崔勇，馮煜堯，申屠剛，楊增輝，李建華，郭強(qiáng)

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2.國(guó)家電網(wǎng)華東分部，上海 200120）

基于RTDS的兩類直流全過(guò)程詳細(xì)仿真模型建模

崔勇1，馮煜堯1，申屠剛2，楊增輝1，李建華2，郭強(qiáng)1

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437；2.國(guó)家電網(wǎng)華東分部，上海 200120）

基于RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，結(jié)合ABB和西門(mén)子2種類型直流控制保護(hù)程序特點(diǎn)，采用RTDS元件庫(kù)組裝以及CBuilder自定義建模相結(jié)合的方法，全面考慮與直流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)相關(guān)的主要功能模塊，建立了可模擬直流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程詳細(xì)仿真模型，并通過(guò)與實(shí)際控保裝置穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程以及故障暫態(tài)過(guò)程下的比對(duì)校核，驗(yàn)證了直流全過(guò)程仿真模型的正確性。

RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)；直流輸電；全過(guò)程仿真模型；自定義建模

大規(guī)模直流密集接入，交直流交互影響問(wèn)題突出，直流系統(tǒng)無(wú)功電壓控制復(fù)雜等因素，對(duì)華東電網(wǎng)、南方電網(wǎng)等的規(guī)劃和運(yùn)行造成了重大影響，為確保交直流混聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，迫切需要建立直流輸電系統(tǒng)詳細(xì)模型，準(zhǔn)確模擬直流輸電的實(shí)際物理特性以及交直流系統(tǒng)之間的相互影響過(guò)程。

目前，對(duì)于直流模型建模和仿真研究，部分研究機(jī)構(gòu)采用機(jī)電暫態(tài)建模和仿真方法，其仿真方法具有一定的局限性，其仿真模型與實(shí)際偏差存在一定差異[1-2]。部分研究機(jī)構(gòu)采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真方法，并接入了直流控制保護(hù)裝置，能準(zhǔn)確模擬直流運(yùn)行特性，在電網(wǎng)運(yùn)行中取得了實(shí)質(zhì)效果，但當(dāng)直流輸電工程較多時(shí)，投資成本較大[3-4]，因此國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展了直流電磁暫態(tài)仿真模型建模工作。目前研究中采用的直流電磁暫態(tài)模型主要考慮與直流暫態(tài)響應(yīng)相關(guān)的控制功能模塊，對(duì)直流穩(wěn)態(tài)響應(yīng)相關(guān)的功能模塊，比如無(wú)功功率控制、分接頭控制等模塊，并沒(méi)有進(jìn)行考慮，因此無(wú)法研究直流在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中的有功功率和無(wú)功功率運(yùn)行特性[5-7]，直流電磁暫態(tài)模型均為通用模型，控制邏輯和參數(shù)也基本一致，未針對(duì)具體的直流工程所采用的不同技術(shù)類型控制保護(hù)邏輯，建立與之相一致的模型，仿真精度和準(zhǔn)確性得不到保證[8-9]，所以有必要針對(duì)實(shí)際直流工程，參照其實(shí)際直流控制保護(hù)程序，結(jié)合ABB和西門(mén)子2種類型控保的特點(diǎn)，搭建能準(zhǔn)確模擬直流暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程詳細(xì)電磁暫態(tài)仿真模型，具有一定的可行性和實(shí)用性。

本文基于RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，以實(shí)際電網(wǎng)中采用ABB類型控保的±500 kV宜華超高壓直流工程和采用西門(mén)子類型控保的±800 kV賓金特高壓直流工程作為建模對(duì)象，參考實(shí)際直流工程一次系統(tǒng)參數(shù)和控制保護(hù)程序，結(jié)合ABB和西門(mén)子2種類型的直流控制保護(hù)系統(tǒng)的不同特點(diǎn)，提出采用RTDS元件庫(kù)組裝以及CBuilder自定義建模相結(jié)合的方法，建立可模擬直流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程詳細(xì)仿真模型。通過(guò)與實(shí)際控保穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程以及故障暫態(tài)過(guò)程下的比對(duì)校核，驗(yàn)證直流全過(guò)程仿真模型的正確性。

1 建模總體思路

根據(jù)建模需求，提出RTDS直流全過(guò)程詳細(xì)模型建?？傮w思路如圖1所示。

圖1 RTDS直流全過(guò)程詳細(xì)模型建模總體思路Fig.1 General idea of the RTDS-based modeling for full-process simulation of HVDC

首先開(kāi)展資料搜集工作，全面收集直流工程技術(shù)資料，包括直流的一次系統(tǒng)模型和參數(shù)，以及直流控制保護(hù)程序，為后續(xù)直流建模工作提供準(zhǔn)確依據(jù)和有力參考。然后根據(jù)直流工程一次設(shè)備參數(shù)，搭建一次系統(tǒng)RTDS模型，包括±500 kV超高壓直流和±800 kV特高壓直流2種。并根據(jù)直流控制保護(hù)程序，梳理了與交直流交互影響密切相關(guān)的控制保護(hù)功能模塊，包括ABB和西門(mén)子2種技術(shù)路線，針對(duì)ABB直流控制保護(hù)模型，采用RTDS控制元件庫(kù)中的模塊直接進(jìn)行搭建。針對(duì)西門(mén)子直流控制保護(hù)模型，采用RTDS中CBuilder自定義建模技術(shù)進(jìn)行模型建模，再將直流一次系統(tǒng)模型和控制保護(hù)系統(tǒng)模型進(jìn)行拼接，從而建立直流輸電系統(tǒng)全過(guò)程詳細(xì)模型，最后對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行校核，將模型的仿真結(jié)果與實(shí)際控制保護(hù)裝置仿真結(jié)果或者實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)錄波曲線進(jìn)行對(duì)比，包括穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)以及交流系統(tǒng)故障等試驗(yàn)，確保仿真詳細(xì)模型與實(shí)際控制保護(hù)裝置的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)相一致。

2 基于RTDS的直流全過(guò)程詳細(xì)仿真模型建模

2.1 直流RTDS一次系統(tǒng)建模

參照±500 kV宜華直流和±800 kV賓金直流工程一次系統(tǒng)模型和參數(shù)，基于RTDS搭建了一次系統(tǒng)模型，包括換流變壓器、晶閘管換流器、平波電抗器、直流濾波器、交流濾波器、直流線路和接地極線路、開(kāi)關(guān)等所有一次設(shè)備以及兩側(cè)的等值交流系統(tǒng)。

2.2 直流RTDS控保仿真模型框架

根據(jù)研究需求和仿真規(guī)模，梳理了直流控制保護(hù)系統(tǒng)中重要的以及與交直流影響研究密切相關(guān)的功能模塊，在詳細(xì)考慮功率/電流控制、觸發(fā)角控制等功能模塊的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充完善了無(wú)功功率控制、分接頭控制等與直流穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)相關(guān)的功能模塊，使得所建立的直流全過(guò)程詳細(xì)仿真模型既能模擬直流在交流故障后的暫態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)也能模擬直流在功率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中的響應(yīng)特性，滿足交直流電網(wǎng)無(wú)功功率優(yōu)化控制研究等方面需求。直流全過(guò)程詳細(xì)仿真模型控制保護(hù)功能框圖如圖2所示。

圖2 直流全過(guò)程詳細(xì)仿真模型控制保護(hù)功能框圖Fig.2 Control and protection function diagram of the full-process simulation of HVDC

2.3 ABB類型直流控保模型建模

ABB與西門(mén)子的直流控制保護(hù)系統(tǒng)采取不同的技術(shù)路線，控制保護(hù)程序差別很大，因此針對(duì)其特點(diǎn)采用了不同的建模方法。ABB直流控制保護(hù)程序是基于Hidraw的圖形化工具，其邏輯元件功能比較直觀，一般可以在RTDS自帶的控制元件庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)的元件，建模時(shí)只需根據(jù)其控制保護(hù)邏輯在RTDS中對(duì)這些元件進(jìn)行組裝。

建立的宜華直流控制保護(hù)系統(tǒng)RTDS模型如圖3所示。該模型控制模塊包括：極功率和電流控制、換流器觸發(fā)控制（其中有低壓限流控制、閉環(huán)電流控制、電壓控制、AMAX控制、換相失敗預(yù)測(cè)控制、點(diǎn)火角限幅控制、Gamma0啟動(dòng)控制、RAML控制、過(guò)電壓控制以及點(diǎn)火控制）、電壓角度參考值計(jì)算、過(guò)負(fù)荷限制、無(wú)功功率控制（包括UMAX/QMAX控制、QControl/U-Control、無(wú)功控制優(yōu)先級(jí)）、分接頭控制（包括Udi0控制、Alpha/Gamma控制、Ud控制以及控制方式的配合）等；保護(hù)模塊包括換相失敗保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、直流低壓保護(hù)等。

2.4 西門(mén)子類型直流控保模型建模

西門(mén)子直流控制保護(hù)程序是基于STRUC G的圖形化工具，其元件均為封裝模塊，邏輯功能不太直觀，并且這些元件與RTDS控制元件庫(kù)中自帶的元件無(wú)法一一對(duì)應(yīng)，因此需要先基于RTDS的CBuilder自定義建模方法，對(duì)這些元件進(jìn)行自定義建模，然后再根據(jù)其控制保護(hù)邏輯進(jìn)行組裝。

圖3 宜華直流控制保護(hù)系統(tǒng)RTDS模型Fig.3 RTDS model of Yihua HVDC control and protection system

RTDS提供了一個(gè)高效的用戶自定義建模功能—Component Builder，在CBuilder下，用戶可通過(guò)編制相應(yīng)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)某些功能?；赗TDS中CBuilder自定義建模環(huán)境，建立了自定義元件庫(kù)，包含了西門(mén)子直流控制保護(hù)建模所需的元件如圖4所示。

圖4 西門(mén)子直流控制保護(hù)模型自定義元件庫(kù)Fig.4 User-defined components library of SIEMENS HVDC control and protection system

建立的賓金直流控制保護(hù)系統(tǒng)RTDS模型如圖5所示。該模型包含如下模塊和功能：參數(shù)設(shè)置、功率/電流控制、觸發(fā)角控制、點(diǎn)火控制、分接頭控制（包括Udi0控制、Alpha/Gamma控制、Ud控制以及控制方式的配合）、無(wú)功功率控制（包括UMAX/QMAX控制、Q-Control/U-Control、無(wú)功控制優(yōu)先級(jí)）、直流保護(hù)（包含諧波保護(hù)、換相失敗保護(hù)、交流過(guò)電壓保護(hù)和交流欠壓檢測(cè)）、解鎖/閉鎖控制、開(kāi)關(guān)控制等模塊。

3 RTDS直流全過(guò)程仿真模型校核

宜華直流RTDS全過(guò)程仿真模型為例，通過(guò)比較穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程和故障暫態(tài)過(guò)程下，RTDS直流全過(guò)程仿真模型與實(shí)際控保錄波曲線的差異，評(píng)估RTDS直流全過(guò)程仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖5 賓金直流控制保護(hù)系統(tǒng)RTDS模型Fig.5 RTDS model of Binjin HVDC control and protection system

3.1 穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程比對(duì)

通過(guò)改變直流功率指令值，將直流功率由3000MW回降至2 000 MW，功率變化過(guò)程中，RTDS仿真模型與實(shí)際控保逆變側(cè)各變量的波形比較如圖6所示，圖6（a）為實(shí)際控保錄波，圖6（b）為RTDS全過(guò)程仿真模型錄波。

RTDS全過(guò)程仿真模型在直流功率從3 000 MW回降到2 000 MW時(shí)過(guò)程中，直流電流按照步進(jìn)邏輯逐步從3 000 A下降到2 000 A，換流變分接頭不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制觸發(fā)角度在15°左右，交流濾波器組也逐級(jí)切除，使得交直流系統(tǒng)交換無(wú)功在合理范圍內(nèi)。在直流功率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，RTDS直流全過(guò)程仿真模型與實(shí)際控保的直流電壓、直流電流、觸發(fā)角、熄弧角、直流有功功率、交直流交換無(wú)功功率等變量的錄波曲線保持一致。

圖6 穩(wěn)態(tài)功率調(diào)節(jié)過(guò)程中RTDS仿真模型與實(shí)際控保逆變側(cè)各變量波形比對(duì)Fig.6 Comparisons of the RTD-based simulation model with wave-forms of variables at the inverter side of the actual control and protection system in the steady state power regulation process

3.2 故障暫態(tài)過(guò)程比對(duì)

在逆變側(cè)交流系統(tǒng)設(shè)置三相金屬性短路接地故障，持續(xù)時(shí)間為100 ms。RTDS直流全過(guò)程仿真模型與實(shí)際控保在交流系統(tǒng)故障后逆變側(cè)響應(yīng)曲線比較如圖7所示，圖7（a）為實(shí)際控保錄波，圖7（b）為RTDS全過(guò)程仿真模型錄波。

RTDS全過(guò)程仿真模型在逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相短路后，由于換相電壓降低，使得逆變側(cè)直流電壓降低，從而使得直流電流升高，換相角加大，導(dǎo)致熄弧角變小，當(dāng)熄弧角小于7°～9°時(shí)，逆變器發(fā)生了換相失敗，整流側(cè)控制系統(tǒng)增大觸發(fā)角以抑制過(guò)大的短路電流，直流電流下降至零并一直保持零值，直到故障后才重新恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值。RTDS直流全過(guò)程仿真模型與實(shí)際控保在逆變側(cè)三相短路（持續(xù)時(shí)間100 ms）后的直流電壓、直流電流、熄弧角、直流有功功率、交直流交換無(wú)功功率等變量的錄波曲線基本一致[10]。

上述校核結(jié)果表明，RTDS直流全過(guò)程仿真模型與實(shí)際控保裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及故障后暫態(tài)響應(yīng)曲線保持一致，驗(yàn)證了直流全過(guò)程仿真模型的正確性。

圖7 逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障后RTDS仿真模型與實(shí)際控保逆變側(cè)各變量波形比對(duì)Fig.7 Comparisons of the RTD-based simulation model with wave-forms of variables on the inverter of the actual control and protection system when a fault occurs to the AC system at the inverter side

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于RTDS實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，參考實(shí)際直流工程一次系統(tǒng)參數(shù)和控制保護(hù)程序，針對(duì)ABB和西門(mén)子2種類型的直流控制保護(hù)系統(tǒng)，采用了RTDS元件庫(kù)組裝以及CBuilder自定義建模相結(jié)合的方法，考慮了與直流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)相關(guān)的功能模塊，建立了可準(zhǔn)確模擬直流穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程詳細(xì)仿真模型，并通過(guò)與實(shí)際控保錄波曲線進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。該模型為研究直流輸電控制保護(hù)策略和運(yùn)行特性，以及交直流之間交互影響機(jī)理奠定了基礎(chǔ)，提高了交直流電網(wǎng)仿真準(zhǔn)確性和精度，也為國(guó)內(nèi)外其他電網(wǎng)，開(kāi)展ABB類型或者西門(mén)子類型的超高壓直流和特高壓直流仿真模型建模工作提供了指導(dǎo)和參考，具有一定的可行性和實(shí)用性。

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（編輯 張曉娟）

RTDS-Based Modeling for Full-Process Simulation of Two Types of HVDC

CUI Yong1，F(xiàn)ENG Yuyao1，SHEN Tugang2，YANG Zenghui1，LI Jianhua2，GUO Qiang1
（1.State Grid Shanghai Electric Power Research Institute，Shanghai 200437，China；2.China East Branch of State Grid Corporation of China，Shanghai 200120，China）

The characteristics of DC system control and protection programs are analyzed for ABB and Siemens HVDC systems.The detailed model for full-process simulation of steady-state and transient response of HVDC system is established through combining RTDS component library and userdefined modeling by CBuilder.Simulation of the steady-state and transient response of HVDC system is performed based on the model.The accuracy of the model is verified through comparison of the simulation results and the practical response of HVDC control and protection cabinet.

real time digital simulation system（RTDS）；HVDC power transmission；full-process simulation；userdefined modeling

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（52094016000X）：直流控制保護(hù)與受端電網(wǎng)配合性能提升技術(shù)研究。

Project Supported by the Science and Technology Program of the SGCC（52094016000X）：Performance Improvement of the DC Control and Protection System.

1674-3814（2016）10-0088-06

TM64

B

2016-06-13。

崔 勇（1985—），男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)仿真分析工作；

馮煜堯（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制工作；

申屠剛（1985—），男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度與運(yùn)行控制工作。