特高压直流输电现场层模拟仿真技术应用

杨广羽，刘敏，冯广涛，王彦宾

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

特高压直流输电现场层模拟仿真技术应用

杨广羽，刘敏，冯广涛，王彦宾

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

介绍了特高压直流输电系统中现场层模拟仿真技术的原理及实现过程，分析了 SIMIT仿真模拟器装置及PROFIBUS DP总线协议的主要功能。根据6MD和DFU测控装置的不同特性，现场层模拟技术配置相应的模拟装置及接口信号。现场层模拟器仿真技术在高压直流输电系统的应用，即采用硬件接口模拟及现场总线通讯模型仿真方式，完全模拟直流工程PROFIBUS DP现场总线及测控功能。从而在动态性能实验中做到用最少的资源完成控制保护主机完整的闭环控制。

特高压直流；现场层模拟装置；仿真技术；现场总线协议；仿真应用。

0 前言

随着高压直流输电技术的不断发展，目前高压直流工程具有更高的电压等级、更大的输送容量和更远的传输距离等特点。这就对直流控制保护系统设备在可靠性和功能完善性上提出了更高的要求[1]。目前，RTDS实时数字仿真系统是开展高压直流控制保护试验最广泛和最有效的手段之一[2]。国内验证控制保护系统性能常规的做法就是利用RTDS数字仿真系统进行动态性能实验(Dynamic Performance Test)，简称DPT实验。但RTDS实时数字仿真系统的仿真能力有限，以处理器GPC为例，1个Rack仅能计算66个触点和56个开关，远远不能满足直流换流站交直流场断路器、隔刀、地刀等众多设备的闭环控制需求。

直流换流站每种一次设备都有大量的模拟量及开关量的告警、命令及设备状态信息。这些通过现场层测控装置处理的信息不但要用于连锁、逻辑判断，还需要送到后台监控系统用于显示。但众多I/O现场层测控装置的设备全部参与DPT实验，不但需要巨大的实验场地，而且屏间接线工作繁琐，需要占用大量的人力、物力及时间周期。而且大量的断路器、隔离开关、接地刀等一次设备不能在RTDS里面进行一次模拟，会出现“无控而控”情况，不能满足直流工程动态实验完全模拟直流工程现场的需求。现场层模拟器仿真技术在高压直流输电系统的应用，不但完全可以解决上述问题，还能完全模拟直流工程PROFIBUS DP现场总线及测控功能。从而做到在直流工程的动态性能实验中，完成控制保护主机完整的闭环控制。下面以±800 kV普侨直流工程为例，对现场层模拟器SIMIT从工程应用方面进行分析和探讨。

1 现场层测控装置功能介绍

实际直流工程的直流控制保护系统具体分层结构图见图1：主要分为运行人员控制层、控制保护

设备层、现场层、一次系统设备层。现场层测控装置位于现场层中，主要完成信号采集，处理及与主站进行PROFIBUS DP协议总线通讯等功能。

图1 特高压控制保护系统分层结构

1.1 主要现场层测控装置

根据±800 kV特高压直流工程就地测控的设计要求，交流场、交流滤波器组、直流场等装置连锁逻辑需求放在现场层来配置，配置6MD测控装置；对于只有信号采集功能需求的，如交流站接口、换流变接口屏等，为了节约成本，配置DFU系列的I/O测控装置。

DFU测量控制装置是一个采用微处理器分布式现场控制装置。它主要作用为：进行现场控制层一次设备的数据采集、预处理及数据上传，同时执行主控站的控制输出命令。DFU装置通过PROFIBUS DP现场总线与主站进行通信，并支持冗余的通信接口配置。在±800 kV普侨直流工程，DFU测控装置主要用于换流变压器分接头及告警信号的采集和控制等信号的采集。

6MD测量控制装置是采用微处理器现场控制装置。它不但能完成测控I/O的数据采集处理功能，还能够完成开关连锁控制功能。它主要作用为：进行现场控制级的数据采集、预处理及数据上传，进行相应开关连锁逻辑，控制输出命令；它不但可以通过PROFIBUS DP现场总线与主站进行通信，还可以通过装置间的装置内部通讯(Inter-device communication)，简称IDC通讯。这种通讯方式使得信息可以在各个控制单元之间互相传递，而不需要PROFIBUS DP主站的干预。在±800 kV普侨直流工程，6MD控制装置主要用于换流站交、直流场开关及阀厅接口等现场层控制。

1.2 现场层装置串行现场总线协议

由于串行现场总线系统接线方便，且采用了高速传输用户数据而优化的PROFIBUS DP协议，广泛应用于工业控制器和现场层分散I/O现场测控设备之间的通讯[3]。DFU和6MD系列测控装置都采用了这种现场总线协议方式。现场层模拟器仿真装置的串行现场总线跟这些装置的协议完全相同，其协议结构见表一。

表一 PROFIBUS DP协议结构表

该通讯标准模型共有七层结构，分为两类，分别为：用户层和网络层。PROFIBUS DP协议使用了第一层、第二层和用户接口。这种精简的结构，保证了高速数据的传输[3]。

直流控制保护系统的PROFIBUS DP总线设备采用单主站结构，1个主站最多能连接125个从站，主站和从站的信息交互有专门的内存区，读本地内存能获取远程数据，写本地内存能实现远程操作。其拓扑结构见图2。

图2 PROFIBUS DP单主站拓扑结构

DP主站与DP从站循环地交换用户数据，它采用轮询表来执行通讯，主站周期地读取从站的上传信息，同时周期地向从站发送输出信号，轮询表情况详见图3。

图3 PROFIBUS DP主从站信息交互轮询表

2 现场层模拟器仿真应用

在进行DPT实验时，由于现场层测控单元不参与此实验，虽然部分一次设备也可以在RTDS中进行仿真，但 RTDS自身价格昂贵，节点容量有限，而且不能模拟测控单元的现场总线功能，不能完全满足实验要求。而且RTDS仿真设备对开关连锁等做在6MD测控装置中等功能无法测试，不能满足DPT实验模拟直流现场的要求。

下面对南网±800 kV普侨直流工程动态性能实验中成功应用的现场层模拟器从工程仿真应用及实现方法方面进行简单的分析介绍。

在进行DPT试验时，采用现场层模拟器仿真装置的应用分层结构图见图4，其仿真技术能实现现场层测控装置的全部功能。

图4 现场层模拟仿真装置的应用分层结构

现场层模拟器仿真装置主要有四方面作用：

1)完全模拟完成6MD和DFU就地设备的测控功能：下发主站开关开合命令、返回一次设备状态及告警、采集模拟量及上传 SER事件等功能。

2)与直流控制保护系统DP主站进行现场总线通讯，实现所有从站与主站的信息交互功能。

3)有专用接口卡，满足直流控制保护系统与测控装置及RTDS接口信号的需求。把换流变交流开关、滤波器、换流变分接头以及直接影响运行方式的主要开关通过接口卡送到RTDS接口，实现在RTDS上模拟；其余大量的断路器、隔离开关、接地刀等一次设备在现场层模拟器仿真完成。

4)采用计算机仿真技术；通过在计算机中安装可视化的软件程序，实现工程的就地测控软件的真实仿真开关量信息及在线监视。

2.1 现场层模拟器仿真系统实现方法

现场层模拟器仿真系统其主要的实现方法分为2部分：一、硬件平台主要提供现场层模拟系统；二、软件部分采用计算机技术，来进行软件仿真。

在工程中，除交流开关场、直流开关场全部配置6MD控制装置外，阀组控制系统现场总线配置为6MD+DFU系列测控装置。现场层模拟装置主要模拟这两部分测控装置的功能。

现场层模拟系统硬件装置主要分为四部分：SIMIT工作站、6MD模拟装置、DFU模拟装置及接口装置。见图5所示。

图5 SIMIT现场层模拟器装置

图6 SIMIT现场层模拟器功能框图

SIMIT现场层模拟工作站 (PC)主要采集完成DFU和6MD模拟装置信号的接口模拟功能及直流换流站交直流场一次设备操作模拟仿真。如图7所示：SIMIT PC工作站中通过软件配置6MD、DFU及VBM接口装置，可以方便快捷收集测控装置的信号，用于一次设备的模拟。

普侨特高压直流工程实验系统每个站配置两台VME机箱，即DFU模拟机箱和VME硬件接口机箱。DFU系列硬件机箱配置包含现场层总线板卡、信号接口卡、CPU板卡、时钟同步板卡等。它主要完成DFU装置模拟系统的现场总线接口及通讯模型解析。VME硬件接口机箱是SIMIT现场层模拟系统与RTDS和直流控制保护系统的外部接口装置。外部接口信号通过机箱的采集插件采集处理后，送到SIMIT现场层模拟器工作站进行设备操作逻辑处理。

SIMIT现场层模拟装置模拟6MD系列硬件采用的是计算机主机。由于6MD装置需要验证其程序及开关连锁等功能，在6MD PC主机中运行了不同的软件功能来完全模拟实际的6MD所有装置功能。Device Server可视化软件是用来模拟6MD实际装置本身的功能，提供6MD实际装置一样的操作界面及配置，并把不同配置6MD装置的参数生成为 “.SIM”文件。DP Server软件用来配置属于同一条现场总线的从站的数据，并把数据送到现场总线卡总进行传输。Simulation Server软件是用来管理每台计算机主机中的所有运行6MD的SIM文件，可以方便的实现运行、关闭仿真程序功能。对于6MD装置的 IDC通讯是采用 IDC Server来模拟的。计算机的PCI插槽上安装现场总线网卡，通过现场总线连接DP主站和计算机模拟的DP从站进行通讯，

2.2 现场层模拟器的仿真应用效果分析

在此工程中，现场层模拟器主要作用是替代众多的现场层采集装置，实现其装置的模拟交直流开关场的隔离开关、高速断路器等一次设备的动作特性、采集装置的测控及连锁功能。工程中的6MD装置的功能在6MD模拟PC中完成；DFU装置的功能在VME DFU模拟装置中完成。

图7 现场层模拟器仿真应用原理

在动态性能实验中，SIMIT现场层模拟仿真系统通过解析现场总线协议中的报文信息，根据主站的命令信息模拟交直流开关场的隔离开关、高速断路器等一次设备的动作特性，并把一次设备的状态信息通过现场总线方式上传主站。对于影响直接影响运行方式的主要开关通过接口卡，送到RTDS接口，实现在RTDS模拟。

通过现场层模拟器仿真技术和采用现场层装置直流两种仿真技术方案的对比结果，可以得出：

1)采用现场层模拟器仿真装置：与实际工程结构一致，不需要改动直流控制保护程序，利用实际现场层装置的程序进行仿真及通讯方面测试，完全替代现场层装置功能；还可以模拟一次设备如地刀、隔刀状态与操作，可以快速搭建实验平台，节约RTDS资源。

2)采用现场层装置：与实际工程结构一致，不需要改动直流控制保护程序，满足直流工程的闭环控制。

3 结束语

以上介绍了现场层模拟仿真系统的原理及实现方法，并对其重要的现场层串行总线协议进行了介绍。现场层模拟器仿真技术的应用，避免了大量的繁杂的接线等工作，使直流动态性能实验平台及性能得以真实、快捷的验证。直流控制保护系统、RTDS实时数字仿真设备构成完整的闭环测试系统，解决了RTDS的仿真节点不足的瓶颈，实现了对直流控制保护系统的完整测试。

[1] 陈潜，张尧，钟庆，等.±800 kV特高压直流输电系统运行方式的仿真研究 [J].继电器，2007，35(16)：27-32.

[2] 王伟，周鹏鹏，傅润伟，等.直流现场层模拟系统研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(8)：119-123.

[3] 张浩，谭克强，朱守云.现场总线与工业以太网络应用技术手册 [M].上海：上海科学技术出版社，2002.8.86 -91.

Engineering Application and Realization Method of Field Layer Simulation Technology in UHVDC System

YANG Guangyu，LIU Min，FENG 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

杨广羽 (1979)，女，工程硕士，工程师，许继集团直流输电公司，从事高压直流控制保护成套电气设计 (e-mail)ygy2311＠126.com。

刘敏 (1968)，女，工程硕士，高级工程师，许继集团直流输电公司，从事高压直流控制保护成套电气设计。

冯广涛 (1982)，男，工程师，许继集团直流输电公司，从事高压直流控制保护软件设计。