復雜直流輸電控制保護系統和ADPSS融合仿真技術研究

穆 清，張 星, 孫麗香

(中國電力科學研究院, 北京 100019)

復雜直流輸電控制保護系統和ADPSS融合仿真技術研究

穆 清，張 星, 孫麗香

(中國電力科學研究院, 北京 100019)

隨著直流輸電系統的規模、容量和對電網運行的影響與日劇增，直流輸電系統復雜的控制保護特性越來越受到運行分析的關注。對復雜直流輸電控制保護系統與ADPSS電磁暫態仿真平臺的融合仿真技術進行研究，提出了靜態鏈接和動態鏈接兩種融合仿真方法；并研究了各種仿真方法下的直流控制保護系統的融合接口設計；最后建立了復雜直流控制保護系統與ADPSS融合仿真系統，該系統充分保留了直流輸電系統控制保護特性，為研究各種故障下的直流輸電的運行狀態提供了強大的技術支撐。

HVDC; 直流控制保護系統; 融合仿真; 融合接口

0 引 言

現代電力系統中，以直流輸電為代表的柔性電力系統設備已經成為電力系統的重要部分。它具備了功率的快速控制能力和遠距離大容量輸電能力；同時，它的快速調節和控制的能力也對電力系統運行產生著重要的影響。

近10年來，隨著直流輸電規模和容量的不斷增大，發生了一些對電網運行影響較大的直流輸電故障[1]，這些故障對電網運行和安全提出了新的挑戰。準確仿真直流輸電的動態特性，為直流輸電研究提供準確工具，成為應對這一挑戰的必要手段。

控制保護系統是直流輸電的核心設備，其特性直接決定了直流輸電的運行特性?？刂票Ｗo系統的準確描述是對直流輸電動態特性仿真的前提[2]。

傳統的機電暫態仿真工具采用了直流輸電的準穩態模型，因此控制保護系統的模擬也采用了準穩態的簡化模型[3]。

電磁暫態仿真可以采用很小的仿真步長實現小時間尺度的精細化仿真，對直流輸電的一次系統可以進行準確地模擬。但是由于控制保護系統的結構和邏輯非常復雜，直接在電磁暫態仿真工具中進行詳細直流控制保護系統的建模工作非常復雜，還要相應簡化，其效率低，準確性也較難保證[4]。到目前為止，復雜直流控制保護模型還沒有特別有效的建模手段。

1 研究背景

為了探索更加高效實用的直流輸電控制保護仿真模型，各種直流控制保護系統和電力系統分析平臺的混合仿真方法得到了研究和探索。

用戶可以通過自定義的方式在PSCAD /EMTDC軟件中建立直流輸電控制保護系統的局部功能和邏輯，比如直流線路保護模型[5]和SYMADYN D的保護功能[6]，實現一定功能的混合仿真。

ABB公司根據自身的直流控制保護系統MACH2，在PSCAD系統中建立了一個虛擬MACH2系統，基本保留了直流控制保護系統的功能。但是，由于此研究采用了靜態鏈接技術，存在符號表沖突，無法快速完成多條直流的布置，同時靜態鏈接也很難對直流控制保護邏輯進行修改。

復雜直流控制保護系統還可以采用進程級融合與EMTDC進行融合仿真[7]，但是進程級融合仿真需要進程間通訊，系統調度開銷大，仿真效率較低。

這里探索和比較了基于靜態鏈接和動態鏈接的融合仿真技術，分析了兩種融合仿真技術的關鍵點，提出了基于兩種融合仿真技術的ADPSS與復雜直流控制保護系統的融合仿真方法，保證了ADPSS融合仿真技術的靈活性。同時，還對融合仿真的同步機制和調度接口進行研究和設計。最后，測試了融合仿真的準確性和仿真速度，證明了融合仿真適用于研究直流輸電的詳細特性和事故反演等對準確性要求較高的場合。

2 研究方案

2.1 基于靜態鏈接的融合仿真架構

靜態鏈接就是在程序生成一個面向某一個仿真場景的exe文件時，把所有需要的仿真系統的功能函數的二進制代碼文件都包含到可執行文件中去。

鏈接器(Link.exe)在整個程序融合的過程中發揮了最重要的作用，也決定了靜態鏈接的本質特性。

鏈接器的基本工作原理如下：

首先，鏈接器根據目標文件提供的信息，知道參加鏈接的目標文件需要的外部函數和變量的信息。這些信息需要通過目標文件的符號表和重定位表來獲取。

其次，鏈接器會合并相似段。每一個目標文件，包括Lib文件都是由很多標準段組成的，鏈接器將把所有需要鏈接的目標文件中的相似段放在可執行文件的對應段中，如圖1所示。計算出輸出文件中各個段合并后的長度與位置，并建立映射關系。

最后，將每個符號引用與它輸入的可重定位目標文件中的符號表中的一個確定的符號定義聯系起來。重定位符號使得目標文件能正確調用到其他目標文件提供的函數和變量。

因此，靜態鏈接的本質就是通過鏈接器把所有的功能函數目標文件合并到一起，并建立內部的映射關系，組成一個大型的可執行目標程序。

圖1 靜態鏈接器的工作原理

傳統的復雜直流控制保護系統的仿真技術采用靜態鏈接融合仿真技術，見圖2。

HVDC Controller1、 HVDC Controller2、HVDC controller3是3個復雜直流控制保護系統。每一個直流控制保護系統內部有系統的程序目標文件(Objective File)，例如user1.obj、user2.obj、user3.obj等等。這些程序目標文件含有了直流控制保護系統內容的所有功能信息，通過程序的函數來表示。同時，電磁暫態仿真系統提供了一個靜態庫ADPSS.lib文件，也通過程序中的函數來表示。這個靜態庫中包含了進行電力系統電磁暫態仿真所需要的所有功能模塊。

圖2 靜態鏈接的融合仿真

為了生成融合仿真的可執行程序，電磁暫態仿真系統的ADPSS.lib和復雜直流控制保護系統的所有目標文件還需要通過鏈接器相互鏈接在一起，并一起包含到融合后的可執行文件emt_cal.exe中。

通過執行emt_cal.exe的程序，實現復雜的直流控制保護系統和ADPSS電磁暫態仿真的融合仿真。

靜態鏈接的優勢是：

1)代碼裝載速度快，執行速度略比動態鏈接庫快；

2)生成的可執行文件對原有的文件不再存在依賴關系，可移植性好。

靜態鏈接的缺點是：

1)生成的可執行文件體積很大，包含了很多公共代碼，比較浪費；

2)靜態鏈接需要提供復雜控制保護系統的目標文件，對融合仿真系統的開發性要求很高；

3)融合仿真系統的子系統更新困難。

2.2 基于動態鏈接的融合仿真架構

動態鏈接技術是為了解決空間浪費和更新困難這兩個靜態鏈接的缺點而提出的。它把程序的模塊相互劃分開來，形成獨立的文件，而不再將它們靜態地鏈接在一起，把鏈接過程推遲到運行時再進行。

以Linux的動態鏈接技術為例，動態鏈接機制的核心是引入了全局偏移表(global offset table,GOT)和過程鏈接表(procedure linkage table,PLT)實現了位置無關代碼(position independnet code,PIC)。

基本實現方法如下：

1)動態鏈接器ld.so程序把動態庫中的目標文件的可加載段進行整體地映射，然后返回一個虛擬映射地址用于庫內函數的尋址；

2)修改動態庫中的哈希表、符號表、重定位表，并存入全局的庫映射結構中，然后按照相似的方法對依賴庫進行映射，完成全局偏移表的設置；

3)通過PLT表跳轉到調用函數的入口，并查找到庫內對應函數的偏移地址(sym->st)；根據入口地址(reloc_offset)和偏移地址(sym->st)返回動態鏈接庫函數的調用地址，完成重定位功能(reloc)，如圖3所示。

圖3 由重定位偏移查找要解析的符號名稱

復雜直流輸電控制保護系統和ADPSS的動態鏈接技術參考了動態鏈接機制，與靜態鏈接技術有較大的不同，結構如圖4所示。

ADPSS電力系統仿真主程序(emt_cal.exe)保留了很多程序占位函數如ptr1()、ptr2()、ptr3()等。在仿真系統沒有真正使用到復雜控制保護系統模型時，占位函數沒有被執行。即使用戶沒有控制保護程序的動態庫，仿真也能順利進行。如果用戶的算例里使用了復雜直流控制保護模型功能，ADPSS仿真程序就會運行相應的占位函數。占位函數就可以通過動態鏈接，尋找調用功能函數的地址(ptr1、ptr2、ptr3…)，把控制保護的相應功能函數PCP()、CCP()直接加載到內存中，進行融合仿真運算。

圖4 直流控制保護系統動態鏈接機制

動態鏈接的優勢是：

1)庫靈活性好，針對不同的用戶可以開發不同功能和復雜度的軟件；

2)動態延時加載，節省了大量的內存空間，并可以在不影響主任務功能的情況下，動態地加載和關閉動態鏈接。

動態鏈接的缺點是：

1)加載速度稍慢，執行速度也稍慢于靜態鏈接；

2)本機需要保存動態鏈接庫文件，程序運行有一定依賴性。

所設計的融合仿真系統將以動態鏈接技術為主。

2.3 控制保護系統融合仿真同步接口

為ADPSS仿真平臺模擬真實的電力系統物理環境與外部設備連接，ADPSS設計融合仿真同步接口，提供復雜直流控制保護系統和ADPSS電力系統仿真平臺的同步接口。接口主要分為3個：同步時鐘接口、信號接口和同步調度執行接口。

2.3.1 同步時鐘接口

由于實際直流控制保護模型需要運行在實時方式下，所有的邏輯和延時環節都涉及到物理時間；而ADPSS電磁暫態仿真平臺本身是一個模擬仿真計算程序，它是以仿真環境中的相對時間為時標的。如果需要使實際直流控制保護模型的執行時刻盡量符合實際工況，就要把它的時間同步到ADPSS的相對時鐘，讓模型能在模擬仿真程序的相對時鐘下產生實時化效果。

但是控制保護系統一般不能直接接受時間，它能接受的是外部的晶振信號。因此，需要依靠晶振信號傳遞來同步相對時鐘，過程如圖5所示。ADPSS電力仿真系統根據自身的仿真步長生成一個寬幅的脈沖模擬晶振的輸出，并把這個寬幅脈沖輸入到HVDC控制保護系統中做為時鐘輸入。同時，在HVDC控制保護系統內部，根據電力系統的仿真步長設置好外部晶振的頻率，調整出和ADPSS電力系統仿真系統完全同步的時鐘。

圖5 時鐘接口

2.3.2 信號接口

復雜直流控制保護系統與ADPSS電力系統仿真平臺在統一了時標以后，就能相互傳遞信號，實現控制和響應功能。直流控制保護裝置的控制功能比較復雜，需要的輸入、輸出信號也非常多。為了實現控制保護系統的完整動態特性同時又降低融合仿真接口設計的復雜性，融合仿真系統需要對復雜直流控制保護輸入、輸出信號進行相應的處理和簡化。

在經過處理和簡化以后，直流控制保護模型和電磁暫態仿真程序提供的通道信號數量為248個，有控制命令和指令、閥控制信號、測量模擬量輸入、斷路器控制信號、發站間通訊、收站間通訊、發極間通訊、收極間通訊、TFR通道和斷路器狀態信號等10大類。表1是主要信號的分類以及相關的數量。

表1 直流控制保護裝置的主要信號的分類以及相關的數量

2.3.3 同步調度執行接口

詳細直流控制保護系統是分層結構的，內部每一個功能函數的執行周期并不相同，如果只是建立相應的功能函數，而沒有考慮分層功能，就不能準確模擬直流控制保護的行為。

根據實際直流控制保護系統的分層結構，提出在ADPSS平臺中模擬分層執行的解決方案。直流控制保護的執行分為6個不同層次，每一層次有自己獨立的執行使能信號，包括OPN(1)、OPN(2)、OPN(3)、OPN(4)、OPN(5)和OPN(6)，各層的使能信號統一由ADPSS的一個調度執行接口發出。

OPN(1)的信號每1個周期發出，OPN(2)的信號每2個周期發出，OPN(3)的信號每6個周期發出，OPN(4)的信號每12個周期發出，OPN(5)的信號每24個周期發出，OPN(6)的信號每48個周期發出。相應層次的功能函數，在相應OPN使能信號發出以后執行。如此以后，實際工程的分層執行得到了完整的保留和仿真，同時也能減少很多不必要的執行時間，保證了詳細控制保護模型的執行速度。

3 系統驗證測試

以龍泉-政平(簡稱為“龍政”)直流輸電工程作為研究背景，建立復雜直流控制保護系統和ADPSS電力系統仿真平臺的融合仿真系統。通過比較實際故障錄波和仿真平臺的仿真結果，測試其有效性和準確性。

3. 1 測試系統

基于ADPSS建立的龍政直流輸電系統仿真模型示意圖見圖6。

圖6 龍政直流輸電系統數字仿真模型示意圖

仿真模型主要包括換流站兩端交流電網、整流側換流站、直流線路、逆變側換流站。

換流站兩端交流電網包括除換流站500 kV母線、交流濾波器以外的換流站交流場以及換流站外部電網。

換流站一次系統模型包括500 kV交流母線、交流濾波器、換流變壓器、換流閥、平波電抗器、直流濾波器等。

復雜直流控制保護系統包括換流站基本控制功能，如換流站觸發控制(CFC)、換流站模式順序控制(MSQ)、換流站無功控制(RPC)、換流變壓器分接頭控制(TCC)等，還包括不跳閘類的保護系統模型，系統對不影響直流輸電系統電磁暫態特性的控制保護功能進行了簡化。

由此可知，基于ADPSS建立的直流輸電工程模型在一次系統結構、一次設備參數上完全相同，而復雜直流輸電控制保護系統與實際現場的控制保護系統功能基本一致。

3.2 現場事故描述

2013年9月24日09點34分，龍泉換流站極Ⅱ直流線路故障，線路突變量保護動作，全壓啟動不成功。之后，欠壓、縱差保護動作，全壓啟動成功，故障點距龍泉站670.3 km。

事件發生前，龍泉換流站處于雙極大地運行方式，龍泉換流站送政平換流站功率為3 000 MW。本次事件未損失負荷，直流控制保護動作正確。

3.3 融合仿真有效性測試

將仿真結果與錄波數據進行對比，換流變壓器網側電壓、Y/Y換流變壓器閥側三相電流、Y/D換流變壓器閥側三相電流、直流線路電壓UDL、直流線路電流IDL以及換流閥觸發角的對比結果如圖7至圖11所示。

圖7 極Ⅱ換流變壓器網側電壓波形對比

1) 整流站交流母線電壓和換流變閥側電流

圖7中，整流站交流母線電壓的仿真結果與實際故障錄波相比趨勢相同，數值偏差較小。故障發生前后，交流電壓保持穩定。

圖8 整流側極ⅡY/Y換流變壓器閥側電流波形對比圖

圖9 整流側極ⅡY/D換流變壓器閥側電流波形對比圖

圖10 直流線路電壓、電流波形

由圖8、圖9可知，換流變壓器閥側電流的ADPSS仿真結果與實際故障錄波相比，故障前后電流波形趨勢相一致并且數值偏差不大。

2) 直流線路電壓、電流波形和觸發角波形

結合圖10、圖11分析可知，直流線路電壓、電流以及觸發角指令的仿真波形和實際故障錄波波形三者趨勢相一致，數值偏差較小。

圖11 整流站觸發角指令

3.4 仿真速度測試

比較融合仿真系統(復雜直流控制保護和ADPSS平臺)和非融合仿真方法(在ADPSS仿真平臺中搭建詳細的控制保護邏輯)的仿真速度，融合仿真平臺運行在Intel Xeon 機架式服務器上，ADPSS電磁仿真的仿真步長為50 μs。多次測試中的仿真時間為：1 s、2 s、10 s和100 s，測試結果如表2所示。

表2 仿真速度測試

4 結 論

1)研究了復雜直流輸電控制保護系統與ADPSS電力系統的融合仿真技術，包括基于靜態鏈接的融合仿真和動態鏈接的融合仿真。

靜態鏈接的融合仿真是傳統的融合方法，其加載速度快，但是靈活性差，資源占用大。動態鏈接的融合仿真系統采用延遲加載，動態調用的方法，模塊

獨立性強，靈活度高，適宜于實現復雜直流輸電控制保護系統和ADPSS融合仿真。

2)研究了復雜直流輸電控制保護系統與ADPSS融合仿真的同步機制。融合系統需要同步相對時鐘，同步輸入輸出信號，特殊的同步調度執行。

3)復雜直流輸電控制保護系統與ADPSS融合仿真在仿真準確性與實際現場工程基本吻合，仿真速度優于詳細邏輯模型，可滿足各種測試和研究。

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With the increase of scale and rates of HVDC transmission system as well as its impact on power system operation, the complicated HVDC control and protection characteristics attract more attention. The fusion simulation of the complicated HVDC control and protection system is studied. The static links and dynamic links as two fusion simulation methods are proposed, while the multiple interfaces of fusion simulation are designed based on each simulation method. Finally, the fusion simulation system of the complicated HVDC control and protection system and ADPSS is built, which remains accurate characteristics of HVDC control and protection to support the study on HVDC operating condition during various disturbances.

HVDC; HVDC control and protection system; fusion simulation; interface for fusion simulation

TM73

A

1003-6954(2017)01-0003-06

2016-10-18)

穆 清 (1983)，博士，主要研究方向為高壓直流輸電和電力電子仿真；

張 星 (1982)，博士，主要研究方向為電力系統仿真和電力電子仿真；

孫麗香 (1983)，碩士，主要研究方向為電力系統仿真和電力電子仿真。