穆 清，張 星, 孫麗香

(中國電力科學(xué)研究院, 北京 100019)

復(fù)雜直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)和ADPSS融合仿真技術(shù)研究

穆 清，張 星, 孫麗香

(中國電力科學(xué)研究院, 北京 100019)

隨著直流輸電系統(tǒng)的規(guī)模、容量和對電網(wǎng)運行的影響與日劇增，直流輸電系統(tǒng)復(fù)雜的控制保護(hù)特性越來越受到運行分析的關(guān)注。對復(fù)雜直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)與ADPSS電磁暫態(tài)仿真平臺的融合仿真技術(shù)進(jìn)行研究，提出了靜態(tài)鏈接和動態(tài)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(hù)系統(tǒng)的融合接口設(shè)計；最后建立了復(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)與ADPSS融合仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分保留了直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)特性，為研究各種故障下的直流輸電的運行狀態(tài)提供了強大的技術(shù)支撐。

HVDC; 直流控制保護(hù)系統(tǒng); 融合仿真; 融合接口

0 引 言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，以直流輸電為代表的柔性電力系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的重要部分。它具備了功率的快速控制能力和遠(yuǎn)距離大容量輸電能力；同時，它的快速調(diào)節(jié)和控制的能力也對電力系統(tǒng)運行產(chǎn)生著重要的影響。

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

控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電的核心設(shè)備，其特性直接決定了直流輸電的運行特性?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)的準(zhǔn)確描述是對直流輸電動態(tài)特性仿真的前提[2]。

傳統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真工具采用了直流輸電的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，因此控制保護(hù)系統(tǒng)的模擬也采用了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的簡化模型[3]。

電磁暫態(tài)仿真可以采用很小的仿真步長實現(xiàn)小時間尺度的精細(xì)化仿真，對直流輸電的一次系統(tǒng)可以進(jìn)行準(zhǔn)確地模擬。但是由于控制保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和邏輯非常復(fù)雜，直接在電磁暫態(tài)仿真工具中進(jìn)行詳細(xì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)的建模工作非常復(fù)雜，還要相應(yīng)簡化，其效率低，準(zhǔn)確性也較難保證[4]。到目前為止，復(fù)雜直流控制保護(hù)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(hù)仿真模型，各種直流控制保護(hù)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)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(hù)系統(tǒng)的局部功能和邏輯，比如直流線路保護(hù)模型[5]和SYMADYN D的保護(hù)功能[6]，實現(xiàn)一定功能的混合仿真。

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

復(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)還可以采用進(jìn)程級融合與EMTDC進(jìn)行融合仿真[7]，但是進(jìn)程級融合仿真需要進(jìn)程間通訊，系統(tǒng)調(diào)度開銷大，仿真效率較低。

這里探索和比較了基于靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接的融合仿真技術(shù)，分析了兩種融合仿真技術(shù)的關(guān)鍵點，提出了基于兩種融合仿真技術(shù)的ADPSS與復(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)的融合仿真方法，保證了ADPSS融合仿真技術(shù)的靈活性。同時，還對融合仿真的同步機(jī)制和調(diào)度接口進(jìn)行研究和設(shè)計。最后，測試了融合仿真的準(zhǔn)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(xì)特性和事故反演等對準(zhǔn)確性要求較高的場合。

2 研究方案

2.1 基于靜態(tài)鏈接的融合仿真架構(gòu)

靜態(tài)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(tǒng)的功能函數(shù)的二進(jìn)制代碼文件都包含到可執(zhí)行文件中去。

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

鏈接器的基本工作原理如下：

首先，鏈接器根據(jù)目標(biāo)文件提供的信息，知道參加鏈接的目標(biāo)文件需要的外部函數(shù)和變量的信息。這些信息需要通過目標(biāo)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(biāo)文件，包括Lib文件都是由很多標(biāo)準(zhǔn)段組成的，鏈接器將把所有需要鏈接的目標(biāo)文件中的相似段放在可執(zhí)行文件的對應(yīng)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(guān)系。

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

因此，靜態(tài)鏈接的本質(zhì)就是通過鏈接器把所有的功能函數(shù)目標(biāo)文件合并到一起，并建立內(nèi)部的映射關(guān)系，組成一個大型的可執(zhí)行目標(biāo)程序。

圖1 靜態(tài)鏈接器的工作原理

傳統(tǒng)的復(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)的仿真技術(shù)采用靜態(tài)鏈接融合仿真技術(shù)，見圖2。

HVDC Controller1、 HVDC Controller2、HVDC controller3是3個復(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)。每一個直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部有系統(tǒng)的程序目標(biāo)文件(Objective File)，例如user1.obj、user2.obj、user3.obj等等。這些程序目標(biāo)文件含有了直流控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)容的所有功能信息，通過程序的函數(shù)來表示。同時，電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)提供了一個靜態(tài)庫ADPSS.lib文件，也通過程序中的函數(shù)來表示。這個靜態(tài)庫中包含了進(jìn)行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真所需要的所有功能模塊。

圖2 靜態(tài)鏈接的融合仿真

為了生成融合仿真的可執(zhí)行程序，電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)的ADPSS.lib和復(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)的所有目標(biāo)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(zhí)行文件emt_cal.exe中。

通過執(zhí)行emt_cal.exe的程序，實現(xiàn)復(fù)雜的直流控制保護(hù)系統(tǒng)和ADPSS電磁暫態(tài)仿真的融合仿真。

靜態(tài)鏈接的優(yōu)勢是：

1)代碼裝載速度快，執(zhí)行速度略比動態(tài)鏈接庫快；

2)生成的可執(zhí)行文件對原有的文件不再存在依賴關(guān)系，可移植性好。

靜態(tài)鏈接的缺點是：

1)生成的可執(zhí)行文件體積很大，包含了很多公共代碼，比較浪費；

2)靜態(tài)鏈接需要提供復(fù)雜控制保護(hù)系統(tǒng)的目標(biāo)文件，對融合仿真系統(tǒng)的開發(fā)性要求很高；

3)融合仿真系統(tǒng)的子系統(tǒng)更新困難。

2.2 基于動態(tài)鏈接的融合仿真架構(gòu)

動態(tài)鏈接技術(shù)是為了解決空間浪費和更新困難這兩個靜態(tài)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(tài)地鏈接在一起，把鏈接過程推遲到運行時再進(jìn)行。

以Linux的動態(tài)鏈接技術(shù)為例，動態(tài)鏈接機(jī)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(xiàn)了位置無關(guān)代碼(position independnet code,PIC)。

基本實現(xiàn)方法如下：

1)動態(tài)鏈接器ld.so程序把動態(tài)庫中的目標(biāo)文件的可加載段進(jìn)行整體地映射，然后返回一個虛擬映射地址用于庫內(nèi)函數(shù)的尋址；

2)修改動態(tài)庫中的哈希表、符號表、重定位表，并存入全局的庫映射結(jié)構(gòu)中，然后按照相似的方法對依賴庫進(jìn)行映射，完成全局偏移表的設(shè)置；

3)通過PLT表跳轉(zhuǎn)到調(diào)用函數(shù)的入口，并查找到庫內(nèi)對應(yīng)函數(shù)的偏移地址(sym->st)；根據(jù)入口地址(reloc_offset)和偏移地址(sym->st)返回動態(tài)鏈接庫函數(shù)的調(diào)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(fù)雜直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)和ADPSS的動態(tài)鏈接技術(shù)參考了動態(tài)鏈接機(jī)制，與靜態(tài)鏈接技術(shù)有較大的不同，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

ADPSS電力系統(tǒng)仿真主程序(emt_cal.exe)保留了很多程序占位函數(shù)如ptr1()、ptr2()、ptr3()等。在仿真系統(tǒng)沒有真正使用到復(fù)雜控制保護(hù)系統(tǒng)模型時，占位函數(shù)沒有被執(zhí)行。即使用戶沒有控制保護(hù)程序的動態(tài)庫，仿真也能順利進(jìn)行。如果用戶的算例里使用了復(fù)雜直流控制保護(hù)模型功能，ADPSS仿真程序就會運行相應(yīng)的占位函數(shù)。占位函數(shù)就可以通過動態(tài)鏈接，尋找調(diào)用功能函數(shù)的地址(ptr1、ptr2、ptr3…)，把控制保護(hù)的相應(yīng)功能函數(shù)PCP()、CCP()直接加載到內(nèi)存中，進(jìn)行融合仿真運算。

圖4 直流控制保護(hù)系統(tǒng)動態(tài)鏈接機(jī)制

動態(tài)鏈接的優(yōu)勢是：

1)庫靈活性好，針對不同的用戶可以開發(fā)不同功能和復(fù)雜度的軟件；

2)動態(tài)延時加載，節(jié)省了大量的內(nèi)存空間，并可以在不影響主任務(wù)功能的情況下，動態(tài)地加載和關(guān)閉動態(tài)鏈接。

動態(tài)鏈接的缺點是：

1)加載速度稍慢，執(zhí)行速度也稍慢于靜態(tài)鏈接；

2)本機(jī)需要保存動態(tài)鏈接庫文件，程序運行有一定依賴性。

所設(shè)計的融合仿真系統(tǒng)將以動態(tài)鏈接技術(shù)為主。

2.3 控制保護(hù)系統(tǒng)融合仿真同步接口

為ADPSS仿真平臺模擬真實的電力系統(tǒng)物理環(huán)境與外部設(shè)備連接，ADPSS設(shè)計融合仿真同步接口，提供復(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)和ADPSS電力系統(tǒng)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(diào)度執(zhí)行接口。

2.3.1 同步時鐘接口

由于實際直流控制保護(hù)模型需要運行在實時方式下，所有的邏輯和延時環(huán)節(jié)都涉及到物理時間；而ADPSS電磁暫態(tài)仿真平臺本身是一個模擬仿真計算程序，它是以仿真環(huán)境中的相對時間為時標(biāo)的。如果需要使實際直流控制保護(hù)模型的執(zhí)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(chǎn)生實時化效果。

但是控制保護(hù)系統(tǒng)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(tǒng)根據(jù)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(hù)系統(tǒng)中做為時鐘輸入。同時，在HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部，根據(jù)電力系統(tǒng)的仿真步長設(shè)置好外部晶振的頻率，調(diào)整出和ADPSS電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)完全同步的時鐘。

圖5 時鐘接口

2.3.2 信號接口

復(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)與ADPSS電力系統(tǒng)仿真平臺在統(tǒng)一了時標(biāo)以后，就能相互傳遞信號，實現(xiàn)控制和響應(yīng)功能。直流控制保護(hù)裝置的控制功能比較復(fù)雜，需要的輸入、輸出信號也非常多。為了實現(xiàn)控制保護(hù)系統(tǒng)的完整動態(tài)特性同時又降低融合仿真接口設(shè)計的復(fù)雜性，融合仿真系統(tǒng)需要對復(fù)雜直流控制保護(hù)輸入、輸出信號進(jìn)行相應(yīng)的處理和簡化。

在經(jīng)過處理和簡化以后，直流控制保護(hù)模型和電磁暫態(tài)仿真程序提供的通道信號數(shù)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(fā)站間通訊、收站間通訊、發(fā)極間通訊、收極間通訊、TFR通道和斷路器狀態(tài)信號等10大類。表1是主要信號的分類以及相關(guān)的數(shù)量。

表1 直流控制保護(hù)裝置的主要信號的分類以及相關(guān)的數(shù)量

2.3.3 同步調(diào)度執(zhí)行接口

詳細(xì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)是分層結(jié)構(gòu)的，內(nèi)部每一個功能函數(shù)的執(zhí)行周期并不相同，如果只是建立相應(yīng)的功能函數(shù)，而沒有考慮分層功能，就不能準(zhǔn)確模擬直流控制保護(hù)的行為。

根據(jù)實際直流控制保護(hù)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)，提出在ADPSS平臺中模擬分層執(zhí)行的解決方案。直流控制保護(hù)的執(zhí)行分為6個不同層次，每一層次有自己獨立的執(zhí)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(tǒng)一由ADPSS的一個調(diào)度執(zhí)行接口發(fā)出。

OPN(1)的信號每1個周期發(fā)出，OPN(2)的信號每2個周期發(fā)出，OPN(3)的信號每6個周期發(fā)出，OPN(4)的信號每12個周期發(fā)出，OPN(5)的信號每24個周期發(fā)出，OPN(6)的信號每48個周期發(fā)出。相應(yīng)層次的功能函數(shù)，在相應(yīng)OPN使能信號發(fā)出以后執(zhí)行。如此以后，實際工程的分層執(zhí)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(zhí)行時間，保證了詳細(xì)控制保護(hù)模型的執(zhí)行速度。

3 系統(tǒng)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(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)和ADPSS電力系統(tǒng)仿真平臺的融合仿真系統(tǒng)。通過比較實際故障錄波和仿真平臺的仿真結(jié)果，測試其有效性和準(zhǔn)確性。

3. 1 測試系統(tǒng)

基于ADPSS建立的龍政直流輸電系統(tǒng)仿真模型示意圖見圖6。

圖6 龍政直流輸電系統(tǒng)數(shù)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(wǎng)、整流側(cè)換流站、直流線路、逆變側(cè)換流站。

換流站兩端交流電網(wǎng)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(wǎng)。

換流站一次系統(tǒng)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(fù)雜直流控制保護(hù)系統(tǒng)包括換流站基本控制功能，如換流站觸發(fā)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(hù)系統(tǒng)模型，系統(tǒng)對不影響直流輸電系統(tǒng)電磁暫態(tài)特性的控制保護(hù)功能進(jìn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)、一次設(shè)備參數(shù)上完全相同，而復(fù)雜直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)與實際現(xiàn)場的控制保護(hù)系統(tǒng)功能基本一致。

3.2 現(xiàn)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(hù)動作，全壓啟動不成功。之后，欠壓、縱差保護(hù)動作，全壓啟動成功，故障點距龍泉站670.3 km。

事件發(fā)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(fù)荷，直流控制保護(hù)動作正確。

3.3 融合仿真有效性測試

將仿真結(jié)果與錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓、Y/Y換流變壓器閥側(cè)三相電流、Y/D換流變壓器閥側(cè)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(fā)角的對比結(jié)果如圖7至圖11所示。

圖7 極Ⅱ換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓波形對比

1) 整流站交流母線電壓和換流變閥側(cè)電流

圖7中，整流站交流母線電壓的仿真結(jié)果與實際故障錄波相比趨勢相同，數(shù)值偏差較小。故障發(fā)生前后，交流電壓保持穩(wěn)定。

圖8 整流側(cè)極ⅡY/Y換流變壓器閥側(cè)電流波形對比圖

圖9 整流側(cè)極ⅡY/D換流變壓器閥側(cè)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(cè)電流的ADPSS仿真結(jié)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(shù)值偏差不大。

2) 直流線路電壓、電流波形和觸發(fā)角波形

結(jié)合圖10、圖11分析可知，直流線路電壓、電流以及觸發(fā)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(shù)值偏差較小。

圖11 整流站觸發(fā)角指令

3.4 仿真速度測試

比較融合仿真系統(tǒng)(復(fù)雜直流控制保護(hù)和ADPSS平臺)和非融合仿真方法(在ADPSS仿真平臺中搭建詳細(xì)的控制保護(hù)邏輯)的仿真速度，融合仿真平臺運行在Intel Xeon 機(jī)架式服務(wù)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(jié)果如表2所示。

表2 仿真速度測試

4 結(jié) 論

1)研究了復(fù)雜直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)與ADPSS電力系統(tǒng)的融合仿真技術(shù)，包括基于靜態(tài)鏈接的融合仿真和動態(tài)鏈接的融合仿真。

靜態(tài)鏈接的融合仿真是傳統(tǒng)的融合方法，其加載速度快，但是靈活性差，資源占用大。動態(tài)鏈接的融合仿真系統(tǒng)采用延遲加載，動態(tài)調(diào)用的方法，模塊

獨立性強，靈活度高，適宜于實現(xiàn)復(fù)雜直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)和ADPSS融合仿真。

2)研究了復(fù)雜直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)與ADPSS融合仿真的同步機(jī)制。融合系統(tǒng)需要同步相對時鐘，同步輸入輸出信號，特殊的同步調(diào)度執(zhí)行。

3)復(fù)雜直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)與ADPSS融合仿真在仿真準(zhǔn)確性與實際現(xiàn)場工程基本吻合，仿真速度優(yōu)于詳細(xì)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(tǒng)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(tǒng)仿真和電力電子仿真。