高壓直流輸電通信系統的圖形化編程設計與應用

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通信系統是直流輸電控制保護系統的核心，方便了用戶進行二次編程，提高了程序修改可靠性及工作效率。國內外主要以ABB的MACH 2系統、SIEMES的SIMADYN D系統以及TDC控制系統為主，它們都為用戶提供了圖形化的編程環境，但各自優缺點卻不盡相同。例如，MACH 2系統不支持在線修改程序，SIMADYN D全數字控制系統的圖形化編程工具是在UNIX環境下，TDC不是專門運用于繼電保護領域的控制系統，在應用于直流輸電工程時，可能帶來采購基本元件裝置費用高和后期技術維護難等問題[1,2]。

綜合以上3種開發方案的優缺點，從直流輸電工程應用的功能需求出發，在國外自動化公司軟PLC標準產品的基礎上采用定制開發，設計了HCM3000的圖形化編程工程軟件ViGET。該軟件主要在多處理器運行環境、增強的CFC編輯器、針對特定目標機的編譯器、硬件配置、固件管理以及在線程序修改等方面做了擴展和定制開發。

1 圖形化編程工程軟件開發工具的設計

1.1 圖形化編程工程開發工具需要具備的功能

從直流輸工程應用需求的角度出發，圖形化工程開發工具需要具備如下功能。（1）集成化的工程應用開發環境，為用戶開發圖形化編程環境提供全流程支持，軟件操作符合實際的工作流程與應用人員的開發習慣。（2）編輯器支持擴展的CFC編輯功能，即在一個CFC程序中，支持處于不同周期的功能塊互連。在一個CPU內支持多個CFC程序，并且每個CFC程序支持大量功能塊互聯，滿足復雜應用的需求。（3）支持在線調試和在線程序修改，可以實時在線觀測程序內部變量狀態，動態增減功能塊和調整功能塊執行順序等，提高工程編程開發效率。（4）提供功能塊信息統計，處理器負荷預估、應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，為用戶特殊功能擴展提供便捷接口。

1.2 圖形化工程開發工具的功能構成

根據HVDC工程應用的功能需求，設計了HCM3000的圖形化工程軟件開發工具，用戶在CFC編輯器中選擇需要的功能塊庫，并選取相應的功能塊。用戶對這些功能塊設置參數，創建功能塊相互之間的連接，生成圖形化的應用程序，然后通過編譯和鏈接將上述圖形化的應用程序生成可運行的用戶程序目標程序代碼，最后下裝到目標機HCM3000硬件平臺[3-5]。

1.2.1 CFC編輯器

CFC編輯器是用于創建編輯圖形化控制保護程序的編輯工具，其功能主要是在設計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。完成功能塊多任務的運行環境參數設置以及功能塊運行時序編輯器功能，每個CFC程序可以由多個CFC編程頁面組成，每個功能塊的執行順序可在功能塊時序編輯器里任意調整，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硬件模塊及其參數。

1.2.3 共享內存編輯器

共享內存編輯器主要用于申請共享內存變量和命名共享內存變量，其中共享內存變量主要用于不同CPU間的數據交換。例如，CPU1和CPU2間需要交換變量時，在整個工程進行編譯時，編譯器會把CPU1和CPU2的CFC程序中共享內存變量名字相同的變量分配到同一個物理共享內存單元，從而完成當整個工程編譯下載運行時，實現CPU2通過共享內存變量讀取CPU1數據的過程。

2 通信系統整體圖形化編程應用與驗證

通信系統整體圖形化編程以HCM3000控制保護平臺為硬件基礎，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的系統平臺。模擬搭建高壓直流輸電極控系統單個閥組的通信結構如圖2所示。

圖2中的HCM3000裝置通過ENT板卡連接到操作員站，現場裝置層通過ECM10A板卡連接了一臺DFU410測量控制裝置和一臺能夠模擬仿真多個DFU420測控設備的Profisim工控主機。HCM3000裝置配置有4個EPU板卡，其中EPU0充當共享內存板卡，負責多個EPU之間的數據通信交互，EPU1主要負責現場層設備的通信以及與工作員操作站之間的通信，EPU2負責直流場設備的控制功能，EPU3負責極控系統的閉環控制功能。

圖2 高壓直流輸電極控系統單個閥組通信結構圖

在HCM3000的圖形化編程工具軟件ViGet上編輯完成工程應用程序，不同CFC應用程序也與各個EPU板卡所要實現的功能相對應，整個工程程序編譯后分別下載到HCM3000裝置的各個EPU板卡里面運行。開啟后臺服務，連接用于仿真測試的特高壓直流運行人員HMI后臺界面。用于仿真測試的HMI后臺界面如圖3所示，搭建的測試樣機系統處于單極冷備狀態時，在HMI后臺上操作極1閥組2的Q51接地刀閘，使其從分開狀態到閉和狀態。

圖3 HVDC特高壓樣機系統單極冷備狀態

打開后臺HMI的事件記錄界面，如圖4所示，可以看到整個接地刀閘Q51命令的執行由分開狀態到閉合狀態的SER事件順序記錄產生，同時觀察到模擬的現場層設備Profisim里面也有相應的模擬動作發生。因為從HMI界面操作接地刀閘閉合命令到現場層設備，相關命令要從操作員工作站通過LAN網發送到HMC3000控制系統，HCM3000控制系統通過Prifibus DP現場總線把命令發送到模擬的現場層設備Profisim，從而控制接地刀閘Q51。同時接地刀閘Q51的狀態信息和SER事件也要通過Profisim模擬的現場層設備通過Prifibus DP現場總線上送到HMC3000控制系統主機，HCM3000主機再通過LAN網上送到操作員工作站HMI系統。以上整個動作執行正確，SER事件順序記錄顯示正確，說明Profibus DP 現場總線和LAN網的整個通信鏈路通信正確，從而可以證明搭建的極控系統單個閥組通信系統運行正確，整個HVDC通信系統的圖形化編程設計達到了預期目的[6]。

圖4 HMI后臺SER事件順序記錄界面

3 結 論

基于設計開發的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單個閥組的通信模擬測試系統，結合運行人員HMI控制系統，驗證了高壓直流輸電通信系統圖形化編程的正確性。目前該技術已成功應用于扎青、錫泰以及巴基斯坦默拉直流等國內外重大特高壓直流輸電工程的控制保護系統中，為我國的特高壓直流輸電工程的研究和發展以及國家倡導的“一帶一路”發展戰略提供支撐。