CN107168099A - 基于rtds的柔性直流输电全数字实时仿真装置 - Google Patents

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王立平
武霁阳
彭光强
何竞松
李清
国建宝
张楠
孙浩熙
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric

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Abstract

本发明公开了一种基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置，上位机区、RACK区、阀控区和MMC换流阀区，通过对阀控和换流器极控制保护程序的模拟，能够模拟柔性直流一次设备和控制保护逻辑，能够构成RTDS全数字仿真系统，间接实现了闭环测试，可发挥RTDS实时仿真测试的优势；C语言可直接转化为功能模块，操作简单，不存在逻辑语言转化问题，操作简单方便，测试结果准确可靠。

Description

基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置。
背景技术
用RTDS/RTLAB等实时仿真工具来模拟一次设备，接入真实的控制保护屏柜，形成的实施仿真平台已经广泛应用于直流输电的建设、调试和运维各个阶段。如图1所示，采用RTDS实时仿真设备来模拟柔性直流输电主回路，接入阀控、极控、直流保护、站控与监控装置，构成一套完整的含控制保护屏柜的RTDS实时仿真系统。厂家可以搭建该套系统完成设备出厂前试验，建设单位可以通过该系统完成设备验收，运行单位可以借助该系统完成装置级快速故障诊断，科研单位可以使用该系统开展柔性直流技术研究。
以上仿真系统需要采购专门的控制保护屏柜，整套系统造价昂贵。以南方电网牛从直流仿真平台为例，整套控制保护屏柜造价约1000万元，配套的RTDS造价约500万元。此外，整套系统运行维护工作巨大，需要采购备品备件板卡防止单个元件失效导致整套系统无法运转，需要定期检修确保运行正常，运维工作复杂度可类比换流站控制保护的运行维护。另外，利用该平台开展仿真试验涉及整套控制保护屏柜的启停，仿真试验周期较长。
发明内容
基于此，有必要提供一种基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置，以解决含控制保护屏柜的柔性直流输电实时仿真系统造价昂贵、运行维护困难的问题。
为了实现上述目的，本申请采用的技术方案如下。
一种基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置，包括上位机区、RACK区、阀控区和MMC换流阀区；
所述上位机区包括上位机，上位机上运行RTDS程序，通过RTDS RUNTIME人机交互界面模拟柔性直流输电的监控系统，并执行顺控操作；
所述RACK区包括GTWIF板卡、3～6个PB5板卡和RACK机箱，GTWIF板卡和PB5板卡安装在RACK机箱上，通过RACK机箱上的背板交换数据；GTWIF板卡负责与上位机通信；PB5板卡用于仿真模拟一次设备，并计算控制保护模块，计算得到的调制波传递给所述阀控区，所述控制保护模块是通过RTDS C BUILDER功能将现场控制保护的C语言程序转化为RTDS模块得到；
所述阀控区包括4个GTFPGA板卡，并分别对应整流侧上桥臂阀控区、整流侧下桥臂阀控区、逆变侧上桥臂阀控区和逆变侧下桥臂阀控区，所述阀控区接收所述RACK区的调制波和所述MMC换流阀区的桥臂电流、MMC子模块电容电压，实现MMC子模块排序均压，最终生成每个MMC子模块的导通/关断信号，并传递给所述MMC换流阀区；
所述MMC换流阀区分为整流侧和逆变侧，整流侧与逆变测均采用3个GTFPGA板卡，每个GTFPGA板卡模拟每相的上下桥臂，MMC换流阀接收所述RACK区PB5板卡发送的调制波。
本发明基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置，通过对阀控和换流器极控制保护程序的模拟，能够模拟柔性直流一次设备和控制保护逻辑，能够构成RTDS全数字仿真系统，间接实现了闭环测试，可发挥RTDS实时仿真测试的优势；C语言可直接转化为功能模块，操作简单，不存在逻辑语言转化问题，操作简单方便，测试结果准确可靠。
附图说明
图1为含控制保护屏柜的RTDS实时仿真系统；
图2为本发明基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置的总体方案示意图；
图3为本发明基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置一个具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为解决含控制保护屏柜的柔性直流输电实时仿真系统造价昂贵，运行维护困难问题，本专利申请利用RTDS的PB5板卡和GTFPGA板卡，搭建了一套柔性直流全数字实时仿真装置。
总体技术方案如图2所示，采用RTDS的GTFPGA+PB5处理器组合(类似于CPU+FPGA)的硬件方案，GTFPGA是并行计算的，能够模拟大规模电力电子器件。PB5是顺序计算，可以完成节点运算等复杂任务。用GTFPGA模拟MMC换流阀，计算整流侧与逆变侧阀控模型(代替柔直整流侧与逆变侧阀控柜)。GTFPGA运算出子阀和阀控信息后，将计算结果传递给PB5处理器。PB5模拟计算换流阀以外的一次设备，计算换流器极控制保护模型(代替控制保护屏柜)，并求解节点方程。控制保护模型是通过RTDS自带的C BUILDER功能，将控制保护屏柜内的C语言程序转化得到。
一种具体实现方式如图3所示：连接线表示光纤，所有光纤均表示一对收发光纤；GTFPGA表示1块MMC SUPPORT UNIT(模块化多电平仿真支持硬件单元)板卡，其前面板有编号为#1～#8的上下两排各四个光纤I/O口，用于GTFPGA互联；背面有一个光纤I/O口，用于和PB5通信。RTDS换流阀模型为GM模型，最大支持512电平MMC换流阀仿真，RTDS软件采用V4.008版本。
1、上位机区：运行RTDS程序，在RTDS RUNTIME页面，模拟了监控系统，可直接在上位机的RTDS软件中执行顺控操作。
2、RACK区：1个RACK最多支持6个PB5，具体需要多少PB5根据整个模型规模而定。RACK区主要仿真模拟交流电网、断路器、变压器等一次设备，并计算控制保护模块。控制保护模块通过RTDS C BUILDER功能将现场控制保护的C语言程序转化为RTDS模块得到。RACK区计算得到的调制波传递给阀控区。
3、阀控区：用4个GTFPGA模拟，使用的FPGA固件为MMC Ctrl 216，分为整流侧上桥臂阀控区、整流侧下桥臂阀控区、逆变测上桥臂阀控区、逆变测下桥臂阀控区。阀控区接收RACK区的调制波和MMC换流阀区桥臂电流、子模块电容电压等信息，实现子模块排序均压，最终生成每个MMC子模块的导通/关断信号，传递给MMC换流阀区。
4、MMC换流阀区：整流侧与逆变测均采用3个GTFPGA，使用的FPGA固件为MMCGMValve 508。每个GTFPGA能够模拟每相的上下桥臂，前面板光纤I/O口能够输出256电平信息，如果所模拟的MMC换流阀超过256电平，需要采用2组光纤。如图3所示；MMC换流阀接收RACK区PB5发送的调制波。
通过对阀控和换流器极控制保护程序的模拟，本申请提出的仿真装置能够模拟柔性直流一次设备和控制保护逻辑，能够构成RTDS全数字仿真系统，间接实现了闭环测试，可发挥RTDS实时仿真测试的优势；C语言可直接转化为功能模块，操作简单，不存在逻辑语言转化问题，操作简单方便，测试结果准确可靠。除此之外，本申请还具有以下优点：
1、节省了控制保护屏柜、MMC阀控屏柜、运行人员工作站，大大减少了仿真设备，降低了仿真平台建设成本，同时有满足了实时仿真计算的要求；
2、仿真平台设备的减少，大大降低了运行维护的工作量；
3、减少了仿真工作周期，提高了仿真效率；
4、由于除RTDS外为纯软件，因此可以各个仿真平台共用一套仿真硬件，降低了仿真硬件成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置，其特征在于，
包括上位机区、RACK区、阀控区和MMC换流阀区；
所述上位机区包括上位机，上位机上运行RTDS程序，通过RTDS RUNTIME人机交互界面模拟柔性直流输电的监控系统，并执行顺控操作；
所述RACK区包括GTWIF板卡、3～6个PB5板卡和RACK机箱，GTWIF板卡和PB5板卡安装在RACK机箱上，通过RACK机箱上的背板交换数据；GTWIF板卡负责与上位机通信；PB5板卡用于仿真模拟一次设备，并计算控制保护模块，计算得到的调制波传递给所述阀控区，所述控制保护模块是通过RTDS C BUILDER功能将现场控制保护的C语言程序转化为RTDS模块得到；
所述阀控区包括4个GTFPGA板卡，并分别对应整流侧上桥臂阀控区、整流侧下桥臂阀控区、逆变侧上桥臂阀控区和逆变侧下桥臂阀控区，所述阀控区接收所述RACK区的调制波和所述MMC换流阀区的桥臂电流、MMC子模块电容电压，实现MMC子模块排序均压，最终生成每个MMC子模块的导通/关断信号，并传递给所述MMC换流阀区；
所述MMC换流阀区分为整流侧和逆变侧，整流侧与逆变测均采用3个GTFPGA板卡，每个GTFPGA板卡模拟每相的上下桥臂，MMC换流阀接收所述RACK区PB5板卡发送的调制波。
2.根据权利要求1所述的基于RTDS的柔性直流输电全数字实时仿真装置，其特征在于，
所述上位机通过RTDS RUNTIME页面模拟柔性直流输电的监控系统。
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