基于RTDS數(shù)模仿真平臺的±800 kV酒湖特高壓直流輸電系統(tǒng)建模

郭思源，李輝，徐浩，吳晉波，歐陽帆，劉海峰(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

基于RTDS數(shù)模仿真平臺的±800 kV酒湖特高壓直流輸電系統(tǒng)建模

郭思源，李輝，徐浩，吳晉波，歐陽帆，劉海峰
(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

電力系統(tǒng)仿真是研究特高壓直流輸電技術(shù)特性和功能的重要方式。為了實現(xiàn)±800 kV特高壓直流輸電工程二次設(shè)備的集成聯(lián)調(diào)檢測以及研究交直流系統(tǒng)的相互影響，本文在RTDS實時數(shù)字仿真平臺上，通過RTDS的各類輸入輸出板卡與直流控制保護(hù)裝置、換流閥閥控設(shè)備以及測量接口屏等二次設(shè)備相連接，構(gòu)成控制閉環(huán)仿真系統(tǒng)。針對RTDS硬件平臺升級和換流閥閥控系統(tǒng)接口特點，詳細(xì)介紹了仿真平臺和各類二次設(shè)備的接口形式，并采用RTDS的PB5處理器背板光纖互聯(lián)以增大rack的節(jié)點計算數(shù)目。在RTDS閉環(huán)仿真平臺上，以直流控制保護(hù)裝置的附加控制功能為例，開展了直流功率調(diào)制試驗，仿真結(jié)果驗證了直流控制保護(hù)裝置頻率控制功能的正確性。

特高壓直流輸電系統(tǒng)；RTDS；接口形式；閉環(huán)仿真系統(tǒng)；直流功率調(diào)制

±800 kV特高壓直流輸電由于其技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的獨特優(yōu)勢，在我國遠(yuǎn)距離、大容量輸電和大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)中得到了廣泛應(yīng)用〔1－2〕。隨著國家電網(wǎng)公司大力實施“一特四大”戰(zhàn)略，建設(shè)特高壓直流輸電工程承載著清潔能源外送和大氣污染防治的重大使命。目前在建的酒泉－湖南±800 kV特高壓直流工程，起于西北甘肅酒泉地區(qū)，落點湖南湘潭地區(qū)，線路長度約2 413 km，額定功率為8 000MW，是甘肅酒泉風(fēng)力發(fā)電基地的主要外送通道。

作為特高壓直流輸電系統(tǒng)的“大腦”，直流控制與保護(hù)裝置控制直流輸送功率的大小和方向，通過監(jiān)測相關(guān)交直流系統(tǒng)電氣量實現(xiàn)對換流站一次設(shè)備和直流線路的保護(hù)功能，對于直流輸電工程的安全穩(wěn)定運行具有決定作用〔3－4〕。某公司在詳細(xì)分析特高壓直流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置的基礎(chǔ)上，獨立開發(fā)了PCS－9550特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)〔5－6〕。隨著±800 kV哈鄭直流和靈紹直流工程的投運，我國的特高壓直流輸電技術(shù)已實現(xiàn)了控制與保護(hù)設(shè)備國產(chǎn)化。

電力系統(tǒng)仿真是研究直流輸電技術(shù)的重要手段，主要包括動模仿真、數(shù)字仿真和數(shù)?；旌戏抡妗幽７抡嫱ㄟ^建立與實際系統(tǒng)成比例的物理元件開展研究工作，但存在造價昂貴、參數(shù)難以修改等諸多不足。數(shù)字仿真主要包括機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真:機電暫態(tài)仿真主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，仿真步長在毫秒級；電磁暫態(tài)仿真?zhèn)戎赜陔娏ο到y(tǒng)電磁暫態(tài)過渡過程的分析，仿真步長在幾十微秒以下，能夠?qū)崿F(xiàn)對電力電子開關(guān)元件的精確模擬〔7－8〕。將數(shù)字仿真模型與實際物理裝置通過特定接口連接，即構(gòu)成數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，具有參數(shù)靈活可調(diào)、兼容性強等優(yōu)點。實時數(shù)字仿真器RTDS作為當(dāng)前最具代表性的數(shù)?；旌戏抡嫫脚_，已成為電力系統(tǒng)二次設(shè)備檢測和分析的主流方式〔9－12〕。

1 閉環(huán)仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 一次系統(tǒng)建模

由于RTDS基于電磁暫態(tài)仿真技術(shù)，因此其仿真規(guī)模受到每個rack計算能力的限制。而直流輸電技術(shù)重點研究交－直－交能量轉(zhuǎn)換的過渡過程，因此通常對兩側(cè)交流系統(tǒng)進(jìn)行等值處理，用一個帶有內(nèi)阻的恒定電壓源來表示，以反映兩側(cè)系統(tǒng)的短路容量。其中整流站交流電壓770 kV，逆變站交流電壓525 kV。在RTDS的圖形用戶界面RSCAD上建立特高壓直流輸電的一次系統(tǒng)模型，主要包括交流系統(tǒng)等效電源、換流變壓器、換流閥、直流線路、直流濾波器、交流濾波器以及各類開關(guān)和刀閘等。圖1為±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)接線示意圖，逆變側(cè)結(jié)構(gòu)與整流側(cè)類似。

整流側(cè)每極由2個12脈動換流單元串聯(lián)而成，即極高端閥組和極低端閥組。每個12脈動換流單元的對地電壓為400 kV，且它的2個6脈動換流器與交流系統(tǒng)分別通過Y/Y0和Y/D11換流變連接。整個直流輸電系統(tǒng)共有雙極運行、單極金屬回線和單極大地回線三種運行方式。

圖1 ±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)整流側(cè)接線

1.2 二次系統(tǒng)構(gòu)架

基于RTDS的特高壓直流輸電系統(tǒng)閉環(huán)仿真平臺如圖2所示，其中二次設(shè)備主要包括特高壓直流輸電控制與保護(hù)系統(tǒng)、SCADA后臺以及主時鐘系統(tǒng)和故障錄波裝置等輔助二次設(shè)備，通過各自的冗余網(wǎng)口連接到站LAN網(wǎng)。運行人員通過SCADA后臺實現(xiàn)直流系統(tǒng)的啟動/停運控制、運行監(jiān)視、故障或異常工況處理、全站事件順序記錄和文檔管理等功能。

圖2 ±800 kV特高壓直流輸電閉環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以整流站為例，特高壓直流輸電控制與保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，逆變站與整流站相同。直流控制與保護(hù)系統(tǒng)主要包括控制與保護(hù)主機、換流閥閥控設(shè)備和測量接口，以1個12脈動換流閥為單元進(jìn)行配置。

某公司開發(fā)的PCS－9550直流控制保護(hù)系統(tǒng)分為雙極/極控制保護(hù)層和換流器控制保護(hù)層兩層:其中，PCP為極層控制主機，PPR是極層保護(hù)主機；CCP為換流器層控制主機，CPR是換流器層保護(hù)主機。這種分層結(jié)構(gòu)不配置單獨的雙極層控制保護(hù)主機，將雙極層的控制和保護(hù)功能分別下放至兩極的極層主機中實現(xiàn)。在雙極/極控制保護(hù)層和換流器控制保護(hù)層，均配置控制主機2臺、保護(hù)主機3臺；控制、保護(hù)子系統(tǒng)采用獨立冗余方式配置，分別集成在不同的主機中。換流閥閥控系統(tǒng)是連接換流器控制層和換流閥的關(guān)鍵設(shè)備，即閥基電子設(shè)備VBE。VBE接收CCP的觸發(fā)命令，將其生成觸發(fā)脈沖發(fā)送給換流閥，同時接收換流閥返回的指示脈沖來監(jiān)測換流閥實時運行狀態(tài)，采用雙重化冗余配置。測量接口屏主要包括交流系統(tǒng)測控屏和直流系統(tǒng)測控屏。其中直流系統(tǒng)測控裝置主要有極測量接口屏(PMI)、極開關(guān)量接口屏(PSI)、換流器測量接口屏(CMI)和換流器開關(guān)量接口屏(CSI)；PMI和CMI三重化配置，PSI和CSI雙重化配置。直流系統(tǒng)測量接口主要通過RTDS的各類I/O板卡采集一次系統(tǒng)模型中的極層和換流器層模擬量、開關(guān)量，并分別送給極層和換流器層控制與保護(hù)主機，實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的各類控制和保護(hù)功能。交流系統(tǒng)同理。

圖3 ±800 kV特高壓直流輸電整流側(cè)控制與保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 二次系統(tǒng)與RTDS接口

RTDS是加拿大RTDS公司開發(fā)的針對電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的實時數(shù)字仿真器，能夠?qū)⒂嬎憬Y(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換以物理量形式輸出，通過多類I/O板卡與實際設(shè)備形成數(shù)字－物理閉環(huán)。RTDS的基本單元是機箱(rack)，根據(jù)當(dāng)前RTDS最新的硬件配置，每個rack主要由PB5處理器、工作站通信板卡GTWIF、rack間通信板卡IRC以及四類輸入/輸出板卡組成:模擬量輸入板卡GTAI、模擬量輸出板卡GTAO、數(shù)字量輸入板卡GTDI和數(shù)字量輸出板卡GTDO。

本文建立的RTDS閉環(huán)仿真平臺使用2個rack，整流站和逆變站各占用1個rack，每個rack配備5塊PB5處理器。由于特高壓直流輸電系統(tǒng)節(jié)點較多，將第2—5塊PB5處理器的背板光纖連接到第1塊PB5處理器以增大rack的節(jié)點計算能力，如圖4。直流輸電閉環(huán)仿真系統(tǒng)主要通過交直流系統(tǒng)測量接口屏、換流閥閥控系統(tǒng)與GTAO、GTDI和GTDO三類I/O板卡連接，實現(xiàn)電壓和電流模擬量采集、斷路器和隔離開關(guān)遙控與遙信、換流變分接頭升降命令與位置狀態(tài)檢測以及換流閥觸發(fā)脈沖生成、指示脈沖返回等功能。圖4為整流站rack與特高壓直流輸電控制與保護(hù)系統(tǒng)連接示意，逆變站與此相同。

圖4 ±800 kV特高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)與RTDS連接示意圖

由于GTAO的輸出是一個－10～10 V之間的模擬量，因此通常連接功率放大器，將相應(yīng)的模擬量轉(zhuǎn)化為電壓、電流后送至交流測控屏和直流測量接口屏。GTDO的供電電源為24 V，開出的干節(jié)點須經(jīng)開轉(zhuǎn)繼電器轉(zhuǎn)化后進(jìn)入直流系統(tǒng)測量接口屏，實現(xiàn)直流系統(tǒng)中斷路器和隔離開關(guān)狀態(tài)、換流變分接頭位置狀態(tài)的遙信顯示以及換流閥指示脈沖返回等功能。GTDI接收直流系統(tǒng)測量接口屏開出的干節(jié)點，并串聯(lián)24 V電源，作為RTDS的開入，實現(xiàn)直流系統(tǒng)斷路器和隔離開關(guān)、換流變分接頭升降的遙控以及換流閥觸發(fā)脈沖生成等功能。

由于實際工程中換流閥閥控系統(tǒng)發(fā)出的觸發(fā)命令是光信號，經(jīng)晶閘管控制單元TCU接收后，轉(zhuǎn)化為電信號驅(qū)動晶閘管?；赗TDS數(shù)模仿真平臺構(gòu)建的閉環(huán)仿真平臺中，VBE發(fā)出的觸發(fā)脈沖，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換為GTDI能夠接受的電信號，送給一次系統(tǒng)模型中的換流閥。換流閥滿足觸發(fā)條件后返回一個指示脈沖，先經(jīng)GTDO輸出為電信號，后通過光電轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)成光信號后送至VBE，如圖5所示。

圖5 觸發(fā)脈沖和指示脈沖示意圖

3 直流功率調(diào)制仿真試驗

基于RTDS的閉環(huán)控制仿真平臺，采用與實際工程一致的直流控制與保護(hù)裝置，為研究直流輸電系統(tǒng)的系統(tǒng)切換、啟?？刂?、無功控制以及各類保護(hù)功能奠定了基礎(chǔ)，能夠較好地進(jìn)行直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真分析和暫態(tài)仿真分析。

對于交流系統(tǒng)而言，直流輸電系統(tǒng)相當(dāng)于一個對頻率不敏感的負(fù)荷，可能產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)阻尼，通常采用直流附加控制來提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。直流功率調(diào)制是利用直流控制快速調(diào)節(jié)功能的一種附加控制，從直流輸電兩側(cè)交流系統(tǒng)提取功率、頻率等系統(tǒng)異常信號，實現(xiàn)互聯(lián)系統(tǒng)在緊急狀況下的兩側(cè)系統(tǒng)間緊急功率支援，從而提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。

PCS－9550直流控制保護(hù)系統(tǒng)頻率控制器的原理如圖6所示。兩側(cè)交流系統(tǒng)頻率偏差經(jīng)采樣、頻率控制死區(qū)和一個慣性環(huán)節(jié)后合成功率調(diào)制值，疊加在功率指令值上實現(xiàn)功率調(diào)制功能。

圖6 頻率控制器示意圖

在RTDS閉環(huán)仿真平臺上，通過SCADA后臺選擇雙極功率控制模式，并起極至0.5 p.u.工況進(jìn)行直流功率調(diào)制試驗。對于整流站，將兩站頻率控制功能投入，在直流控制與保護(hù)軟件中置數(shù)，模擬整流側(cè)交流系統(tǒng)頻率fR升高至50.5 Hz，即此時整流側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)功率過剩，整流站極Ⅰ和極Ⅱ的功率、極母線電流和電壓錄波如圖7；將頻率置回50 Hz，則功率回落。由于整流側(cè)頻率偏高，經(jīng)頻率控制器實時計算需要調(diào)整的功率，自動提升直流輸送功率，并限制在頻率控制死區(qū)范圍內(nèi)。

圖7 整流站頻率控制試驗錄波圖

對于逆變站，將兩站頻率控制功能投入，同樣模擬逆變側(cè)交流系統(tǒng)頻率fI升高至50.5 Hz，可得逆變站錄波如圖8，可知由于逆變側(cè)交流系統(tǒng)功率過剩，直流控制與保護(hù)系統(tǒng)經(jīng)頻率控制器調(diào)節(jié)后，自動降低直流輸送功率水平。

圖8 逆變站頻率控制試驗錄波圖

4 結(jié)束語

在RTDS實時數(shù)字仿真平臺上，建立了±800 kV特高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)閉環(huán)仿真測試平臺。針對RTDS硬件升級和換流閥閥控系統(tǒng)接口特點，詳細(xì)介紹了仿真平臺各類I/O板卡和二次設(shè)備的接口形式。在RTDS閉環(huán)仿真平臺上，以PCS－9550直流控制與保護(hù)系統(tǒng)的頻率控制功能為例，開展了直流功率調(diào)制試驗，仿真結(jié)果表明該附加控制能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率變化自動提升或降低直流輸送功率水平，保持交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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M odeling of±800 kV Jiuhu UHVDC Transm ission System Based on RTDS

GUO Siyuan，LIHui，XU Hao，WU Jinbo，OUYANG Fan，LIU Haifeng
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Power system simulation is an important way to study UHVDC transmission technology features and functions.In order to test the integrated secondary equipment for±800 kV UHVDC transmission project and study the interaction of AC/DC system，the RTDS real-time digital simulation platform is presented in this paper.By connecting all kinds of RTDS input/output interface card with DC control and protection device，converter valve control equipment and secondary equipment such as measuring interface screen，the control closed-loop simulation system is constituted.In view ofRTDShardware platform upgrade and interface characteristics of the converter valve control system，the interface mode between the simulation platform and various types of secondary equipment are introduced in detail，and the fiber enhanced backplane of PB5 processor is used to increase node calculate numbers of the RTDS rack.Based on RTDS closed-loop simulation platform，taking the additional control function of DC control and protection device for example，the DC powermodulation test is carried out.The simulation results verify the validity of frequency control function for the DC control and protection device.

UHVDC transmission system；RTDS；interfacemode；closed-loop simulation system；DC powermodulation

TM933

B

1008-0198(2017)03-0011-05

郭思源(1986)，男，博士，從事發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)、高壓直流輸電自動控制技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.003

國網(wǎng)湖南省電力公司科技項目(5216A514003H)

2016-11-02 改回日期:2016-12-16

李輝(1983)，男，博士，從事主要研究方向為高壓直流輸電、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動化技術(shù)。

徐浩(1987)，男，博士，主要研究方向為高壓直流輸電、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動化技術(shù)。