一种新型直流换流站仿真培训系统的设计与实现

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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，构建直流控保仿真系统，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信接口设计，优化了运行人员控制系统和自定义装置的通信规约和交互方式，使自定义装置上送报文的数据区和实际装置一致，从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运，直流工程运维检修工作日益繁重，直流输电系统结构及控制保护策略复杂，因此对运行检修人员的运行操作和检修维护要求也更加专业。为了研究直流系统运行特性与检修维护测试，需要搭建仿真培训系统。

直流仿真培训系统一般分为两种：一种由硬件与软件构成，如由实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）和控保装置构成，也有采用RTLAB或者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中根据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异，且无法像工程物理模型一样，为用户提供详细的系统状态信息。

为此，亟需开发一种新型仿真培训系统，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）的各种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（可以扩展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、仿真服务器和连接它们的局域网（local area network, LAN）组成。两台培训工作站分别为整流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分：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，后台系统的前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

依据实际工程主接线图和主回路参数等信息，使用PSCAD自带元件库对换流变压器、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性与特高压直流换流站内一次设备高度一致，同时建立交流系统等值网络，保证交流系统对直流系统外特性与实际工程高度一致。

采用自主研发的DCSIM模块对现场层测控装置和部分一次设备（如刀开关、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，即每个实际控制保护装置对应PSCAD/EMTDC中一个自定义模块。

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，设置了各种冗余设计。比如在通信、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。这些功能主要是加强了系统的可靠性，并不影响系统级仿真中直流的动态响应特性。因此，控制保护仿真模型中不考虑这些容错设计，所有控制保护层的装置均为单系统即单套模拟装置，通信环节简化为单套信号直连。

直流控保仿真系统结构中每个控制保护自定义模块对应一个实际的控制保护装置。通过转换程序将每个许继直流输电公司研发的HCM3000控制保护装置的程序转换成一个仿真系统可识别的对应的C代码库文件；然后每个控制保护自定义模块通过入口fortran函数调用对应的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换；最后根据实际工程控制保护装置的通信连接关系，增加多个控制保护自定义仿真模块之间的信号传递，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，从而完成对直流二次控保系统的仿真。

2.3  PSCAD自定义模块之间的通信接口设计

实际直流控制保护装置之间的通信主要通过硬接线和光纤实现，包括LAN网通信、现场总线通信、系统间快速控制总线通信、站间快速通信、时分复用技术（time-division multiplexing, TDM）光纤通信等。PSCAD仿真系统中，控制保护自定义模块采用输入输出引脚连线来代替各种通信硬接线和光纤，将数据读出写入到指定通信类型的数据缓存区中，从而满足模拟控制保护装置之间各种通信数据类型传递的需求。

2.4  直流控保仿真系统和后台系统接口设计

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前置程序都部署在仿真服务器上，两者通过共享内存块进行数据交换；前置程序把直流控保仿真系统上送的数据通过网络协议上送给后台对象程序，并把对象程序通过客户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，每个模拟装置通过自定义接口模块将各自的共享内存映射到本装置的内存空间中，后台系统的前置程序也将对应共享内存映射到本进程的内存空间中，从而模拟装置和前置程序可对同一共享内存进行数据读写，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细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信规约

为了利用已有工程的后台参数，减少后台配置工作量，降低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信规约的基础上进行了优化，并依据共享内存进行数据交互的特点，修改规约交互方式。直流控保仿真系统和后台系统通信报文格式见表1。

表1  直流控保仿真系统和后台系统通信报文格式

表1中，0～9字是规约头，每字占用两个字节，从第10字开始存储数据部分。模拟控保装置和后台系统前置程序采用三块独立的共享内存进行通信，三块共享内存分别是：ADI块共享内存、SER块共享内存、CMD块共享内存。其中ADI块用来存放遥信遥测数据；SER块用来存放事件信息；CMD块用来存放后台系统下发的命令模块。

遥信遥测数据上送采用ADI块共享内存进行数据传输。该内存块用来存储模拟控保装置上送的遥信遥测数据，该内存区第2字默认为0，不进行事件上传。从第10字开始存储遥信遥测数据，其中每个遥测量数据占用一个字，每个遥信量占用一位或多位。前置程序每100ms读取一次共享内存，把虚拟装置输出到共享内存的数据解析出来，通过内部接口上送给后台系统，在客户端显示各个变量状态。

SER信息上送采用SER块共享内存进行数据传输。该内存块用来存储模拟装置上送给后台系统的事件信息，该内存块第3字默认为0x0a，即从第10字开始存储事件信息。为了防止事件信息丢失，前置程序读取完该块内存发现该内存块有事件，则应写一条报文，使该内存块第2字变为0；只有当该内存块第2字为0时，模拟装置才能把事件写入该共享内存。

后台系统命令下发采用CMD块进行数据传输。该内存块用来接收后台系统下发的命令，后台系统下发命令前，首先读取该内存块内容判断该内存块第1字是否为0，若为0则说明该内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并产生一条系统事件命令未被仿真系统取走，然后再把下发命令写入该缓冲区。虚拟装置取走命令后，应回写一条报文，使该内存块第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产生的录波，与物模仿真系统（一次部分由实时仿真器模拟、二次部分为实际控制保护装置）产生的波形进行对比，验证该仿真培训系统的动态特性。

3.1  仿真实验1

雁门关换流站极2解锁实验，直流系统输送功率为400MW，直流系统运行方式为：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为仿真培训系统的操作界面。

图4  雁淮直流极2解锁，整流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、直流电流、直流电压，灰色为物模波形，黑色为仿真波形。通过对比发现，雁淮直流仿真模型在解锁过程中触发角、直流电压和直流电流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低端换流器闭锁，直流系统输送功率为200MW。直流系统运行方式：极1低端换流器运行，单极功率控制，功率定值200MW，极1低端换流器闭锁。仿真波形对比如图6所示。

图6中从上至下依次为触发角、直流电流、直流电压，灰色为物模波形，黑色为仿真波形。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、直流电压、直流电流与物模波形的变化趋势和幅度基本保持一致。

4  结论

本文提出了一种全软件方法构建的仿真培训系统，采用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构建，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信规约和交互方式，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构建经济合理的直流仿真培训系统。

图6  雁淮直流极1低端换流器闭锁，整流侧仿真波形与物模波形对比

文中详细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性和功能性。该套培训系统不需要实际的控保装置，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，可完成交流侧单相接地和直流侧接地等反事故演练。

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。