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許繼電氣直流輸電分公司的研究人員賈帥鋒、張浩然、李鳳龍、趙冠華、張自朋，在2021年第7期《電氣技術(shù)》上撰文，通過對(duì)換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究，提出一種基于PSCAD/EMTDC的新型仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用PSCAD自定義裝置模擬實(shí)際的控保裝置，建立直流控保仿真系統(tǒng)，分別描述了自定義裝置之間、自定義裝置與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)之間的通訊插口設(shè)計(jì)，優(yōu)化了運(yùn)行人員控制系統(tǒng)和自定義裝置的通訊規(guī)約和交互方法，使自定義裝置上送報(bào)文的數(shù)據(jù)區(qū)和實(shí)際裝置一致，因而能把工程現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行人員控制系統(tǒng)參數(shù)直接應(yīng)用到直流換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中。

當(dāng)前，我國已有三十余條直流輸電工程建成投產(chǎn)，直流工程運(yùn)維檢修工作日漸艱巨，直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制保護(hù)策略復(fù)雜，因而對(duì)運(yùn)行檢修人員的運(yùn)行操作和檢修維護(hù)要求也愈發(fā)專業(yè)。為了研究直流系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)與檢修維護(hù)測(cè)試，須要搭建仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

直流仿真培訓(xùn)系統(tǒng)通常分為兩種：一種由硬件與軟件構(gòu)成，如由實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（realtimedigitalsimulation,RTDS）和控保裝置構(gòu)成，也有采用RTLAB或則HYPERSIM和控保裝置構(gòu)成，但此種仿真系統(tǒng)設(shè)備多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；另一種由純軟件構(gòu)成，如在PSCAD/EMTDC中按照工程程序搭建控保邏輯，但該種仿真系統(tǒng)所建模型與實(shí)際控保邏輯存在較大差別，且未能像工程數(shù)學(xué)模型一樣，為用戶提供詳盡的系統(tǒng)狀態(tài)信息。

因此，亟待開發(fā)一種新型仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，既能高度模擬現(xiàn)場(chǎng)直流控制保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)與工程現(xiàn)場(chǎng)的工況高度一致，用于運(yùn)檢人員的專業(yè)培訓(xùn)，又具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)。

1直流換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)目的是實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員培訓(xùn)功能，為通過運(yùn)行人員控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱后臺(tái)系統(tǒng)）的各類功能操作高壓直流輸電系統(tǒng)提供一個(gè)培訓(xùn)設(shè)施。一個(gè)典型兩端特高壓直流系統(tǒng)全軟件仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（可以擴(kuò)充為多端仿真培訓(xùn)系統(tǒng)）的整體結(jié)構(gòu)概況如圖1所示。它主要由兩個(gè)換流站的培訓(xùn)工作站、仿真服務(wù)器和聯(lián)接它們的局域網(wǎng)（localareanetwork,LAN）組成。兩臺(tái)培訓(xùn)工作站分別為檢波站和逆變站的后臺(tái)系統(tǒng)工作站。

圖1仿真培訓(xùn)系統(tǒng)整體概況

2仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

仿真培訓(xùn)系統(tǒng)分為三部份：直流控保仿真系統(tǒng)、一次設(shè)備仿真系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)。其中直流控保仿真系統(tǒng)、一次設(shè)備仿真系統(tǒng)完全在仿真服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)系統(tǒng)的后置程序也在仿真服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)邏輯模型整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1一次設(shè)備仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程主接線圖和主回路參數(shù)等信息，使用PSCAD自帶器件庫對(duì)換流變壓器、換流器、直流線路等關(guān)鍵直流場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行仿真建模，調(diào)整模型參數(shù)使其外部特點(diǎn)與特高壓直流換流站內(nèi)一次設(shè)備高度一致，同時(shí)完善交流系統(tǒng)等值網(wǎng)路，保證交流系統(tǒng)對(duì)直流系統(tǒng)外特點(diǎn)與實(shí)際工程高度一致。

采用自主研制的DCSIM模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)層測(cè)控裝置和部份一次設(shè)備（如刀開關(guān)、斷路器等）進(jìn)行模擬，與PSCAD一次仿真模型一起配合，完成對(duì)直流輸電工程現(xiàn)場(chǎng)層的所有測(cè)控設(shè)備和刀開關(guān)、斷路器、換流閥等一次設(shè)備的仿真。

2.2直流控保仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

直流控保仿真系統(tǒng)在PSCAD中采用自定義模塊實(shí)現(xiàn)，其分層結(jié)構(gòu)在PSCAD中的映射如圖2中的直流控保仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制保護(hù)自定義模塊與工程控制保護(hù)裝置一一對(duì)應(yīng)，即每位實(shí)際控制保護(hù)裝置對(duì)應(yīng)PSCAD/EMTDC中一個(gè)自定義模塊。

圖2仿真培訓(xùn)系統(tǒng)邏輯模型整體結(jié)構(gòu)

實(shí)際工程的控制保護(hù)系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)可靠性，設(shè)置了各類冗余設(shè)計(jì)。諸如在通訊、控制保護(hù)裝置等環(huán)節(jié)設(shè)置雙系統(tǒng)冗余，直流保護(hù)系統(tǒng)則設(shè)計(jì)了三套保護(hù)。這種功能主要是強(qiáng)化了系統(tǒng)的可靠性，并不影響系統(tǒng)級(jí)仿真中直流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)。為此，控制保護(hù)仿真模型中不考慮這種容錯(cuò)設(shè)計(jì)，所有控制保護(hù)層的裝置均為單系統(tǒng)即單套模擬裝置，通訊環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為單套訊號(hào)直連。

直流控保仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中每位控制保護(hù)自定義模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)際的控制保護(hù)裝置。通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⒚课辉S繼直流輸電公司研制的HCM3000控制保護(hù)裝置的程序轉(zhuǎn)換成一個(gè)仿真系統(tǒng)可辨識(shí)的對(duì)應(yīng)的C代碼庫文件；之后每位控制保護(hù)自定義模塊通過入口fortran函數(shù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的C代碼庫文件，完成實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)代碼向控制保護(hù)自定義仿真模塊的轉(zhuǎn)換；最后依據(jù)實(shí)際工程控制保護(hù)裝置的通訊聯(lián)接關(guān)系，降低多個(gè)控制保護(hù)自定義仿真模塊之間的訊號(hào)傳遞，將各個(gè)控制保護(hù)模塊組合成一個(gè)完整的直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)而完成對(duì)直流二次控保系統(tǒng)的仿真。

2.3PSCAD自定義模塊之間的通訊插口設(shè)計(jì)

實(shí)際直流控制保護(hù)裝置之間的通訊主要通過硬接線和光纖實(shí)現(xiàn)，包括LAN網(wǎng)通訊、現(xiàn)場(chǎng)總線通訊、系統(tǒng)間快速控制總線通訊、站間快速通訊、時(shí)分復(fù)用技術(shù)（time-divisionmultiplexing,TDM）光纖通訊等。PSCAD仿真系統(tǒng)中，控制保護(hù)自定義模塊采用輸入輸出引腳連線來替代各類通訊硬接線和光纖，將數(shù)據(jù)讀出寫入到指定通訊類型的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，因而滿足模擬控制保護(hù)裝置之間各類通訊數(shù)據(jù)類型傳遞的需求。

2.4直流控保仿真系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)插口設(shè)計(jì)

直流控保仿真系統(tǒng)與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互示意圖如圖3所示，基于PSCAD/EMTDC的直流控保仿真系統(tǒng)和后臺(tái)的后置程序都布署在仿真服務(wù)器上，二者通過共享顯存塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；后置程序把直流控保仿真系統(tǒng)上送的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)路合同上獻(xiàn)給后臺(tái)對(duì)象程序，并把對(duì)象程序通過顧客端下發(fā)的命令轉(zhuǎn)發(fā)給直流控保仿真系統(tǒng)。

圖3直流控保仿真系統(tǒng)與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互示意圖

在仿真服務(wù)器中，直流控保仿真系統(tǒng)由多個(gè)模擬裝置構(gòu)成，每位模擬裝置通過自定義插口模塊將各自的共享顯存映射到本裝置的顯存空間中，后臺(tái)系統(tǒng)的后置程序也將對(duì)應(yīng)共享顯存映射到本進(jìn)程的顯存空間中，因而模擬裝置和后置程序可對(duì)同一共享顯存進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。最終實(shí)現(xiàn)直流控保仿真系統(tǒng)與后臺(tái)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，并把仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的詳盡信息在后臺(tái)系統(tǒng)顯示。

2.5直流控保仿真系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)之間通訊規(guī)約

為了借助已有工程的后臺(tái)參數(shù)，降低后臺(tái)配置工作量，減少報(bào)文組織對(duì)直流控保仿真系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響，在實(shí)際控保系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)通訊規(guī)約的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，并根據(jù)共享顯存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的特性，更改規(guī)約交互方法。直流控保仿真系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)通訊報(bào)文格式見表1。

表1直流控保仿真系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)通訊報(bào)文格式

表1中，0～9字是規(guī)約頭，每字占用兩個(gè)字節(jié)，從第10字開始儲(chǔ)存數(shù)據(jù)部份。模擬控保裝置和后臺(tái)系統(tǒng)后置程序采用三塊獨(dú)立的共享顯存進(jìn)行通訊，三塊共享顯存分別是：ADI塊共享顯存、SER塊共享顯存、CMD塊共享顯存。其中ADI塊拿來儲(chǔ)存遙信遙測(cè)數(shù)據(jù)；SER塊拿來儲(chǔ)存風(fēng)波信息；CMD塊拿來儲(chǔ)存后臺(tái)系統(tǒng)下發(fā)的命令模塊。

遙信遙測(cè)數(shù)據(jù)上送采用ADI塊共享顯存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該顯存塊拿來儲(chǔ)存模擬控保裝置上送的遙信遙測(cè)數(shù)據(jù)，該顯存區(qū)第2字默認(rèn)為0，不進(jìn)行風(fēng)波上傳。從第10字開始儲(chǔ)存遙信遙測(cè)數(shù)據(jù)，其中每位遙測(cè)量數(shù)據(jù)占用一個(gè)字，每位遙信量占用一位或多位。后置程序每100ms讀取一次共享顯存，把虛擬裝置輸出到共享顯存的數(shù)據(jù)解析下來，通過內(nèi)部插口上獻(xiàn)給后臺(tái)系統(tǒng)，在顧客端顯示各個(gè)變量狀態(tài)。

SER信息上送采用SER塊共享顯存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該顯存塊拿來儲(chǔ)存模擬裝置上獻(xiàn)給后臺(tái)系統(tǒng)的風(fēng)波信息，該顯存塊第3字默認(rèn)為0x0a，即從第10字開始儲(chǔ)存風(fēng)波信息。為了避免風(fēng)波信息遺失，后置程序讀取完該塊顯存發(fā)覺該顯存塊有風(fēng)波，則應(yīng)寫一條報(bào)文，使該顯存塊第2字變?yōu)?；只有當(dāng)該顯存塊第2字為0時(shí)，模擬裝置能夠把風(fēng)波寫入該共享顯存。

后臺(tái)系統(tǒng)命令下發(fā)采用CMD塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該顯存塊拿來接收后臺(tái)系統(tǒng)下發(fā)的命令，后臺(tái)系統(tǒng)下發(fā)命令前，首先讀取該顯存塊內(nèi)容判定該顯存塊第1字是否為0電氣設(shè)計(jì)培訓(xùn)，若為0則說明該顯存塊沒有命令待讀取，可以把命令直接寫入該緩沖區(qū)；若不為0，則等待100ms并形成一條系統(tǒng)風(fēng)波命令未被仿真系統(tǒng)拿走，之后再把下發(fā)命令寫入該緩沖區(qū)。虛擬裝置拿走命令后，應(yīng)回寫一條報(bào)文，使該顯存塊第1個(gè)字內(nèi)容變?yōu)?。

3仿真培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的功能、性能，本文以特高壓800kV雁淮直流工程仿真系統(tǒng)為例，進(jìn)行解閉鎖實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的培訓(xùn)功能。保留仿真培訓(xùn)系統(tǒng)解閉鎖實(shí)驗(yàn)形成的錄波，與物模仿真系統(tǒng)（一次部份由實(shí)時(shí)仿真器模擬、二次部份為實(shí)際控制保護(hù)裝置）形成的波形進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。

3.1仿真實(shí)驗(yàn)1

居庸關(guān)換流站極2解鎖實(shí)驗(yàn)，直流系統(tǒng)輸送功率為400MW電氣設(shè)計(jì)培訓(xùn)，直流系統(tǒng)運(yùn)行方法為：極2雙換流器，單極功率控制，功率定值400MW。仿真波形對(duì)比如圖4所示。圖5為仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的操作界面。

圖4雁淮直流極2解鎖，檢波側(cè)仿真波形和物模波形對(duì)比

圖5仿真培訓(xùn)系統(tǒng)操作界面

圖4中從上至下依次為觸發(fā)角、直流電壓、直流電流，藍(lán)色為物模波形，紅色為仿真波形。通過對(duì)比發(fā)覺，雁淮直流仿真模型在解鎖過程中觸發(fā)角、直流電流和直流電壓的變化趨勢(shì)與物模解鎖過程基本保持一致。

3.2仿真培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)2

極1高端換流器閉鎖，直流系統(tǒng)輸送功率為200MW。直流系統(tǒng)運(yùn)行方法：極1高端換流器運(yùn)行，單極功率控制，功率定值200MW，極1高端換流器閉鎖。仿真波形對(duì)比如圖6所示。

圖6中從上至下依次為觸發(fā)角、直流電壓、直流電流，藍(lán)色為物模波形，紅色為仿真波形。通過對(duì)比雁淮直流閉鎖的仿真波形和物模波形可以看出，雁淮直流閉鎖過程中仿真波形的觸發(fā)角、直流電流、直流電壓與物模波形的變化趨勢(shì)和幅度基本保持一致。

4推論

本文提出了一種全軟件方式建立的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，采用PSCAD自定義模塊模擬實(shí)際的控保裝置，進(jìn)行直流控保仿真系統(tǒng)建立，采用DCSIM模擬開關(guān)測(cè)控裝置和PASCAD一次模型模擬直流一次系統(tǒng)，優(yōu)化后臺(tái)系統(tǒng)和直流控保仿真系統(tǒng)的通訊規(guī)約和交互方法，后臺(tái)系統(tǒng)可直接采用工程現(xiàn)場(chǎng)的后臺(tái)參數(shù)和上述系統(tǒng)一起建立經(jīng)濟(jì)合理的直流仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。

圖6雁淮直流極1高端換流器閉鎖，檢波側(cè)仿真波形與物模波形對(duì)比

文中詳盡介紹了該仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)的暫態(tài)特點(diǎn)和功能性。

該套培訓(xùn)系統(tǒng)不須要實(shí)際的控保裝置，具有仿真環(huán)境搭建簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的推廣價(jià)值。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于換流站運(yùn)行人員、檢修人員、大學(xué)高年級(jí)電氣工程專業(yè)中學(xué)生教學(xué)培訓(xùn)，可以進(jìn)行直流解鎖、閉鎖、順控、緊急停運(yùn)、閥組投退等典型操作，可完成交流側(cè)三相接地和直流側(cè)接地等反車禍演習(xí)。

本文編自2021年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一種新型直流換流站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，作者為賈帥鋒、張浩然等。