趙慶杰 史 磊 柴 斌 雷戰(zhàn)斐 謝偉鋒

基于PSCAD模型的特高壓直流換流站反事故可視化推演系統(tǒng)研究

趙慶杰1史 磊2柴 斌1雷戰(zhàn)斐1謝偉鋒1

（1. 國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，銀川 750000；2. 國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，銀川 750000）

為了提升直流控制保護(hù)系統(tǒng)性能，保障大電網(wǎng)安全運(yùn)行，同時(shí)使調(diào)度、運(yùn)行及檢修人員能夠開(kāi)展反事故演習(xí)，進(jìn)一步提升其現(xiàn)場(chǎng)事故應(yīng)急處置能力，本文建立特高壓直流換流站PSCAD模型，對(duì)模型引擎與變電站仿真系統(tǒng)交互技術(shù)進(jìn)行研究，并將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員工作站（OWS）系統(tǒng)應(yīng)用于仿真系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，通過(guò)建立PSCAD模型并進(jìn)行仿真系統(tǒng)分析，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)直流換流站設(shè)備進(jìn)行故障模擬、錄波回放及自動(dòng)分析的功能。

應(yīng)急處置；仿真系統(tǒng)；故障模擬；自動(dòng)分析

0 引言

特高壓直流輸電具有傳輸距離遠(yuǎn)、輸送功率大、啟動(dòng)和調(diào)節(jié)速度快、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的重要部分[1]。特高壓直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)規(guī)模龐大、邏輯復(fù)雜，技術(shù)掌握難度大，控制與保護(hù)耦合緊密，相互影響，導(dǎo)致其故障過(guò)程及故障特征復(fù)雜，對(duì)運(yùn)維人員的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平提出了更高的要求[2-6]。因此，亟需一套換流站反事故可視化推演系統(tǒng)，以更好地應(yīng)對(duì)故障的發(fā)生、制定故障預(yù)案和措施。然而，目前換流站反事故可視化推演的相關(guān)技術(shù)和手段嚴(yán)重匱乏，且只能依賴(lài)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統(tǒng)進(jìn)行直流輸電工程的建模和故障模擬，而RTDS造價(jià)昂貴、經(jīng)濟(jì)性較差。在此背景下，迫切需要開(kāi)發(fā)一個(gè)換流站控制保護(hù)仿真平臺(tái)，可以進(jìn)行虛擬操作和故障設(shè)置，查看操作后或故障后系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行故障錄波回放、故障重現(xiàn)和自動(dòng)定位分析，幫助運(yùn)維人員更好地理解特高壓直流控制保護(hù)邏輯和原理，提高現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)水平[7]。

本文通過(guò)交互數(shù)據(jù)的共享和分類(lèi)整理、數(shù)據(jù)順序傳遞關(guān)系的建立，實(shí)現(xiàn)變電站仿真系統(tǒng)與PSCAD特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型引擎的同步運(yùn)行，從而開(kāi)發(fā)基于PSCAD模型引擎和變電站仿真系統(tǒng)的特高壓直流換流站反事故推演系統(tǒng)。該系統(tǒng)能進(jìn)一步開(kāi)展特高壓直流輸電系統(tǒng)的故障錄波回放、故障重現(xiàn)和自動(dòng)分析、定位，提高特高壓直流輸電工程的運(yùn)維技術(shù)水平[8-12]。

1 PSCAD仿真工具擴(kuò)展模型

直流系統(tǒng)仿真采用EMTDC模型，使用PSCAD仿真工具。PSCAD本身只是一個(gè)離線(xiàn)仿真工具，不具備對(duì)外通信功能，需要使用Fortran語(yǔ)言或C語(yǔ)言作為PSCAD開(kāi)發(fā)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展出訪問(wèn)共享內(nèi)存功能，實(shí)現(xiàn)模型引擎“在線(xiàn)化”應(yīng)用。

1.1 模型引擎接口

PSCAD/EMTDC 4.0以上版本在GNU編譯器下支持直接調(diào)用C程序，該方法比較容易理解。圖1給出了在PSCAD/EMTDC中直接調(diào)用C函數(shù)時(shí)，自定義模塊與C函數(shù)及C文件的關(guān)系。

圖1 兩種自定義模塊、C函數(shù)及C文件之間的關(guān)系

從圖1改進(jìn)前可以看出，一個(gè)自定義模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)C函數(shù)，這些C函數(shù)又分布在一個(gè)或多個(gè)C文件中，由此可知，要調(diào)用多少個(gè)C函數(shù)就要建立多少個(gè)自定義模塊，這些函數(shù)分布在多少個(gè)C文件中就要在PSCAD/EMTDC中引用多少個(gè)C文件。一般而言，大型工程都需要調(diào)用大量的C函數(shù)，即需要建立大量的自定義模塊，多個(gè)模塊的調(diào)用很繁瑣，大大影響工作效率。因此對(duì)于大型工程而言，這種方法很不實(shí)用，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，如圖1改進(jìn)后所示，可以編寫(xiě)一個(gè)主函數(shù)，在這個(gè)主函數(shù)中可以調(diào)用其他C函數(shù)，然后在自定義模塊里調(diào)用該主函數(shù)，從而達(dá)到建立一個(gè)自定義模塊就可以調(diào)用多個(gè)C函數(shù)的目的。

1.2 直流控制保護(hù)模型總體結(jié)構(gòu)及功能定制

建立模型引擎需要搭建和定制特高壓直流控制保護(hù)模型及其功能，特高壓直流控制保護(hù)模型完全基于實(shí)際工程的控制保護(hù)系統(tǒng)，其邏輯結(jié)構(gòu)與實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全一致，如圖2所示（以單個(gè)換流站為例）。

圖2 直流控制保護(hù)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)在PSCAD中采用自定義模塊實(shí)現(xiàn)，其分層結(jié)構(gòu)在PSCAD中的映射如圖3所示（單個(gè)換流站），控制保護(hù)自定義模塊與工程控制保護(hù)裝置一一對(duì)應(yīng)，即每個(gè)實(shí)際控制保護(hù)裝置對(duì)應(yīng)PSCAD/EMTDC中一個(gè)“虛擬裝置”。

圖3中，HMI Controls_SA為整流側(cè)運(yùn)行人員工作站（operator work station, OWS）模擬頁(yè)面，采用PSCAD自帶模塊搭建的模擬工程運(yùn)行人員工作站向控制保護(hù)仿真模型下發(fā)控制命令。站控制層JN_SA_DCSC為整流側(cè)直流站控仿真模塊。極控制保護(hù)層JN_SA_P1_HPM為整流側(cè)極1控制測(cè)量仿真模塊（同時(shí)模擬本極極控制測(cè)量裝置和兩個(gè)換流器控制測(cè)量裝置）；JJN_SA_P1_PM為整流側(cè)極1保護(hù)測(cè)量仿真模塊；JN_SA_P1_PPR為極1保護(hù)測(cè)量模塊。換流器層JN_SA_P1_GC1為整流側(cè)極1高端閥組控制仿真模塊；JN_SA_P1_CPR_HG為整流側(cè)極1高端保護(hù)仿真模塊；JN_SA_ P1_CPR_LG為整流側(cè)極1低端保護(hù)仿真模塊。

圖3 PSCAD中控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制保護(hù)邏輯建模及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 控制保護(hù)邏輯建模

本文采用可視化編程軟件建模的方法，該方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的控制保護(hù)程序的源碼級(jí)移植，構(gòu)建不依賴(lài)實(shí)際工程核心控制保護(hù)裝置和I/O接口設(shè)備的可單機(jī)離線(xiàn)運(yùn)行的特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)仿真模型，從而提高仿真結(jié)果的真實(shí)性和控制保護(hù)模型搭建的效率。

控制保護(hù)裝置向PSCAD控制保護(hù)仿真模塊無(wú)縫轉(zhuǎn)換前，首先要梳理控制保護(hù)機(jī)箱裝置與測(cè)量裝置之間、控制裝置與保護(hù)裝置之間、直流極控裝置與直流站控裝置之間的物理連接方式和信號(hào)傳輸所用載體的通信規(guī)約，整理各個(gè)裝置之間需要傳輸?shù)哪M量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，確定所需信號(hào)的類(lèi)型、長(zhǎng)度、單位，分析硬件底層程序的處理方法。其次，通過(guò)結(jié)合模型引擎復(fù)雜程度分析控制保護(hù)冗余裝置在直流工程中對(duì)PSCAD/EMTDC仿真軟件運(yùn)行速度的影響，對(duì)冗余系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)牟眉籼幚?，整理控制保護(hù)程序中與時(shí)間定值相關(guān)的功能塊，優(yōu)化時(shí)間定值，實(shí)現(xiàn)可靠銜接。

通過(guò)對(duì)單臺(tái)裝置對(duì)應(yīng)的入口函數(shù)的調(diào)用，完成仿真系統(tǒng)可識(shí)別代碼向控制保護(hù)自定義仿真模塊的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)實(shí)際工程控制保護(hù)裝置的通信連接關(guān)系將各個(gè)控制保護(hù)模塊組合成一個(gè)完整的直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制保護(hù)功能的精準(zhǔn)模擬?？刂票Ｗo(hù)裝置模型無(wú)縫轉(zhuǎn)換流程示意圖如圖4所示。

圖4 控制保護(hù)裝置模型無(wú)縫轉(zhuǎn)換流程示意圖

2.2 控制保護(hù)仿真系統(tǒng)模型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

建立控制保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)模型后，需要與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行結(jié)合，OWS系統(tǒng)和PSCAD/EMTDC模型使其可利用PSCAD/EMTDC優(yōu)點(diǎn)滿(mǎn)足控制保護(hù)系統(tǒng)的仿真需求，通過(guò)以太網(wǎng)與實(shí)際控制保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員控制裝置可以給控制保護(hù)裝置下發(fā)指令，同時(shí)接收控制保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)。本文采用共享內(nèi)存機(jī)制代替實(shí)際工程中控制保護(hù)與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員監(jiān)控平臺(tái)之間的以太網(wǎng)通信方式，對(duì)原有通信規(guī)約進(jìn)行改造，從而使現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員控制系統(tǒng)可以通過(guò)一塊共享內(nèi)存向控制保護(hù)PSCAD/EMTDC模型下發(fā)控制命令，控制保護(hù)PSCAD/EMTDC模型可以通過(guò)另一塊共享內(nèi)存向現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員控制系統(tǒng)返回直流系統(tǒng)狀態(tài)信息，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)二次系統(tǒng)的全景可視化模擬。圖5為仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)示意圖，圖6為系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)示意圖

圖6 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意圖

PSCAD/EMTDC仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互如圖7所示：基于PSCAD/EMTDC的特高壓直流輸電系統(tǒng)可視化平臺(tái)由直流系統(tǒng)仿真工作站和OWS組成，直流系統(tǒng)仿真工作站運(yùn)行EMTDC模型計(jì)算引擎和運(yùn)行人員控制系統(tǒng)前置接口程序，OWS的運(yùn)行人員控制系統(tǒng)后臺(tái)客戶(hù)端程序，其中EMTDC模型計(jì)算引擎通過(guò)自定義接口模塊將共享內(nèi)存映射到本進(jìn)程的內(nèi)存空間中，運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的前置接口程序也將同一共享內(nèi)存映射到本進(jìn)程的內(nèi)存空間中，從而仿真模型和前置接口程序可對(duì)同一共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，并需遵循首次運(yùn)行者開(kāi)辟共享內(nèi)存原則和基于信號(hào)量的讀寫(xiě)互斥原則，同時(shí)，運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的前置通信程序和后臺(tái)客戶(hù)端程序通過(guò)TCP/IP通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最終實(shí)現(xiàn)PSCAD/EMTDC直流控制保護(hù)仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通和無(wú)縫聯(lián)動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方法的有益效果是：可以直接使用人機(jī)接口裝置控制直流輸電工程EMTDC仿真裝置，不需要人為在EMTDC仿真裝置上搭建控制后臺(tái)，從而大大節(jié)約了人力成本，降低了仿真誤差，提高了仿真速度。

圖7 PSCAD/EMTDC仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的交互

3 反事故推演系統(tǒng)故障模擬及錄波分析

3.1 反事故推演系統(tǒng)故障模擬

相關(guān)模型建立后可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，故障模擬功能包含一次系統(tǒng)故障、二次系統(tǒng)故障及設(shè)備異常故障模擬等，本文以極1直流線(xiàn)路首端發(fā)生1 000ms金屬接地故障模擬為例，如圖8所示。

3.2 反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析

故障后需要對(duì)相關(guān)的波形進(jìn)行分析、判斷故障類(lèi)型及位置，因此通過(guò)讀取現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)置或外置故障錄波文件，直流控制保護(hù)仿真模型可復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況，并保證保護(hù)輸出事件信息的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與順序事件記錄（sequence event record, SER）一致，可實(shí)現(xiàn)仿真事件與現(xiàn)場(chǎng)波形的同步展示，從而為故障分析、保護(hù)策略調(diào)整和優(yōu)化提供仿真驗(yàn)證。

圖8 反事故推演系統(tǒng)模擬極1直流線(xiàn)路首端發(fā)生1 000ms金屬接地故障

歸納總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)故障發(fā)生后的保護(hù)區(qū)域及該區(qū)域故障后保護(hù)動(dòng)作情況對(duì)應(yīng)關(guān)系，劃分出不同區(qū)域的保護(hù)配置分布情況，以及故障點(diǎn)與保護(hù)動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并建立故障定位分析庫(kù)。根據(jù)故障定位分析庫(kù)規(guī)則，篩選定位出一次故障發(fā)生后，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的大概區(qū)域，為用戶(hù)定位出故障范圍，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)明故障點(diǎn)，該故障點(diǎn)包含故障區(qū)域、故障位置等屬性，以此輔助用戶(hù)快速分析出故障原因，排查出正確的故障點(diǎn)，圖9為反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析界面。

圖9 反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析界面

4 結(jié)論

1）實(shí)現(xiàn)了模型引擎與換流站仿真系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互，通過(guò)交互數(shù)據(jù)的共享和分類(lèi)整理、數(shù)據(jù)順序傳遞關(guān)系的建立，實(shí)現(xiàn)了變電站仿真系統(tǒng)與PSCAD特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型引擎的同步運(yùn)行 功能。

2）實(shí)現(xiàn)了PSCAD模型與外部程序的數(shù)據(jù)交換功能，將離線(xiàn)仿真工具“在線(xiàn)化”，首次實(shí)現(xiàn)PSCAD模型與運(yùn)行人員監(jiān)控后臺(tái)的全數(shù)據(jù)交換功能，運(yùn)行人員監(jiān)控后臺(tái)能直接采用工程現(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)，既能減少配置工作，又能完成工程現(xiàn)場(chǎng)全部的監(jiān)視與控制保護(hù)功能。

3）通過(guò)反事故推演系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)置或外置故障錄波文件的讀取，直流控制保護(hù)仿真模型可復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況，并保證保護(hù)輸出事件信息的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)SER一致，實(shí)現(xiàn)了特高壓換流站的故障模擬、故障重現(xiàn)及自動(dòng)分析等功能，從而提高現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員技能水平。

4）下一步研究方向：將反事故推演系統(tǒng)與換流站設(shè)備發(fā)生的各種類(lèi)型故障進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步快速準(zhǔn)確判定故障的類(lèi)型、控制保護(hù)動(dòng)作情況及事故處置情況。

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Research on visualized anti-accident inference system for ultra high voltage DC converter station based on PSCAD model

ZHAO Qingjie1SHI Lei2CHAI Bin1LEI Zhanfei1XIE Weifeng1

(1. Ultra-High Voltage Company of State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd, Yinchuan 750000; 2. State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd, Yinchuan 750000)

In order to improve the DC control and protection performance, ensure the safe operation of large power grid, enable the dispatching, operation and maintenance personnel to carry out anti-accident exercises, and further improve their on-site accident emergency disposal ability, this paper establishes the PSCAD model of ultra high voltage (UHV) DC converter station, studies the interaction technology between the model engine and substation simulation system, and applies the on-site operator work station (OWS) system to the simulation system. The results show that by establishing the PSCAD model and analyzing the simulation system, the functions of fault simulation, recording playback and automatic analysis of the DC converter station equipment are further realized.

emergency response; simulation system; fault simulation; automatic analysis

2021-11-15

2022-03-28

趙慶杰（1989—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樽冸娬具\(yùn)維檢修。