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)場層模擬仿真技術(shù)應用

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)場層模擬仿真技術(shù)的原理及實現(xiàn)過程，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測控裝置的不同特性，現(xiàn)場層模擬技術(shù)配置相應的模擬裝置及接口信號。現(xiàn)場層模擬器仿真技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)的應用，即采用硬件接口模擬及現(xiàn)場總線通訊模型仿真方式，完全模擬直流工程PROFIBUS DP現(xiàn)場總線及測控功能。從而在動態(tài)性能實驗中做到用最少的資源完成控制保護主機完整的閉環(huán)控制。

特高壓直流；現(xiàn)場層模擬裝置；仿真技術(shù)；現(xiàn)場總線協(xié)議；仿真應用。

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、更大的輸送容量和更遠的傳輸距離等特點。這就對直流控制保護系統(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實時數(shù)字仿真系統(tǒng)是開展高壓直流控制保護試驗最廣泛和最有效的手段之一[2]。國內(nèi)驗證控制保護系統(tǒng)性能常規(guī)的做法就是利用RTDS數(shù)字仿真系統(tǒng)進行動態(tài)性能實驗(Dynamic Performance Test)，簡稱DPT實驗。但RTDS實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的仿真能力有限，以處理器GPC為例，1個Rack僅能計算66個觸點和56個開關(guān)，遠遠不能滿足直流換流站交直流場斷路器、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。這些通過現(xiàn)場層測控裝置處理的信息不但要用于連鎖、邏輯判斷，還需要送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)用于顯示。但眾多I/O現(xiàn)場層測控裝置的設(shè)備全部參與DPT實驗，不但需要巨大的實驗場地，而且屏間接線工作繁瑣，需要占用大量的人力、物力及時間周期。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里面進行一次模擬，會出現(xiàn)“無控而控”情況，不能滿足直流工程動態(tài)實驗完全模擬直流工程現(xiàn)場的需求。現(xiàn)場層模擬器仿真技術(shù)在高壓直流輸電系統(tǒng)的應用，不但完全可以解決上述問題，還能完全模擬直流工程PROFIBUS DP現(xiàn)場總線及測控功能。從而做到在直流工程的動態(tài)性能實驗中，完成控制保護主機完整的閉環(huán)控制。下面以±800 kV普僑直流工程為例，對現(xiàn)場層模擬器SIMIT從工程應用方面進行分析和探討。

1 現(xiàn)場層測控裝置功能介紹

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

設(shè)備層、現(xiàn)場層、一次系統(tǒng)設(shè)備層。現(xiàn)場層測控裝置位于現(xiàn)場層中，主要完成信號采集，處理及與主站進行PROFIBUS DP協(xié)議總線通訊等功能。

圖1 特高壓控制保護系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

1.1 主要現(xiàn)場層測控裝置

根據(jù)±800 kV特高壓直流工程就地測控的設(shè)計要求，交流場、交流濾波器組、直流場等裝置連鎖邏輯需求放在現(xiàn)場層來配置，配置6MD測控裝置；對于只有信號采集功能需求的，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測控裝置。

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

6MD測量控制裝置是采用微處理器現(xiàn)場控制裝置。它不但能完成測控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：進行現(xiàn)場控制級的數(shù)據(jù)采集、預處理及數(shù)據(jù)上傳，進行相應開關(guān)連鎖邏輯，控制輸出命令；它不但可以通過PROFIBUS DP現(xiàn)場總線與主站進行通信，還可以通過裝置間的裝置內(nèi)部通訊(Inter-device communication)，簡稱IDC通訊。這種通訊方式使得信息可以在各個控制單元之間互相傳遞，而不需要PROFIBUS DP主站的干預。在±800 kV普僑直流工程，6MD控制裝置主要用于換流站交、直流場開關(guān)及閥廳接口等現(xiàn)場層控制。

1.2 現(xiàn)場層裝置串行現(xiàn)場總線協(xié)議

由于串行現(xiàn)場總線系統(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，廣泛應用于工業(yè)控制器和現(xiàn)場層分散I/O現(xiàn)場測控設(shè)備之間的通訊[3]。DFU和6MD系列測控裝置都采用了這種現(xiàn)場總線協(xié)議方式?，F(xiàn)場層模擬器仿真裝置的串行現(xiàn)場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

該通訊標準模型共有七層結(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。這種精簡的結(jié)構(gòu)，保證了高速數(shù)據(jù)的傳輸[3]。

直流控制保護系統(tǒng)的PROFIBUS DP總線設(shè)備采用單主站結(jié)構(gòu)，1個主站最多能連接125個從站，主站和從站的信息交互有專門的內(nèi)存區(qū)，讀本地內(nèi)存能獲取遠程數(shù)據(jù)，寫本地內(nèi)存能實現(xiàn)遠程操作。其拓撲結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 PROFIBUS DP單主站拓撲結(jié)構(gòu)

DP主站與DP從站循環(huán)地交換用戶數(shù)據(jù)，它采用輪詢表來執(zhí)行通訊，主站周期地讀取從站的上傳信息，同時周期地向從站發(fā)送輸出信號，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)場層模擬器仿真應用

在進行DPT實驗時，由于現(xiàn)場層測控單元不參與此實驗，雖然部分一次設(shè)備也可以在RTDS中進行仿真，但 RTDS自身價格昂貴，節(jié)點容量有限，而且不能模擬測控單元的現(xiàn)場總線功能，不能完全滿足實驗要求。而且RTDS仿真設(shè)備對開關(guān)連鎖等做在6MD測控裝置中等功能無法測試，不能滿足DPT實驗模擬直流現(xiàn)場的要求。

下面對南網(wǎng)±800 kV普僑直流工程動態(tài)性能實驗中成功應用的現(xiàn)場層模擬器從工程仿真應用及實現(xiàn)方法方面進行簡單的分析介紹。

在進行DPT試驗時，采用現(xiàn)場層模擬器仿真裝置的應用分層結(jié)構(gòu)圖見圖4，其仿真技術(shù)能實現(xiàn)現(xiàn)場層測控裝置的全部功能。

圖4 現(xiàn)場層模擬仿真裝置的應用分層結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場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)與直流控制保護系統(tǒng)DP主站進行現(xiàn)場總線通訊，實現(xiàn)所有從站與主站的信息交互功能。

3)有專用接口卡，滿足直流控制保護系統(tǒng)與測控裝置及RTDS接口信號的需求。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行方式的主要開關(guān)通過接口卡送到RTDS接口，實現(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)場層模擬器仿真完成。

4)采用計算機仿真技術(shù)；通過在計算機中安裝可視化的軟件程序，實現(xiàn)工程的就地測控軟件的真實仿真開關(guān)量信息及在線監(jiān)視。

2.1 現(xiàn)場層模擬器仿真系統(tǒng)實現(xiàn)方法

現(xiàn)場層模擬器仿真系統(tǒng)其主要的實現(xiàn)方法分為2部分：一、硬件平臺主要提供現(xiàn)場層模擬系統(tǒng)；二、軟件部分采用計算機技術(shù)，來進行軟件仿真。

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

現(xiàn)場層模擬系統(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)場層模擬器裝置

圖6 SIMIT現(xiàn)場層模擬器功能框圖

SIMIT現(xiàn)場層模擬工作站 (PC)主要采集完成DFU和6MD模擬裝置信號的接口模擬功能及直流換流站交直流場一次設(shè)備操作模擬仿真。如圖7所示：SIMIT PC工作站中通過軟件配置6MD、DFU及VBM接口裝置，可以方便快捷收集測控裝置的信號，用于一次設(shè)備的模擬。

普僑特高壓直流工程實驗系統(tǒng)每個站配置兩臺VME機箱，即DFU模擬機箱和VME硬件接口機箱。DFU系列硬件機箱配置包含現(xiàn)場層總線板卡、信號接口卡、CPU板卡、時鐘同步板卡等。它主要完成DFU裝置模擬系統(tǒng)的現(xiàn)場總線接口及通訊模型解析。VME硬件接口機箱是SIMIT現(xiàn)場層模擬系統(tǒng)與RTDS和直流控制保護系統(tǒng)的外部接口裝置。外部接口信號通過機箱的采集插件采集處理后，送到SIMIT現(xiàn)場層模擬器工作站進行設(shè)備操作邏輯處理。

SIMIT現(xiàn)場層模擬裝置模擬6MD系列硬件采用的是計算機主機。由于6MD裝置需要驗證其程序及開關(guān)連鎖等功能，在6MD PC主機中運行了不同的軟件功能來完全模擬實際的6MD所有裝置功能。Device Server可視化軟件是用來模擬6MD實際裝置本身的功能，提供6MD實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軟件用來配置屬于同一條現(xiàn)場總線的從站的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送到現(xiàn)場總線卡總進行傳輸。Simulation Server軟件是用來管理每臺計算機主機中的所有運行6MD的SIM文件，可以方便的實現(xiàn)運行、關(guān)閉仿真程序功能。對于6MD裝置的 IDC通訊是采用 IDC Server來模擬的。計算機的PCI插槽上安裝現(xiàn)場總線網(wǎng)卡，通過現(xiàn)場總線連接DP主站和計算機模擬的DP從站進行通訊，

2.2 現(xiàn)場層模擬器的仿真應用效果分析

在此工程中，現(xiàn)場層模擬器主要作用是替代眾多的現(xiàn)場層采集裝置，實現(xiàn)其裝置的模擬交直流開關(guān)場的隔離開關(guān)、高速斷路器等一次設(shè)備的動作特性、采集裝置的測控及連鎖功能。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)場層模擬器仿真應用原理

在動態(tài)性能實驗中，SIMIT現(xiàn)場層模擬仿真系統(tǒng)通過解析現(xiàn)場總線協(xié)議中的報文信息，根據(jù)主站的命令信息模擬交直流開關(guān)場的隔離開關(guān)、高速斷路器等一次設(shè)備的動作特性，并把一次設(shè)備的狀態(tài)信息通過現(xiàn)場總線方式上傳主站。對于影響直接影響運行方式的主要開關(guān)通過接口卡，送到RTDS接口，實現(xiàn)在RTDS模擬。

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

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

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

3 結(jié)束語

以上介紹了現(xiàn)場層模擬仿真系統(tǒng)的原理及實現(xiàn)方法，并對其重要的現(xiàn)場層串行總線協(xié)議進行了介紹?，F(xiàn)場層模擬器仿真技術(shù)的應用，避免了大量的繁雜的接線等工作，使直流動態(tài)性能實驗平臺及性能得以真實、快捷的驗證。直流控制保護系統(tǒng)、RTDS實時數(shù)字仿真設(shè)備構(gòu)成完整的閉環(huán)測試系統(tǒng)，解決了RTDS的仿真節(jié)點不足的瓶頸，實現(xiàn)了對直流控制保護系統(tǒng)的完整測試。

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

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

[3] 張浩，譚克強，朱守云.現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)應用技術(shù)手冊 [M].上海：上?？茖W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，許繼集團直流輸電公司，從事高壓直流控制保護成套電氣設(shè)計 (e-mail)ygy2311＠126.com。

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

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