CN101782774B - 直流现场层模拟系统、数字实时仿真系统和闭环试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及直流现场层模拟系统、数字实时仿真系统和闭环试验系统，本发明的直流现场层模拟系统包括现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；总线通讯卡和采集卡的读、写模块；本直流现场层模拟系统直接通过现场设备模型和测控装置模型对现场一次设备和测控装置进行模拟，减少了现场物理试验设备环境的搭建，能够在可模拟范围内任意挑选器件进行试验，不会出现“控无可控”的问题，是一种拥有真实、可靠的试验环境的系统，便于系统的扩展和升级。
Description
技术领域
本发明涉及直流现场层模拟系统、数字实时仿真系统和闭环试验系统。
背景技术
RTDS：全称为实时数字仿真仪(Real Tim Digital Simulator)，由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造，是一种专门设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。
直流试验HVDC dynamic simulation test：利用数字仿真(RTDS)或物理仿真建立电力系统仿真模型，开展电力系统研究或控制保护试验。
高压直流输电站控系统的主要功能是系统主机向测控单元发出控制命令，测控单元将命令送到现场设备去执行，并将现场设备的状态返回给系统主机。可以看出，现场设备和测控单元是进行直流控制保护系统功能性能试验必不可少的重要环节。
直流换流站的现场设备众多，但RTDS实时数字仿真系统的仿真能力有限，1个Rack仅能计算54个接点和56个开关，因此只有交流系统、滤波器、换流变、换流阀，以及直接影响运行方式的主要开关能够在RTSD上模拟，其余大量的断路器、隔离开关、接地刀不能模拟。
在进行直流控制保护的功能性能试验时，考虑工期和成本让全部测控装置参加试验的可能性和必要性也不大，特别是在功能研发阶段，由于没有足够的测控单元、和现场设备，系统主机甚至面临？控无可控？的局面，站控的执行顺序、连锁逻辑等重要功能也不能得到测试
现有的开展高压直流控制保护仿真试验有2种途径：
1)由于大量一次设备(如断路器、隔离刀、接地刀等)、测控单元不能在RTDS模拟，只能通过简化站控程序，跳过对没有模拟设备的控制。
2)所有一次设备通过物理设备模拟，所有操控单元均参加试验。
目前现有的两种开展高压直流控制保护仿真试验的技术存在如下缺点：
1)通过修改站控程序完成试验，试验程序和实际工程程序不一致，试验作用明显降低
2)所有一次设备通过物理设备模拟，所有操控单元均参加试验。此种方案投资太大、接线复杂、试验周期长、占地面积巨大，虽然理论上是最真实的试验，但实际上并没有实施过。
发明内容
本发明的目的是提供一种拥有真实、可靠的试验环境的直流现场层模拟系统。
本发明的另一目的是提供一种数字实时仿真系统，以解决现有RTDS实时数字仿真系统的仿真能力有限的问题。
本发明还有一个目的是提供一种闭环试验系统，以解决现有试验系统的？控无可控？的问题。
本发明的直流现场层模拟系统的技术方案如下，该系统包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据；
所述现场总线通讯卡为两块Profibus卡，以实现系统的冗余切换功能。
本发明的数字实时仿真系统的技术方案如下，该系统包括实时数字仿真仪和直流现场层模拟系统，该直流现场层模拟系统包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据；
所述直流现场层模拟系统通过通讯模型和硬连线与实时数字仿真仪相连。
本发明的闭环试验系统的技术方案如下，该系统包括直流输电保护设备、实时数字仿真仪和直流现场层模拟系统，该直流现场层模拟系统包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据；
所述直流现场层模拟系统中的通讯模型通过硬连线与实时数字仿真仪相连，所述直流现场层模拟系统中的通讯模型通过现场总线与直流输电控制保护设备相连。
所述直流输电控制保护设备为A、B两台系统控制主机，用于实现冗余控制。
该系统采用Profibus现场总线通讯协议。
该系统中还包括对时系统。
本发明的直流现场层模拟系统直接通过现场设备模型和测控装置模型对现场一次设备和测控装置进行模拟，不仅减少了现场物理试验设备环境的搭建，而且能够在可模拟范围内任意挑选器件进行试验，不会出现？控无可控？的问题，是一种拥有真实、可靠的试验环境的直流现场层模拟系统，该系统便于系统的扩展和升级。
本发明的数字实时仿真系统包括实时数字仿真仪和直流现场层模拟系统，两者通过直流现场层模拟系统中的通讯模型和硬连线相连，便于两者的相互通讯，弥补了RTDS实时数字仿真仪模拟能力有限的问题，在实验时也不必跳过RTDS数字仿真仪无法模拟的设备的控制，使试验环境更加真实。
本发明的闭环试验系统包括直流输电保护设备、实时数字仿真仪和直流现场层模拟系统，直流现场层模拟系统中的通讯模型通过硬连线与实时数字仿真仪相连，所述直流现场层模拟系统中的通讯模型通过现场总线与直流输电控制保护设备相连，这样一个完整的闭环测试系统，能够通过现场总线、通讯模型和硬连线的连接而互相通讯，可以根据需要来实现对直流现场层模拟系统中现场设备模型所模拟的一次设备进行控制，避免？控无可控？问题的出现，实现真实、可靠的试验环境，并且各系统之间连线简单，节省了调试时间。
附图说明
图1是本发明的直流现场层模拟系统原理图；
图2是本发明的数字实时仿真系统原理图；
图3是本发明的闭环试验系统原理图；
图4是本发明的闭环试验系统实施例中开关仿真原理图；
图5是本发明的闭环试验系统实施例中开关模拟块。
具体实施方式
一、本发明的直流现场层模拟系统的实施例：
直流现场层模拟系统Prcfisim(Prccess Field Simulator)设于计算机中，原理示意图如图1所示，该直流现场层模拟系统Profisim包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和两块Profibus现场总线通讯卡，两块通讯卡的设置是为了实现系统的冗余切换功能；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据。
二、本发明的数字实时仿真系统的实施例：
由于直流换流站的现场设备众多，实时数字仿真仪RTDS的仿真能力有限，1个Rack仅能计算54个接点和56个开关，因此只有交流系统、滤波器、换流阀，以及直接影响运行方式的主要开关能够在RTDS上模拟，其余大量的断路器、隔离开关、接地刀不能模拟，因此如图2所示的本发明的数字实时仿真系统，将实时数字仿真仪RTDS和设于计算机中的直流现场层模拟系统Profisim互相配合使用，以模拟更多试验中用到的现场设备。直流现场层模拟系统Profisim设置于计算机中，该直流现场层模拟系统Profisim包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据；
直流现场层模拟系统Profisim通过通讯模型和硬连线与实时数字仿真仪RTDS相连。
三、本发明的闭环试验系统实施例：
如图3所示的本发明的闭环试验系统包括直流输电保护设备、实时数字仿真仪和直流现场层模拟系统Profisim，该直流现场层模拟系统Profisim设置于计算机中，该直流现场层模拟系统Profisim包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据；
直流现场层模拟系统Profisim中的通讯模型通过硬连线与实时数字仿真仪相连，并且通过现场总线与直流输电控制保护设备相连。
所述直流输电控制保护设备为A、B两台系统控制主机，用于实现冗余控制。该系统中还包括对时系统。
该系统采用Profibus现场总线通讯协议。Profibus总线协议对于主站和从站来说都是透明的：协议芯片在主站和从站之间维持了一个轮询操作，并且管理了连接、断开、诊断、报警、参数化等复杂的网络操作。主站和从站的输入输出有完全对应的内存区，读本地内存能获取远程数据，写本地内存能实现对远程操作。PROFIBUS？DP用于现场层的高速数据传送时，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，从站也一样。
下面分别以现场开关设备、换流变压器分接头和测控单元为例来具体说明系统对现场设备和测控单元的模拟。
3.1现场开关设备模拟
开关是需要模拟最多的现场一次设备，包含交直流场的所有断路器、隔离刀闸和接地刀闸。
开关本质上是一个SR双稳触发器，Q输出有两个稳定状态，表示开关的跳开或合上，S输入置位，表示开关合闸命令，R输入复位，表示开关跳闸命令，如图4所示。模拟装置虚拟了大量的开关，这些虚拟开关通过通讯模型从测控单元接受并执行系统主机的合闸、分闸命令，再经测控单元通过通讯模型返回开关的状态给系统主机，并且可以根据定制把开关状态通过多功能数据采集卡的DI接口输出给RTDS。
开关仿真应包含如下信息：开关合状态、开关分状态、开关合命令位序号、开关分命令位序号、开关连锁位序号、开关合状态位序号、开关分状态位序号、开关合闸时间、开关跳闸时间、开关闭合事件、开关跳开事件、开关状态是否物理输出、采集卡编号、采集卡位编号、需要网络输出、合位网卡字节位置、分位网卡字节位置。
图5为开关模拟块，实现了一个开关控制的主要功能，工作流程如下：
1.读、写总线通讯卡模块中的ReadBeforeProcess读取总线通讯卡数据；
2.通过GetCmdOneBit模块获取开关分合闸命令；
3.Switchger模块根据开关的分合闸时间执行开关命令；
4.通过SetStatOneBit模块设定开关分合位状态；
5.通过读、写总线通讯卡模块中的WriteAfterProcess写入总线通讯卡数据；
6.断路器位置接点通过采集卡输出到RTDS、录波器、控制保护装置等设备。
3.2换流变压器分接头模拟
换流变压器在RTDS中仿真，Profisim仅仿真换流变的分接头档位，接收直流控制主站升降分接头命令后，根据设定延时调整档位，并把档位状态通知RTDS和直流控制主站。
换流变压器分接头仿真应包含如下信息：升分接头位编号、降分接头位编号、站控需要类型(BIN码与BCD码)、位置起始编号、十进制位置、升分接头时间、降分接头时间、是否物理输出、输出卡编号、位置起始编号。
3.3测控单元模拟
测控单元实现对现场一次设备模拟量值和开关量状态的测量，发送至主站，并接受主站命令控制一次现场设备。以直流控制保护系统中大量使用DFU410测控装置为例介绍仿真原理，1台DFU410测控装置包含40路状态量开入、24路状态量输出、8路模拟量输入。
1)测控装置发送报文到主站
从DFU410到主站每次传输32字节报文，报文分4种数据结构，分别是信息报文、通用扫描报文、模拟量报文、kWh计数器报文。
本文重点介绍在直流控制系统中使用较多的信息报文和模拟量报文。32字节的报文数据结构见表1。
表1DFU410发送数据结构
DFU410能自动在这4种报文之间切换，切换原则如下：
如果没有信息报文，则不断的传输模拟量报文。
如果存在信息报文，则按照传输2次信息报文再传输1次模拟量报文的规则进行。
如果从控制位#2接收到主站扫描请求命令，则发送通用扫描报文。
信息报文：
1、2、32字节为控制位，包含报文编号、标志位、反转位、报文数据类型等信息。
3～7字节，表示40个状态量，分别对应DFU410测控装置的40个开入接点状态。
8～15字节、16～23字节、24～31字节，表示3组SER信息。2个字节描述信息编号(最高位1对应事件产生，0对应事件消失)，2个字节表示日期，4个字节表示时间(单位ms)。
模拟量报文：
1、2、32字节为控制位，包含报文编号、标志位、反转位、报文数据类型等信息。
3～7字节，表示40个状态量，分别对应DFU410测控装置的40个开入接点状态。
8～23字节，2个字节描述1路模拟量输入，共8路。
2)主站发送报文到测控装置
测控装置每个调度周期从主站接受12字节报文，工作原理见表2。
表2DFU410接受数据结构
| 字节 | 报文结构 |
| 1 | Control＝1 |
| 2 | Control＝2 |
| 3 | Relay output 1 to 8 |
| 4 | Relay output 9 to 16 |
| 5 | Relay output 27 to 24 |
| 6 | Setpoint-time：days(L) |
| 7 | Setpoint-time：days(H) |
| 8 | Setpoint-time：ms(LL) |
| 9 | Setpoint-time：ms(LH) |
| 10 | Setpoint-time：ms(HL) |
| 11 | Setpoint-time：ms(HH) |
| 12 | (not used) |
3～5字节，表示24个测控装置开出命令，分别控制DFU410测控装置的24个开出接点的动作行为。
6～11字节，2个字节表示日期，4个字节表示时间(单位ms)。
控制主机向测控单元发出控制命令，该控制命令通过现场总线传入Profisim系统中的通讯模型中的Profibus现场总线通讯卡，读、写总线通讯卡模型读取Profibus现场总线通讯卡中的数据并送至测控单元，测控单元将控制主机的命令送到现场设备模型中的相应设备去执行，同时将现场设备模型的状态返回给控制主机。
Profisim系统中设置的通讯模型、读、写总线通讯卡模块和读、写采集卡模块，其中读、写采集卡模块获取RTDS的模拟量值和开入量值，仿真所有测控从站功能，包含通过网卡读取主站报文，根据主站命令、界面操作、或采集卡开入执行开关仿真和换流变分接头仿真，通过网卡向主站发送报文；从采集卡输出开关或分接头状态，实现和外部设备(RTDS、保护设备、录波器等)接点连接，实现直流输电控制保护设备、Profisim系统和RTDS的相互通讯。
Claims (7)
1.直流现场层模拟系统，其特征在于，该系统包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够向现场设备模型分发操作命令、返回现场设备的状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据。
2.根据权利要求1所述的直流现场层模拟系统，其特征在于：所述现场总线通讯卡为两块Profibus卡，以实现系统的冗余切换功能。
3.一种数字实时仿真系统，其特征在于：该系统包括实时数字仿真仪和直流现场层模拟系统，该直流现场层模拟系统包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据；
所述直流现场层模拟系统通过通讯模型和硬连线与实时数字仿真仪相连。
4.一种闭环试验系统，其特征在于：该系统包括直流输电保护设备、实时数字仿真仪和直流现场层模拟系统，该直流现场层模拟系统包括：
现场设备模型：用于模拟现场交直流开关场、交直流滤波器、换流变压器、SER顺序事件和辅助信号；
测控装置模型：能够分发操作命令、返回现场设备状态和采集模拟量；
通讯模型：设有数据采集卡和现场总线通讯卡；
读、写总线通讯卡模块：用于读取或写入通讯模型的现场总线通讯卡中的数据；
读、写采集卡模块：用于读取或写入通讯模型的数据采集卡中的数据；
所述直流现场层模拟系统中的通讯模型通过硬连线与实时数字仿真仪相连，所述直流现场层模拟系统中的通讯模型通过现场总线与直流输电控制保护设备相连。
5.根据权利要求4所述的闭环试验系统，其特征在于：所述直流输电控制保护设备为A、B两台系统控制主机，用于实现冗余控制。
6.根据权利要求5所述的闭环试验系统，其特征在于：该系统采用Profibus现场总线通讯协议。
7.根据权利要求4所述的闭环试验系统，其特征在于：该系统中还包括对时系统。
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