高壓直流輸電教學培訓軟件設計

張勇，陳紅坤，吳茜，尹力，繆翼軍

（武漢大學電氣工程學院，武漢 430072）

近年來，隨著電網聯網規模的迅速增加和交直流混合系統的大力建設，其對技術性、可靠性、經濟性的要求也越來越高，高壓直流（high voltage direct current，HVDC）輸電開始扮演重要角色[1]。HVDC系統在正常運行時，運行調度人員常常需要根據系統運行方式和負荷變化情況，對系統運行工況及時加以調整，但是具體如何調整需要調度人員預先了解和掌握多種調整方式[2]。基于上述原因，對高壓直流輸電教學培訓軟件進行設計與研究具有重要的理論與現實意義。

針對這一問題，本文設計了一套用于穩態運行過程模擬的軟件，用以檢驗各種控制措施的效果，并輔助調度人員了解實際系統的運行工況，從而實現高壓直流輸電教學培訓。

LabVIEW（又稱虛擬儀器）是一種圖形化的編程語言，廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受[3]，是一個功能強大且靈活的軟件。其包含豐富的數學和仿真工具模塊，界面清晰直觀，是一個面向最終用戶的工具，特別適合于初次編寫軟件的人員。

1 HVDC穩態計算原理

主回路穩態參數計算是設計HVDC教學培訓軟件的基礎，其計算結果直接影響到系統的其他功能模塊，如無功補償輸入模塊、濾波設計模塊等。它是考慮在具體的主回路控制方式下，主要包括整流側、逆變側換流器控制方式和整流側、逆變側換流變壓器抽頭位置，確定HVDC系統的穩態值。

HVDC系統的核心部分為換流器，其基本模塊是三相橋式全控整流電路[4]。分析整流電路時，當負荷為阻感性負載且考慮變壓器漏感時，整流輸出電壓、電流分別[5]為

式中：Udo為理想空載直流電壓；EL為變壓器二次側線電壓；α、μ分別為觸發延遲角、換相角；XB為考慮換相過程后的等效電感。為了區分整流側和逆變側的各量，對整流側的量值加下標r，對逆變側的量值加下標i。

由式（1）和式（2）可得

將式（3）代入式（1）得

由于觸發角和換相角的存在，交流側相電流的基波將滯后相電勢一個相角，功率因數可近似表示為

目前換流站普遍采用12脈動換流器，由兩個6脈動的三相橋式電路串聯，其中一個采用三角形接法，另一個采用星形接法，從而使兩6脈動波形相位相差30°，串聯起來即得到12脈動波形。12脈動電壓、電流的計算方法與6脈動的計算方法一致，輸出電壓為6脈動的兩倍。

根據實際工程應用的需要，定義兩個參數：相對電感壓降dx和相對電阻壓降dr[6－7]分別為

式中：UdoN為額定理想空載直流電壓；Pcu為折算至6脈動換流器標么值的變壓器和平波電抗器負載損耗；Rth對應晶閘管上與電流有關的壓降；IN為直流線路額定電流。

由于交流母線電壓變化小，udoN/udo≈1，且忽略晶閘管導通壓降，聯立式（3）～式（6）則有

逆變站的直流電壓、無功計算方法與整流站相似，表達式[8－9]為

式中：Tr、Ti分別為兩端換流變分接頭變比；Eacr、Eaci分別為兩端交流母線電壓。

其他相關穩態參數表達式為

2 基于LabVIEW的HVDC輸電教學培訓軟件的開發與設計

根據HVDC原理和軟件設計流程，本文利用LabVIEW圖形化編程語言設計了用于HVDC系統穩態模擬的教學培訓軟件。

2.1 軟件的設計思路和功能

本軟件應能在多種操作系統中安裝和使用，且具有直觀友好的用戶操作界面，通過簡單操作，即可實現直流輸電系統的模擬仿真，潮流計算完成后，可即時輸出仿真結果。具體來說，軟件能夠實現的基本功能如下所述。

（1）根據功能和設計需求，軟件界面包含2個動態顯示的頁面，分別為：主界面和參數設置界面。其中主界面用于實時顯示潮流計算結果、運行狀態；對于過負荷、輕載或接地極電流過大，應能夠告警提示；對于無功補償不足或過剩，可以提示投切無功；對于潮流逆轉啟動，彈出對話框進行相關參數整定提示。參數設置界面用于對具體的直流輸電系統進行額定參數、參數運行范圍的設置。

（2）對于主界面中的交直流濾波器、晶閘管閥組、無功補償裝置，為了更形象顯示其結構，采用控件高級自定義的方法，通過相應的動態結構來替換布爾控件，實現即點即現的效果。

（3）為了模擬HVDC的控制方式對系統的影響，換流站兩端均設置了定功率、定觸發角等基本控制方式，對兩側在不同組合的控制方式下穩態運行進行模擬。

2.2 軟件的計算機實現方法

為了使操作人員能夠準確和清楚的使用本軟件，在軟件主界面上向用戶提供盡可能詳細的信息，直觀簡潔，并且最大程度的體現用戶和界面的交互性[10]。利用LabVIEW前面板提供的豐富的控件與顯示，可以非常方便的根據需求進行設計。

本軟件由下述3大模塊組成。

1）啟動界面

為了程序的友好性和顯示出有意義的標示語，遵循簡單、直觀的原則制作了啟動界面。通過點擊自定義的軟件圖標，本次設計的啟動界面如圖1所示。實踐證明當程序運行時，CPU占用率較小，體現了LabVIEW人機界面設計方面的優勢，即美觀、可視性強。

圖1 軟件啟動界面Fig.1 Start-up interface of the software

軟件由多個界面組成，這些界面由前面板上的鼠標事件、鍵盤事件觸發。通過啟動界面VI文件的路徑來加載主界面[11]，并決定主界面的執行狀態。通常將子界面VI文件放到主程序文件夾中，可確保利用相對路徑成功調用子VI文件。

2）參數管理模塊

在主界面中，通過點擊相應元件彈出輸入框，可以調節換流變壓器分接頭變比，調節直流輸電線路電阻、接地極電阻、平波電抗器，投切濾波器組數，開合斷路器以實現單雙極運行。

采用LabVIEW的屬性節點和控件高級自定義的方法實現參數管理模塊。LabVIEW之所以功能強大、生動形象，關鍵之一在于其使用了屬性節點。屬性節點在功能上是離散的、被準確定義的，它既可以單獨使用，也可以與其它屬性一起組裝成一個完整的應用系統。屬性節點有多種表現形式，常用的有可見、閃爍、禁用、提示框等，本次設計采用了閃爍、可見等屬性節點，效果良好。

3）輔助模塊

軟件設計中，為確保各穩態參數處于正常范圍，設置了輔助模塊。當觸發角運行范圍超出設定

值，觸發角參數框將閃爍提示；雙極運行時，接地極電流超過1%IN，將提示接地極電流過大；當兩側換流站消耗無功與系統投入無功補償之差的絕對值超過單組無功補償容量時，系統將提示投切無功補償。

LabVIEW同時包含豐富的數學工具，能夠實現各種復雜函數表達式，分別將函數表達式的輸出和設定值作為比較函數的輸入，比較函數的輸出連接到布爾器件，實現穩態運行狀態的判斷。

3 HVDC穩態運行模擬仿真

利用設計的軟件以天生橋—廣州（天廣）直流輸電工程為例進行了各種工況條件下的穩態運行模擬仿真。

3.1 天廣直流輸電系統相關數據

天廣直流輸電工程額定傳輸容量為雙極180萬kW，額定工作電壓為±500 kV，額定工作電流為1 800A，兩站交流系統額定電壓均為220 kV，換流站采用典型雙極12脈動換流閥組[12]。正常情況下，天生橋換流站作為整流站運行，廣州換流站作為逆變站運行，換流站運行參數見表1。兩換流站換流變分接頭變比按實際情況選取。當系統以雙極運行，整流側定電流、逆變側定γ角運行時，參數設置界面、雙極全壓運行主界面如圖2和圖3所示，潮流逆轉主界面如圖4所示。

表1 換流站運行參數Tab.1 Operation parameters of converter stations

圖2 參數設置界面Fig.2 Parameters setting interface

圖3 雙極全壓運行，潮流正轉Fig.3 Bipolar and positive power flow operation with full voltage

圖4 潮流逆轉Fig.4 Negative power flow operation

3.2 模擬仿真結果

由圖3和圖4可知，由于觸發角和逆變角的存在，無論是整流站還是逆變站，正常運行時，換流站所需的無功功率為變壓器額定容量的45%左右。通過調整換流變壓器分接頭或者投切無功補償設備，可以解決系統無功平衡問題；通過模擬控制方式之間的切換，可以改變系統的穩態運行點。

4 結語

本文利用LabVIEW 8.5設計了高壓直流輸電教學培訓軟件，詳細闡述了軟件設計的總體架構、功能特點以及模塊劃分，并通過具體算例進行了模擬仿真。本軟件應用可視化界面技術，在各種控制方式下可以連續運行，運行過程中穩態參數采用參數框閃爍告警和彈出對話框提示。算例驗證表明此軟件模擬仿真結果達到設計效果，可視化程度較高、界面直觀清晰、方便操作人員使用，可以應用于實際的教學與培訓工作中。

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