0 引言

可再生能源大规模开发利用、分布式电源高密度接入以及信息技术和电力电子技术的蓬勃发展，都促使新的能源利用模式产生，能源互联网的概念应运而生。能源互联网作为未来能源可持续发展解决方案已经成为国家战略层面的技术方向，而配电网领域是能源互联网建设的主战场，柔性直流技术因其良好的可控性和无换相失败风险及输出谐波小等突出优点，在配电网领域受到青睐，目前柔性直流配电网已经成为各方研究示范的热点^[1-13]。

硬件在环（hard-in-loop，HIL）技术是将系统的一部分用数学模型进行仿真模拟，另一部分用真实的控制器硬件来代替，形成仿真闭环回路。其优点是使得系统在1个尽可能逼真的模拟环境中进行运行和测试，能够加速和简化开发流程，尽早发现开发设计过程中的问题，实现先进控制算法快速验证和产品控制器的快速研发^[14-17]，在电力电子与电力传动领域越来越受到重视，广泛应用在微电网控制研究、汽车控制器研发等领域。

文献[18]在RT-LAB实时仿真平台上实现了柔性直流配电网系统的典型运行方式及控制模式平滑切换的硬件在环测试试验；文献[19]基于RT-LAB五端柔性直流配电网仿真平台，研究了柔性直流配电网仿真建模及控制保护策略；文献[20]基于RT-LAB建立典型“手拉手”柔性直流配电网拓扑，分析了系统暂态响应特性；文献[21]通过实时数字仿真器RT-LAB以及保护装置的无缝连接，测试了柔性直流配电网的典型故障。

但上述文献基本只涉及算法及策略部分，均没有提及软硬件开发相关经验。本文设计开发了一种基于NI-PXI的柔性直流配电网系统级控制器，对控制器从硬件选型到软件开发，从调试到工程应用进行了详细介绍。硬件平台采用NIPXIe-8135高性能嵌入式控制器，软件开发采用LabVIEW语言完成。硬件在环测试证明所开发的系统级控制器响应快速、性能稳定、运行可靠。

1 柔性直流配电网系统级控制器硬件平台

柔性直流配电网系统级控制器作为控制主站（简称主控），是柔性直流配电网控制的核心，连接上层监控系统和下层控制子站，根据监控下发的命令和控制子站上传的状态信息及实时值并结合系统当前状态，输出控制指令，实现系统的启/停、电压协调控制、多种运行方式的切换以及故障隔离与恢复等系统级控制功能，确保配电网系统的供电可靠性和电能质量需求，满足复杂配电网系统的控制要求。

1.1 控制系统通信架构

根据配电网技术方案，设计系统通信架构如图 1所示。

监控系统与控制主站间，需要确保监控下发的指令和目标值能够准确无误地下发至控制主站；同时控制主站中的告警信号和系统状态信息需要正确上传至监控系统。故控制主站与监控系统采用TCP/104协议进行通信，TCP（传输控制协议）通信是面向连接的，传输可靠、无拥塞、无乱序、无丢包、完整性检查、可重传，确保信息的正确传递。

控制主站与控制子站间，需要实现与4个控制子站之间的信息快速及时双向交互，如控制指令、开关状态及参考值下发子站，同时将系统实时信息，如运行状态、开关状态、故障位置信号、指令执行状态及实时值等上传至系统级控制器。故采用UDP（用户数据报协议）私有规约通信，UDP通信特点是功能简单，传输效率高，支持一对多，可满足指令、数据的快速交互。

1.2 系统级控制器硬件平台

系统级控制器采用美国国家仪器有限公司（National Instruments，NI）的面向仪器系统的PCI扩展（PCI extensions for Instrumentation，PXI）硬件平台，PXI是一种坚固且基于PC的平台，结合了外围组件互连（Peripheral Component Interconnection，PCI）的电气总线特性与CompactPCI（紧凑PCI）的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性，并增加了专门的同步总线和主要软件特性。

硬件平台的选型基本原则是考虑控制器运算量大小、通信速率及接口要求等，主要从价格、CPU核数、自带系统（是Windows还是Real-time实时控制系统）及带宽或处理器性能、接口等方面考量。

本项目中控制主站与监控系统通信数据遥调30个点，遥信34个点，遥控18个点，遥信考虑程序调试中的备用预留100个点，通信速率50 ms/次；UDP发送线程，考虑控制子站的扩展预留备用，每个子站预留100个点，4个子站共400个点，通信速率为5 ms/次；UDP接收线程也是4个子站共预留400个点，以最大速率通信，收到数据及时处理。

本项目中控制主站无需上位机人机界面，只需完成算法快速处理和数据及时上送与下发。综合考虑控制器通信点数和速率，及系统级控制器的快速运算能力，直流配电系统级控制器硬件平台选择NI PXIe-8135高性能嵌入式控制器^[22] （Real-time实时控制系统），控制器机箱考虑到后续项目扩展选择NI PXIe-1082型号的8插槽机箱，以便预留后期备用。

NI PXIe-8135是基于Intel Corei7-3610QE处理器的高性能嵌入式控制器，集成了2.3 GHz基频、3.3 GHz（单核Turbo Boost模式）四核处理器和双通道1600 MHz DDR3内存，具体配置如下：

（1）2.3 GHz四核Intel Core i7-3610QE处理器（单核Turbo Boost模式下最大3.3 GHz）；

（2）高带宽PXI Express嵌入式控制器，具有高达8 GB/s系统带宽和4 GB/s插槽带宽；

（3）标准配置为4 GB（1×4 GB DIMM）双通道1，600 MHz DDR3 RAM，最大为16 GB；

（4）2个SuperSpeed USB端口、4个高速USB端口、2个千兆以太网端口、GPIB、串口和其他外设备。

作为PXI系统的基础，NI PXIe-1082 8槽机箱配有高带宽背板，为控制器和模块提供了电源、冷却以及PCI和PCI Express通信总线。PXI机箱在低噪声、高温和低插槽数到高插槽数等多种环境配置下都适用，具体参数如下：

（1）4个混合插槽，3个PXI Express插槽，1个PXI Express系统定时插槽；

（2）0~55 ℃的温度下，总功率达507 W；

（3）高性能，每插槽高达1 GB/s的专用带宽和7 GB/s的系统带宽；

（4）提供牢固且便携式的显示器与键盘、坚固装运箱和其他附件；

（5）与PXI、PXI Express、CompactPCI和CompactPCI Express模块兼容。

控制器实物及通信接口如图 2所示，端口（1）为104通信接口，与直流配电网的上层监控系统相连；端口（2）为上位机接口，正常运行时不需连接，当需要通过上位机进行数据显示、调试和修改程序等功能时，通过网线与上位机相连；端口（3）为UDP通信接口，与直流配电网系统的控制子站相连。

2 柔性直流配电网系统级控制器软件架构

根据系统通信架构设计，主控系统软件设计采用灵活可扩展的分层结构，各功能区块解耦，提高程序的可扩展性。如图 3所示，软件架构分为2层3线程，“2层”是指main业务逻辑层、104和UDP接口通信层；“3线程”指main主线程、TCP/104线程和UDP线程，其中UDP线程又分为UDP接收线程和UDP发送线程2路。

软件开发采用LabVIEW编程语言^[23]，它是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，开发周期短，效率高，容易上手，能够尽快完成系统开发的要求，适合快速开发的项目。并且LabVIEW是自动多线程编程的，执行效率较高。

3个线程程序架构均采用队列状态机，这是目前LabVIEW软件开发中比较先进的程序架构，其特点是通过外部事件向Main Queue里面装值，通过状态机进入不同状态，然后在不同状态下再进行状态的装值，可以传递状态和数据，比较灵活，程序架构清晰，指令明确，同时又能够充分利用硬件资源。

2.1 TCP/104通信线程

LabVIEW软件IEC60870-5通信模块中包含多个104通信模块，可直接用来创建被控、通道、扇区等。本项目开发的104通信线程程序界面如图 4所示，通信建立前，需要将监控系统的IP地址写入，本项目中与监控的通信速率是50 ms/次。

2.2 UDP通信线程

UDP发送线程将主控系统的控制指令、开关状态及参考值下发子站，通信速率为5 ms/次；UDP接收线程将子站收到的系统实时信息，如运行状态、开关状态、故障位置信号、指令执行状态及实时值等上传主控系统。LabVIEW软件也已有成熟的UDP函数，可直接用来实现读、写等功能。通信建立前，需要将各站端口号准确输入。

2.3 main业务逻辑层

main线程作为主控程序的核心，根据监控系统下发的指令和子站间交互的信息，完成柔性直流配电网的启/停、多种运行方式自动平滑切换、电压协调控制及故障隔离与恢复等控制功能。本项目程序设计根据“平滑启停，减少冲击，按照可控度稳态控制”的原则设计主控系统程序。

2.4 测试程序设计

主控程序写好后，必须要有1个自己调试修正的过程，以及时矫正程序中的错误或逻辑漏洞。现在的项目开发中，各部分都是由不同厂家承担的，所以自己编写测试程序是非常必要的。TCP和UDP都已有很多现成的测试软件，这里不再赘述。主要针对主控程序的功能和逻辑设计测试程序。

主控程序的功能和逻辑的实现，主要依赖于上位机104下发的指令和目标值及UDP接收线程接收到的控制子站上传的系统实时运行状态信息，同时UDP发送线程下发给子站的指令和目标值是否正确也需要查看。

本项目中主控跟监控系统和控制子站的通信数据，均采用功能全局变量，整个项目中功能全局变量的数值都可共享，故只需采用事件结构，当值改变时将更新的数据写入功能全局变量，用来测试主程序逻辑是否合理。

3 实验验证

相比直流输电系统，直流配电网结构复杂、线路繁多、组网原件多样、不确定因素多，各种类型的故障（如线路故障、单个VSC退出运行、交流系统故障等）均有可能导致系统运行方式的改变，针对这些故障，系统级控制器应能够自动切换至适合新运行条件下的运行方式，并保证配电网在不同运行方式下都能满足负荷的电能质量要求。

3.1 测试平台系统概况

为验证所开发的柔性直流配电网系统级控制器能否满足实际需要，采用两端“手拉手”拓扑结构，完成控制器的硬件在环测试。RT-LAB仿真模拟平台电路见图 5。仿真模拟平台详细参数见表 1。

3.2 系统运行方式划分与切换策略

针对两端“手拉手”的拓扑，将各种可能出现的运行工况进行归纳，包括4种日常运行方式^[24-25]，如表 2所示。由于仿真平台简单，涉及的设备及开关数量不多，故运行方式的划分原则主要为系统拓扑结构变化引起的电力电子设备控制模式切换的情况。直流配电网内的功率方向不作为影响系统运行方式的判断标准，系统应具备功率双向流动的自适应性，功率方向不影响各设备的控制模式。

系统级控制器默认正常两端VSC运行模式下，VSC1采用稳直流电压（V_dcQ模式）控制，VSC2采用定功率（PQ模式）控制，当系统运行方式改变时，相应VSC的控制模式切换如表 3所示。

3.3 实验内容

以系统正常运行时，稳直流电压站VSC1发生故障退出，系统运行方式需从双端供电方式切换至VSC2单端供电方式为例，具体实验过程如下：

（1）系统起始为双端VSC供电模式运行，VSC1采用V_dcQ模式，VSC2采用PQ模式，并投入20 kW直流负载，10 kW交流负载和10 kW光伏；

（2）在约206.064 s时换流站VSC1的断路器断开，VSC1故障退出后，系统应自动平滑从双端供电方式切换为VSC2单端供电方式，此时按照切换策略VSC2应能快速从PQ模式切换至V_dcQ模式，稳定直流母线电压，以适应新的运行工况。实验波形如图 6所示。由实验波形可以看出：在约206.064 s时换流站VSC1的断路器断开，VSC1故障退出后，柔性直流配电网系统级控制器快速响应，在206.085 s，VSC2已经从PQ模式切换为V_dcQ模式，切换时间约为21 ms，整个切换过程暂态电压波动0.77%，切换过程平稳，切换后系统平稳运行。

上述实验中，在运行工况发生变化时，所开发的系统级控制器能够自动平滑切换至适合的运行方式，并完成相应的模式切换。变流器的控制模式切换时间 < 25 ms，优于国内同类装置（< 50 ms）；稳态电压波动 < 3%，优于国内同类装置（< 5%），暂态电压波动 < 10%，也较国内同类装置有较大优势。证明了基于NI-PXI所开发的柔性直流配电网系统级控制器具有良好的性能。

4 结语

本文设计开发了一种基于NI-PXI的柔性直流配电网系统级控制器，从硬件平台选型、通信接口及软件架构设计等方面详细分析了基于NI-PXI平台实现控制器开发的主要方法，最后基于RT-LAB两端“手拉手”柔性直流配电网仿真平台完成所开发控制器的硬件在环测试。

实验结果证明，所开发的系统级控制器响应快速，性能稳定，多项指标优于国内同类装置。由于该控制器是基于NI-PXI成熟平台而设计，项目开发周期短，硬件在环测试可快速实现算法验证；而且硬件平台设备小巧，维护方便，不依赖直流网拓扑结构的变化而变化，程序具有良好的移植性和扩展性等。但与国内同类装置相比，设备成本较高，目前不适合批量化开发。