朱亞楠，郭琦，張樹卿，歐開健，劉志飛，李偉，胡云

(1．電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京市100084;2．南方電網(wǎng)科學研究院，廣州市510080)

0 引言

為適應國民經(jīng)濟的發(fā)展，優(yōu)化電力資源配置，我國“西電東送，南北互供和全國聯(lián)網(wǎng)”工程正在快速推進。以直流輸電為例，由于常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電分別在長距離輸電、非同步聯(lián)網(wǎng)和可再生能源接入等方面的優(yōu)勢，高壓直流輸電系統(tǒng)和FACTS設備在我國電網(wǎng)中已經(jīng)得到了廣泛應用，截至2020年，將有至少50條高壓直流線路投入運行，同時大量的FACTS設備也將投入使用，屆時，電網(wǎng)將發(fā)展成為整體規(guī)模龐大、區(qū)域聯(lián)系緊密、安全穩(wěn)定要求嚴格的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，因而仿真技術，這一研究系統(tǒng)運行過程、制定應對策略的保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的有力工具被提出了新的要求:對大電網(wǎng)進行整體、全面的建模與分析，以真實刻畫電網(wǎng)各部分間的相互作用;對局部設備、區(qū)域網(wǎng)絡狀態(tài)進行精確描述，并有機地將其與全網(wǎng)級暫態(tài)過程結(jié)合［1］。

然而，傳統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真均不能滿足大規(guī)?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的仿真需求。傳統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真常被用于對線路過電壓過程、基頻或非線性元件和系統(tǒng)、串聯(lián)補償線路和高壓直流線路的仿真［2］。電磁暫態(tài)仿真對電磁暫態(tài)過程描述精細，但由于仿真步長小，電氣元件模型復雜，計算量大，難以直接用于對大規(guī)模電網(wǎng)的研究，必須通過對大規(guī)模電網(wǎng)的網(wǎng)絡等值和簡化來縮小研究規(guī)模，使計算量和計算時間均達到可以接受的范圍，但是這種等值和簡化處理勢必會造成網(wǎng)絡響應特性的改變，甚至導致電磁暫態(tài)仿真結(jié)果不能反映真實電網(wǎng)的響應過程［3］。機電暫態(tài)仿真常被用于系統(tǒng)受到短路故障、切除線路等大擾動后的暫態(tài)穩(wěn)定性能分析。機電暫態(tài)仿真的仿真步長較大，由于采用準穩(wěn)態(tài)模型，模型較為簡單，可以滿足對大規(guī)模電網(wǎng)的機電暫態(tài)仿真需求。但是其準穩(wěn)態(tài)模型的前提條件造成不能對非對稱故障進行仿真，同時，在交直流混合聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究中，機電暫態(tài)仿真忽略了換流器本身的暫態(tài)過程，不能描述換相過程以及換相失敗、換流器內(nèi)部故障及控制系統(tǒng)對換流過程的影響，不能對直流線路故障及此后的控制行為進行描述［3］。因此，為結(jié)合兩種仿真思路的優(yōu)點、克服其不足，并充分利用兩種方法已有的研究成果，基于電磁暫態(tài)仿真和機電暫態(tài)仿真的混合仿真技術得到了快速發(fā)展，為研究大規(guī)模交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)提供了新途徑。

1 混合仿真技術

1.1 混合仿真技術的發(fā)展

由于混合仿真系統(tǒng)需要將不同建模方法得到的模型、不同類型的微分方程組進行求解，在各分網(wǎng)之間轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)類型并實現(xiàn)對兩側(cè)數(shù)據(jù)的組織、交互，接口技術成為混合仿真系統(tǒng)的關鍵。

德國西門子公司研發(fā)的NETMAC軟件［4］最早實現(xiàn)了對于網(wǎng)絡分塊分別進行電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)的建模，并在不同程序之間進行數(shù)據(jù)交互和轉(zhuǎn)換的功能［5］。Heffernan 及其團隊［6-8］首先將 HVDC 系統(tǒng)加入混合仿真系統(tǒng)，并將接口位置設置在換流母線處。為了減輕接口附近不對稱故障和波形畸變，Reeve等人［9］率先提出令接口位置更加深入交流系統(tǒng)，以增加電磁暫態(tài)仿真?zhèn)鹊挠嬎懔繛榇鷥r提升接口數(shù)據(jù)質(zhì)量。張怡和Lin等學者［10-11］則采用改進等效建模方法的思路，通過基于頻率相關網(wǎng)絡等值和寬頻多端口等值方法來減輕不對稱故障和波形畸變的影響。在接口數(shù)據(jù)的組織和交互規(guī)則上，學者們先后提出串行交互時序、并行交互時序、串并行交互時序、伴隨時序等思路［9，12-13］。

1.2 SMRT仿真平臺

電磁暫態(tài)－機電暫態(tài)混合實時仿真平臺SMRT基于實時數(shù)字仿真(real-time digital simulation)和數(shù)字計算機接口的仿真方法，該技術依靠RTDS執(zhí)行電磁暫態(tài)側(cè)仿真，主要包括HVDC、大容量FACTS設備等，通過和自主研發(fā)的超實時機電暫態(tài)仿真程序的接口實現(xiàn)對大規(guī)模交直流電網(wǎng)的混合實時仿真［1］。

SMRT的計算核心硬件主要由RTDS、數(shù)字計算機、通訊接口3個部分組成。其中，RTDS和數(shù)字計算機兩側(cè)實時同步仿真，在固定的時刻交換模型參數(shù)、電氣接口量。圖1為SMRT混合實時仿真平臺。

圖1 SMRT混合實時仿真平臺Fig.1 SMRT hybrid real-time simulation platform

SMRT系統(tǒng)的接口設置在高壓直流系統(tǒng)的換流變壓器母線處，系統(tǒng)被分為若干電磁暫態(tài)子網(wǎng)以及外部機電暫態(tài)子網(wǎng)。在電磁暫態(tài)側(cè)仿真時，機電暫態(tài)側(cè)子網(wǎng)將接口三序電壓幅值和相角等相域變量轉(zhuǎn)化為瞬時量，并和機電暫態(tài)側(cè)子網(wǎng)的戴維南、諾頓等值參數(shù)共同作為接口量發(fā)送至電磁暫態(tài)側(cè)進行仿真;在機電暫態(tài)側(cè)仿真時，電磁暫態(tài)側(cè)將以三序基波功率作為接口量。圖2為SMRT跨平臺接口混合實時仿真案構(gòu)。

圖2 SMRT跨平臺接口混合實時仿真架構(gòu)Fig.2 SMRT hybrid real-time simulation framework of SMRT combining diverse platforms

文獻［1］中對混合仿真中的機電側(cè)穩(wěn)態(tài)潮流數(shù)據(jù)的初始化問題、接口穩(wěn)定性和連續(xù)長時間仿真、接口不當引起的諧波問題、交互固有誤差以及三相不對稱工況下的接口問題進行了討論。SMRT系統(tǒng)通過并行交互過程中的預估校正機制，減小了接口誤差，能夠保證嚴格的超實時仿真要求，并且采用三序電流分立注入法提高了對不對稱故障的適應性。目前，SMRT系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)電磁－機電混合實時仿真系統(tǒng)的快速平穩(wěn)啟動和長時間可靠運行，基于圖2所示的跨平臺接口混合實時仿真架構(gòu)，可以通過接口實現(xiàn)與高壓直流的現(xiàn)場控制保護裝置等物理設備、模塊化設備元件仿真模塊的數(shù)據(jù)交互，由圖形化界面、仿真結(jié)果分析等高級應用為研究人員提供更為直觀、便捷的服務，對各種人機交互界面設置各種故障情況下的交直流輸電系統(tǒng)進行仿真。同時，該系統(tǒng)可以接收和響應二次設備的動作指令，并在南方電網(wǎng)系統(tǒng)中經(jīng)過了全面的測試和應用。

2 SMRT應用模式及實踐

2.1 SMRT應用模式

SMRT混合實時仿真的應用領域主要分為以下三類:生產(chǎn)運行服務、課題研究以及調(diào)度員的教學和培訓。

SMRT平臺接入高壓直流的現(xiàn)場控制保護裝置后，可以以多種典型運行方式為基礎，開展交直流大電網(wǎng)機電暫態(tài)行為和穩(wěn)定特性的仿真分析與研究，包括功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等;基于典型運行方式的實際電網(wǎng)故障/事故快速復現(xiàn)、分析與反事故措施研究;電網(wǎng)典型運行方式下的交直流系統(tǒng)重大運行風險評估;系統(tǒng)穩(wěn)定特性分析與系統(tǒng)級控制研究與驗證。本文將重點介紹SMRT平臺在事故的復現(xiàn)分析、大電網(wǎng)年度運行方式計算與運行風險點的排查中的應用。

2.1.1 事故復現(xiàn)與分析

SMRT電磁－機電混合實時仿真系統(tǒng)機電暫態(tài)程序采用南方電網(wǎng)2013豐大方式數(shù)據(jù)進行計算，電磁側(cè)采用5回直流系統(tǒng)進行模擬，其中實際興安直流控制保護裝置和云廣直流控制保護裝置通過接口接入SMRT平臺，其余3回直流控制保護系統(tǒng)采用RTDS軟件模擬。機電暫態(tài)仿真子網(wǎng)概覽見表1。

2012年8月11日16時7分，南方電網(wǎng)500 kV增穗乙線C相發(fā)生短路接地故障，故障持續(xù)70 ms，保護動作跳開線路，1 s后重合閘成功。SMRT平臺對該“南方電網(wǎng)811事故”進行復現(xiàn)。

在SMRT平臺中，可以通過機電暫態(tài)側(cè)的仿真結(jié)果比較和分析故障中特征電氣量以及發(fā)電機組振蕩模式等。

表1 南方電網(wǎng)2013年豐大方式仿真系統(tǒng)機電暫態(tài)子網(wǎng)概覽Table 1 Overview of CSG electromechanical subnetwork of simulation system in 2013

針對故障特點，從SMRT仿真平臺中有針對性的獲得故障發(fā)生及恢復期間故障線路首末兩端母線電壓量與PMU錄波進行對比。可以看出，在運用典型運行方式通過SMRT復現(xiàn)故障時，電壓的跌落幅值、故障后的恢復速度等關鍵性指標等均與PMU實際錄波結(jié)果相同。需要說明的是，仿真結(jié)果與實際錄波結(jié)果在穩(wěn)態(tài)時存在一定差異是由于并未刻意調(diào)整穩(wěn)態(tài)運行點造成的，即使需要對運行點進行調(diào)整來保證穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果的一致，混合仿真的潮流調(diào)整相對電磁暫態(tài)仿真也更加便捷。圖3為故障點C、A電壓。

圖3 故障點C、A電壓Fig.3 Voltage of fault point C and A

以事故PMU錄波為參考，對主網(wǎng)重要聯(lián)絡線梧羅1線線路有功功率(見圖4)和SJ1發(fā)電機組輸出有功功率(見圖5)進行prony分析，得到其低頻振蕩的主要模式如表2、表3。從兩波形的振蕩模式分析結(jié)果可以看出，SMRT仿真結(jié)果能夠較準確地模擬交流系統(tǒng)暫態(tài)特性，如系統(tǒng)振蕩模式的頻率、前兩擺幅值等。

圖4 梧羅1線線路有功功率Fig.4 Active power of line Wuluo 1

圖5 SJ1發(fā)電機輸出有功功率Fig.5 Active power of generator SJ1

表2 梧羅1線線路有功功率振蕩模式分析結(jié)果Table 2 Oscillation mode analysis of active power of line Wuluo 1

表3 SJ1發(fā)電機輸出有功功率振蕩模式分析結(jié)果Table 3 Oscillation mode analysis of active power of generator SJ1

在SMRT仿真平臺中，同樣可以利用電磁暫態(tài)仿真?zhèn)鹊姆抡娼Y(jié)果對高壓直流線路電壓、電流及換流器中換流閥電流進行分析和比較。圖6為楚穗直接換流閥組閥電流，圖7為該線路電壓、電流。

圖6 楚穗直流換流閥組Y橋低壓側(cè)A、C相閥電流Fig.6 A，C valve phase current of Y converter bridge in Chuisui DC converter valve group at low pressure side

圖7 楚穗直流線路電壓、電流Fig.7 Voltage and current of Chusui DC line

從現(xiàn)場錄波與SMRT的仿真結(jié)果對比可以看出，閥電流的通斷規(guī)律基本能反映在故障期間直流換相失敗特征和故障消除后的直流功率恢復過程。SMRT的電磁暫態(tài)側(cè)仿真結(jié)果與實際TFR錄波結(jié)果的變化過程相似，其中的關鍵參數(shù)如換相失敗持續(xù)時間，電壓、電流等電氣量的恢復時間吻合，實現(xiàn)對交直流網(wǎng)絡中直流線路部分的精確描述，較準確地反映故障特征和多回直流換相失敗的情況。

上述仿真結(jié)果及在南方電網(wǎng)大量實踐表明，SMRT混合仿真平臺對于交直流系統(tǒng)故障特征和動態(tài)、暫態(tài)特性的描述能力能夠滿足實際的生產(chǎn)需要，有力支持了對交直流并聯(lián)電網(wǎng)運行行為特性分析、事故反演與反應措施制定、直流多落點系統(tǒng)穩(wěn)定性與協(xié)調(diào)控制策略制定等課題的研究。

2.1.2 運行風險點評估

采用SMRT仿真平臺，可以對系統(tǒng)不同故障類型的運行風險點進行穩(wěn)定性評估。本文分別對云南送出大功率直流閉鎖導致穩(wěn)控動作、雙回直流同時閉鎖導致穩(wěn)控動作以及故障后開關拒動等3類風險點進行仿真，并與全RTDS電磁暫態(tài)仿真分析結(jié)論進行對比。表4為3類風險點故障的直流系統(tǒng)運行工況。

表4 3類風險點故障的直流系統(tǒng)運行工況Table 4 Operating conditions of DC system in three types of faults

以牛從直流四極閉鎖故障為例。在SMRT實時仿真系統(tǒng)上模擬牛從直流線路整流側(cè)發(fā)生接地故障。故障后，牛從直流四極閉鎖。按照穩(wěn)定控制策略切除了溪洛渡電廠7臺機出力4 900 MW，同時切除廣東負荷900 MW，以考察該方式單一直流閉鎖的大擾動故障下系統(tǒng)運行穩(wěn)定特性。

表5 故障時序模擬Table 5 Simulation sequence of fault

在牛從整流側(cè)直流線路發(fā)生接地故障后，牛從直流控制保護動作四極閉鎖，整流側(cè)交流電壓、逆變側(cè)交流電壓、各極直流電壓、電流、功率如圖8所示。其中，牛從直流閉鎖后，直流送端、受端換流母線電壓運行平穩(wěn)。其余直流線路功率短時波動后恢復平穩(wěn)，如圖9所示。

圖8 牛從直流整流側(cè)交流電壓、逆變側(cè)交流電壓、各極直流電壓、電流、功率Fig.8 Voltage，current and power of Niucong HVDC in rectifier and converter side

觀測故障及恢復過程，觀測500 kV永豐斷面永豐側(cè)母線電壓(見圖10)、永豐斷面功率(見圖11、12)、溪洛渡送出功率情況(見圖13)。

從交流系統(tǒng)的響應來看，故障后，500 kV牛從直流四極閉鎖。故障后300 ms按穩(wěn)控策略切除溪洛渡電廠7臺機出力4 900 MW，同時切除廣東負荷900 MW，系統(tǒng)短時擾動后恢復穩(wěn)定。該結(jié)論與全電磁RTDS仿真結(jié)果基本一致。

在3類故障案例中，除第3類故障中庫灣站案例分析結(jié)果與全電磁RTDS仿真結(jié)果不同外，其余案例均與全電磁RTDS仿真具有一致的穩(wěn)定性分析結(jié)論，根據(jù)南方電網(wǎng)分析鑒定，針對本案例的混合仿真結(jié)果更加符合電網(wǎng)實際情況。

以上仿真結(jié)果表明，SMRT混合實時仿真平臺針對調(diào)度運行的年度方式風險點重點排查仿真結(jié)論及關鍵物理過程與預期一致，可為復雜交直流混聯(lián)大電網(wǎng)調(diào)度運行提供有力的支持。

圖9 多回直流功率Fig.9 Active power of multi HVDC lines

圖10 永豐斷面永豐側(cè)母線電壓情況Fig.10 Bus voltage of Yongfeng section

圖11 永豐斷面有功功率Fig.11 Active power of Yongfeng section

圖12 永豐斷面無功功率Fig.12 Reactive power of Yongfeng section

圖13 溪洛渡500 kV送出功率曲線Fig.13 Power curve of Xiluodu 500 kV line

2.2 其他應用模式

通過對故障的復現(xiàn)與實際系統(tǒng)的結(jié)果對比，SMRT的仿真結(jié)果精度和有效性得到進一步驗證。對于以廣東電網(wǎng)為代表的多饋入、重負荷的受端網(wǎng)絡，STATCOM在換相失敗恢復過程中的作用，交直流系統(tǒng)之間、直流系統(tǒng)逆變站與受端網(wǎng)絡負荷，直流輸電線路在故障恢復過程中的交互作用以及負荷特性均對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性能發(fā)揮著重要影響。SMRT仿真平臺可以發(fā)揮其混合仿真優(yōu)勢，借助預測性的仿真，用于此類系統(tǒng)性能及控制策略課題的研究和電網(wǎng)動態(tài)補償電力電子裝置對電網(wǎng)多直流故障后換相失敗恢復的作用和影響的分析;同時，目前交直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運行和控制特性復雜，對于現(xiàn)場調(diào)度人員的操作要求進一步提高，因此可以借助混合仿真內(nèi)核開展特性培訓，將SMRT仿真平臺作為調(diào)度員的教學和培訓系統(tǒng)［14］。

經(jīng)過進一步的開發(fā)，SMRT仿真平臺有望與EMS、SCADA等能量管理系統(tǒng)相結(jié)合，獲取電網(wǎng)實時拓撲結(jié)構(gòu)、運行方式、保護配置定值等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在線系統(tǒng)級的保護整定與校驗。利用SMRT可以連續(xù)仿真并設置多次故障的特點，在保護整定故障集中進行連續(xù)的故障分析、整定計算和校驗，可以大大減小工作量和可能的操作失誤，排除系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)參數(shù)整定過程中經(jīng)驗、主觀因素的局限性，同時借助平臺優(yōu)秀的人機交互性能，充分發(fā)揮保護整定設計人員的經(jīng)驗優(yōu)勢，大大提高工作效率。

3 結(jié)語

在現(xiàn)代交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，以SMRT為代表的混合仿真系統(tǒng)因其仿真規(guī)模、建模細度、仿真精度和易用性方面優(yōu)勢逐漸凸顯而得到了快速發(fā)展，其應用潛力也在得到不斷地挖掘，有效拓展了傳統(tǒng)機電和電磁暫態(tài)仿真的應用領域。

SMRT系統(tǒng)是開放性好、通用性強的并行交互混合實時仿真系統(tǒng)，目前，已經(jīng)被用于交直流大電網(wǎng)機電暫態(tài)行為和穩(wěn)定特性的仿真分析與研究、基于典型運行方式的實際電網(wǎng)故障/事故快速復現(xiàn)、交直流系統(tǒng)重大運行風險評估等生產(chǎn)運行服務、課題研究以及調(diào)度員的教學和培訓。從以上仿真案例可以看出，SMRT仿真結(jié)果足夠準確、可信，已滿足工程使用需要。經(jīng)過未來進一步的改進和開發(fā)，SMRT將對交流系統(tǒng)三相不對稱故障和工況的仿真具有更好的適應性，優(yōu)化大電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)潮流解算方法以提高其對不同方式、不同模型數(shù)據(jù)的適應性和收斂性，并進一步將其應用領域擴展到系統(tǒng)級保護整定與校驗、多直流饋入中心負荷區(qū)域暫態(tài)電壓穩(wěn)定特性分析與控制策略等領域。

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