许继电气直流输电分公司的研究人员贾帅锋
更新时间：2024-01-25 11:03:35作者：佚名
许继电气直流输电分公司的研究人员贾帅锋、张浩然、李凤龙、赵冠华、张自朋，在2021年第7期《电气技术》上撰文，通过对换流站仿真培训系统的研究，提出一种基于PSCAD/EMTDC的新型仿真培训系统设计方案，采用PSCAD自定义装置模拟实际的控保装置，建立直流控保仿真系统，分别描述了自定义装置之间、自定义装置与运行人员控制系统之间的通讯插口设计，优化了运行人员控制系统和自定义装置的通讯规约和交互方法，使自定义装置上送报文的数据区和实际装置一致，因而能把工程现场的运行人员控制系统参数直接应用到直流换流站仿真培训系统中。
当前，我国已有三十余条直流输电工程建成投产，直流工程运维检修工作日渐艰巨，直流输电系统结构及控制?；げ呗愿丛?，因而对运行检修人员的运行操作和检修维护要求也愈发专业。为了研究直流系统运行特点与检修维护测试，须要搭建仿真培训系统。
直流仿真培训系统通常分为两种：一种由硬件与软件构成，如由实时数字仿真（realtimedigitalsimulation,RTDS）和控保装置构成，也有采用RTLAB或则HYPERSIM和控保装置构成，但此种仿真系统设备多且结构复杂；另一种由纯软件构成，如在PSCAD/EMTDC中按照工程程序搭建控保逻辑，但该种仿真系统所建模型与实际控保逻辑存在较大差别，且未能像工程数学模型一样，为用户提供详尽的系统状态信息。
因此，亟待开发一种新型仿真培训系统，既能高度模拟现场直流控制?；は低?，实现仿真平台与工程现场的工况高度一致，用于运检人员的专业培训，又具备结构简单和经济性的优点。
1直流换流站仿真培训系统简介
仿真培训系统目的是实现运行人员培训功能，为通过运行人员控制系统（以下简称后台系统）的各类功能操作高压直流输电系统提供一个培训设施。一个典型两端特高压直流系统全软件仿真培训系统（可以扩充为多端仿真培训系统）的整体结构概况如图1所示。它主要由两个换流站的培训工作站、仿真服务器和联接它们的局域网（localareanetwork,LAN）组成。两台培训工作站分别为检波站和逆变站的后台系统工作站。
图1仿真培训系统整体概况
2仿真培训系统的总体方案设计
仿真培训系统分为三部份：直流控保仿真系统、一次设备仿真系统和后台系统。其中直流控保仿真系统、一次设备仿真系统完全在仿真服务器中实现，后台系统的后置程序也在仿真服务器中实现。仿真培训系统逻辑模型整体结构如图2所示。
2.1一次设备仿真系统方案设计
根据实际工程主接线图和主回路参数等信息，使用PSCAD自带器件库对换流变压器、换流器、直流线路等关键直流场设备进行仿真建模，调整模型参数使其外部特点与特高压直流换流站内一次设备高度一致，同时完善交流系统等值网路，保证交流系统对直流系统外特点与实际工程高度一致。
采用自主研制的DCSIM?？槎韵殖〔悴饪刈爸煤筒糠菀淮紊璞福ㄈ绲犊亍⒍下菲鞯龋┙心Ｄ猓隤SCAD一次仿真模型一起配合，完成对直流输电工程现场层的所有测控设备和刀开关、断路器、换流阀等一次设备的仿真。
2.2直流控保仿真系统方案设计
直流控保仿真系统在PSCAD中采用自定义?？槭迪?，其分层结构在PSCAD中的映射如图2中的直流控保仿真系统结构，控制保护自定义模块与工程控制保护装置一一对应，即每位实际控制?；ぷ爸枚杂SCAD/EMTDC中一个自定义?？椤?/p>
图2仿真培训系统逻辑模型整体结构
实际工程的控制保护系统为了保证系统可靠性，设置了各类冗余设计。诸如在通讯、控制保护装置等环节设置双系统冗余，直流?；は低吃蛏杓屏巳妆；ぁＵ庵止δ苤饕乔炕讼低车目煽啃裕⒉挥跋煜低臣斗抡嬷兄绷鞯亩煊μ氐?。为此，控制?；し抡婺Ｐ椭胁豢悸钦庵秩荽砩杓?，所有控制保护层的装置均为单系统即单套模拟装置，通讯环节简化为单套讯号直连。
直流控保仿真系统结构中每位控制保护自定义模块对应一个实际的控制?；ぷ爸谩Ｍü怀绦蚪课恍砑讨绷魇涞绻狙兄频腍CM3000控制?；ぷ爸玫某绦蜃怀梢桓龇抡嫦低晨杀媸兜亩杂Φ腃代码库文件；之后每位控制?；ぷ远ㄒ迥？橥ü肟趂ortran函数调用对应的C代码库文件，完成实际控制?；は低炒胂蚩刂票；ぷ远ㄒ宸抡婺？榈淖?；最后依据实际工程控制?；ぷ爸玫耐ㄑ读庸叵担档投喔隹刂票；ぷ远ㄒ宸抡婺？橹涞难逗糯?，将各个控制?；つ？樽楹铣梢桓鐾暾闹绷魇涞缈刂票；は低?，进而完成对直流二次控保系统的仿真。
2.3PSCAD自定义模块之间的通讯插口设计
实际直流控制?；ぷ爸弥涞耐ㄑ吨饕ü步酉吆凸庀耸迪郑↙AN网通讯、现场总线通讯、系统间快速控制总线通讯、站间快速通讯、时分复用技术（time-divisionmultiplexing,TDM）光纤通讯等。PSCAD仿真系统中，控制?；ぷ远ㄒ迥？椴捎檬淙胧涑鲆帕呃刺娲骼嗤ㄑ队步酉吆凸庀耍荻脸鲂慈氲街付ㄍㄑ独嘈偷氖莼捍媲?，因而满足模拟控制保护装置之间各类通讯数据类型传递的需求。
2.4直流控保仿真系统和后台系统插口设计
直流控保仿真系统与运行人员控制系统的数据交互示意图如图3所示，基于PSCAD/EMTDC的直流控保仿真系统和后台的后置程序都布署在仿真服务器上，二者通过共享显存块进行数据交换；后置程序把直流控保仿真系统上送的数据通过网路合同上献给后台对象程序，并把对象程序通过顾客端下发的命令转发给直流控保仿真系统。
图3直流控保仿真系统与运行人员控制系统数据交互示意图
在仿真服务器中，直流控保仿真系统由多个模拟装置构成，每位模拟装置通过自定义插口?？榻髯缘墓蚕硐源嬗成涞奖咀爸玫南源婵占渲?，后台系统的后置程序也将对应共享显存映射到本进程的显存空间中，因而模拟装置和后置程序可对同一共享显存进行数据读写，实现数据交换。最终实现直流控保仿真系统与后台系统的互联互通，并把仿真系统运行状态的详尽信息在后台系统显示。
2.5直流控保仿真系统和后台系统之间通讯规约
为了借助已有工程的后台参数，降低后台配置工作量，减少报文组织对直流控保仿真系统运行效率的影响，在实际控保系统和后台系统通讯规约的基础上进行了优化，并根据共享显存进行数据交互的特性，更改规约交互方法。直流控保仿真系统和后台系统通讯报文格式见表1。
表1直流控保仿真系统和后台系统通讯报文格式
表1中，0～9字是规约头，每字占用两个字节，从第10字开始储存数据部份。模拟控保装置和后台系统后置程序采用三块独立的共享显存进行通讯，三块共享显存分别是：ADI块共享显存、SER块共享显存、CMD块共享显存。其中ADI块拿来储存遥信遥测数据；SER块拿来储存风波信息；CMD块拿来储存后台系统下发的命令模块。
遥信遥测数据上送采用ADI块共享显存进行数据传输。该显存块拿来储存模拟控保装置上送的遥信遥测数据，该显存区第2字默认为0，不进行风波上传。从第10字开始储存遥信遥测数据，其中每位遥测量数据占用一个字，每位遥信量占用一位或多位。后置程序每100ms读取一次共享显存，把虚拟装置输出到共享显存的数据解析下来，通过内部插口上献给后台系统，在顾客端显示各个变量状态。
SER信息上送采用SER块共享显存进行数据传输。该显存块拿来储存模拟装置上献给后台系统的风波信息，该显存块第3字默认为0x0a，即从第10字开始储存风波信息。为了避免风波信息遗失，后置程序读取完该块显存发觉该显存块有风波，则应写一条报文，使该显存块第2字变为0；只有当该显存块第2字为0时，模拟装置能够把风波写入该共享显存。
后台系统命令下发采用CMD块进行数据传输。该显存块拿来接收后台系统下发的命令，后台系统下发命令前，首先读取该显存块内容判定该显存块第1字是否为0电气设计培训，若为0则说明该显存块没有命令待读取，可以把命令直接写入该缓冲区；若不为0，则等待100ms并形成一条系统风波命令未被仿真系统拿走，之后再把下发命令写入该缓冲区。虚拟装置拿走命令后，应回写一条报文，使该显存块第1个字内容变为0。
3仿真培训实验
为了验证该仿真培训系统的功能、性能，本文以特高压800kV雁淮直流工程仿真系统为例，进行解闭锁实验，验证系统的培训功能。保留仿真培训系统解闭锁实验形成的录波，与物模仿真系统（一次部份由实时仿真器模拟、二次部份为实际控制?；ぷ爸茫┬纬傻牟ㄐ谓卸员龋橹じ梅抡媾嘌迪低车亩氐?。
3.1仿真实验1
居庸关换流站极2解锁实验，直流系统输送功率为400MW电气设计培训，直流系统运行方法为：极2双换流器，单极功率控制，功率定值400MW。仿真波形对比如图4所示。图5为仿真培训系统的操作界面。
图4雁淮直流极2解锁，检波侧仿真波形和物模波形对比
图5仿真培训系统操作界面
图4中从上至下依次为触发角、直流电压、直流电流，蓝色为物模波形，红色为仿真波形。通过对比发觉，雁淮直流仿真模型在解锁过程中触发角、直流电流和直流电压的变化趋势与物模解锁过程基本保持一致。
3.2仿真培训实验2
极1高端换流器闭锁，直流系统输送功率为200MW。直流系统运行方法：极1高端换流器运行，单极功率控制，功率定值200MW，极1高端换流器闭锁。仿真波形对比如图6所示。
图6中从上至下依次为触发角、直流电压、直流电流，蓝色为物模波形，红色为仿真波形。通过对比雁淮直流闭锁的仿真波形和物模波形可以看出，雁淮直流闭锁过程中仿真波形的触发角、直流电流、直流电压与物模波形的变化趋势和幅度基本保持一致。
4推论
本文提出了一种全软件方式建立的仿真培训系统，采用PSCAD自定义?？槟Ｄ馐导实目乇Ｗ爸?，进行直流控保仿真系统建立，采用DCSIM模拟开关测控装置和PASCAD一次模型模拟直流一次系统，优化后台系统和直流控保仿真系统的通讯规约和交互方法，后台系统可直接采用工程现场的后台参数和上述系统一起建立经济合理的直流仿真培训系统。
图6雁淮直流极1高端换流器闭锁，检波侧仿真波形与物模波形对比
文中详尽介绍了该仿真培训系统的设计方案，最后进行仿真实验，验证了仿真系统的暂态特点和功能性。
该套培训系统不须要实际的控保装置，具有仿真环境搭建简单、成本低等优点，具有较大的推广价值。该系统可广泛应用于换流站运行人员、检修人员、大学高年级电气工程专业中学生教学培训，可以进行直流解锁、闭锁、顺控、紧急停运、阀组投退等典型操作，可完成交流侧三相接地和直流侧接地等反车祸演习。
本文编自2021年第7期《电气技术》，论文标题为“一种新型直流换流站仿真培训系统的设计与实现”，作者为贾帅锋、张浩然等。