CN103294846A - 特高压直流输电工程控制保护系统电磁暂态仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压直流输电工程控制保护系统电磁暂态仿真建模方法，所述方法包括如下步骤：A、计算时序；B、编写模块；C、调用模块；D、触发脉冲控制；E、建立一次系统模型；F、进行波形对比。与现有技术相比，本发明建立的基于PSCAD/EMTDC的特高压直流控制保护系统详细电磁暂态仿真模型，与实际工程控制保护系统的逻辑完全一致，仿真结果与实际录波曲线一致，能在基于windows操作系统的计算机上直接运行，模型修改方便灵活，能应用在特高压直流输电工程的规划、设计、建设过程中，为系统调试和实际运行提供快速准确的技术支持。

Description

特高压直流输电工程控制保护系统电磁暂态仿真建模方法

技术领域

本发明属于直流输电领域，具体涉及一种特高压直流输电工程控制保护系统电磁暂态仿真建模方法。

背景技术

随着我国特高压直流输电的快速发展和交直流联网的出现，需要对不同条件下接入系统交直流的相互影响进行更深入的研究，电磁暂态仿真是必不可少的手段之一。目前针对直流输电的电磁暂态仿真研究基本上均基于CIRGE标准测试模型，其控制方式简单，仿真结果与实际工程差距较大。由于特高压直流工程控制保护系统的复杂性，要准确地研究特高压直流输电的动态行为和分析故障特性，进行直流保护定值校核，研究交直流系统的相互影响，就必须建立详细、准确、与实际特性一致的控制保护系统电磁暂态仿真模型。

为了能真实反映直流系统稳态和动态响应特性，特高压直流输电工程仿真一般采用实际的控制保护装置连接物理模型或RTDS的方式。采用物理模型+实际控制保护装置的方案，物理模型建模投资高、耗时长、难度大，物理的器件易损坏，查找问题时比较繁琐；采用RTDS+实际控制保护装置，同样投资大、建模耗时长，接口设备多。由于需要用到实际控制保护设备，占地面积大，且只能在实验室进行仿真试验。为了提高实时仿真设备的利用率，一般不会针对某一个工程一直处于待用状态，而是用作其它研究工作，对于分析直流工程运行中的突发问题，需要临时建模，又会花费大量时间和精力，对问题的处理不具备时效性。

目前特高压直流输电电磁暂态仿真一般采用HVDC_Cigre_Benchmark测试模型中的控制系统，该系统只包含基本的整流侧定电流、逆变侧定关断角和低压限流等控制环节。而特高压直流输电工程的控制系统相当复杂，采用分层结构，包括双极控制层，极控制层和换流器控制层，每个控制层都由大量的控制环节组成，Cigre测试模型控制系统根本无法反映其控制特性，仿真结果也存在较大差别，难以为特高压直流工程的建设和运行提供有力的技术支持。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明直接将特高压直流实际控制保护逻辑建立在电磁暂态仿真平台PSCAD/EMTDC上进行计算，并提出了仿真建模过程中关键技术环节的处理方法，完成的仿真模型能在基于windows操作系统的计算机上直接运行，且修改方便，能进行快速、及时、准确的仿真计算。

PSCAD是以图形为基础的电力系统模拟工具族，EMTDC是一套基于软件的电磁暂态模拟程序，可以通过PSCAD进行调用。用户可以通过调用随EMTDC主程序一起提供的库程序模块或利用用户自己开发的元部件模型有效地组装任何可以想象出的电力系统模型和结构。EMTDC可以较为简单地模拟复杂电力系统，包括直流输电系统和其相关的控制系统。

PSCAD提供的示例模型中包括HVDC_Cigre_Benchmark模型，是一个单极两端500kV直流输电系统模型，控制系统采用基本的整流侧定电流和逆变侧定关断角的控制方式。目前利用PSCAD/EMTDC进行高压直流输电电磁暂态仿真研究基本上都采用此模型的控制器，包括常规±500kV及特高压±800kV直流输电研究。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种特高压直流输电工程控制保护系统电磁暂态仿真建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、计算时序；

B、编写模块；

C、调用模块；

D、触发脉冲控制；

E、建立一次系统模型；

F、进行波形对比。

优选的，步骤F中，通过与实际工程对比，修正模型，用于确保模型准确性。

优选的，步骤A所述计算时序的方式为分时触发并行计算。

优选的，步骤B所述编写模块是指通过编辑基本功能模块和特殊功能模块形成EMTDC的模块库。

优选的，步骤B所述编写特殊功能模块时，根据控制基本原理和实际录波曲线对所述模块库中的特殊功能模块编写控制逻辑。

优选的，步骤C所述调用模块是指在相应位置直接调用模块库中的功能模块。

优选的，步骤D所述触发脉冲控制包括：

在PCP控制层计算得出换流器的触发角指令；

下达所述指令至CCP控制层，计算出触发时间并下达至FPGA中产生触发脉冲序列。

优选的，建立系统模型为根据一次系统参数建立一次系统模型。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明建立的基于PSCAD/EMTDC的特高压直流控制保护系统详细电磁暂态仿真模型，与实际工程控制保护系统的逻辑完全一致，仿真结果与实际录波曲线一致，能在基于windows操作系统的计算机上直接运行，模型修改方便灵活，能应用在特高压直流输电工程的规划、设计、建设过程中，为系统调试和实际运行提供快速准确的技术支持。

附图说明

图1为本发明提供的特高压直流控制保护系统结构。

图2为本发明提供的分时触发并行计算原理图。

图3为本发明提供的触发脉冲控制原理图。

图4为本发明提供实际录波与仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1为特高压换流站的换流器主接线和控制保护系统分层，每个晶闸管图标代表一个6脉动换流器，极1的CV11和CV12分别表示高压侧和低压侧的12脉动换流器组，分别由换流器控制层CCP11和CCP12进行直接控制，各自独立完成换流器投退控制、触发控制、换流变分接头控制和换流器顺序控制等；每极由一个极控层PCP完成电流/电压调节器控制、功率/电流模式控制和极顺序控制等控制功能，并完成两个CCP之间相关模拟量和数字量的通信交换、向CCP下达控制指令等；最高一层为双极控制层BCP，完成双极功率控制、无功/交流滤波器控制以及潮流正反送和主控站选择等模式控制，并实现极1PCP和极2PCP之间相关数据的交换。具体的，

1、实际直流控制保护系统是由CCP、PCP和BCP组成的分层结构，每个控制层的控制逻辑又是由许多应用（Application）组成，分别完成不同的大类控制功能，如PCP中的PCC主要进行电压/电流调节器控制，PPC主要进行功率/电流指令计算，CCP中的TCC完成分接头控制等。每个Application又是由多个子任务程序TASK组成，如PCC中有电流调节器的TASK，最大触发角控制AMAX的TASK，每个TASK完成特定的计算和处理，再通过TASK之间的数据交换和共享，最终完成Application的控制。

在实际控制保护系统中，每一个TASK都有其固定的计算步长，如电流调节器的TASK计算周期是1ms，而完成功率\电流控制指令计算的几个TASK均为6ms；每个控制层都是由主机程序的Application和板卡程序的Application两部分组成，其中主机程序执行周期是毫秒级的，而板卡程序执行周期是微秒级的，如计算换相电压的TASK执行周期就是50μs。可见，实际控制系统的计算时序相当复杂。

2、实际控制保护的程序逻辑相当复杂，总体来说由两类功能模块组成，分别是基本功能模块和特殊功能模块。基本功能模块包括与、或等逻辑模块，加减等模拟量计算模块以及选择器、数据传送模块等，特殊功能模块包括换流器起动/投入控制模块、低压限流(VDCOL)功能模块等，它们均为多输入多输出，内部包含复杂的计算逻辑，实现特殊功能。

3、换流器的触发角指令在PCP控制层计算得出，然后下达至所属的两个CCP控制层，分别通过起动控制(SCA)特殊功能模块进行处理，得到每个12脉动换流器的最终触发角指令，再根据相关条件计算出触发时间并下达至FPGA中产生触发脉冲序列。

对应的，本实施例提出的一种特高压直流输电工程控制保护系统电磁暂态仿真建模方法，其步骤包括：

第一步、计算时序及同步；

为了在仿真中实现与实际控制保护系统一致的计算时序，建模过程也引入了分TASK建立子模块的理念，每个TASK分配独立的计算周期，并编写了计算时序分配程序以完成分时触发并行计算功能，以EMTDC的计算时间为基准时间轴运行程序，在每个TASK计算周期到来时进行一次该TASK的数据采入、内部计算和数据输出。

如图2所示，六边形代表TASK，其中A、B、C表示计算周期不同的三个TASK，计算周期分别为1ms、2ms和6ms，时间轴单位为ms，由计算时序分配程序根据时间轴分别触发达到计算点的TASK，每一个计算点的几个TASK均进行无先后顺序的并行计算。比如1ms时刻A执行一次计算，2ms时A和B均各自执行一次计算，依次类推，到6ms时A、B、C均各执行一次计算…。主机程序和板卡程序均按照此方法进行计算，通过分时触发并行计算，做到与实际系统基本一致的时序和同步。

第二步、模块编程与调用

本实施例首先编写实际控制保护逻辑中有用到，但PSCAD中不存在的基本功能模块的程序，形成EMTDC的基本模块库。

在依照实际控制逻辑进行建模的过程中，在相应位置直接调用模块库中的基本功能模块，从而实现与实际程序一致的逻辑。而对于特殊功能模块，其内部计算逻辑相对复杂，每一个特殊功能模块都需要根据其控制基本原理和实际录波曲线编写控制逻辑，再对模块的输入输出响应不断地进行测试，保证其准确性，然后嵌入整体控制逻辑中。

以低压限流(VDCOL)功能模块为例，其输入为直流电流参考值、直流电压测量值、直流电压上/下限值、最小电流限值、降压运行状态信号、高/低端换流器解锁信号等，输出为直流电流指令值。基本控制原理为：采入直流电压测量值进行计算，随着直流电压上升或下降，限值直流电流指令值的上限。以基本原理为基础编写控制逻辑，进行输入输出响应测试，在与实际录波曲线对比的基础上，对控制逻辑进行相应修改，直至与实际响应完全拟合，从而完成这一特殊功能模块的建模工作。

第三步、触发脉冲控制

如图3所示，CCP板卡程序接收PCP下达的触发角指令值，由内部的SCA特殊功能模块计算得到最终触发角，并综合考虑与锁相控制等环节相关的过程逻辑，得到两次触发脉冲的间隔时间；由EMTDC的时间轴以及之前得到的触发时间间隔，经触发指令处理程序，确定下一次触发指令为正常触发、紧急触发或者Umin触发等，并输出触发指令信号进入阀选择逻辑；阀选择逻辑根据上一次导通的阀号及触发指令类型，选择下一次导通的阀号，再由阀状态选择逻辑，向相应阀输出高电平作为触发脉冲，对于每个6脉动换流器，输出共有6种可能状态，图中标记圆点的代表最低位，即1阀的状态位。通过这种方式，实现触发脉冲控制功能。

第四步、模型准确性验证

完成特高压实际控制保护系统详细仿真建模之后，再根据实际系统参数建立一次系统模型，通过大量的仿真测试与实际波形进行对比，不断修正模型，保证了模型的准确性。以特高压直流工程特有的单个十二脉动换流器在线退出试验为例进行说明，将仿真结果与实际系统的录波图做比较。

仿真条件与实际录波时的运行状态一致：极I双12脉动换流器运行，联合控制模式，定功率控制方式，功率正送，电流为400A，输送功率320MW；极II双12脉动换流器运行，联合控制模式，双极功率控制方式，定值800MW，功率正送，电流为600A，输送功率480MW。根据上述数据，本实施例的整流站极1高端换流器紧急停运时整流站极1、极2的实测波形和仿真波形如图4所示。

如图4所示，从上至下分别为直流电压、直流电流、触发角、闭锁指令、解锁指令。对比两图可见：当极1高端换流器闭锁之后，仿真与实际的直流电压均瞬间跌至650kV左右；均为200ms左右的时间降至400kV；实际录波中，直流电流回升时的过冲为1026A，仿真为1098A；实际录波中，极1功率恢复到极2功率调整的时间为730ms，仿真为705ms；触发角在故障过程中均上升至102°。根据波形及以上的数据对比，认为仿真结果与实际情况基本一致，验证了本方法所建立的控制保护系统模型的准确性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种特高压直流输电工程控制保护系统电磁暂态仿真建模方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、计算时序；

B、编写模块；

C、调用模块；

D、触发脉冲控制；

E、建立一次系统模型；

F、进行波形对比。

2.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤F中，通过与实际工程对比，修正模型，用于确保模型准确性。

3.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤A所述计算时序的方式为分时触发并行计算。

4.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤B所述编写模块是指通过编辑基本功能模块和特殊功能模块形成EMTDC的模块库。

5.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤B所述编写特殊功能模块时，根据控制基本原理和实际录波曲线对所述模块库中的特殊功能模块编写控制逻辑。

6.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤C所述调用模块是指在相应位置直接调用模块库中的功能模块。

7.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，步骤D所述触发脉冲控制包括：

在PCP控制层计算得出换流器的触发角指令；

下达所述指令至CCP控制层，计算出触发时间并下达至FPGA中产生触发脉冲序列。

8.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，建立一次系统模型为根据系统参数建立一次系统模型。

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