CN104076693A - 一种柔性直流输电实时仿真系统及其仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电实时仿真系统及其仿真方法，柔性直流输电实时仿真系统包括实时仿真平台、A套装置及B套装置，A套装置包括A套阀控装置、A套阀控信号转换装置、A套换流阀控制装置、A套站控装置、A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置、集中录波装置，其中实时仿真平台通过A套阀控信号转换装置与A套阀控装置连接，A套阀控装置与A套换流阀控制装置连接，A套换流阀控制装置与A套站控装置连接，实时仿真平台通过信号接口屏分别与A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置连接及与集中录波装置连接；B套装置与A套装置的组成及各个装置的连接关系一样。本发明能精确模拟柔直系统的稳态和暂态特性。

Description

一种柔性直流输电实时仿真系统及其仿真方法

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电实时仿真系统及其仿真方法，尤其涉及基于模块化多电平换流器的柔性直流输电实时仿真系统及其仿真方法，属于柔性直流输电实时仿真系统及其仿真方法的创新技术。

背景技术

随着柔性直流输电技术的快速发展和工程化应用，基于模块化多电平换流器(MMC)构建高电压/大容量柔性直流输电系统已经成为了应用趋势。随着电压等级和容量的增加，模块化多电平换流器的桥臂级联功率模块数也越来越多，在级联模块数达数百个后，如何保证单元模块与控制保护装置构成的闭环系统能够在小步长及低延时下实时运行，成为研究超高电平数的MMC变流器实时仿真的关键技术之一。

目前常规特高压直流系统的实时仿真方法，是基于12脉动晶闸管全桥回路中的一个桥臂的所有功率器件触发信号相同，可以在实时仿真的建模中采用用单一的晶闸管器件等效方案进行仿真研究。

而基于MMC的柔性直流输电拓扑中单个桥臂内的各个功率模块触发信号均不相同，在微秒级的控制周期内要完成六桥臂数千个功率模块内电容电压及桥臂电流测量信息上送，以及接收阀控系统为每个换流功率模块提供的不同的控制和保护命令，现有的通过I/O口传输电气模拟量的方式已不适用于该种柔性直流输电换流器的实时仿真。

本发明针对基于MMC拓扑的大容量柔性直流输电系统，提出了一种实时仿真的配置方法，可以广泛适用于采用模块化多电平拓扑结构(MMC)的两端，多端及背靠背柔性直流输电系统。

发明内容

本发明的目的是提出一种柔性直流输电实时仿真系统，本发明实现在仿真平台与柔性直流输电控制保护系统连接时，每一个通讯周期内能在功率模块与阀控装置间交换数据，并能精确模拟柔直系统的稳态和暂态特性。

本发明的另一目的是提出一种柔性直流输电实时仿真系统的仿真方法，本发明操作简单，方便实用。

本发明提出的柔性直流输电实时仿真系统，包括有实时仿真平台、A套阀控装置、A套阀控信号转换装置、A套换流阀控制装置、A套站控装置、A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置、B套阀控装置、B套阀控信号转换装置、B套换流阀控制装置、B套站控装置、B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置、集中录波装置，其中实时仿真平台通过A套阀控信号转换装置与A套阀控装置连接，A套阀控装置与A套换流阀控制装置连接，A套换流阀控制装置与A套站控装置连接，实时仿真平台通过信号接口屏分别与A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置连接及与集中录波装置连接；同样，实时仿真平台通过B套阀控信号转换装置与B套阀控装置连接，B套阀控装置与B套换流阀控制装置连接，B套换流阀控制装置与B套站控装置连接，实时仿真平台通过信号接口屏分别与B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置连接及与集中录波装置连接。

上述A套站控装置、A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置均与站控SCADA连接；B套站控装置、B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置均与站控SCADA连接。

上述A套换流阀控制装置与B套换流阀控制装置连接，且A套换流阀控制装置及B套换流阀控制装置均与站控SCADA连接。

上述站控SCADA通过远动装置与集控SCADA连接。

上述A套换流阀控制装置与B套换流阀控制装置连接，且A套换流阀控制装置及B套换流阀控制装置与集中录波装置连接。

上述A套阀控信号转换装置及B套阀控信号转换装置与集中录波装置连接。

上述A套阀控信号转换装置及B套阀控信号转换装置与集中录波装置连接。

本发明柔性直流输电实时仿真系统的仿真方法，包括以下步骤：

(1)构建实时仿真平台与柔直控制保护系统和阀控系统的闭环仿真环境，并确定控制系统层级间功能划分；

(2)在实时仿真平台中完成系统建模和模块化多电平换流阀(MMC)等效仿真建模,把IGBT开关器件和续流二极管简化成可开关的R_on/R_off数值，将子模块电容离散化一个等效电流源并联一个R_c＝Δt/2C的电阻，获得每一桥臂的戴维宁等效电路；

(3)在实时仿真平台上实现柔直系统模型的运算资源分配,使得MMC模型运行于FPGA上，交流电网和直流场的模型运行在CPU上，CPU和FPGA之间每隔10μs～30μs交换一次数据；

(4)定义柔直系统合并单元传输的模拟量和数字量信号，由实时仿真平台通过专用接口屏将信号传送给控制保护系统各层级；

(5)通过基于数据链路层的Aurora快速通讯协议实现模块化多电平换流阀(MMC)与阀控系统的数据交换，在每隔10μs～30μs，阀控装置将换流阀每个桥臂的触发脉冲信号通过Aurora协议打包后，通过光纤传递给实时仿真系统，实时仿真系统将接收到的内容通过Aurora协议解码，传送给基于FPGA模型的柔直换流阀对应的桥臂，实现换流阀功率模块的状态监测及控制；

(6)实现一个桥臂内若干模块化多电平换流阀(MMC)子模块电压和桥臂电感电流的计算值同样实时地输出给阀控装置，阀控装置将接收到的内容通过Aurora协议解码，实现电容均压，环流抑制等控制及阀级控制保护功能，处理后的信号传递给换流器级控制和上层控制，从而实现闭环的仿真系统的稳态和暂态工况。

上述实时仿真平台是RT-LAB实时仿真平台。

上述步骤(3)MMC模型运行于FPGA上的仿真步长为250ns，交流电网和直流场的模型运行在CPU上的仿真步长为20μs，CPU和FPGA之间每20μs交换一次数据；上述步骤(5)在每隔20μs，阀控装置将换流阀每个桥臂的触发脉冲信号通过Aurora协议打包后，通过光纤传递给实时仿真系统。

通过本发明提出的柔性直流输电系统实时仿真系统及其仿真方法，在对柔直系统进行实时仿真测试时，可以实现柔直系统仿真模型在小步长下的分布式计算，从而对柔直系统的稳态和暂态特性进行详细研究及试验。

附图说明

图1是柔性直流输电实时仿真系统示意图(以单端为例)。

图2是柔直控制系统分层结构示意图。

图3是本发明提出的模块化多电平换流阀(MMC)等效仿真建模示意图。

图4是柔性直流输电系统MMC模型与阀控系统的数据交换示意图。

具体实施方式

本发明提出的柔性直流输电实时仿真系统，包括有实时仿真平台、A套阀控装置、A套阀控信号转换装置、A套换流阀控制装置、A套站控装置、A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置、B套阀控装置、B套阀控信号转换装置、B套换流阀控制装置、B套站控装置、B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置、集中录波装置，其中实时仿真平台通过A套阀控信号转换装置与A套阀控装置连接，A套阀控装置与A套换流阀控制装置连接，A套换流阀控制装置与A套站控装置连接，实时仿真平台通过信号接口屏分别与A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置连接及与集中录波装置连接；同样，实时仿真平台通过B套阀控信号转换装置与B套阀控装置连接，B套阀控装置与B套换流阀控制装置连接，B套换流阀控制装置与B套站控装置连接，实时仿真平台通过信号接口屏分别与B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置连接及与集中录波装置连接。

本实施例中，上述A套站控装置、A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置均与站控SCADA连接；B套站控装置、B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置均与站控SCADA连接。

此外，上述A套换流阀控制装置与B套换流阀控制装置连接，且A套换流阀控制装置及B套换流阀控制装置均与站控SCADA连接。上述站控SCADA通过远动装置与集控SCADA连接。

另外，上述A套换流阀控制装置与B套换流阀控制装置连接，且A套换流阀控制装置及B套换流阀控制装置与集中录波装置连接。上述A套阀控信号转换装置及B阀控信号转换装置与集中录波装置连接。上述A套阀控信号转换装置及B套阀控信号转换装置与集中录波装置连接。

本发明的柔性直流输电实时仿真系统的仿真方法，包括以下步骤：

(1)构建由RT-LAB实时仿真平台与柔直控制保护系统和阀控系统的闭环仿真环境，如图1所示。

(2)确定控制系统层级间功能划分，主要如下：

①站控SCADA系统，实现包括本站一次设备的操作、直流系统的启停、直流系统的运行/控制方式选择、直流系统的状态控制，以及故障和试验情况下的系统控制功能。以及监视包括系统运行值、设备状态、运行控制命令信号、事件和中央报警记录、趋势记录。以及接受来自集控SCADA系统的信号。

②远动装置从站控SCADA系统及LAN网上采集远动信息。

③A/B套直流测控装置，采用双冗余配置。通过信号接口屏实现RT-LAB模型中模拟量和开关量上送，完成就地显示控制功能。

④A/B交流测控装置，主要包括换流变测控、站用电测控、站辅助系统测控三个子系统，三个测控子系统均采用冗余系统配置方案。

⑤信号接口屏，即模拟量接口装置和开入开出扩展装置，实现与交直流测控装置，系统级，站级，换流器级控制保护的连接。

⑥A/B套站级控制装置和A/B套直流保护装置，完成系统及换流站级控制，以及直流系统的保护功能。每站配置两面屏柜，采用双冗余配置。

⑦A/B套换流器级控制保护装置，包含主控单元、通讯设备，完成换流阀控制的各项控制功能；完成对换流阀的监控功能；完成与站控，阀控，直流保护系统，主时钟系统的接口。以及分布式I/O，完成换流阀水冷系统所需要的模拟量及状态量的采集，并对其进行相应控制。

⑧A/B阀控装置，负责RT-LAB中MMC换流阀模型功率模块的触发、电容电压的均衡控制与监测，以及换流阀内部环流抑制等。具体如图2所示。同时，阀控系统通过信号转接屏，实现功率模块与阀控系统的通讯和数据交换。

⑨集中录波系统，单站配置一面，能够接入全站模拟量(数字式互感器、传统CT/PT)、重要的开关位置、保护动作信号、以及换流器控制保护系统和阀控系统的光纤通信。完成集中故障录波功能。

⑩站同步对时系统，每站的各配一套时钟同步系统。系统内配三台时钟同步装置，其中两台装置作主备时钟同步系统配置，每台装置都接入GPS信号和北斗信号；另外一台装置做时钟接口扩展，从另两台装置中各接入一路光纤时钟信号，在该装置中做主备时钟。三台装置再分别输出相应的对时信号给站内各系统。

(3)在RT-LAB仿真平台中进行柔性直流输电系统的建模，包括交流等值电网(含风电场)、交流断路器、连接变压器、启动电阻、阀电抗器、直流架空线路和电缆、直流侧及阀侧避雷器、直流电抗器，MMC换流阀等。并将复杂模型分成若干个子系统分配到仿真平台多个目标机进行分布式处理。

(4)进行模块化多电平换流阀(MMC)等效仿真建模。把IGBT等开关器件和续流二极管简化成可开关的R_on/R_off数值，将子模块电容离散化一个等效电流源并联一个R_c＝Δt/2C的电阻，并获得每一桥臂的戴维宁等效电路，减少成千上万个功率元件的非线性特性引入的巨大计算量，减轻仿真计算负担。如图3所示，具体如下：

以下计算式中，v_arm为桥臂电压，Y_arm为桥臂等效导纳，i_arm为桥臂电流。R_1i代表MMC半桥模块中IGBT上管等效阻抗，R_2i代表MMC半桥模块中IGBT下管等效阻抗，v_SMi，v_Ci，i_Ci分别表示桥臂N个级联模块中第i个模块的模块端口电压，模块电容电压以及流过电容电流。

第一步，获得桥臂电压并计算桥臂电流：

$i_{\mathrm{arm}}\left(t\right)=v_{\mathrm{arm}}\left(t\right)Y_{\mathrm{arm}}(t-\mathrm{\Δt})+i_{\mathrm{arm}}^h(t-\mathrm{\Δt})$

第二步，根据换流阀运行状态判断半桥模块中IGBT的等效数值，分三个状态：

①开通状态，上管导通下管关断

R_1i＝R_on,R_2i＝R_off

②关断状态，上管关断下管导通

R_1i＝R_off,R_2i＝R_on

③高阻状态，上下管均不导通

若i_arm(t)＞0_&&v_SMi(t-Δt)＞v_Ci(t-Δt)，

则R_1i＝R_on,R_2i＝R_off

若i_arm(t)＜0_&&v_SMi(t-Δt)＜v_Ci(t-Δt),

则R_1i＝R_off,R_2i＝R_on

其他情况，R_1i＝R_off,R_2i＝R_off

第三步，计算出桥臂中级联的每个功率模块的电压和电流：

$i_{\mathrm{Ci}}\left(t\right)=i_{\mathrm{arm}}\left(t\right)-\frac{v_{R_{2i}}}{R_{2i}}$

$v_{\mathrm{Ci}}\left(t\right)=(i_{\mathrm{Ci}}\left(t\right)-i_{\mathrm{Ci}}^h\left(t\right))R_C$

第四步，给出桥臂中级联的每个功率模块的戴维宁等效电路：

$R_{\mathrm{SM}}^i=\frac{R_{2i}(R_C+R_{1i})}{R_{2i}+R_{1i}+R_C}$

$v_{\mathrm{SMi}}^h(t-\mathrm{\Δt})=R_{\mathrm{SMi}}\left(t\right)\left(\frac{R_C}{R_C+R_{2i}}\right)i_{\mathrm{Ci}}^h(t-\mathrm{\Δt})$

第五步，计算桥臂中级联的每个功率模块电压：

$v_{\mathrm{SMi}}\left(t\right)=i_{\mathrm{arm}}\left(t\right)R_{\mathrm{SMi}}\left(t\right)+v_{\mathrm{SMi}}^h(t-\mathrm{\Δt})$

第六步，给出一个桥臂的诺顿等效电路：

$Y_{\mathrm{arm}}\left(t\right)=\frac{1}{\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{SMi}}\left(t\right)}$

$v_{\mathrm{arm}}^h(t-\mathrm{\Δt})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{SMi}}^h(t-\mathrm{\Δt})$

$i_{\mathrm{arm}}^h(t-\mathrm{\Δt})=-v_{\mathrm{arm}}^h(t-\mathrm{\Δt})Y_{\mathrm{arm}}\left(t\right)$

(5)在RT-LAB的仿真器上实现柔直系统模型的运算资源分配。使得MMC模型运行于FPGA上(仿真步长为250ns)，而除此之外的如交流电网和直流场的模型运行在CPU上(仿真步长为20μs，可更小)。CPU和FPGA之间每20μs交换一次数据。

(6)定义柔直系统合并单元传输的模拟量和数字量信号，由RT-LAB仿真平台通过专用接口屏将信号传送给控制保护系统各层级。

(7)通过基于数据链路层的Aurora快速通讯协议实现MMC模型与阀控系统的数据交换。通讯协议采用8b10b编码，通讯速率为2Gbps。在每20μs内，阀控装置将换流阀每个桥臂的触发脉冲信号通过Aurora协议打包后，通过光纤传递给实时仿真系统。实时仿真系统将接收到的内容通过Aurora协议解码，传送给基于FPGA模型的柔直换流阀对应的桥臂，实现换流阀功率模块的状态监测及控制。

阀控装置在每一个通讯周期内，按照表1，表2中数据格式下发控制字给RT-LAB仿真平台。

表1阀控系统下发MMC模型的数据格式

表2数据格式中子模块控制字定义

(8)同时，一个桥臂内若干MMC子模块电压和桥臂电感电流的计算值将被实时地输出给阀控装置。阀控装置将接收到的内容通过Aurora协议解码，实现电容均压，环流抑制等控制及阀级控制保护功能，处理后的信号传递给换流器级控制和上层控制，从而实现闭环的仿真系统的稳态和暂态工况。如图4所示。

其中MMC模型上送阀控系统的数据通信帧格式如表3所示。

表3MMC模型上送阀控系统的数据格式

通过使用FPGA来解算MMC，采用250ns的步长，考虑数模转换(D/A)卡的刷新时间为1μs，则总的延迟仅为1.25μs，在每一个仿真步长内，这样的延迟情况下相较仿真步长全部在μs级以上的仿真模型，可以消除更多由步长较大所引起的仿真误差问题。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电实时仿真系统，包括有实时仿真平台、A套阀控装置、A套阀控信号转换装置、A套换流阀控制装置、A套站控装置、A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置、B套阀控装置、B套阀控信号转换装置、B套换流阀控制装置、B套站控装置、B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置、集中录波装置，其中实时仿真平台通过A套阀控信号转换装置与A套阀控装置连接，A套阀控装置与A套换流阀控制装置连接，A套换流阀控制装置与A套站控装置连接，实时仿真平台通过信号接口屏分别与A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置连接及与集中录波装置连接；同样，实时仿真平台通过B套阀控信号转换装置与B套阀控装置连接，B套阀控装置与B套换流阀控制装置连接，B套换流阀控制装置与B套站控装置连接，实时仿真平台通过信号接口屏分别与B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置连接及与集中录波装置连接。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电实时仿真系统，其特征在于上述A套站控装置、A套直流保护装置、A套直流测控装置、A套交流测控装置均与站控SCADA连接；B套站控装置、B套直流保护装置、B套直流测控装置、B套交流测控装置均与站控SCADA连接。

3.根据权利要求2所述的柔性直流输电实时仿真系统，其特征在于上述A套换流阀控制装置与B套换流阀控制装置连接，且A套换流阀控制装置及B套换流阀控制装置均与站控SCADA连接。

4.根据权利要求3所述的柔性直流输电实时仿真系统，其特征在于上述站控SCADA通过远动装置与集控SCADA连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的柔性直流输电实时仿真系统，其特征在于上述A套换流阀控制装置与B套换流阀控制装置连接，且A套换流阀控制装置及B套换流阀控制装置与集中录波装置连接。

6.根据权利要求5所述的柔性直流输电实时仿真系统，其特征在于上述A套阀控信号转换装置及B套阀控信号转换装置与集中录波装置连接。

7.根据权利要求5所述的柔性直流输电实时仿真系统，其特征在于上述A套阀控信号转换装置及B套阀控信号转换装置与集中录波装置连接。

8.一种柔性直流输电实时仿真系统的仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构建实时仿真平台与柔直控制保护系统和阀控系统的闭环仿真环境，并确定控制系统层级间功能划分；

(2)在实时仿真平台中完成系统建模和模块化多电平换流阀(MMC)等效仿真建模,把IGBT开关器件和续流二极管简化成可开关的R_on/R_off数值，将子模块电容离散化一个等效电流源并联一个R_c＝Δt/2C的电阻，获得每一桥臂的戴维宁等效电路；

(3)在实时仿真平台上实现柔直系统模型的运算资源分配,使得MMC模型运行于FPGA上，交流电网和直流场的模型运行在CPU上，CPU和FPGA之间每隔10μs～30μs交换一次数据；

(4)定义柔直系统合并单元传输的模拟量和数字量信号，由实时仿真平台通过专用接口屏将信号传送给控制保护系统各层级；

(5)通过基于数据链路层的Aurora快速通讯协议实现模块化多电平换流阀(MMC)与阀控系统的数据交换，在每隔10μs～30μs，阀控装置将换流阀每个桥臂的触发脉冲信号通过Aurora协议打包后，通过光纤传递给实时仿真系统，实时仿真系统将接收到的内容通过Aurora协议解码，传送给基于FPGA模型的柔直换流阀对应的桥臂，实现换流阀功率模块的状态监测及控制；

(6)实现一个桥臂内若干模块化多电平换流阀(MMC)子模块电压和桥臂电感电流的计算值同样实时地输出给阀控装置，阀控装置将接收到的内容通过Aurora协议解码，实现电容均压，环流抑制等控制及阀级控制保护功能，处理后的信号传递给换流器级控制和上层控制，从而实现闭环的仿真系统的稳态和暂态工况。

9.根据权利要求8所述的柔性直流输电实时仿真系统的仿真方法，其特征在于上述实时仿真平台是RT-LAB实时仿真平台。

10.根据权利要求9所述的柔性直流输电实时仿真系统的仿真方法，其特征在于上述步骤(3)MMC模型运行于FPGA上的仿真步长为250ns，交流电网和直流场的模型运行在CPU上的仿真步长为20μs，CPU和FPGA之间每20μs交换一次数据；上述步骤(5)在每隔20μs，阀控装置将换流阀每个桥臂的触发脉冲信号通过Aurora协议打包后，通过光纤传递给实时仿真系统。