柏傳軍, 葉 周, 程璐璐, 肖建民

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102)

0 引言

中國(guó)電網(wǎng)已進(jìn)入大區(qū)互聯(lián)、特高壓交直流混合輸電時(shí)期,高壓/特高壓直流輸電容量所占能源基地及負(fù)荷中心容量比重大,且多回直流落點(diǎn)電氣距離近,相互作用較強(qiáng)。準(zhǔn)確地仿真高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng),對(duì)于研究交直流電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性意義重大。

交直流大電網(wǎng)的仿真方法包括全機(jī)電暫態(tài)仿真、全電磁暫態(tài)仿真及機(jī)電電磁混合仿真[1-5]。全機(jī)電暫態(tài)仿真不能模擬高壓直流等大容量電力電子系統(tǒng)快速變化的電磁暫態(tài)過程,無法精確描述交直流系統(tǒng)間的相互作用,不能準(zhǔn)確反映復(fù)雜控制保護(hù)特性對(duì)事故發(fā)展和全系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,難以在所有情況下實(shí)現(xiàn)交直流大電網(wǎng)的準(zhǔn)確仿真[1]。全電磁暫態(tài)仿真和機(jī)電電磁混合仿真又分為實(shí)時(shí)仿真和非實(shí)時(shí)仿真。對(duì)于實(shí)時(shí)仿真,可通過接入簡(jiǎn)化的實(shí)際工程控制保護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的精確仿真,該方案是仿真直流輸電系統(tǒng)最為有效的方法,但物理的控制保護(hù)系統(tǒng)十分復(fù)雜,購(gòu)置成本、后期的使用及維護(hù)成本都較高,且硬件無法復(fù)制,多個(gè)項(xiàng)目組無法同時(shí)使用?，F(xiàn)有的電磁暫態(tài)仿真軟件,如PSCAD/EMTDC[5],ADPSS[5],Hypersim[6],EMTP-RV[7],雖然集成了直流輸電控制系統(tǒng)功能符號(hào)或算例,但與實(shí)際工程的控制保護(hù)系統(tǒng)相比仍有很大的差距,如缺少換流變壓器分接頭控制、無功控制、雙極功率控制、在線運(yùn)行控制、直流保護(hù)等重要功能,并且完全不具備國(guó)內(nèi)特高壓雙閥組串聯(lián)、分層接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的控制保護(hù)功能。因此,開發(fā)功能完備、特性準(zhǔn)確的直流控制保護(hù)模型就顯得非常必要。

文獻(xiàn)[8]以自定義方式建立了一套基于直流工程所用ABB型控制器的控制系統(tǒng)PSCAD/EMTDC模型,但其仍是在對(duì)控制器做了較大簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上構(gòu)建的模型,控制功能不完善且無保護(hù)功能。文獻(xiàn)[9]提出一種在PSCAD/EMTDC中等效實(shí)現(xiàn)直流控制保護(hù)工程軟件在工控機(jī)中的分時(shí)處理、中斷計(jì)算過程的方法,但其要在PSCAD/EMTDC開發(fā)一套與工程直流控制保護(hù)軟件對(duì)應(yīng)的基本功能符號(hào),再按照實(shí)際工程邏輯,在PSCAD/EMTDC軟件中利用基本功能符號(hào)重新搭建控制保護(hù)邏輯。該方法無法復(fù)用經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試驗(yàn)證的工程程序,開發(fā)工作量巨大且難以保證正確性。文獻(xiàn)[10-11]基于ABB的MACH2平臺(tái)及Hidraw圖形化開發(fā)工具,建立了包含詳細(xì)直流控制保護(hù)功能的PSCAD/EMTDC模型,其控制保護(hù)系統(tǒng)基于整體構(gòu)建,該方案可用于由少量控制保護(hù)裝置構(gòu)成的簡(jiǎn)單系統(tǒng),卻難以適應(yīng)如特高壓直流[12]、多換流器并聯(lián)直流[13]、雙回直流等結(jié)構(gòu)復(fù)雜且裝置數(shù)量多的控制保護(hù)系統(tǒng),也無法適應(yīng)集成多廠家裝置的控制保護(hù)系統(tǒng),同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)多核并行計(jì)算。

本文提出一種基于實(shí)際直流工程控制保護(hù)程序,遵照實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu),以虛擬裝置為核心,構(gòu)建功能完善、準(zhǔn)確性高、適用于多種電磁暫態(tài)仿真軟件,且適合于并行計(jì)算的控制保護(hù)仿真模型設(shè)計(jì)方法。將仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果、實(shí)際工程系統(tǒng)試驗(yàn)波形進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性,并實(shí)現(xiàn)了模型多CPU并行仿真,仿真速度可以達(dá)到實(shí)時(shí)。

1 控制保護(hù)仿真模型邏輯結(jié)構(gòu)及功能

1.1 仿真模型的邏輯結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有特高壓直流工程均為雙閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu),單個(gè)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 直流控制保護(hù)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 Logic structure of DC control and protection systems

特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)包括換流器控制保護(hù)、極控制保護(hù)、站控制3個(gè)層次。對(duì)于單閥組結(jié)構(gòu)的高壓直流工程,不設(shè)置換流器控制保護(hù)層,相應(yīng)功能合并在極控制保護(hù)層。同一層次內(nèi)按控制保護(hù)的一次設(shè)備對(duì)象不同劃分為不同區(qū)域,如極控制保護(hù)層分為極1控制保護(hù)和極2控制保護(hù)。

站控制層包括控制裝置,極控制保護(hù)層及換流器控制保護(hù)層則包括控制裝置和保護(hù)裝置。實(shí)際工程的控制保護(hù)系統(tǒng)為了保證可靠性,控制保護(hù)裝置設(shè)置A/B雙系統(tǒng)冗余,部分直流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3套保護(hù),并在保護(hù)出口設(shè)置了3取2措施。

同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的控制裝置和保護(hù)裝置之間、不同區(qū)域裝置間、不同層次裝置間、冗余系統(tǒng)A與B裝置間均有信號(hào)交換;運(yùn)行人員工作站(OWS)與各控制保護(hù)裝置間均有信號(hào)交換;控制保護(hù)裝置與圖中未畫出的輸入/輸出(I/O)設(shè)備也有大量的信號(hào)交換。這些信號(hào)交換通過局域網(wǎng)(LAN)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等通信通道完成。

由此可見,實(shí)際工程的控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以控制保護(hù)裝置為核心構(gòu)建,整個(gè)系統(tǒng)的控制保護(hù)功能按層級(jí)、區(qū)域合理地劃分到各個(gè)控制裝置或是保護(hù)裝置中,裝置內(nèi)功能高內(nèi)聚、裝置間低耦合,因此以實(shí)際裝置在仿真模型中的映射即“虛擬裝置”為核心,采用與實(shí)際工程一致的邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)建控制保護(hù)模型,是一種合理且有效的方法。以“虛擬裝置”為核心,適用于多廠家裝置構(gòu)成的控制保護(hù)系統(tǒng),并且便于控制保護(hù)模型的擴(kuò)展,如一次系統(tǒng)擴(kuò)建為雙換流器并聯(lián)、擴(kuò)建為多端、增加多回協(xié)控[14]時(shí),控制保護(hù)模型增加相應(yīng)的虛擬裝置及與現(xiàn)有虛擬裝置的接口即可。

本文的控制保護(hù)仿真模型采用與工程控制保護(hù)系統(tǒng)完全一致的邏輯結(jié)構(gòu),但不考慮實(shí)際物理控制保護(hù)系統(tǒng)的各種容錯(cuò)設(shè)計(jì),所有控制保護(hù)層均為單系統(tǒng)即單套虛擬裝置;各通信環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化為信號(hào)的直連,或者經(jīng)過具備模擬延時(shí)和故障特征的通道模擬環(huán)節(jié)進(jìn)行連接;控制保護(hù)系統(tǒng)與一次系統(tǒng)間的輸入/輸出設(shè)備簡(jiǎn)化為直接連接。

利用該邏輯結(jié)構(gòu)在支持多核并行計(jì)算的仿真軟件如Hypersim和ADPSS中建立直流控制保護(hù)模型,以層、區(qū)域作為邊界,將虛擬裝置分配到多個(gè)CPU核心中進(jìn)行并行計(jì)算,可以大幅度提高仿真的速度。

1.2 控制保護(hù)仿真模型的功能

仿真模型完全按照實(shí)際特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和功能,構(gòu)建對(duì)應(yīng)的控制和保護(hù)虛擬裝置。

換流器控制保護(hù)層包括換流器控制虛擬裝置和換流器保護(hù)虛擬裝置。主要控制功能包括:換流器觸發(fā)控制、定電流控制、定關(guān)斷角控制、直流電壓控制、換流器電壓控制、換流器電壓平衡控制,以及換流器單元閉鎖和解鎖順序控制。主要保護(hù)功能為換流器區(qū)域的保護(hù)。

極控制保護(hù)層包括極控制虛擬裝置和極保護(hù)虛擬裝置。主要控制功能包括:計(jì)算電流電壓指令提供給換流器控制層、雙極功率控制、單極功率控制、極間功率轉(zhuǎn)移控制、兩極電流平衡控制、極啟動(dòng)和停運(yùn)控制、故障處理控制(包括移相停運(yùn)和自動(dòng)再啟動(dòng)控制)、低壓限流控制、開關(guān)刀閘的順序控制。主要保護(hù)功能為極區(qū)、雙極區(qū)、直流線路區(qū)等區(qū)域的保護(hù)。站控制層包含站控制虛擬裝置,其主要控制功能有:直流場(chǎng)開關(guān)刀閘的順序控制、交流濾波器控制。OWS則實(shí)現(xiàn)直流運(yùn)行控制,主要功能包括:設(shè)定參考值及控制參數(shù)、設(shè)定控制方式、發(fā)送控制指令等。模型中OWS由仿真軟件自帶的模型控件、常數(shù)等符號(hào)搭建,以給定直流控制保護(hù)系統(tǒng)的控制設(shè)定,同時(shí)在模型運(yùn)行過程中可在線改變這些控制設(shè)定。

2 虛擬裝置的實(shí)現(xiàn)原理

2.1 虛擬裝置的調(diào)度程序

各廠家的直流控制保護(hù)系統(tǒng)軟件一般采用圖形化開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā),圖形化開發(fā)工具包括硬件配置、控制保護(hù)軟件開發(fā)、編譯下裝、功能符號(hào)開發(fā)、工程管理、通信組態(tài)等一系列功能。南瑞繼保PCS9550[15]直流控制保護(hù)系統(tǒng)軟件由自主研發(fā)的圖形化開發(fā)工具ACCEL[16]完成開發(fā),單個(gè)裝置程序的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直流控制保護(hù)裝置的邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Logic structure of DC control and protection device

每個(gè)裝置由多個(gè)插件構(gòu)成,每個(gè)插件上運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用,每個(gè)應(yīng)用由不同執(zhí)行周期的多個(gè)任務(wù)鏈構(gòu)成,每個(gè)任務(wù)鏈有多個(gè)頁(yè)面的程序,每個(gè)頁(yè)面程序?yàn)閳D形化功能符號(hào)構(gòu)建的控制保護(hù)邏輯。

實(shí)際裝置插件上的時(shí)鐘芯片產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)鐘,作為程序運(yùn)行的時(shí)間基準(zhǔn);插件上的硬件定時(shí)器根據(jù)任務(wù)鏈設(shè)定的執(zhí)行周期產(chǎn)生時(shí)間中斷,中斷服務(wù)程序則負(fù)責(zé)按照固定順序執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)鏈的所有程序頁(yè)面。

對(duì)于虛擬裝置,需要模擬這一調(diào)度機(jī)制。為此,對(duì)仿真程序?qū)ｉT開發(fā)了調(diào)度程序以模擬裝置的程序運(yùn)行機(jī)制。

調(diào)度程序主要包含兩部分功能:①調(diào)度程序以仿真軟件的仿真時(shí)間作為虛擬裝置的時(shí)鐘,以保證程序中與時(shí)間相關(guān)的功能符號(hào)如延時(shí)、展寬等符號(hào)程序的正確執(zhí)行;②調(diào)度程序遍歷裝置各個(gè)插件應(yīng)用的所有任務(wù)鏈,以仿真時(shí)間為基準(zhǔn),當(dāng)仿真時(shí)間與任務(wù)鏈執(zhí)行周期整數(shù)相除的余數(shù)小于仿真步長(zhǎng)時(shí),則在當(dāng)前仿真步長(zhǎng)內(nèi)執(zhí)行該任務(wù)鏈,以保證與執(zhí)行周期嚴(yán)格相關(guān)的功能,如數(shù)字濾波、離散傅里葉變換(DFT)、數(shù)字比例—積分(PI)控制器等程序正確執(zhí)行。調(diào)度程序最終以函數(shù)run(time,timestep)形式實(shí)現(xiàn)虛擬裝置的運(yùn)行,其中time和timestep分別為仿真軟件傳入的仿真時(shí)間和仿真步長(zhǎng)。

2.2 虛擬裝置的輸入/輸出

每個(gè)虛擬裝置需要與其他虛擬裝置、一次系統(tǒng)和OWS等進(jìn)行信號(hào)交換。在虛擬裝置程序中增加虛擬輸入/輸出插件,將裝置與外部所有信號(hào)交互修改為通過虛擬輸入/輸出插件進(jìn)行。

虛擬輸入/輸出插件設(shè)置唯一的應(yīng)用,在該應(yīng)用上設(shè)置多個(gè)執(zhí)行周期的任務(wù)鏈,任務(wù)鏈執(zhí)行周期根據(jù)原有通信程序頁(yè)面所處任務(wù)鏈周期設(shè)置。在虛擬板卡上開發(fā)了仿真專用的輸入/輸出符號(hào),這些輸入/輸出符號(hào)通過共享內(nèi)存讀寫方式與虛擬裝置外部實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互。

2.3 虛擬裝置程序庫(kù)的實(shí)現(xiàn)過程

虛擬裝置程序的開發(fā)基于圖形化開發(fā)工具,其與實(shí)際裝置程序開發(fā)過程對(duì)比如圖3所示。

圖3 虛擬裝置程序庫(kù)開發(fā)過程Fig.3 Development procedure of virtual device library

直流控制保護(hù)仿真程序由圖形化的工程程序簡(jiǎn)化及修改而來。簡(jiǎn)化的部分主要包括:①系統(tǒng)可靠性相關(guān)的程序,如硬件自檢、系統(tǒng)切換、通信校驗(yàn)、采樣校驗(yàn);②數(shù)據(jù)采集上送、告警、裝置錄波相關(guān)程序;③順序控制功能及保護(hù)程序中的啟動(dòng)程序。修改的部分主要包括:①增加虛擬輸入/輸出板卡;②增加啟停極及功率升降加速功能,包括交流濾波器投切的加速及換流變壓器擋位調(diào)節(jié)的加速,以匹配仿真中遠(yuǎn)大于實(shí)際工程的功率升降速度。這些簡(jiǎn)化及修改并不會(huì)影響到仿真模型控制保護(hù)的功能和性能。

圖3中,“代碼生成器1”將圖形化的工程程序翻譯生成目標(biāo)硬件平臺(tái)的編程語言源代碼(C語言、匯編語言等),“代碼生成器2”將圖形化的仿真程序翻譯生成仿真軟件運(yùn)行環(huán)境(Windows或Linux)下的標(biāo)準(zhǔn)C語言代碼。

工程程序生成的代碼由嵌入式編譯器編譯鏈接為實(shí)際裝置的運(yùn)行程序。仿真程序生成的代碼由仿真軟件運(yùn)行兼容的編譯器編譯為虛擬裝置程序庫(kù):PSCAD軟件為靜態(tài)庫(kù)，Hypersim及ADPSS軟件為動(dòng)態(tài)庫(kù)。

使用經(jīng)過出廠試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證的工程程序生成虛擬裝置程序庫(kù)這一方式,無需在模型中重復(fù)開發(fā)復(fù)雜的控制保護(hù)邏輯,不僅大幅度簡(jiǎn)化了控制保護(hù)模型開發(fā)及測(cè)試難度,也最大限度地保證了模型的功能完備性及特性精確性,同時(shí)控制保護(hù)邏輯獨(dú)立于特定的仿真軟件,便于控制保護(hù)模型快速移植到不同的仿真軟件中。在實(shí)際工程控制保護(hù)系統(tǒng)數(shù)十年的設(shè)備使用期內(nèi),任何工程程序的變動(dòng)都可以通過替換仿真程序相應(yīng)頁(yè)面更新虛擬裝置程序庫(kù)實(shí)現(xiàn),大幅度降低了模型更新維護(hù)工作量。

2.4 虛擬裝置符號(hào)及輸入/輸出符號(hào)

PSCAD和Hypersim等仿真軟件均有用戶自定義符號(hào)功能,根據(jù)各軟件的自定義符號(hào)開發(fā)規(guī)則,開發(fā)虛擬裝置符號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬裝置庫(kù)函數(shù)的調(diào)用。同一個(gè)直流工程中,包含極控制、極保護(hù)、換流器控制、換流器保護(hù)等多個(gè)不同功能類型的裝置,同一功能類型裝置也有多臺(tái)分布在各站、各極、各換流器,且不同直流工程控制保護(hù)程序都是專門設(shè)計(jì)的,不具有通用性。為實(shí)現(xiàn)虛擬裝置符號(hào)的通用性,給該符號(hào)設(shè)置了一組參數(shù),包括Hvdc_No,Type,Sta_No,Pol_No,Val_No,以標(biāo)識(shí)區(qū)分具體的虛擬裝置。PSCAD中利用該組參數(shù),通過fortran接口函數(shù),編譯鏈接到虛擬裝置靜態(tài)程序庫(kù)中的run函數(shù);Hypersim和ADPSS軟件利用該組參數(shù),在虛擬裝置符號(hào)的初始化函數(shù)中,動(dòng)態(tài)載入相應(yīng)裝置的run函數(shù)。在仿真運(yùn)行中的每個(gè)步長(zhǎng),虛擬裝置符號(hào)調(diào)用一次run函數(shù),實(shí)現(xiàn)虛擬裝置的運(yùn)行。

另外設(shè)計(jì)了一組輸入/輸出符號(hào),包括浮點(diǎn)輸入、整型輸入、浮點(diǎn)輸出、整型輸出4種符號(hào)。該組符號(hào)通過與2.2節(jié)虛擬輸入/輸出插件上的輸入/輸出符號(hào)通過共享內(nèi)存讀寫方式,實(shí)現(xiàn)虛擬裝置對(duì)外的信號(hào)交互。由于單個(gè)虛擬裝置同一類型的輸入或輸出數(shù)量較多,同一類型的輸入/輸出符號(hào)需要使用多個(gè),因此該組符號(hào)除了包括和上述虛擬裝置符號(hào)一致的Hvdc_No,Type,Sta_No,Pol_No,Val_No參數(shù)外,還增加了一個(gè)Index_No參數(shù)。

虛擬裝置及輸入/輸出符號(hào)見附錄A圖A1至圖A3。利用輸入/輸出符號(hào),虛擬裝置與直流一次系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán),完成虛擬裝置間的通信,并接收OWS的設(shè)定及控制,進(jìn)而構(gòu)成完整的直流控制保護(hù)系統(tǒng)模型。

3 模型仿真與驗(yàn)證

3.1 直流仿真模型

以靈紹特高壓直流工程為例,分別在ADPSS,Hypersim,PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件中構(gòu)建了完整的特高壓直流仿真模型,模型見附錄A圖A4至圖A6。

3個(gè)模型的一次系統(tǒng)完全以仿真軟件自帶符號(hào)庫(kù)中的符號(hào)搭建,直流系統(tǒng)參數(shù)完全采用工程設(shè)計(jì)參數(shù),交流側(cè)采用一致的等值電壓源。在結(jié)構(gòu)上,一次系統(tǒng)簡(jiǎn)化了所有的接地刀閘,以及部分隔離刀閘,并將換流站交流母線簡(jiǎn)化為單母線,簡(jiǎn)化后的單個(gè)換流站見附錄A圖A7。

3個(gè)模型的控制保護(hù)系統(tǒng)基于靈紹直流實(shí)際工程程序,按前文所述方法進(jìn)行開發(fā),因此虛擬裝置的仿真程序只開發(fā)了一次,即復(fù)用在3種仿真軟件中。

控制保護(hù)系統(tǒng)采集一次系統(tǒng)的直流電壓電流、交流電壓電流、開關(guān)刀閘及分接頭位置,返回開關(guān)刀閘的分合命令、分接頭升降命令、觸發(fā)脈沖給一次系統(tǒng),構(gòu)成閉環(huán)的直流工程仿真模型。

3.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性仿真驗(yàn)證

直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性是其暫態(tài)響應(yīng)特性的基準(zhǔn),在各種運(yùn)行方式下,實(shí)際工程的控制保護(hù)系統(tǒng)均能調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性,包括直流電壓電流、觸發(fā)角、熄弧角、理想空載直流電壓在合理范圍內(nèi)。直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式由多個(gè)控制參數(shù)組合決定,主要的參數(shù)包括功率方向(正向/反向)、接線方式(大地回線/金屬回線)、控制模式(雙極功率/單極功率)、電壓等級(jí)(全壓/降壓)、功率水平。

以靈州站交流母線電壓765 kV,紹興站交流母線電壓510 kV,直流線路電阻6.66 Ω作為系統(tǒng)條件,對(duì)仿真模型的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性與工程設(shè)計(jì)規(guī)范理論計(jì)算出的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行了比較。

附錄A表A1列出了功率正向、雙極功率1.0(標(biāo)幺值)、雙極大地回線運(yùn)行、雙極功率控制、全壓方式下,仿真與理論計(jì)算的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性數(shù)據(jù)。附錄A表A2列出了功率正向、單極功率0.5(標(biāo)幺值)、金屬回線運(yùn)行、單極功率控制、降壓運(yùn)行方式下,仿真與理論計(jì)算的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性數(shù)據(jù)。

附錄A表A1及表A2中:S1為靈州站,觸發(fā)角為α;S2為紹興站,關(guān)斷角為γ;換流變分接頭擋位(TCP)之外的仿真數(shù)據(jù)為經(jīng)過100 ms低通平滑濾波之后的數(shù)據(jù)中值。附錄A表A1中S1站ADPSS仿真與理論值的TCP及角度偏差的原因,是由于S1站的分接頭控制方式為定α角,角度死區(qū)為2.5°,仿真運(yùn)行恰好處于死區(qū)范圍內(nèi)。由表A1及表A2的數(shù)據(jù)可以看出,仿真模型的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性與理論計(jì)算結(jié)果非常接近。

3.3 暫態(tài)特性仿真驗(yàn)證

單個(gè)換流器的投入及退出功能是雙閥組串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特高壓直流控制系統(tǒng)的核心功能之一。以特高壓換流器的在線退出為例,在一站換流器退出時(shí),對(duì)站需自動(dòng)退出相應(yīng)的換流器,兩站待退出換流器均以一定速率將觸發(fā)角移相到90°,之后投入旁通對(duì),發(fā)出旁路開關(guān)合閘指令,旁路開關(guān)合上后,立即閉鎖換流器,同時(shí)發(fā)出觸發(fā)角移相到164°指令。

以功率正向、雙極功率800 MW(標(biāo)幺值0.1)、大地回線運(yùn)行、雙極功率控制、全壓方式下,整流站極1退出高壓閥組為例,對(duì)比仿真模型試驗(yàn)波形與實(shí)際工程系統(tǒng)試驗(yàn)波形,波形對(duì)比見附錄A圖A8至圖A11。

如附錄A圖A8、圖A9所示,仿真模型與實(shí)際工程控制保護(hù)系統(tǒng)的觸發(fā)角變化過程基本重合,先移相到90°,待換流器閉鎖后再移相到164°。如附錄A圖A10所示,仿真模型與實(shí)際工程的直流電壓變化過程基本一致,由800 kV按一定斜率下降為400 kV,伴有一個(gè)小的過沖,仿真過沖略大于實(shí)際工程。如附錄A圖A11所示,仿真模型與實(shí)際工程的直流電流變化過程基本一致,仿真波形的上升過沖略大于實(shí)際工程,該時(shí)刻與電壓過沖時(shí)刻對(duì)應(yīng)。換流器退出后,繼續(xù)運(yùn)行的3個(gè)換流器轉(zhuǎn)代該退出換流器的功率,直流電流最終由500 A上升為666.7 A。

3.4 并行仿真計(jì)算驗(yàn)證

PSCAD軟件暫不支持單個(gè)仿真模型在多核上并行計(jì)算,ADPSS軟件暫不支持用戶自定義模型頁(yè)面的并行計(jì)算。本文以靈紹直流Hypersim仿真模型為例,驗(yàn)證本文方法開發(fā)的模型對(duì)并行計(jì)算的適用性。

運(yùn)行PC版本Hypersim軟件的目標(biāo)機(jī)工作站為DELL T5810,單CPU架構(gòu)。CPU為E5-1650 V3,3.5 GHz,6物理核,支持超線程,仿真軟件將其識(shí)別為12核,其中1核運(yùn)行Linux操作系統(tǒng),其他11核可用作仿真計(jì)算。靈紹直流模型在單核上仿真100 s、在11個(gè)核上并行仿真100 s,所耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間如附錄A表A3所示。由表A3可以看出,并行計(jì)算時(shí)仿真速度提升了5倍以上,并且從較長(zhǎng)的時(shí)間尺度看,實(shí)現(xiàn)了超實(shí)時(shí)仿真(即模型計(jì)算時(shí)長(zhǎng)小于要仿真的系統(tǒng)暫態(tài)過程時(shí)長(zhǎng)),但由于每個(gè)仿真步長(zhǎng)計(jì)算耗時(shí)差異大,單個(gè)步長(zhǎng)最長(zhǎng)計(jì)算耗時(shí)(見附錄A圖A13)為101.31 μs,大于仿真步長(zhǎng)(50 μs),無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。

在運(yùn)行SGI版本Hypersim軟件的目標(biāo)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了靈紹直流模型的實(shí)時(shí)仿真。該目標(biāo)機(jī)為SGI UV300服務(wù)器,多CPU架構(gòu)。CPU為E7-8891V4,2.8 GHz,10物理核,支持超線程,仿真軟件將其識(shí)別為20核。在該服務(wù)器上使用了10個(gè)核實(shí)現(xiàn)了靈紹直流模型的實(shí)時(shí)仿真,單個(gè)步長(zhǎng)最長(zhǎng)計(jì)算耗時(shí)(見附錄A圖A14)為47.99 μs,小于仿真步長(zhǎng)(50 μs)。

4 結(jié)語

考慮現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的模型開發(fā)方法,難以滿足交直流大電網(wǎng)仿真對(duì)直流控制保護(hù)模型在功能、精度、速度、多種軟件仿真結(jié)果可相互校驗(yàn)等多方面的要求,本文提出了一種基于實(shí)際工程及虛擬裝置開發(fā)仿真模型的方法。應(yīng)用該方法,各控制保護(hù)廠家可最大限度地使用工程程序,構(gòu)建功能完善、準(zhǔn)確性高、適合并行、適用于多種仿真軟件的控制保護(hù)模型。應(yīng)用該方法,未來還可開發(fā)集成多類型(柔性直流、直流斷路器、耗能裝置等),以及多廠家裝置的控制保護(hù)系統(tǒng)模型。以靈紹特高壓直流工程為例對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證,仿真結(jié)果與實(shí)際工程波形對(duì)比表明模型準(zhǔn)確性高,并且模型可實(shí)現(xiàn)多CPU并行仿真,在一定硬件環(huán)境下可達(dá)到實(shí)時(shí)。

由于虛擬裝置庫(kù)開發(fā)需要使用仿真目標(biāo)機(jī)的C語言編譯鏈接器及C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù),因此本文方法暫不適用于主流的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(RTDS),未來待該仿真器支持標(biāo)準(zhǔn)C編譯鏈接及提供C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)后進(jìn)行本文方法的驗(yàn)證。與一些簡(jiǎn)化模型的開發(fā)方法相比,本文方法對(duì)工程程序簡(jiǎn)化程度小,因此模型計(jì)算量大、速度慢,但精確性高,且可通過并行改善仿真速度。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。