CN103956764A - 一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统 - Google Patents

一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，包括控制保护系统、阀基电子柜、模拟回报柜、换流阀柜、RTDS接口装置和实时数据仿真系统；控制保护系统发出12路触发信号给阀基电子柜，阀基电子柜通过模拟回报柜将TTM板单双脉冲驱动信号发送给换流阀柜，RTDS接口装置发出的脉动换流阀的端电压信号给换流阀柜，并给换流阀柜内部的TTM板供电。本发明使用RTDS模拟电力系统的运行，使用换流阀柜模拟换流阀，通过模拟回报柜实现换流阀晶闸管级数的扩展，从而令高压直流输电换流阀塔等效缩小到4台标准电气屏柜的尺寸，可以在计算机仿真实验室进行仿真测试，实现对阀基电子设备和TTM的性能验证及直流输电控制策略和方法的试验验证。

Description

一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统
技术领域
本发明涉及一种试验系统，具体讲涉及一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统。
背景技术
高压直流输电技术被用于通过架空线和海底电缆远距离输送电能；同时在一些不适于用传统交流联接的场合，它也被用于独立电力系统间的联接。世界上第一条商业化的高压直流输电线路1954年诞生于瑞典，用于连接瑞典本土和哥特兰岛，由阿西亚公司(ASEA，今ABB集团)完成。
在一个高压直流输电系统中，电能从三相交流电网的一点导出，在换流站转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。
高压直流输电用于远距离或超远距离输电，因为它相对传统的交流输电更经济。
应用高压直流输电系统，电能等级和方向均能得到快速精确的控制，这种性能可提高它所连接的交流电网性能和效率，直流输电系统已经被普遍应用。
高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线组成，两个换流站与两端的交流系统相连接。
直流输电线造价低于交流输电线路但换流站造价却比交流变电站高得多。一般认为架空线路超过600-800km，电缆线路超过40-60km直流输电较交流输电经济。随着高电压大容量可控硅及控制保护技术的发展，换流设备造价逐渐降低直流输电近年来发展较快。我国葛洲坝一上海1100km、±500kV，输送容量的直流输电工程，已经建成并投入运行。此外，全长超过2000公里的向家坝-上海直流输电工程也已经完成，予2010年7月8日投入运行。该线路是目前(截至2011年初)世界上距离最长的高压直流输电项目。
高压直流输电设备包括换流器、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。
换流器又称换流阀是换流站的关键设备，其功能是实现整流和逆变。目前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管)组成三相桥式整流作为基本单元，称为换流桥。一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流、直流变交流的功能。
换流器在整流和逆变过程中将要产生5、7、11、13、17、19等多次谐波。为了减少各次谐波进入交流系统在换流站交流母线上要装设滤波器。它由电抗线圈、电容器和小电阻3种设备串联组成通过调谐的参数配合可滤掉多次谐波。一般在换流站的交流侧母线装有5、7、11、13次谐波滤波器组。
单极又分为一线一地和单极两线的方式。直流输电一般采用双极线路，当换流器有一极退出运行时，直流系统可按单极两线运行，但输送功率要减少一半。
2009年，瑞士ABB集团与西班牙Abengoa集团合作，开始建设连接巴西西北部两座新建水电站和巴西经济中心圣保罗的2500公里高压直流输电线路。该线路竣工后将成为世界最长的高压直流输电线路。
现有技术中的高压直流输电工程在投运前进行的电力系统RTDS是没有接入实际的晶闸管级和模拟回报这一环节的，通常的测试接线是由VBE、RTDS、直流输电控制保护系统三部分组成，而阀侧的仿真是通过在VBE内修改软件实现的，不能准确地反应TTM板(晶闸管触发监测板)、晶闸管级对于控制保护指令和触发脉冲的动作响应情况，尤其无法反映晶闸管级在控制信号异常时的动作情况，不能有效模拟单阀失效等阀侧故障。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，通过对换流阀塔的等效缩小，使用RTDS来模拟电力系统的运行，使用换流阀柜模拟换流阀，通过模拟回报柜实现换流阀晶闸管级数的扩展，从而令高压直流输电换流阀塔等效缩小到4台标准电气屏柜的尺寸，使用者可以在计算机仿真实验室进行仿真测试，并可实现对阀基电子设备(VBE)和TTM的性能验证及直流输电控制策略和方法的试验验证。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，所述系统包括控制保护系统、阀基电子柜、模拟回报柜、换流阀柜、RTDS接口装置和实时数据仿真系统(Real TimeDigital System，RTDS)；所述控制保护系统发出12路触发信号给所述阀基电子柜，所述阀基电子柜通过模拟回报柜将TTM板单双脉冲驱动信号发送给所述换流阀柜，所述RTDS接口装置接收实时数据仿真系统发出指令信号同时发出12脉动端电压信号给所述换流阀柜，并给换流阀柜内部的TTM板供电。
所述控制保护系统发出阀基电子柜所需的12路触发信号的同时，接收阀基电子设备回报的12路硬接点信号和Profibus信号。
所述阀基电子柜将控制保护系统发出12路触发信号转换为模拟回报柜需要的864路TTM板单双脉冲驱动信号，并将864路TTM板单双脉冲驱动信号发送给模拟回报柜，同时还接收模拟回报柜回报的864路回报脉冲信号。
所述模拟回报柜接收阀基电子柜发送的864路TTM板单双脉冲驱动信号，并产生阀基电子柜所需的864路回报脉冲信号，同时发出12路TTM板单双脉冲驱动信号给换流阀柜。
所述模拟回报柜模拟计算机仿真试验所需的换流阀故障，故障包括光纤断线、晶闸管级损坏、过电压保护动作。
所述RTDS接口装置发出12脉动端电压信号给所述换流阀柜，并通过12脉动换流阀内部的阻尼回路给TTM板供电，令其可以正常工作。
所述换流阀柜包括12脉动换流阀，12脉动换流阀包括12台换流阀，每台换流阀包括1个晶闸管级，每个晶闸管级包括阻尼回路、晶闸管和TTM板。
所述RTDS接口装置接收实时数据仿真系统发出的指令信号，产生仿真试验需要的12脉动换流阀的端电压波形。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的计算机仿真试验系统能够完整地验证换流阀控系统二次设备VBE和TTM功能；
(2)本发明所引入的换流阀柜阻尼板部分的参数是通过实际阀阻尼回路物理参数等效折算得到的，可以在试验中进行调整，从而可以获得最优参数，可以反向折算出阀的阻尼数据，从而可以为换流阀的设计提供指导；
(3)本发明提供的计算机仿真试验系统采用双系统冗余设计，可以在试验中模拟各种单系统故障以验证热备份系统的响应特性，从而可以为在设备实际工作中可能出现的各种紧急情况下(如单系统损坏)进行系统切换提供依据和保证；
(4)本发明提供计算机仿真试验系统的内部同时使用光信号和电信号两种方式进行数据交换，最大程度上模拟了设备实际运行状态下的电气接线，从而可以对接线方式、物理介质属性所造成的工程实际情况与仿真试验之间的差异进行消除，从而确保试验的逼真性和试验数据的可用性。
附图说明
图1是本发明实施例中用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统框图；
图2是本发明实施例中单级12脉动整流器的简化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种新型的用于高压直流输电设备的计算机仿真试验装置，是为满足高压直流输电设备的VBE与TTM进行RTDS(实时数字仿真)试验而设计的，其主要功能是模拟实际高压直流输电换流阀的触发与监测系统和晶闸管级的运行状态。由于实际高压直流输电主设备换流阀塔体积庞大，12脉动换流阀塔涉及的晶闸管级非常多，实际物理尺寸达到几十米高，运行电压高达几百千伏，设备投资极高，只有在换流站建成后才能进行测试验证。本发明的试验装置通过对换流阀塔的等效缩小，使用RTDS来模拟电力系统的运行，使用换流阀柜模拟换流阀，通过模拟回报柜实现换流阀晶闸管级数的扩展，从而令高压直流输电换流阀塔等效缩小到只有4台标准电气屏柜的尺寸，使用者可以在计算机仿真实验室进行仿真测试，并可实现对VBE和TTM的性能验证及直流输电控制策略和方法的试验验证。
本发明提供一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述系统包括控制保护系统、阀基电子柜、模拟回报柜、换流阀柜、RTDS接口装置和实时数据仿真系统(Real Time Digital System，RTDS)；所述控制保护系统发出12路触发信号给所述阀基电子柜，所述阀基电子柜通过模拟回报柜将TTM板单双脉冲驱动信号发送给所述换流阀柜，所述RTDS接口装置接收实时数据仿真系统发出指令信号同时发出12脉动端电压信号给所述换流阀柜，并给换流阀柜内部的TTM板供电。
所述控制保护系统发出阀基电子柜所需的12路触发信号的同时，接收阀基电子设备回报的12路硬接点信号和Profibus信号。
所述阀基电子柜将控制保护系统发出12路触发信号转换为模拟回报柜需要的864路TTM板单双脉冲驱动信号，并将864路TTM板单双脉冲驱动信号发送给模拟回报柜，同时还接收模拟回报柜回报的864路回报脉冲信号。
所述模拟回报柜接收阀基电子柜发送的864路TTM板单双脉冲驱动信号，并产生阀基电子柜所需的864路回报脉冲信号，同时发出12路TTM板单双脉冲驱动信号给换流阀柜。
所述模拟回报柜模拟计算机仿真试验所需的换流阀故障，故障包括光纤断线、晶闸管级损坏、过电压保护动作。
所述RTDS接口装置发出的12脉动换流阀的端电压信号给所述换流阀柜，并通过12脉动换流阀内部的阻尼回路给TTM板供电，令其可以正常工作。
所述换流阀柜包括12脉动换流阀，如图2，12脉动换流阀包括12台换流阀，每台换流阀包括1个晶闸管级，每个晶闸管级包括阻尼回路、晶闸管和TTM板。
所述RTDS接口装置接收实时数据仿真系统发出的指令信号，产生仿真试验需要的12脉动换流阀的端电压波形。
本发明通过在VBE与RTDS中间使用模拟回报柜、换流阀柜和RTDS接口装置(如图1所示)构成物理闭环试验系统，因此可以准确有效地对阀侧各种故障情况进行仿真，模拟包括单阀失效、晶闸管级失效、丢触发脉冲等各类阀侧故障，并可使用示波器对阀电压、TTM板信号、阻尼板信号等各种电气量进行观测，还可以模拟各种电磁干扰对系统的运行影响，从而就对直流工程的成功建设提供更加充分的仿真试验数据。
VBE将晶闸管级的触发和监测脉冲通过模拟回报机箱发送给晶闸管级，晶闸管级的监测信号通过模拟回报机箱发送给VBE。每个晶闸管级TTM产生的触发脉冲发送给RTDS接口装置，然后传给RTDS作为晶闸管的触发信号。
试验过程中由若干晶闸管组成1个单阀(晶闸管在RTDS设备中模拟，仅需提供TTM板和外围电路)。VBE接收到控制保护系统发来的触发命令后，发出光信号触发脉冲给相应的TTM，TTM则发出尖峰脉冲触发晶闸管，RTDS接口装置将TTM发出的脉冲转换为所需的电信号发送到RTDS的GTDI板卡上。RTDS则将实时仿真的晶闸管级电压放大后施加在晶闸管级，供TTM取能和监测晶闸管级电压，TTM通过此电压值判断晶闸管状态，从而回报取能正常、FOP动作、晶闸管级故障等信号，验证VBE功能。除此之外，VBE与控制保护系统，控制保护系统与RTDS完全按照实际工程接线方式进行接线，控制保护设备与VBE采用PROFIBUS总线方式进行报文通信。
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)

1.一种用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述系统包括控制保护系统、阀基电子柜、模拟回报柜、换流阀柜、RTDS接口装置和实时数据仿真系统；所述控制保护系统发出12路触发信号给所述阀基电子柜，所述阀基电子柜通过模拟回报柜将TTM板单双脉冲驱动信号发送给所述换流阀柜，所述RTDS接口装置接收实时数据仿真系统发出指令信号的同时发出12脉动端电压信号给所述换流阀柜，并给换流阀柜内部的TTM板供电。
2.根据权利要求1所述的用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述控制保护系统发出阀基电子柜所需的12路触发信号的同时，接收阀基电子设备回报的12路硬接点信号和Profibus信号。
3.根据权利要求1所述的用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述阀基电子柜将控制保护系统发出12路触发信号转换为模拟回报柜需要的864路TTM板单双脉冲驱动信号，并将864路TTM板单双脉冲驱动信号发送给模拟回报柜，同时还接收模拟回报柜回报的864路回报脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述模拟回报柜接收阀基电子柜发送的864路TTM板单双脉冲驱动信号，并产生阀基电子柜所需的864路回报脉冲信号，同时发出12路TTM板单双脉冲驱动信号给换流阀柜。
5.根据权利要求4所述的用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述模拟回报柜模拟计算机仿真试验所需的换流阀故障，故障包括光纤断线、晶闸管级损坏、过电压保护动作。
6.根据权利要求1所述的用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述RTDS接口装置发出12脉动端电压信号给所述换流阀柜，并通过12脉动换流阀内部的阻尼回路给TTM板供电，令其可以正常工作。
7.根据权利要求1所述的用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述换流阀柜包括12脉动换流阀，12脉动换流阀包括12台换流阀，每台换流阀包括1个晶闸管级，每个晶闸管级包括阻尼回路、晶闸管和TTM板。
8.根据权利要求1所述的用于高压直流输电设备的计算机仿真试验系统，其特征在于：所述RTDS接口装置接收实时数据仿真系统发出的指令信号，产生仿真试验需要的12脉动换流阀的端电压波形。
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