直流信號(hào)測(cè)量板，根據(jù)板卡設(shè)計(jì)要求，通道的誤差應(yīng)在±0.003之間，由圖9可知，該板卡四個(gè)通道的誤差均在±0.003之間，所以得出結(jié)論，測(cè)試功能滿足測(cè)試要求。

圖9 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一種用于MACH2硬件平臺(tái)功能故障檢測(cè)的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用到向上特高壓直流輸電工程的備品備件板卡和故障板卡的檢測(cè)，不僅為故障板卡維修提供依據(jù)，提高了特高壓直流輸電工程運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，也為直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)硬件平臺(tái)測(cè)試的發(fā)展提供一定的借鑒方法。

[1] 浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組. 直流輸電[M]. 北京: 水利電力出版社, 1985.

HVDC & FACTS Group of Zhejiang University Power Generating Department. DC transmission[M]. Beijing: Hydraulic and Electric Power Press, 1985.

[2] 趙畹君. 高壓直流輸電工程技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2004.

ZHAO Wan-jun. HVDC transmission engineering technology[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2004.

[3] 田杰. 高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2005, 25(9): 10-14, 42.

TIAN Jie. Design and realization of HVDC control and protection system[J]. Electric Power Automation Equipment, 2005, 25(9): 10-14, 42.

[4] 蔣大海, 李寶香, 楊敏, 等. TDM總線在高壓直流輸電中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(23): 238-240.

JIANG Da-hai, LI Bao-xiang, YANG Min, et al. Application of TDM bus in HVDC power transmission[J]. Power system Protection and Control, 2010, 38(23): 238-240.

[5] 林圣, 何正友, 錢清泉, 等. 輸電網(wǎng)故障診斷方法綜述與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(4): 140-150.

LIN Sheng, HE Zheng-you, QIAN Qing-quan, et al. Review and development on fault diagnosis in power grid[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(4): 140-150.

[6] 羅磊, 盛琰, 王清堅(jiān), 等. 特高壓直流輸電系統(tǒng)順序控制的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(23): 30- 34.

LUO Lei, SHENG Yan, WANG Qing-jian, et al. Research on sequence control in UHVDC system[J]. Power system Protection and Control, 2010, 38(23): 30-34.

Design of hardware platform test system of HVDC control system

WU Shu-chao, ZHOU Shao-yuan, QIAO Ji-yang, WEI Min-quan, ZHANG Bao-hua

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang 461000, China)

The stand or fall of control system hardware platform directly affects the safe and stable operation of HVDC transmission system. Field testing is the most rapid and effective means of verifying that hardware platform.According to the features and performance of each board,the scheme of test system of HVDC control hardware platform of MACH2 system is put forward.The test system is based on the board replacement principle.The functionality and performance of the board are tested by means of a combination of software and hardware. The practical testing application shows that the test system can correctly perform the function and performance testing of the board of MACH2 hardware platform. The test system is easy to opearte and the result is reliable. At the same time, reliability and stability of the hardware platform operation will be improved.

high voltage direct current transmission; MACH2 hardware platform; test system; function testing; board replacement principle

TM721

A

1674-3415(2014)15-0123-05

2014-03-10

吳述超（1979-），男，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化的研究和開(kāi)發(fā)工作；E-mail: wushuchao@ sina.com

周紹元(1973-)，男，本科，工程師，從事直流輸電控制保護(hù)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和測(cè)試；

喬記陽(yáng)（1983-），男，碩士，工程師，主要從事高壓直流輸電研究和開(kāi)發(fā)工作。