郭思源，李辉，徐浩，吴晋波，欧阳帆，刘海峰(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

基于RTDS数模仿真平台的±800 kV酒湖特高压直流输电系统建模

郭思源，李辉，徐浩，吴晋波，欧阳帆，刘海峰
(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

电力系统仿真是研究特高压直流输电技术特性和功能的重要方式。为了实现±800 kV特高压直流输电工程二次设备的集成联调检测以及研究交直流系统的相互影响，本文在RTDS实时数字仿真平台上，通过RTDS的各类输入输出板卡与直流控制保护装置、换流阀阀控设备以及测量接口屏等二次设备相连接，构成控制闭环仿真系统。针对RTDS硬件平台升级和换流阀阀控系统接口特点，详细介绍了仿真平台和各类二次设备的接口形式，并采用RTDS的PB5处理器背板光纤互联以增大rack的节点计算数目。在RTDS闭环仿真平台上，以直流控制保护装置的附加控制功能为例，开展了直流功率调制试验，仿真结果验证了直流控制保护装置频率控制功能的正确性。

特高压直流输电系统；RTDS；接口形式；闭环仿真系统；直流功率调制

±800 kV特高压直流输电由于其技术上和经济上的独特优势，在我国远距离、大容量输电和大区电网互联中得到了广泛应用〔1－2〕。随着国家电网公司大力实施“一特四大”战略，建设特高压直流输电工程承载着清洁能源外送和大气污染防治的重大使命。目前在建的酒泉－湖南±800 kV特高压直流工程，起于西北甘肃酒泉地区，落点湖南湘潭地区，线路长度约2 413 km，额定功率为8 000MW，是甘肃酒泉风力发电基地的主要外送通道。

作为特高压直流输电系统的“大脑”，直流控制与保护装置控制直流输送功率的大小和方向，通过监测相关交直流系统电气量实现对换流站一次设备和直流线路的保护功能，对于直流输电工程的安全稳定运行具有决定作用〔3－4〕。某公司在详细分析特高压直流控制系统结构配置的基础上，独立开发了PCS－9550特高压直流控制保护系统〔5－6〕。随着±800 kV哈郑直流和灵绍直流工程的投运，我国的特高压直流输电技术已实现了控制与保护设备国产化。

电力系统仿真是研究直流输电技术的重要手段，主要包括动模仿真、数字仿真和数模混合仿真。动模仿真通过建立与实际系统成比例的物理元件开展研究工作，但存在造价昂贵、参数难以修改等诸多不足。数字仿真主要包括机电暂态仿真和电磁暂态仿真:机电暂态仿真主要应用于电力系统稳定性分析，仿真步长在毫秒级；电磁暂态仿真侧重于电力系统电磁暂态过渡过程的分析，仿真步长在几十微秒以下，能够实现对电力电子开关元件的精确模拟〔7－8〕。将数字仿真模型与实际物理装置通过特定接口连接，即构成数模混合仿真系统，具有参数灵活可调、兼容性强等优点。实时数字仿真器RTDS作为当前最具代表性的数模混合仿真平台，已成为电力系统二次设备检测和分析的主流方式〔9－12〕。

1 闭环仿真系统总体结构

1.1 一次系统建模

由于RTDS基于电磁暂态仿真技术，因此其仿真规模受到每个rack计算能力的限制。而直流输电技术重点研究交－直－交能量转换的过渡过程，因此通常对两侧交流系统进行等值处理，用一个带有内阻的恒定电压源来表示，以反映两侧系统的短路容量。其中整流站交流电压770 kV，逆变站交流电压525 kV。在RTDS的图形用户界面RSCAD上建立特高压直流输电的一次系统模型，主要包括交流系统等效电源、换流变压器、换流阀、直流线路、直流滤波器、交流滤波器以及各类开关和刀闸等。图1为±800 kV特高压直流输电系统整流侧接线示意图，逆变侧结构与整流侧类似。

整流侧每极由2个12脉动换流单元串联而成，即极高端阀组和极低端阀组。每个12脉动换流单元的对地电压为400 kV，且它的2个6脉动换流器与交流系统分别通过Y/Y0和Y/D11换流变连接。整个直流输电系统共有双极运行、单极金属回线和单极大地回线三种运行方式。

图1 ±800 kV特高压直流输电系统整流侧接线

1.2 二次系统构架

基于RTDS的特高压直流输电系统闭环仿真平台如图2所示，其中二次设备主要包括特高压直流输电控制与保护系统、SCADA后台以及主时钟系统和故障录波装置等辅助二次设备，通过各自的冗余网口连接到站LAN网。运行人员通过SCADA后台实现直流系统的启动/停运控制、运行监视、故障或异常工况处理、全站事件顺序记录和文档管理等功能。

图2 ±800 kV特高压直流输电闭环仿真系统结构

以整流站为例，特高压直流输电控制与保护系统结构如图3，逆变站与整流站相同。直流控制与保护系统主要包括控制与保护主机、换流阀阀控设备和测量接口，以1个12脉动换流阀为单元进行配置。

某公司开发的PCS－9550直流控制保护系统分为双极/极控制保护层和换流器控制保护层两层:其中，PCP为极层控制主机，PPR是极层保护主机；CCP为换流器层控制主机，CPR是换流器层保护主机。这种分层结构不配置单独的双极层控制保护主机，将双极层的控制和保护功能分别下放至两极的极层主机中实现。在双极/极控制保护层和换流器控制保护层，均配置控制主机2台、保护主机3台；控制、保护子系统采用独立冗余方式配置，分别集成在不同的主机中。换流阀阀控系统是连接换流器控制层和换流阀的关键设备，即阀基电子设备VBE。VBE接收CCP的触发命令，将其生成触发脉冲发送给换流阀，同时接收换流阀返回的指示脉冲来监测换流阀实时运行状态，采用双重化冗余配置。测量接口屏主要包括交流系统测控屏和直流系统测控屏。其中直流系统测控装置主要有极测量接口屏(PMI)、极开关量接口屏(PSI)、换流器测量接口屏(CMI)和换流器开关量接口屏(CSI)；PMI和CMI三重化配置，PSI和CSI双重化配置。直流系统测量接口主要通过RTDS的各类I/O板卡采集一次系统模型中的极层和换流器层模拟量、开关量，并分别送给极层和换流器层控制与保护主机，实现直流输电系统的各类控制和保护功能。交流系统同理。

图3 ±800 kV特高压直流输电整流侧控制与保护系统结构图

2 二次系统与RTDS接口

RTDS是加拿大RTDS公司开发的针对电力系统电磁暂态仿真的实时数字仿真器，能够将计算结果通过D/A转换以物理量形式输出，通过多类I/O板卡与实际设备形成数字－物理闭环。RTDS的基本单元是机箱(rack)，根据当前RTDS最新的硬件配置，每个rack主要由PB5处理器、工作站通信板卡GTWIF、rack间通信板卡IRC以及四类输入/输出板卡组成:模拟量输入板卡GTAI、模拟量输出板卡GTAO、数字量输入板卡GTDI和数字量输出板卡GTDO。

本文建立的RTDS闭环仿真平台使用2个rack，整流站和逆变站各占用1个rack，每个rack配备5块PB5处理器。由于特高压直流输电系统节点较多，将第2—5块PB5处理器的背板光纤连接到第1块PB5处理器以增大rack的节点计算能力，如图4。直流输电闭环仿真系统主要通过交直流系统测量接口屏、换流阀阀控系统与GTAO、GTDI和GTDO三类I/O板卡连接，实现电压和电流模拟量采集、断路器和隔离开关遥控与遥信、换流变分接头升降命令与位置状态检测以及换流阀触发脉冲生成、指示脉冲返回等功能。图4为整流站rack与特高压直流输电控制与保护系统连接示意，逆变站与此相同。

图4 ±800 kV特高压直流输电控制保护系统与RTDS连接示意图

由于GTAO的输出是一个－10～10 V之间的模拟量，因此通常连接功率放大器，将相应的模拟量转化为电压、电流后送至交流测控屏和直流测量接口屏。GTDO的供电电源为24 V，开出的干节点须经开转继电器转化后进入直流系统测量接口屏，实现直流系统中断路器和隔离开关状态、换流变分接头位置状态的遥信显示以及换流阀指示脉冲返回等功能。GTDI接收直流系统测量接口屏开出的干节点，并串联24 V电源，作为RTDS的开入，实现直流系统断路器和隔离开关、换流变分接头升降的遥控以及换流阀触发脉冲生成等功能。

由于实际工程中换流阀阀控系统发出的触发命令是光信号，经晶闸管控制单元TCU接收后，转化为电信号驱动晶闸管。基于RTDS数模仿真平台构建的闭环仿真平台中，VBE发出的触发脉冲，经光电转换板转换为GTDI能够接受的电信号，送给一次系统模型中的换流阀。换流阀满足触发条件后返回一个指示脉冲，先经GTDO输出为电信号，后通过光电转换板转成光信号后送至VBE，如图5所示。

图5 触发脉冲和指示脉冲示意图

3 直流功率调制仿真试验

基于RTDS的闭环控制仿真平台，采用与实际工程一致的直流控制与保护装置，为研究直流输电系统的系统切换、启停控制、无功控制以及各类保护功能奠定了基础，能够较好地进行直流输电系统的稳态仿真分析和暂态仿真分析。

对于交流系统而言，直流输电系统相当于一个对频率不敏感的负荷，可能产生系统负阻尼，通常采用直流附加控制来提高交流系统的稳定性。直流功率调制是利用直流控制快速调节功能的一种附加控制，从直流输电两侧交流系统提取功率、频率等系统异常信号，实现互联系统在紧急状况下的两侧系统间紧急功率支援，从而提高交流系统的稳定水平。

PCS－9550直流控制保护系统频率控制器的原理如图6所示。两侧交流系统频率偏差经采样、频率控制死区和一个惯性环节后合成功率调制值，叠加在功率指令值上实现功率调制功能。

图6 频率控制器示意图

在RTDS闭环仿真平台上，通过SCADA后台选择双极功率控制模式，并起极至0.5 p.u.工况进行直流功率调制试验。对于整流站，将两站频率控制功能投入，在直流控制与保护软件中置数，模拟整流侧交流系统频率fR升高至50.5 Hz，即此时整流侧交流系统出现功率过剩，整流站极Ⅰ和极Ⅱ的功率、极母线电流和电压录波如图7；将频率置回50 Hz，则功率回落。由于整流侧频率偏高，经频率控制器实时计算需要调整的功率，自动提升直流输送功率，并限制在频率控制死区范围内。

图7 整流站频率控制试验录波图

对于逆变站，将两站频率控制功能投入，同样模拟逆变侧交流系统频率fI升高至50.5 Hz，可得逆变站录波如图8，可知由于逆变侧交流系统功率过剩，直流控制与保护系统经频率控制器调节后，自动降低直流输送功率水平。

图8 逆变站频率控制试验录波图

4 结束语

在RTDS实时数字仿真平台上，建立了±800 kV特高压直流输电控制保护系统闭环仿真测试平台。针对RTDS硬件升级和换流阀阀控系统接口特点，详细介绍了仿真平台各类I/O板卡和二次设备的接口形式。在RTDS闭环仿真平台上，以PCS－9550直流控制与保护系统的频率控制功能为例，开展了直流功率调制试验，仿真结果表明该附加控制能够根据系统频率变化自动提升或降低直流输送功率水平，保持交流系统的稳定性。

〔1〕赵畹君.高压直流输电工程技术〔M〕.北京:中国电力出版社，2011.

〔2〕陶瑜.直流输电控制保护系统分析及应用〔M〕.北京:中国电力出版社，2015.

〔3〕陶瑜，龙英，韩伟.高压直流输电控制保护技术的发展与现状〔J〕.高电压技术，2004，30(11):8-10.

〔4〕钟庆，张尧，杨金明，等.现代控制技术在高压直流输电系统中的应用及其发展〔J〕.继电器，2006，34(9):80-86.

〔5〕胡铭，田杰，曹冬名，等.特高压直流输电控制系统结构配置分析〔J〕.电力系统自动化，2008，32(24):88-91.

〔6〕张庆武，王永平，陈小军，等.特高压直流控制保护系统设计与开发〔J〕.电力系统自动化，2013，37(21):88-93.

〔7〕陈磊，张侃君，夏勇军，等.基于ADPSS的高压直流输电系统机电暂态－电磁暂态混合仿真研究〔J〕.电力系统保护与控制，2013，41(12):136-142.

〔8〕韩民晓，丁辉，陈修宇，等.高压直流输电系统电磁暂态建模〔J〕.电力系统及其自动化学报，2008，20(4):7-11.

〔9〕胡铭，卢宇，田杰，等.特高压直流输电系统物理动态仿真〔J〕.中国电机工程学报，2009，29(22):88-93.

〔10〕高鹏，胡铭，蔡滩，等.特高压直流输电系统实时闭环仿真建模〔J〕.中国电力，2010，43(1)；20-24.

〔11〕张云晓，李存军，蒲莹，等.特高压直流控制系统与阀控系统的接口及试验〔J〕.电力建设，2015，36(9)；78-82.

〔12〕RTDS Technologies.RTDS Hardware Manual〔M〕.Canada: RTDS Technologies，2009.

M odeling of±800 kV Jiuhu UHVDC Transm ission System Based on RTDS

GUO Siyuan，LIHui，XU Hao，WU Jinbo，OUYANG Fan，LIU Haifeng
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Power system simulation is an important way to study UHVDC transmission technology features and functions.In order to test the integrated secondary equipment for±800 kV UHVDC transmission project and study the interaction of AC/DC system，the RTDS real-time digital simulation platform is presented in this paper.By connecting all kinds of RTDS input/output interface card with DC control and protection device，converter valve control equipment and secondary equipment such as measuring interface screen，the control closed-loop simulation system is constituted.In view ofRTDShardware platform upgrade and interface characteristics of the converter valve control system，the interface mode between the simulation platform and various types of secondary equipment are introduced in detail，and the fiber enhanced backplane of PB5 processor is used to increase node calculate numbers of the RTDS rack.Based on RTDS closed-loop simulation platform，taking the additional control function of DC control and protection device for example，the DC powermodulation test is carried out.The simulation results verify the validity of frequency control function for the DC control and protection device.

UHVDC transmission system；RTDS；interfacemode；closed-loop simulation system；DC powermodulation

TM933

B

1008-0198(2017)03-0011-05

郭思源(1986)，男，博士，从事发电机励磁控制系统、高压直流输电自动控制技术研究。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.003

国网湖南省电力公司科技项目(5216A514003H)

2016-11-02 改回日期:2016-12-16

李辉(1983)，男，博士，从事主要研究方向为高压直流输电、电力系统继电保护及自动化技术。

徐浩(1987)，男，博士，主要研究方向为高压直流输电、电力系统继电保护及自动化技术。