高壓直流輸電通信系統(tǒng)的圖形化編程設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊亞璞

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

基于圖形化編程的HVDC通信系統(tǒng)是直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的核心，方便了用戶進(jìn)行二次編程，提高了程序修改可靠性及工作效率。國(guó)內(nèi)外主要以ABB的MACH 2系統(tǒng)、SIEMES的SIMADYN D系統(tǒng)以及TDC控制系統(tǒng)為主，它們都為用戶提供了圖形化的編程環(huán)境，但各自優(yōu)缺點(diǎn)卻不盡相同。例如，MACH 2系統(tǒng)不支持在線修改程序，SIMADYN D全數(shù)字控制系統(tǒng)的圖形化編程工具是在UNIX環(huán)境下，TDC不是專門運(yùn)用于繼電保護(hù)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)，在應(yīng)用于直流輸電工程時(shí)，可能帶來采購基本元件裝置費(fèi)用高和后期技術(shù)維護(hù)難等問題[1,2]。

綜合以上3種開發(fā)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從直流輸電工程應(yīng)用的功能需求出發(fā)，在國(guó)外自動(dòng)化公司軟PLC標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上采用定制開發(fā)，設(shè)計(jì)了HCM3000的圖形化編程工程軟件ViGET。該軟件主要在多處理器運(yùn)行環(huán)境、增強(qiáng)的CFC編輯器、針對(duì)特定目標(biāo)機(jī)的編譯器、硬件配置、固件管理以及在線程序修改等方面做了擴(kuò)展和定制開發(fā)。

1 圖形化編程工程軟件開發(fā)工具的設(shè)計(jì)

1.1 圖形化編程工程開發(fā)工具需要具備的功能

從直流輸工程應(yīng)用需求的角度出發(fā)，圖形化工程開發(fā)工具需要具備如下功能。（1）集成化的工程應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，為用戶開發(fā)圖形化編程環(huán)境提供全流程支持，軟件操作符合實(shí)際的工作流程與應(yīng)用人員的開發(fā)習(xí)慣。（2）編輯器支持?jǐn)U展的CFC編輯功能，即在一個(gè)CFC程序中，支持處于不同周期的功能塊互連。在一個(gè)CPU內(nèi)支持多個(gè)CFC程序，并且每個(gè)CFC程序支持大量功能塊互聯(lián)，滿足復(fù)雜應(yīng)用的需求。（3）支持在線調(diào)試和在線程序修改，可以實(shí)時(shí)在線觀測(cè)程序內(nèi)部變量狀態(tài)，動(dòng)態(tài)增減功能塊和調(diào)整功能塊執(zhí)行順序等，提高工程編程開發(fā)效率。（4）提供功能塊信息統(tǒng)計(jì)，處理器負(fù)荷預(yù)估、應(yīng)用程序文檔輸出等輔助功能，便于工程管理。（5）提供用戶功能塊生成器，為用戶特殊功能擴(kuò)展提供便捷接口。

1.2 圖形化工程開發(fā)工具的功能構(gòu)成

根據(jù)HVDC工程應(yīng)用的功能需求，設(shè)計(jì)了HCM3000的圖形化工程軟件開發(fā)工具，用戶在CFC編輯器中選擇需要的功能塊庫，并選取相應(yīng)的功能塊。用戶對(duì)這些功能塊設(shè)置參數(shù)，創(chuàng)建功能塊相互之間的連接，生成圖形化的應(yīng)用程序，然后通過編譯和鏈接將上述圖形化的應(yīng)用程序生成可運(yùn)行的用戶程序目標(biāo)程序代碼，最后下裝到目標(biāo)機(jī)HCM3000硬件平臺(tái)[3-5]。

1.2.1 CFC編輯器

CFC編輯器是用于創(chuàng)建編輯圖形化控制保護(hù)程序的編輯工具，其功能主要是在設(shè)計(jì)圖中可自由排列放置的功能塊，完成不同頁間功能塊管腳的連接功能。完成功能塊多任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置以及功能塊運(yùn)行時(shí)序編輯器功能，每個(gè)CFC程序可以由多個(gè)CFC編程頁面組成，每個(gè)功能塊的執(zhí)行順序可在功能塊時(shí)序編輯器里任意調(diào)整，其主要編程界面如圖1所示。

圖1 CFC編輯器編程界面

1.2.2 硬件配置器

硬件配置器主要進(jìn)行硬件板卡的配置功能，由硬件庫和硬件配置編輯器組成。硬件庫為硬件配置編輯器提供可以使用的硬件模塊，硬件配置編輯器則為工程配置各個(gè)硬件模塊及其參數(shù)。

1.2.3 共享內(nèi)存編輯器

共享內(nèi)存編輯器主要用于申請(qǐng)共享內(nèi)存變量和命名共享內(nèi)存變量，其中共享內(nèi)存變量主要用于不同CPU間的數(shù)據(jù)交換。例如，CPU1和CPU2間需要交換變量時(shí)，在整個(gè)工程進(jìn)行編譯時(shí)，編譯器會(huì)把CPU1和CPU2的CFC程序中共享內(nèi)存變量名字相同的變量分配到同一個(gè)物理共享內(nèi)存單元，從而完成當(dāng)整個(gè)工程編譯下載運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)CPU2通過共享內(nèi)存變量讀取CPU1數(shù)據(jù)的過程。

2 通信系統(tǒng)整體圖形化編程應(yīng)用與驗(yàn)證

通信系統(tǒng)整體圖形化編程以HCM3000控制保護(hù)平臺(tái)為硬件基礎(chǔ)，HCM3000是許繼電氣股份有限公司研制的用于高壓直流輸電控制保護(hù)的系統(tǒng)平臺(tái)。模擬搭建高壓直流輸電極控系統(tǒng)單個(gè)閥組的通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中的HCM3000裝置通過ENT板卡連接到操作員站，現(xiàn)場(chǎng)裝置層通過ECM10A板卡連接了一臺(tái)DFU410測(cè)量控制裝置和一臺(tái)能夠模擬仿真多個(gè)DFU420測(cè)控設(shè)備的Profisim工控主機(jī)。HCM3000裝置配置有4個(gè)EPU板卡，其中EPU0充當(dāng)共享內(nèi)存板卡，負(fù)責(zé)多個(gè)EPU之間的數(shù)據(jù)通信交互，EPU1主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備的通信以及與工作員操作站之間的通信，EPU2負(fù)責(zé)直流場(chǎng)設(shè)備的控制功能，EPU3負(fù)責(zé)極控系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能。

圖2 高壓直流輸電極控系統(tǒng)單個(gè)閥組通信結(jié)構(gòu)圖

在HCM3000的圖形化編程工具軟件ViGet上編輯完成工程應(yīng)用程序，不同CFC應(yīng)用程序也與各個(gè)EPU板卡所要實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)應(yīng)，整個(gè)工程程序編譯后分別下載到HCM3000裝置的各個(gè)EPU板卡里面運(yùn)行。開啟后臺(tái)服務(wù)，連接用于仿真測(cè)試的特高壓直流運(yùn)行人員HMI后臺(tái)界面。用于仿真測(cè)試的HMI后臺(tái)界面如圖3所示，搭建的測(cè)試樣機(jī)系統(tǒng)處于單極冷備狀態(tài)時(shí)，在HMI后臺(tái)上操作極1閥組2的Q51接地刀閘，使其從分開狀態(tài)到閉和狀態(tài)。

圖3 HVDC特高壓樣機(jī)系統(tǒng)單極冷備狀態(tài)

打開后臺(tái)HMI的事件記錄界面，如圖4所示，可以看到整個(gè)接地刀閘Q51命令的執(zhí)行由分開狀態(tài)到閉合狀態(tài)的SER事件順序記錄產(chǎn)生，同時(shí)觀察到模擬的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備Profisim里面也有相應(yīng)的模擬動(dòng)作發(fā)生。因?yàn)閺腍MI界面操作接地刀閘閉合命令到現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備，相關(guān)命令要從操作員工作站通過LAN網(wǎng)發(fā)送到HMC3000控制系統(tǒng)，HCM3000控制系統(tǒng)通過Prifibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線把命令發(fā)送到模擬的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備Profisim，從而控制接地刀閘Q51。同時(shí)接地刀閘Q51的狀態(tài)信息和SER事件也要通過Profisim模擬的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備通過Prifibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線上送到HMC3000控制系統(tǒng)主機(jī)，HCM3000主機(jī)再通過LAN網(wǎng)上送到操作員工作站HMI系統(tǒng)。以上整個(gè)動(dòng)作執(zhí)行正確，SER事件順序記錄顯示正確，說明Profibus DP 現(xiàn)場(chǎng)總線和LAN網(wǎng)的整個(gè)通信鏈路通信正確，從而可以證明搭建的極控系統(tǒng)單個(gè)閥組通信系統(tǒng)運(yùn)行正確，整個(gè)HVDC通信系統(tǒng)的圖形化編程設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目的[6]。

圖4 HMI后臺(tái)SER事件順序記錄界面

3 結(jié) 論

基于設(shè)計(jì)開發(fā)的HCM3000的圖形化編程工具軟件，通過搭建高壓直流輸電極控系統(tǒng)單個(gè)閥組的通信模擬測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合運(yùn)行人員HMI控制系統(tǒng)，驗(yàn)證了高壓直流輸電通信系統(tǒng)圖形化編程的正確性。目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于扎青、錫泰以及巴基斯坦默拉直流等國(guó)內(nèi)外重大特高壓直流輸電工程的控制保護(hù)系統(tǒng)中，為我國(guó)的特高壓直流輸電工程的研究和發(fā)展以及國(guó)家倡導(dǎo)的“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略提供支撐。