基于RTDS數模仿真平臺的±800 kV酒湖特高壓直流輸電系統建模

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

基于RTDS數模仿真平臺的±800 kV酒湖特高壓直流輸電系統建模

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

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

特高壓直流輸電系統；RTDS；接口形式；閉環仿真系統；直流功率調制

±800 kV特高壓直流輸電由于其技術上和經濟上的獨特優勢，在我國遠距離、大容量輸電和大區電網互聯中得到了廣泛應用〔1－2〕。隨著國家電網公司大力實施“一特四大”戰略，建設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，落點湖南湘潭地區，線路長度約2 413 km，額定功率為8 000MW，是甘肅酒泉風力發電基地的主要外送通道。

作為特高壓直流輸電系統的“大腦”，直流控制與保護裝置控制直流輸送功率的大小和方向，通過監測相關交直流系統電氣量實現對換流站一次設備和直流線路的保護功能，對于直流輸電工程的安全穩定運行具有決定作用〔3－4〕。某公司在詳細分析特高壓直流控制系統結構配置的基礎上，獨立開發了PCS－9550特高壓直流控制保護系統〔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已實現了控制與保護設備國產化。

電力系統仿真是研究直流輸電技術的重要手段，主要包括動模仿真、數字仿真和數模混合仿真。動模仿真通過建立與實際系統成比例的物理元件開展研究工作，但存在造價昂貴、參數難以修改等諸多不足。數字仿真主要包括機電暫態仿真和電磁暫態仿真:機電暫態仿真主要應用于電力系統穩定性分析，仿真步長在毫秒級；電磁暫態仿真側重于電力系統電磁暫態過渡過程的分析，仿真步長在幾十微秒以下，能夠實現對電力電子開關元件的精確模擬〔7－8〕。將數字仿真模型與實際物理裝置通過特定接口連接，即構成數模混合仿真系統，具有參數靈活可調、兼容性強等優點。實時數字仿真器RTDS作為當前最具代表性的數模混合仿真平臺，已成為電力系統二次設備檢測和分析的主流方式〔9－12〕。

1 閉環仿真系統總體結構

1.1 一次系統建模

由于RTDS基于電磁暫態仿真技術，因此其仿真規模受到每個rack計算能力的限制。而直流輸電技術重點研究交－直－交能量轉換的過渡過程，因此通常對兩側交流系統進行等值處理，用一個帶有內阻的恒定電壓源來表示，以反映兩側系統的短路容量。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模型，主要包括交流系統等效電源、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和刀閘等。圖1為±800 kV特高壓直流輸電系統整流側接線示意圖，逆變側結構與整流側類似。

整流側每極由2個12脈動換流單元串聯而成，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分別通過Y/Y0和Y/D11換流變連接。整個直流輸電系統共有雙極運行、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整流側接線

1.2 二次系統構架

基于RTDS的特高壓直流輸電系統閉環仿真平臺如圖2所示，其中二次設備主要包括特高壓直流輸電控制與保護系統、SCADA后臺以及主時鐘系統和故障錄波裝置等輔助二次設備，通過各自的冗余網口連接到站LAN網。運行人員通過SCADA后臺實現直流系統的啟動/停運控制、運行監視、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仿真系統結構

以整流站為例，特高壓直流輸電控制與保護系統結構如圖3，逆變站與整流站相同。直流控制與保護系統主要包括控制與保護主機、換流閥閥控設備和測量接口，以1個12脈動換流閥為單元進行配置。

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

圖3 ±800 kV特高壓直流輸電整流側控制與保護系統結構圖

2 二次系統與RTDS接口

RTDS是加拿大RTDS公司開發的針對電力系統電磁暫態仿真的實時數字仿真器，能夠將計算結果通過D/A轉換以物理量形式輸出，通過多類I/O板卡與實際設備形成數字－物理閉環。RTDS的基本單元是機箱(rack)，根據當前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、數字量輸入板卡GTDI和數字量輸出板卡GTDO。

本文建立的RTDS閉環仿真平臺使用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節點較多，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的節點計算能力，如圖4。直流輸電閉環仿真系統主要通過交直流系統測量接口屏、換流閥閥控系統與GTAO、GTDI和GTDO三類I/O板卡連接，實現電壓和電流模擬量采集、斷路器和隔離開關遙控與遙信、換流變分接頭升降命令與位置狀態檢測以及換流閥觸發脈沖生成、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系統連接示意，逆變站與此相同。

圖4 ±800 kV特高壓直流輸電控制保護系統與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，將相應的模擬量轉化為電壓、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，開出的干節點須經開轉繼電器轉化后進入直流系統測量接口屏，實現直流系統中斷路器和隔離開關狀態、換流變分接頭位置狀態的遙信顯示以及換流閥指示脈沖返回等功能。GTDI接收直流系統測量接口屏開出的干節點，并串聯24 V電源，作為RTDS的開入，實現直流系統斷路器和隔離開關、換流變分接頭升降的遙控以及換流閥觸發脈沖生成等功能。

由于實際工程中換流閥閥控系統發出的觸發命令是光信號，經晶閘管控制單元TCU接收后，轉化為電信號驅動晶閘管。基于RTDS數模仿真平臺構建的閉環仿真平臺中，VBE發出的觸發脈沖，經光電轉換板轉換為GTDI能夠接受的電信號，送給一次系統模型中的換流閥。換流閥滿足觸發條件后返回一個指示脈沖，先經GTDO輸出為電信號，后通過光電轉換板轉成光信號后送至VBE，如圖5所示。

圖5 觸發脈沖和指示脈沖示意圖

3 直流功率調制仿真試驗

基于RTDS的閉環控制仿真平臺，采用與實際工程一致的直流控制與保護裝置，為研究直流輸電系統的系統切換、啟停控制、無功控制以及各類保護功能奠定了基礎，能夠較好地進行直流輸電系統的穩態仿真分析和暫態仿真分析。

對于交流系統而言，直流輸電系統相當于一個對頻率不敏感的負荷，可能產生系統負阻尼，通常采用直流附加控制來提高交流系統的穩定性。直流功率調制是利用直流控制快速調節功能的一種附加控制，從直流輸電兩側交流系統提取功率、頻率等系統異常信號，實現互聯系統在緊急狀況下的兩側系統間緊急功率支援，從而提高交流系統的穩定水平。

PCS－9550直流控制保護系統頻率控制器的原理如圖6所示。兩側交流系統頻率偏差經采樣、頻率控制死區和一個慣性環節后合成功率調制值，疊加在功率指令值上實現功率調制功能。

圖6 頻率控制器示意圖

在RTDS閉環仿真平臺上，通過SCADA后臺選擇雙極功率控制模式，并起極至0.5 p.u.工況進行直流功率調制試驗。對于整流站，將兩站頻率控制功能投入，在直流控制與保護軟件中置數，模擬整流側交流系統頻率fR升高至50.5 Hz，即此時整流側交流系統出現功率過剩，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。由于整流側頻率偏高，經頻率控制器實時計算需要調整的功率，自動提升直流輸送功率，并限制在頻率控制死區范圍內。

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，同樣模擬逆變側交流系統頻率fI升高至50.5 Hz，可得逆變站錄波如圖8，可知由于逆變側交流系統功率過剩，直流控制與保護系統經頻率控制器調節后，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 結束語

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

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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，從事發電機勵磁控制系統、高壓直流輸電自動控制技術研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.003

國網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、電力系統繼電保護及自動化技術。

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