许继典型特高压直流系统全软件仿真培训系统（一）

许继机电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，在今年第7期《电气技术》上撰文，通过对换流站仿真轮训系统的研究，提出一种基于PSCAD/EMTDC的新型仿真轮训系统设计方案，辅以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模式，使自定义装置上送信令的数据区和实际装置一致，因而能把安装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轮训系统中。 #

当前，我国已有三十余条直流输电安装工程完工投产，直流安装工程维保检修工作日渐艰巨，直流输电系统结构及控制保护策略复杂，所以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征与检修维护检测，还要搭建仿真轮训系统。

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直流仿真轮训系统通常分为两种：一种由软件与硬件构成，如由实时数字仿真（realtime,RTDS）和控保装置构成，还有选用RTLAB或则和控保装置构成，但此种仿真系统设备多且结构复杂；另一种由纯硬件构成，如在PSCAD/EMTDC中按照安装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，且未能像安装工程化学模型一样，为用户提供具体的系统状态信息。 #

因此，亟待开发一种新型仿真轮训系统，既能高度模拟现场直流控制保护系统，实现仿真平台与安装工程现场的载荷高度一致，适于运检人员的专业轮训，又具有结构简略和经济性的特点。

1直流换流站仿真轮训系统简介

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仿真轮训系统目的是实现运行人员轮训功能，为通过运行人员控制系统（以下简称后台系统）的各式功能操作高压直流输电系统提供一个轮训设施。一个典型两端特高压直流系统全硬件仿真轮训系统（可以扩充为多端仿真轮训系统）的整体结构概况如图1所示。它主要由两个换流站的轮训工作站、仿真服务器和联结他们的网段网（localarea,LAN）组成。两台轮训工作站分别为移相站和逆变站的后台系统工作站。 #

图1仿真轮训系统整体概况 #

2仿真轮训系统的总体方案设计

仿真轮训系统分为三部份：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。仿真轮训系统逻辑模型整体结构如图2所示。

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2.1一次设备仿真系统方案设计

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根据实际安装工程主接线图和主回路参数等信息，使用PSCAD自带器件库调换流电机、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征与特高压直流换流站内一次设备高度一致，同时确立交流系统等值网路，保证交流系统对直流系统外特征与实际安装工程高度一致。

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选用自主研制的DCSIM模块对现场层测控装置和部份一次设备（如刀继电器、断路器等）进行模拟，与PSCAD一次仿真模型一起配合，完成对直流输电安装工程现场层的所有测控设备和刀继电器、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

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直流控保仿真系统在PSCAD中选用自定义模块实现，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，即每位实际控制保护装置对应PSCAD/EMTDC中一个自定义模块。 #

图2仿真轮训系统逻辑模型整体结构

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实际安装工程的控制保护系统为了保证系统靠谱性，设置了各式冗余设计。诸如在通讯、控制保护装置等环节设置双系统冗余，直流保护系统则设计了三套保护。很多功能主要是增强了系统的牢靠性，并不影响系统级仿真中直流的动态响应特点。为此，控制保护仿真模型中不考虑这种容错设计，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保护装置。通过转化程序将每位许继直流输电公司研制的控制保护装置的程序转化成一个仿真系统可辨识的对应的C代码库文件；之后每位控制保护自定义模块通过入口函数读取对应的C代码库文件，完成实际控制保护系统代码向控制保护自定义仿真模块的转化；最后依据实际工程控制保护装置的通讯连结关系，提高多个控制保护自定义仿真模块之间的讯号传递，将各个控制保护模块组合成一个完整的直流输电控制保护系统，以便完成对直流二次控保系统的仿真。

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2.3PSCAD自定义模块之间的通讯插口设计 #

实际直流控制保护装置之间的通讯主要通过硬接线和光纤实现，包括LAN网通讯、现场总线通讯、系统间迅速控制总线通讯、站间迅速通讯、时分复用技术（time-,TDM）光纤通讯等。PSCAD仿真系统中，控制保护自定义模块选用键入输出引脚连线来取代各类通讯硬接线和光纤，将数据读出写入到指定通讯类别的数据缓存区中，以便满足模拟控制保护装置之间各类通讯数据类别传递的需求。 #

2.4直流控保仿真系统和后台系统插口设计

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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环球电气设计培训，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模块将各自的共享显存映射到本装置的显存空间中，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，以便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具体信息在后台系统显示。

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2.5直流控保仿真系统和后台系统之间通讯规约

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为了运用已有安装工程的后台参数，降低后台配置工作量，减少信令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环球电气设计培训，更改规约交互模式。直流控保仿真系统和后台系统通讯信令格式见表1。 #

表1直流控保仿真系统和后台系统通讯信令格式

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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选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。

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遥信遥测数据上送选用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调用一次共享显存，把虚拟装置输出到共享显存的数据解读下来，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信息上送选用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丑闻信息，该显存块第3字默认为0x0a，即从第10字开始储存风波信息。为了避免丑闻信息遗失，后置程序调用完该块显存发觉该显存块有丑闻，则应写一条信令，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。

后台系统命令下发选用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，首先调用该显存块内容判定该显存块第1字是否为0，若为0则说明该显存块没有命令待调用，可以把命令直接写入该缓冲区；若不为0，则等候100ms并形成一条系统丑闻命令未被仿真系统抢走，于是再把下发命令写入该缓冲区。虚拟装置偷走命令后，应回写一条信令，使该显存块第1个字内容变为0。

3仿真轮训试验

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为了验证该仿真轮训系统的功能、性能，本文以特高压800kV雁淮直流安装工程仿真系统为例，进行解闭锁试验，验证系统的轮训功能。保留仿真轮训系统解闭锁试验形成的录波，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保护装置）形成的波形进行对比，验证该仿真轮训系统的动态特征。 #

3.1仿真试验1 #

虎牢关换流站极2解锁试验，直流系统输送功率为400MW，直流系统运行模式为：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为仿真轮训系统的操作界面。

图4雁淮直流极2解锁，移相侧仿真波形和物模波形对比

图5仿真轮训系统操作界面

图4中从上至下依次为触发角、直流电压、直流电流，红色为物模波形，蓝色为仿真波形。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仿真轮训试验2 #

极1高端换流器闭锁，直流系统输送功率为200MW。直流系统运行模式：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升幅基本保持一致。

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4推论 #

本文提出了一种全硬件方式建立的仿真轮训系统，辅以PSCAD自定义模块模拟实际的控保装置，进行直流控保仿真系统建立，辅以DCSIM模拟继电器测控装置和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模式，后台系统可直接选用安装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轮训系统。 #

图6雁淮直流极1高端换流器闭锁，移相侧仿真波形与物模波形对比

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文中详尽介绍了该仿真轮训系统的设计方案，最后进行仿真试验，验证了仿真系统的瞬态特征和功能性。

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该套轮训系统不须要实际的控保装置，具备仿真环境搭建简略、成本低等特点，具备较大的推广价值。该系统可广泛应适于换流站运行人员、检修人员、大学高初三机电安装工程专业师生教学轮训，可以进行直流解锁、闭锁、顺控、紧急停航、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。

本文编自今年第7期《电气技术》，论文标题为“一种新型直流换流站仿真轮训系统的设计与实现”，作者为贾帅锋、张浩然等。