特高壓直流換流站培訓模擬系統的研究與應用

葛賢軍，蒲天驕，徐正清，劉克文，崔 爽

(1．中國電力科學研究院，北京市100192;2． 國網電力科學研究院，北京市100192)

0 引 言

隨著特高壓電網建設的逐步推進和高壓直流輸電技術的日益成熟，我國直流特高壓輸電系統取得了穩步的發展。按照國家電網的發展戰略，2020年前后，將建設成以1 000 kV 級交流和±800 kV 級直流特高壓骨干網架為核心的堅強的國家電網［1-2］。擁有一支技術全面、經驗豐富的特高壓系統運行人才隊伍是保證特高壓電網長期安全運行的必要條件，因此加強相關技術及管理人員的培訓顯得尤為重要。

目前，國內外研究機構對發電機組仿真、變電仿真系統及電網仿真系統的研發技術已非常成熟［3-8］，這些系統的應用已經發揮了巨大的培訓作用，但對特高壓直流輸電工程的培訓仿真研究還鮮有應用實例。現階段我國特高壓直流輸電的相關培訓大多通過各換流站中隨工程配置的培訓工作站進行，其具有與運行人員工作站(operation work station，OWS)相同的人機界面和連鎖邏輯，對運行人員熟悉監控系統操作界面有一定的幫助作用，但是由于缺乏對換流站一二次設備、輔助設備及交直流混聯電網的完整模擬，難以全過程再現直流系統的運行和故障情況，難以滿足換流站生產人員對交直流設備的巡視、故障與異常的分析與處理、反事故演習和安全管理等全面的培訓需要。

因此亟待研究并開發一套包括交直流電網混聯仿真與特高壓換流站仿真一體化的培訓模擬系統，以滿足特高壓換流站運行人員的日常運行培訓、反事故演習的迫切需求。本文開發的特高壓直流輸電培訓模擬系統(UHVDC TS)以±800 kV 復奉直流特高壓輸電系統為原型，是由交直流混聯電網仿真、特高壓直流換流站仿真組成，可以滿足對特高壓直流換流站運行人員的全方位的模擬培訓。本文將介紹該仿真系統的組成架構、功能特點，并詳細闡述系統實現的關鍵技術及其應用效果。

1 系統的結構

UHVDC TS 采用3 層體系架構設計，包括平臺層、應用層和交互層，系統的結構如圖1 所示。

圖1 UHVDC TS 結構圖Fig.1 UHVDC TS structure

交互式協同仿真平臺作為本系統的基礎支撐軟件，采用基于高層體系結構(high level architecture，HLA)的分布式、交互式構架設計［4］，用于各應用功能模塊間的交互、通信、協調，保證各功能模塊間的高度耦合、實時協同運行。

系統的功能應用層主要包括仿真應用模塊及仿真管理模塊2 大部分。仿真應用模塊是本系統的核心，實現特高壓換流站仿真的運行仿真功能。仿真管理模塊是為仿真系統管理人員開發的系統管理軟件，可以滿足管理人員對仿真系統的啟停、控制及教員學員系統的管理。

人機交互層是仿真系統應用人員與仿真軟件互動的關鍵場所，主要包括電網監控界面、換流站一和二次場景、OWS 仿真模擬界面及系統教員管理界面。通過這些人機界面，系統的使用人員可以進行遙控、遙調、設備巡視、故障的設置、處理等各種操作，實現沉浸式的全場景、全過程的培訓效果。

2 仿真的組成及仿真模型

UHVDC TS 仿真模型主要由特高壓交直流電網仿真、特高壓換流站設備仿真及換流站OWS 監控仿真組成。各仿真模型之間相互耦合密不可分，運行關系如圖2 所示。

圖2 電網、換流站及監控仿真系統關系圖Fig.2 Relation of grid simulation，converter station simulation and monitoring simulation

交直流混聯電網仿真是整個仿真系統的基礎，它負責為換流站設備仿真及監控仿真提供基本遙測信息。

OWS 監控仿真通過一系列的監控界面顯示換流站的各種遙測及遙信信息，滿足運行監視功能;同時可以通過各種控制界面實現對換流站設備的遙控、遙調等操作。

換流站設備仿真是本仿真系統的核心，它通過采集電網、監控及換流站設備的測量、控制等信息，依照實際的控制、保護策略實現設備的動作、調整模擬，并將相關信息反饋至電網及監控系統。

2.1 交直流混聯電網仿真模型

電網仿真是整個仿真系統的基礎和關鍵［3］。為保證仿真效果的準確性，本系統以華中地區電網、華東地區電網為基本網架建立交直流電網仿真模型。本系統仿真交直流電網簡化圖如圖3 所示。

圖3 交直流混聯電網網架圖Fig.3 Structure of AC/DC hybrid power grid

交流電網部分:模擬發電機組66 臺，仿真500 kV交流變電站57 座，500 kV 輸電線路170條。

直流電網部分:其中±800 kV 輸電線路1 回(復龍—奉賢直流)，±500 kV 輸電線路4 回(龍泉—政平，江陵—鵝城，葛洲壩—南橋，宜都—華新)。

在上述的交直流電網仿真范圍基礎上，電網仿真對復龍換流站及奉賢換流站相關的直流輸電系統和交流電網建立詳細仿真模型，在不影響仿真效果的前提下，對其他部分進行適當等值簡化處理。

2.2 換流站設備仿真模型

換流站設備模型是特高壓換流站仿真的基礎，為保證仿真結果的真實性，需對仿真模型特性進行詳細考慮。系統需充分考慮實際換流站設備的特點，對換流站的交流系統、直流系統以及輔助系統進行詳細模擬。為此換流站的各模型均按照基于設備原理建模，并采用虛擬現實技術實現設備的三維場景再現。換流站設備仿真結構圖如圖4 所示，換流站設備仿真具體內容分述如下。

圖4 換流站設備模型關系圖Fig.4 Relation among equipments of converter station simulation

2.2.1 交流仿真模型

交流仿真模型主要由交流一、二次設備模型和保護系統模型組成。

(1)交流設備模型。交流設備模型包括交流母線、斷路器、隔離開關、接地刀閘、交流濾波器、互感器、電抗器及所屬二次控制、信號、測量、保護裝置及回路。

(2)交流保護模型。交流保護系統模型主要包括線路保護、母線保護、變壓器保護、濾波器保護、斷路器失靈保護、操作箱等。

2.2.2 直流仿真模型

直流仿真模型包括直流設備模型、直流控制系統模型及直流保護系統模型。

(1)直流設備模型。直流設備模型主要包括換流變、換流閥、平波電抗器、直流濾波器、直流開關設備及光CT 等設備。

(2)直流控制系統。直流控制系統邏輯按照換流站實際控制系統工程控制軟件的邏輯完成編程，可以逼真地模擬直流設備間連鎖、順控操作、換流變分接頭控制、換流閥觸發控制、運行方式控制、過負荷限制、開線試驗、極功率控制、無功功率控制、電壓和角度參考值控制等，支持換流站所有典型監視、運行等操作。

(3)直流保護系統。直流保護系統包括換流器保護、極保護(包括極、極母線、中性母線、直流線路、直流濾波器、平波電抗器和直流開關場設備)、雙極保護(包括雙極中性線和接地極線路)、換流閥保護、換流器交流母線和換流變壓器保護。系統根據運行的特高壓直流運行的特點可以靈活設置高低壓換流變、高低壓換流閥、極母線、中性母線、直流濾波器、直流輸電線路等故障。

2.2.3 輔助設備仿真模型

本次仿真對換流站的站用電系統、直流系統、水冷系統進行了詳細模擬。各輔助設備模型均依據實際系統運行邏輯建立耦合關系，站用電系統通過站用變壓器與交流系統建立聯系;直流系統通過充電裝置與站用電建立聯系;站用電及直流系統能否正常運行直接影響水冷系統能夠正常工作。

站用電系統的仿真對象包括站用高低壓母線、開關刀閘、測量回路、保護裝置及回路、站用備自投裝置、換流變冷卻器回路等。

直流系統包括蓄電池、充電設備、直流母線、進出線刀閘、絕緣監察裝置、表計、信號及相關屏盤等。

換流站的水冷系統按閥組配置，分為主水回路和輔助回路，主水回路包括主循環泵、馬達閥、螺線管閥、以及管道上相應的溫度計、流量計、壓力計、加熱器等;輔助回路包括膨脹箱、氮氣吹泡裝置、補水裝置等。水冷系統按照實際的回路布置，所有管路、閥門以及附屬的溫度計、流量計、壓力計、加熱器，均能顯示水冷系統的運行狀態;支持主輔泵的切換操作及CCP 系統主/備的監視，實現對內冷水系統的遠方和就地的控制;能模擬水冷異常及故障引起的換流閥閉鎖等故障。

2.3 換流站OWS 監控系統仿真

換流站OWS 監控系統是換流站運行工作人員對換流站的運行進行監視、操作及故障分析的重要場所，是換流站安全穩定運行的指揮中樞。本文所述監控仿真對復龍換流站的實際監控系統［9］進行了詳細仿真。系統采用“模擬”的仿真方式應用人機界面動態仿真技術實現換流站的OWS 仿真，從窗口風格、系統監視及系統控制3個方面對實際系統進行了詳細模擬。監控仿真系統的人機界面、操作菜單、界面閉鎖邏輯及直流告警和顯示等功能與實際系統完全一致。監控仿真范圍如圖5 所示。

圖5 OWS 監控仿真Fig.5 OWS monitoring simulation

監控系統主要仿真功能包括:順控操作、直流場監控、交流場監控、高低端閥組監控、高低端閥組水冷系統圖及站用電、直流監控界面等。所有界面的布局風格、遙信值、閉鎖邏輯與真實設備完全一致，滿足運行人員的各種設備監視、順控操作、交直流設備遙控、換流變抽頭遙調的操作等。

3 仿真系統的關鍵技術

3.1 基于電磁暫態的交直流電網全動態仿真技術

交直流電網實時數字仿真的模型完整性和計算精度直接決定著系統的整體性能。本系統針對特高壓直流輸電所處的大規模交流電網采用暫態、中長期一體化的全動態仿真，實現了交流電網的全過程仿真，真實再現了電力系統的動態行為。針對詳細仿真的特高壓直流輸電系統，按照電磁暫態過程建模，建立了換流閥組、換流變、平波電抗器、直流輸電線路、直流濾波器及交流濾波器的一次設備及其控制系統的電磁暫態模型，基于瞬時值的電磁暫態仿真進行計算［10］，可以模擬微秒級的電壓、電流瞬時變化情況，不僅可以計算系統的工頻電量，而且考慮非周期和高頻分量以及快速的暫態過程，準確地再現直流系統的正常、異常及故障情況下的各種行為，為交直流培訓模擬系統提供精確的數字信號。

結合直流培訓系統的連續穩定運行、交互性、實時性等性能要求高的特點，針對換流閥狀態頻繁變換，開發修正向后歐拉法［10］的電量躍變計算以保證換流閥導通狀態發生變化時，不會產生不衰減的數值振蕩，提高了系統連續穩定的運行能力;采用長距離輸電線路任意點故障在線仿真算法，實現各類設備故障的在線交互設置而無須預先設置以重新進行初始值及穩態計算，保證了系統的在線交互性;采用友元法、并行計算技術通過降低計算矩陣的階數和將計算任務分解至多個CPU，以滿足系統的實時性。

3.2 組件化換流站建模技術

在換流站仿真中，換流站的一、二次設備均采用全三維場景設計。為解決三維模型開發過程中的繁瑣、機械、費時等問題［11］，根據三維模型控件的高度重復性的特點，采用了可視化的組件化建模系統。該建模系統主要利用設備組裝工具、單元組裝工具、場景組裝工具結合開發的元件庫、設備庫及單元庫，按照由元件生成設備，由設備生成單元，由單元生成場景的流程完成全三維場景的組建。三維系統建模過程如圖6 所示。

圖6 組件化建模系統結構圖Fig.6 Structure of component-based modeling system

元件庫:由電力系統中常見的壓板、切換把手、按鈕、儀表燈、裝置面板等小元件組成。這些小元件是組成裝置的基本元素。

設備庫:由一次設備庫及二次設備庫2個部分組成，一次設備主要包括各種類型的斷路器、隔離開關、PT、CT 等;二次設備主要包括各種類型的線路保護、變壓器保護、斷路器保護等二次保護屏盤，這些二次屏盤均可由元件庫中的各種元件通過設備組裝工具組合而成。

單元庫:由變電站中典型的線路單元、變壓器單元、電容器單元等組成。單元庫中的設備均可由設備庫中的各種元件通過單元組裝工具組合而成。

基于可視化、組件化三維建模技術開發的設備組裝工具、單元組裝工具及場景組裝工具使非專業三維人員靈活組建及修改三維場景變成了可能，大幅度提高了三維場景開發、維護的工作效率。

3.3 三維虛擬場景技術

采用三維虛擬場景技術，開發了包括一、二次設備在內的特高壓換流站的交互式全三維虛擬場景，仿真效果如圖7 所示。

為滿足仿真場景的真實性，應用基于情景上下文的碰撞檢測加速算法［12］，實現了虛擬場景的自由漫游、設備操作及設備巡視，采用分形和粒子系統方法模擬爆炸、煙霧、放電電弧等特殊效果和雨雪等氣候條件，實現了全場景仿真，增加了培訓的效果。

圖7 特高壓直流一次設備三維場景Fig.7 3D Scene of primary equipment in UHVDC

3.4 交互式協同仿真平臺支撐平臺技術

UHVDC TS 基于國際建模與仿真標準—高層體系架構開發了分布式、交互式的仿真支撐平臺［4-5］，為各個仿真應用提供了位置透明、高效的虛擬運行環境，仿真系統結構如圖8 所示。

圖8 仿真支撐平臺系統結構圖Fig.8 Structure of training simulation platform

4 系統的應用

4.1 仿真系統的部署

仿真系統在網絡結構和硬件的配置上都遵循開放性的原則，以達到系統的可擴充性和可維護性。

仿真系統由仿真教員臺及仿真學員臺組成，其中教員臺由一臺一機雙屏的微機、投影系統及網絡打印機組成，用于教案編制、故障設置、系統啟停控制、系統維護管理、數據組織和對學員的監管等功能。每組學員臺由3 臺微機組成，分別運行電網仿真、監控仿真及換流站設備仿真程序，每組學員臺可同時培訓1 ～3名學員。學員臺的數量可以根據實際培訓需要進行增減，靈活配置，其規模原則上沒有上限，與實際部署的網絡環境有關。

系統的硬件結構如圖9 所示。

圖10 故障前畫面Fig.10 State before fault

4.2 仿真案例

UHVDC TS 實現了特高壓交直流電網與特高壓換流站聯合仿真，能夠針對特高壓直流輸電相關生產、管理人員進行特高壓換流站日常維護、正常操作、異常事故處理的技能技術的培訓，以及聯合反事故演習。

本節以復龍換流站極1 高端閥組短路故障為例分析了特高壓換流站的仿真功能。

正常狀態下，換流站處于雙極雙閥組滿負荷，±800 kV全壓運行，輸送功率為6 400 MW，運行工況如圖10 故障前畫面所示。

當發生極1 高端閥組短路故障時，極1 高端閥短路保護動作，高端閥閉鎖，其所對應的換流變高壓開關跳閘并閉鎖，直流高壓閥旁路開關8011 及旁路刀閘80116 相繼閉合，高壓閥組陽極刀閘80111、陰極刀閘80112 打開，極1 降壓至400 kV，過負荷1 750 MW運行。故障后狀態如圖11 故障后畫面所示。

本次仿真現象、故障動作過程及故障信息結果與實際系統完全一致，三維一次、二次場景變化與系統故障邏輯相同。

4.3 應用效果

該系統分別在國網技術學院與國網運行分公司投入實際應用。投運以來已經成功支持了國家電網公司數千人次的新員工培訓及近百人次特高壓在崗人員技能培訓，并承擔了2013年度國網運行分公司特高壓運行技能技術比武工作，取得了良好效果。

圖11 故障后畫面Fig.11 State after fault

5 結 語

UHVDC TS 采用交直流混聯電網仿真技術實現了大電網交直流混聯電網仿真，真實再現了交直流大電網的運行特點;利用虛擬現實技術實現了特高壓換流站的一、二次設備的三維重現，滿足了全場景仿真的需要;利用可視化、組件化三維仿真建模技術提高了三維場景組建快速性及維護的方便性及實用性;利用基于HLA 的支撐技術實現了仿真電網與仿真特高壓換流站的無縫連接，實現了系統運行的全過程仿真。使用該仿真系統培訓特高壓運行人員，全面提高了特高壓運行人員的技能技術水平，系統的成功開發為即將投運的±1 100 kV 特高壓直流系統的仿真建設打下了良好的基礎。

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