CN104133377A - 基于adpss的svc控制器闭环检测平台及自定义建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于ADPSS的SVC控制器闭环检测平台，包括工作终端、计算单元、物理接口装置、功率放大器、SVC控制器和录波器，所述工作终端与计算单元之间以及计算单元与物理接口装置之间均通过以太网连接，所述物理接口装置将各滤波支路开关位置信号传输给SVC控制器，SVC控制器将TCR支路晶闸管投切控制量和各滤波支路的开关投切信号传输给物理接口装置。本发明采用上述结构，能够克服了以往混合仿真方式受仿真规模限制的缺点，为交直流混联大电网下校验SVC动态性能和功能完整性提供了很好的试验平台和试验手段，为现场实施提供指导意见，为SVC装置能够在实际电网中安全稳定运行打下坚实的基础。

Description

基于ADPSS的SVC控制器闭环检测平台及自定义建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真领域，具体是基于ADPSS的SVC控制器闭环检测平台及自定义建模方法。

背景技术

随着电力系统的发展，电力系统的稳定性已成为人们关注的主要问题。为了提高电力系统的输电能力，一般通过安装静止型动态无功补偿装置SVC来提高电压稳定性。SVC一般由TCR和各次谐波的滤波支路构成，通过控制TCR中晶闸管的开通角度来改变阻抗特性，提供可调的感性无功功率，通过控制各滤波支路的开关提供不同容量的容性无功功率。尤其是随着特高压电网的不断建设，特高压交流输电线路的充电功率大，无功功率随着输送有功功率变动大，无功分层、电压控制难度大。在特高压交流输电通道上安装大容量SVC装置，有助于在故障下紧急释放储备的无功功率，增强电网电压支撑能力，提高输送容量和暂态稳定极限，有效阻尼功率振荡。

在实际SVC工程项目实施之前，系统规划、控制策略设计和整体装置测试是基本的先决条件。在规划和设计阶段主要通过非实时计算机仿真软件如PSASP、MATLAB等进行仿真计算，而完整地实施SVC项目还需要在设备安装、投运之前利用仿真系统对所设计的实际设备进行闭环测试，考核控制器的动态特性，以验证其控制和保护系统的性能是否满足设计要求。

从国际上的研究趋势来看，目前基本都是采用混合实时仿真手段完成外接电力电子控制器的动态测试，将电力电子装置与计算机模拟元件结合起来，但是这些仿真技术在实时性方面存在瓶颈。近年来，基于全数字实时仿真系统的控制保护装置的闭环试验平台逐渐得以推广和应用。该试验平台利用数字仿真方法模拟实际电力系统，通过数字-物理仿真接口将SVC控制器接入仿真系统，对SVC装置进行闭环试验。与基于动态模拟实验室的闭环试验相比，这种建模和试验方法更为简单灵活，如基于加拿大的RTDS（Real Time Digital Simulator，实时数字仿真装置）建立了SVC装置的闭环试验平台，但是该平台受仿真节点和仿真规模的限制，可模拟的电网规模较小，无法满足互联大电网下SVC动态性能测试的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ADPSS的SVC控制器闭环检测平台及自定义建模方法，克服了以往混合仿真方式受仿真规模限制的缺点，为交直流混联大电网下校验SVC动态性能和功能完整性提供了很好的试验平台和试验手段，为现场实施提供指导意见，为SVC装置能够在实际电网中安全稳定运行打下坚实的基础，同时还能提高后续含SVC模型的电网仿真分析和研究的精确性。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：基于ADPSS的SVC控制器闭环检测平台，包括工作终端、计算单元、物理接口装置、功率放大器、SVC控制器和录波器，所述工作终端与计算单元之间以及计算单元与物理接口装置之间均通过以太网连接，所述物理接口装置将各滤波支路开关位置信号传输给SVC控制器，SVC控制器将TCR支路晶闸管投切控制脉冲和各滤波支路的开关投切信号传输给物理接口装置，所述功率放大器将物理接口装置传来的电压或电流信号放大后传输给SVC控制器，所述录波器接收SVC控制器发出的开关位置信号和控制脉冲信号，并记录功率放大器输出的信号。

工作终端主要用于搭建基于机电-电磁混合仿真的工程文件，实现电网数据和拓扑录入、机电-电磁子网划分、SVC主电路的电磁建模和参数设置、模拟量和数字量的输入输出接口配置及后续的用户自定义SVC建模等，根据用户需求灵活模拟电网的各种运行方式，实现机电暂态和电磁暂态计算。

计算单元为ADPSS仿真平台的程序处理单元，主要负责接受工作终端上传的计算任务，按照用户预先设定的运行或故障方式模拟电网运行情况。该计算单元由控制节点和计算节点群组成，其中计算节点群是一组相互独立、通过高速网络互联的机群服务器节点，通过调度服务器加以管理，可充分利用机群中每个计算节点的资源，实现复杂电力系统的各种类型故障的模拟，并行处理各机电子网和电磁子网提交的任务，实现数据的实时通讯。

物理接口装置则用于实现模拟量和数字量的输入输出，主要由AO、DO、DI、AI四种类型的板卡组成。根据工作终端的相关设置，一方面，将电压/电流等模拟量通过物理接口装置的模拟量输出AO通道传送给功率放大器，最终发送给SVC控制器，将各滤波支路的开关位置信号等数字量通过物理接口装置的数字量输出DO通道直接传送给SVC控制器；另一方面，通过数字量输入DI通道接收SVC控制器发出的TCR支路晶闸管投切控制量和各滤波支路的开关投切信号。

功率放大器包含一组线性电压电流功率放大器单元，将AO通道输出的信号合理线性化放大至SVC控制器所能接收的电压范围，同时也要确保信号不失真。

SVC控制器则为被检测对象，主要集成了电压电流互感器、信号调理板、信号采样板和控制板。SVC控制器从功率放大器获取电压、电流信号，经过信号调理后对各路模拟量进行采样，根据控制算法计算后产生晶闸管的触发脉冲信号和各滤波支路的投切控制信号，回传给物理接口箱相应配置的DI通道。通过将SVC控制器接入基于ADPSS仿真的大规模电力系统中，可以较为精确地模拟和校验SVC在各种系统运行方式下的动态控制策略及暂态控制行为对电网输送容量和提高系统阻尼的影响。

进一步地，作为优选方案，所述物理接口装置与功率放大器之间通过屏蔽信号线连接，功率放大器、SVC控制器、物理接口装置以及录波器之间通过导线连接。 

一种采用上述检测平台实现自定义建模的方法，包括以下步骤：

（a）建立SVC三个控制环节的传递函数，绘制各功能框图，建立各功能框图之间的连接关系并指定输入输出关系，手动输入各传递函数中相关参数的实际值，最终将SVC控制模型作为一个可变导纳注入电网模型中；

（b）对所述的用户自定义SVC模型各个模块进行输入输出的逻辑测试，判断其输入输出是否满足期望值的要求，判断动作行为是否合理；对所述SVC模型进行初值平衡，当模型的初始输出与PSASP稳定计算的初始状态不吻合时，找出输出值不合理控制框和SVC模型的平衡条件，根据这一平衡条件对SVC模型进行反复处理，确保初值平衡；

（c）将纠错完毕后的SVC自定义模型固化在用户模型库中，在应用前需通过数据转换，先将其分别转换为系统模型描述文件SYSMODEL.MST和用户自定义模型描述文件UDLIB.MST，再分别转换成程序直接应用的模型参数库文件SYSMODEL.DST和UDLIB.DST，此外还需转换成初值计算的模型参数文件SYSMODEL.INT和UDLIB.INT；

（d）完成SVC自定义建模后，设置基于ADPSS的实际SVC控制器相同的故障形式，对相同母线的电压、线路有功功率以及TCR的无功出力进行记录，并与闭环测试结果进行逐一对比和分析，考核两种方式下SVC模型的一致性，为后续SVC并网对整个电网安全稳定分析提供强有力的仿真手段。

进一步地，作为优选方案，所述步骤（b）的具体过程如下：

（b1）对单一平衡条件、单一平衡点和全模型的一次平衡：针对一个输出不合理的控制框，列出一个平衡条件，在SVC模型的相应控制框输入处叠加一个常数，使得SVC模型所有初值不合理的功能框输出合理化，从而实现SVC全模型的初值平衡；

（b2）对于多个平衡条件和多个平衡点，则需要分模块实现各自平衡：针对多个初始输出不合理的控制框，列出多个平衡条件，对SVC模型不同控制框进行逐一问题排查，确保控制框的各自平衡。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明提出一种基于全数字实时仿真系统ADPSS的SVC控制器测试平台及SVC自定义建模方法。通过搭建真实的电网仿真模型并外接实际的SVC控制器，不需要对实际电网进行等值和简化处理，能够充分地反映系统的真实稳态特性和动态特性，具有很高的可信度。

（2）本发明提供的闭环测试平台克服了以往混合仿真方式受仿真规模限制的缺点，为交直流混联大电网下校验SVC动态性能和功能完整性提供了很好的试验平台和试验手段，为现场实施提供指导意见，为SVC装置能够在实际电网中安全稳定运行打下坚实的基础。

（3）本发明采用基于ADPSS平台的SVC控制器自定义建模及模型一致性测试，代替实际SVC装置接入系统进行仿真模拟，提高后续含SVC模型的电网仿真分析和研究的精确性。

附图说明

图1为本发明的测试平台结构示意图；

图2为SVC控制策略示意图；

图3为HB线路发生三相短路接地故障后，基于ADPSS的实际SVC控制器测试结果；

图4为HB线路发生三相短路接地故障后A机组-B机组的功角曲线图；

图5为基于ADPSS的SVC部分自定义模型；

图6为采用SVC实际控制器时，母线电压、线路有功、TCR无功曲线；

图7为采用SVC自定义模型时，母线电压、线路有功、TCR无功曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例所述的基于ADPSS的SVC控制器闭环检测平台，包括工作终端、计算单元、物理接口装置、功率放大器、SVC控制器和录波器，工作终端与计算单元之间以及计算单元与物理接口装置之间均通过以太网连接，物理接口装置将各滤波支路开关位置信号传输给SVC控制器，SVC控制器将TCR支路晶闸管投切控制脉冲和各滤波支路的开关投切信号传输给物理接口装置，功率放大器将物理接口装置传来的电压或电流信号放大后传输给SVC控制器，录波器接收SVC控制器发出的开关位置信号和控制脉冲信号，并记录功率放大器输出的信号，本实施例中，物理接口装置与功率放大器之间通过屏蔽信号线连接，功率放大器、SVC控制器、物理接口装置以及录波器之间通过导线连接。

SVC控制器闭环检测平台搭建好之后，对SVC控制器的动态调节和暂态控制策略进行检测。如图2所示，SVC控制策略主要包括三个部分，分别是暂态强补控制、暂态电压控制和阻尼控制。当系统正常无故障时，SVC则运行在稳态运行点；暂态强补控制是在电网发生严重故障时SVC投入的功能，为提高暂态强补控制投入的可靠性，同时考虑SVC安装位置的实际情况，潮流方向和大小存在不确定的因素，则将SVC安装处主变高压侧母线电压V任意一相低于70%的额定电压作为进入暂态强补的门槛值V_SET，投入暂态强补的时间T视电网实际情况而定，一般取1s，暂态强补控制环节形成导纳指令B _Q ；暂态电压控制则为基本电压控制，只有在系统发生故障时才投入该项功能，进入条件为SVC安装处主变高压侧母线电压有效值低于90%的额定值，同时需要经过一定时间的确认延时，一般取10毫秒，将参考电压V_REF与母线电压V作差，通过电压控制环对其误差进行跟踪控制；退出条件为电压V高于94%的额定电压值，退出也需要一定的确认延时，视电网从故障情况恢复到稳态的情况而定，一般取3~4s，当确认延时达到后，SVC控制模式则由暂态电压控制转移到稳态控制功能，暂态电压控制环节形成导纳指令B _V ；阻尼控制环节则选取SVC安装变电站高压侧出线的有功功率或者电流有效值作为输入信号，通过隔直环节和移相环节，使SVC在较大范围内能够有效地抑制系统的低频振荡，提高系统的阻尼作用，阻尼控制环节最终形成导纳指令B _PSDC 。

为了测试SVC三种控制策略的有效性，在ADPSS仿真平台中模拟电网发生不同类型的电网故障，主要包括线路和主变的三相短路接地故障等，考核SVC在各种情况下的暂态强行补偿功能、暂态电压控制功能以及对系统阻尼控制功能等。通过录波器记录母线电压波形、TCR无功出力波形、线路有功功率、TCR输出脉冲信号、各滤波支路的开关位置信号等，用于检测SVC是否按照设置的门槛值进入各控制环节中，同时检验SVC控制是否合理，是否对提高系统暂态稳定性和系统阻尼起到了积极的作用。

为了说明SVC控制策略的有效性，下面以HB线路发生三相短路接地故障的测试结果为例。图3给出了该故障方式下TCR的无功出力Q_TCR、SVC安装点主变高压侧母线线电压Uab、主变高压侧出线的有功功率P1以及出线电流Ia的实验波形图。如图3所示，当故障发生后，TCR迅速释放稳态时的无功储备，根据安装点高压侧母线线电压Uab和变电站高压侧出线的有功功率P1动态调整TCR的等效导纳，实现对SVC注入系统的无功功率Q_TCR的动态调节，TCR的最大出力和最小出力差值基本上为TCR总容量的100%，实现了TCR安装容量的充分利用，从而证实了暂态强补功能的合理性。

表1则给出了在HB线路发生三相短路接地故障后的动态调节过程中，第二摆母线电压、线路有功功率和TCR无功出力的最大值和最小值。

表1 第二摆母线电压、线路有功功率和TCR无功出力的最大值和最小值情况

                                                 

图4则对未投入SVC和投入SVC控制器两种方式下，发生HB线路三相短路接地故障后A、B机组间的功角差对比情况，分别对应灰色和黑色曲线。不难看出，投入SVC后，机组间的功角振荡幅度有所减小，功角振荡的时间明显缩短，系统阻尼比由未投入时的3.08%提高到投入后的4.07%，从而证实了SVC的暂态强补和阻尼调节功能的有效性，表明SVC有助于远距离输电系统功率振荡的平息。

     为方便电力系统相关工作人员进行含有SVC模型的离线分析计算，而ADPSS平台的机电暂态计算模块PSASP是目前通用的电力系统分析程序，已成为分析电网运行情况的必要手段。在PSASP中尚有典型的SVC控制器模型，但是与实际SVC控制器在各控制环节构思和具体框图方面存在一定的偏差。为了较为真实地反映实际SVC控制策略，本发明利用ADPSS提供的用户自定义模型接口模块，在ADPSS机电暂态平台对SVC实际控制器的数学模型进行详细仿真，代替实际SVC装置接入系统进行仿真模拟。

采用用户自定义模型接口模块搭建SVC自定义模型的具体步骤如下：

（a）建立SVC三个控制环节的传递函数，绘制各功能框图，建立各功能框图之间的连接关系并指定输入输出关系，手动输入各传递函数中相关参数的实际值，最终将SVC控制模型作为一个可变导纳注入电网模型中。图5给出了基于ADPSS的SVC自定义模型的其中一部分，根据用户自定义模型提供的代数运算、基本函数运算、逻辑控制运算、线性和非线性函数运算等搭建基本功能框，设置各功能框的输入输出信息及相应的内部系数等。

（b）对所述的用户自定义SVC模型各个模块进行输入输出的逻辑测试，判断其输入输出是否满足期望值的要求，判断动作行为是否合理；对所述SVC模型进行初值平衡，当模型的初始输出与PSASP稳定计算的初始状态不吻合时，找出输出值不合理控制框和SVC模型的平衡条件，根据这一平衡条件对SVC模型进行反复处理，确保初值平衡。具体步骤和处理方法如下：

（b1）对单一平衡条件、单一平衡点和全模型的一次平衡：针对一个输出不合理的控制框，列出一个平衡条件，在SVC模型的相应控制框输入处叠加一个常数，使得SVC模型所有初值不合理的功能框输出合理化，从而实现SVC全模型的初值平衡；

（b2）对于多个平衡条件和多个平衡点，则需要分模块实现各自平衡：针对多个初始输出不合理的控制框，列出多个平衡条件，对SVC模型不同控制框进行逐一问题排查，确保控制框的各自平衡。

（c）将纠错完毕后的SVC自定义模型固化在用户模型库中，在应用前需通过数据转换，先将其分别转换为系统模型描述文件SYSMODEL.MST和用户自定义模型描述文件UDLIB.MST，再分别转换成程序直接应用的模型参数库文件SYSMODEL.DST和UDLIB.DST，此外还需转换成初值计算的模型参数文件SYSMODEL.INT和UDLIB.INT。用户模型库、参数库和模型参数文件均存放在数据目录下的\LIB\子目录中，可拷贝供多人使用。用户在进行暂稳计算时，选择UD模型调用，填写相应SVC自定义模型号，进行控制参数编辑，关联相关母线和支路即可。

（d）完成SVC自定义建模后，设置基于ADPSS的实际SVC控制器相同的故障形式，对相同母线的电压、线路有功功率以及TCR的无功出力进行记录，并与闭环测试结果进行逐一对比和分析，考核两种方式下SVC模型的一致性，为后续SVC并网对整个电网安全稳定分析提供强有力的仿真手段。通过SVC自定义建模，方便在PSASP平台对系统的各种类型故障进行全方位扫描，及时预见SVC可能对系统起到反作用的情况，并针对一些可能产生的稳定性问题提供预见性的解决措施，为提高SVC的运行能力提供技术保障。

下面以DS线路发生三相短路接地故障为例，对实际SVC控制器和SVC自定义模型两种方式下的测试结果进行对比。图6和图7为当DS线路发生三相短路接地故障，分别采用基于ADPSS的SVC实际控制器和自定义模型仿真时，SVC安装点主变高压侧母线电压、线路有功功率和TCR无功功率波形图。为了精确对比两种控制器模型的一致性，表2~表4分别对故障后两种模式下线路有功功率前三摆的最大最小值、高压侧母线电压和TCR无功出力以及3条特高压母线的最低电压进行对比。

结合波形和数据对比得知，两种模式下线路有功功率在故障后前三摆的振荡周期均分别为2.94s、2.81s、2.9s，振荡模式一致；采用自定义模型仿真时，故障后TCR动态输出包含约1s的暂态强补过程，与实测SVC实际控制器时的结果一致。暂态强补过程结束后，采用自定义模型仿真的TCR无功功率变化趋势与实际控制器的变化趋势大致相同，只是动态调节过程有细微的差别，母线电压、线路有功功率变化趋势也大致相同，各特高压母线电压在故障后的最低值偏差最大为0.017p.u.，由此说明SVC自定义模型和SVC实际控制器的特性大致相同。

表2  DS线路三相短路接地故障后线路有功功率对比

 

表3  DS线路三相短路接地故障后主变高压侧母线电压和TCR无功功率对比

 

表4  DS线路三相短路接地故障后各特高压母线的最低电压对比情况

本实施例通过搭建真实的电网仿真模型并外接实际的SVC控制器，不需要对实际电网进行等值和简化处理，能够充分地反映系统的真实稳态特性和动态特性，具有很高的可信度。该闭环测试平台克服了以往混合仿真方式受仿真规模限制的缺点，为交直流混联大电网下校验SVC动态性能和功能完整性提供了很好的试验平台和试验手段，为现场实施提供指导意见，为SVC装置能够在实际电网中安全稳定运行打下坚实的基础。基于ADPSS平台的SVC控制器自定义建模及模型一致性测试，代替实际SVC装置接入系统进行仿真模拟，提高后续含SVC模型的电网仿真分析和研究的精确性。

本说明书中涉及的英文缩写的含义如下：

ADPSS：Advanced Digital Power System Simulator，电力系统全数字仿真装置；

SVC：Static Var Compensator，静止无功补偿器，一般由晶闸管控制电抗器和各滤波支路构成；

RTDS：Real time Digital Simulator，实时数字仿真装置；

AO：Analog Output 模拟量输出，是ADPSS物理接口装置中用于将ADPSS平台的电压、电流等采集的数字量经过数模转换后输出给外部装置的一类通道；

AI：Analog Input 模拟量输入，是ADPSS物理接口装置中用于将外部装置提供的模拟量传送给ADPSS仿真平台的一类通道；

DO：Digital Output 数字量输出，是ADPSS物理接口装置中用于将断路器、隔离开关等分合状态通过数字量0、1的方式输出给外部装置的一类通道；

DI：Digital Input 数字量输入，是ADPSS物理接口装置中用于将外部脉冲控制信号、开关投切信号传送给ADPSS仿真平台的一类通道；

TCR：Thyristor Controlled Reactor 晶闸管控制电抗器，是SVC的重要组成部分；

PSASP：Power System Analysis Software Package，电力系统分析综合程序。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.基于ADPSS的SVC控制器闭环检测平台，其特征在于：包括工作终端、计算单元、物理接口装置、功率放大器、SVC控制器和录波器，所述工作终端与计算单元之间以及计算单元与物理接口装置之间均通过以太网连接，所述物理接口装置将各滤波支路开关位置信号传输给SVC控制器，SVC控制器将TCR支路晶闸管投切控制脉冲和各滤波支路的开关投切信号传输给物理接口装置，所述功率放大器将物理接口装置传来的电压或电流信号放大后传输给SVC控制器，所述录波器接收SVC控制器发出的开关位置信号和控制脉冲，并记录功率放大器输出的信号。

2.根据权利要求1所述的基于ADPSS的SVC控制器闭环检测平台，其特征在于：所述物理接口装置与功率放大器之间通过屏蔽信号线连接，功率放大器、SVC控制器、物理接口装置以及录波器之间通过导线连接。

3.一种采用权利要求1或2所述的检测平台实现自定义建模的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）建立SVC三个控制环节的传递函数，绘制各功能框图，建立各功能框图之间的连接关系并指定输入输出关系，手动输入各传递函数中相关参数的实际值，最终将SVC控制模型作为一个可变导纳注入电网模型中；

（b）对所述的用户自定义SVC模型各个模块进行输入输出的逻辑测试，判断其输入输出是否满足期望值的要求，判断动作行为是否合理；对所述SVC模型进行初值平衡，当模型的初始输出与PSASP稳定计算的初始状态不吻合时，找出输出值不合理控制框和SVC模型的平衡条件，根据这一平衡条件对SVC模型进行反复处理，确保初值平衡；

（c）将纠错完毕后的SVC自定义模型固化在用户模型库中，在应用前需通过数据转换，先将其分别转换为系统模型描述文件SYSMODEL.MST和用户自定义模型描述文件UDLIB.MST，再分别转换成程序直接应用的模型参数库文件SYSMODEL.DST和UDLIB.DST，此外还需转换成初值计算的模型参数文件SYSMODEL.INT和UDLIB.INT；

（d）完成SVC自定义建模后，设置基于ADPSS的实际SVC控制器相同的故障形式，对相同母线的电压、线路有功功率以及TCR的无功出力进行记录，并将采用自定义建模的SVC测试结果与基于实际SVC控制器的闭环测试结果进行逐一对比和分析，考核两种方式下SVC模型的一致性，为后续SVC并网对整个电网安全稳定分析提供强有力的仿真手段。

4.根据权利要求3所述的自定义建模方法，其特征在于：所述步骤（b）的具体过程如下：

（b1）对单一平衡条件、单一平衡点和全模型的一次平衡：针对一个输出不合理的控制框，列出一个平衡条件，在SVC模型的相应控制框输入处叠加一个常数，使得SVC模型所有初值不合理的功能框输出合理化，从而实现SVC全模型的初值平衡；

（b2）对于多个平衡条件和多个平衡点，则需要分模块实现各自平衡：针对多个初始输出不合理的控制框，列出多个平衡条件，对SVC模型不同控制框进行逐一问题排查，确保控制框的各自平衡。