趙慶杰 史 磊 柴 斌 雷戰(zhàn)斐 謝偉鋒

基于PSCAD模型的特高壓直流換流站反事故可視化推演系統(tǒng)研究

趙慶杰1史 磊2柴 斌1雷戰(zhàn)斐1謝偉鋒1

（1. 國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，銀川 750000；2. 國網(wǎng)寧夏電力有限公司，銀川 750000）

為了提升直流控制保護系統(tǒng)性能，保障大電網(wǎng)安全運行，同時使調(diào)度、運行及檢修人員能夠開展反事故演習，進一步提升其現(xiàn)場事故應急處置能力，本文建立特高壓直流換流站PSCAD模型，對模型引擎與變電站仿真系統(tǒng)交互技術進行研究，并將現(xiàn)場運行人員工作站（OWS）系統(tǒng)應用于仿真系統(tǒng)。研究結果表明，通過建立PSCAD模型并進行仿真系統(tǒng)分析，可進一步實現(xiàn)對直流換流站設備進行故障模擬、錄波回放及自動分析的功能。

應急處置；仿真系統(tǒng)；故障模擬；自動分析

0 引言

特高壓直流輸電具有傳輸距離遠、輸送功率大、啟動和調(diào)節(jié)速度快、可控性強等優(yōu)點，已成為我國電網(wǎng)建設的重要部分[1]。特高壓直流輸電工程控制保護系統(tǒng)規(guī)模龐大、邏輯復雜，技術掌握難度大，控制與保護耦合緊密，相互影響，導致其故障過程及故障特征復雜，對運維人員的專業(yè)技術水平提出了更高的要求[2-6]。因此，亟需一套換流站反事故可視化推演系統(tǒng)，以更好地應對故障的發(fā)生、制定故障預案和措施。然而，目前換流站反事故可視化推演的相關技術和手段嚴重匱乏，且只能依賴實時數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統(tǒng)進行直流輸電工程的建模和故障模擬，而RTDS造價昂貴、經(jīng)濟性較差。在此背景下，迫切需要開發(fā)一個換流站控制保護仿真平臺，可以進行虛擬操作和故障設置，查看操作后或故障后系統(tǒng)的運行狀況，進行故障錄波回放、故障重現(xiàn)和自動定位分析，幫助運維人員更好地理解特高壓直流控制保護邏輯和原理，提高現(xiàn)場運維技術水平[7]。

本文通過交互數(shù)據(jù)的共享和分類整理、數(shù)據(jù)順序傳遞關系的建立，實現(xiàn)變電站仿真系統(tǒng)與PSCAD特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型引擎的同步運行，從而開發(fā)基于PSCAD模型引擎和變電站仿真系統(tǒng)的特高壓直流換流站反事故推演系統(tǒng)。該系統(tǒng)能進一步開展特高壓直流輸電系統(tǒng)的故障錄波回放、故障重現(xiàn)和自動分析、定位，提高特高壓直流輸電工程的運維技術水平[8-12]。

1 PSCAD仿真工具擴展模型

直流系統(tǒng)仿真采用EMTDC模型，使用PSCAD仿真工具。PSCAD本身只是一個離線仿真工具，不具備對外通信功能，需要使用Fortran語言或C語言作為PSCAD開發(fā)擴展模塊，擴展出訪問共享內(nèi)存功能，實現(xiàn)模型引擎“在線化”應用。

1.1 模型引擎接口

PSCAD/EMTDC 4.0以上版本在GNU編譯器下支持直接調(diào)用C程序，該方法比較容易理解。圖1給出了在PSCAD/EMTDC中直接調(diào)用C函數(shù)時，自定義模塊與C函數(shù)及C文件的關系。

圖1 兩種自定義模塊、C函數(shù)及C文件之間的關系

從圖1改進前可以看出，一個自定義模塊對應一個C函數(shù)，這些C函數(shù)又分布在一個或多個C文件中，由此可知，要調(diào)用多少個C函數(shù)就要建立多少個自定義模塊，這些函數(shù)分布在多少個C文件中就要在PSCAD/EMTDC中引用多少個C文件。一般而言，大型工程都需要調(diào)用大量的C函數(shù)，即需要建立大量的自定義模塊，多個模塊的調(diào)用很繁瑣，大大影響工作效率。因此對于大型工程而言，這種方法很不實用，需要對其進行改進，如圖1改進后所示，可以編寫一個主函數(shù)，在這個主函數(shù)中可以調(diào)用其他C函數(shù)，然后在自定義模塊里調(diào)用該主函數(shù)，從而達到建立一個自定義模塊就可以調(diào)用多個C函數(shù)的目的。

1.2 直流控制保護模型總體結構及功能定制

建立模型引擎需要搭建和定制特高壓直流控制保護模型及其功能，特高壓直流控制保護模型完全基于實際工程的控制保護系統(tǒng)，其邏輯結構與實際控制保護系統(tǒng)結構完全一致，如圖2所示（以單個換流站為例）。

圖2 直流控制保護系統(tǒng)邏輯結構

特高壓直流控制保護系統(tǒng)在PSCAD中采用自定義模塊實現(xiàn)，其分層結構在PSCAD中的映射如圖3所示（單個換流站），控制保護自定義模塊與工程控制保護裝置一一對應，即每個實際控制保護裝置對應PSCAD/EMTDC中一個“虛擬裝置”。

圖3中，HMI Controls_SA為整流側運行人員工作站（operator work station, OWS）模擬頁面，采用PSCAD自帶模塊搭建的模擬工程運行人員工作站向控制保護仿真模型下發(fā)控制命令。站控制層JN_SA_DCSC為整流側直流站控仿真模塊。極控制保護層JN_SA_P1_HPM為整流側極1控制測量仿真模塊（同時模擬本極極控制測量裝置和兩個換流器控制測量裝置）；JJN_SA_P1_PM為整流側極1保護測量仿真模塊；JN_SA_P1_PPR為極1保護測量模塊。換流器層JN_SA_P1_GC1為整流側極1高端閥組控制仿真模塊；JN_SA_P1_CPR_HG為整流側極1高端保護仿真模塊；JN_SA_ P1_CPR_LG為整流側極1低端保護仿真模塊。

圖3 PSCAD中控制保護系統(tǒng)結構

2 控制保護邏輯建模及現(xiàn)場應用

2.1 控制保護邏輯建模

本文采用可視化編程軟件建模的方法，該方法能夠很好地實現(xiàn)對現(xiàn)場運行的控制保護程序的源碼級移植，構建不依賴實際工程核心控制保護裝置和I/O接口設備的可單機離線運行的特高壓直流控制保護系統(tǒng)仿真模型，從而提高仿真結果的真實性和控制保護模型搭建的效率。

控制保護裝置向PSCAD控制保護仿真模塊無縫轉(zhuǎn)換前，首先要梳理控制保護機箱裝置與測量裝置之間、控制裝置與保護裝置之間、直流極控裝置與直流站控裝置之間的物理連接方式和信號傳輸所用載體的通信規(guī)約，整理各個裝置之間需要傳輸?shù)哪M量信號和數(shù)字量信號，確定所需信號的類型、長度、單位，分析硬件底層程序的處理方法。其次，通過結合模型引擎復雜程度分析控制保護冗余裝置在直流工程中對PSCAD/EMTDC仿真軟件運行速度的影響，對冗余系統(tǒng)做適當?shù)牟眉籼幚?，整理控制保護程序中與時間定值相關的功能塊，優(yōu)化時間定值，實現(xiàn)可靠銜接。

通過對單臺裝置對應的入口函數(shù)的調(diào)用，完成仿真系統(tǒng)可識別代碼向控制保護自定義仿真模塊的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)實際工程控制保護裝置的通信連接關系將各個控制保護模塊組合成一個完整的直流輸電控制保護系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對現(xiàn)場控制保護功能的精準模擬?？刂票Ｗo裝置模型無縫轉(zhuǎn)換流程示意圖如圖4所示。

圖4 控制保護裝置模型無縫轉(zhuǎn)換流程示意圖

2.2 控制保護仿真系統(tǒng)模型現(xiàn)場應用

建立控制保護系統(tǒng)相關模型后，需要與現(xiàn)場進行結合，OWS系統(tǒng)和PSCAD/EMTDC模型使其可利用PSCAD/EMTDC優(yōu)點滿足控制保護系統(tǒng)的仿真需求，通過以太網(wǎng)與實際控制保護裝置進行數(shù)據(jù)交互，現(xiàn)場運行人員控制裝置可以給控制保護裝置下發(fā)指令，同時接收控制保護系統(tǒng)狀態(tài)。本文采用共享內(nèi)存機制代替實際工程中控制保護與現(xiàn)場運行人員監(jiān)控平臺之間的以太網(wǎng)通信方式，對原有通信規(guī)約進行改造，從而使現(xiàn)場運行人員控制系統(tǒng)可以通過一塊共享內(nèi)存向控制保護PSCAD/EMTDC模型下發(fā)控制命令，控制保護PSCAD/EMTDC模型可以通過另一塊共享內(nèi)存向現(xiàn)場運行人員控制系統(tǒng)返回直流系統(tǒng)狀態(tài)信息，最終實現(xiàn)對工程現(xiàn)場二次系統(tǒng)的全景可視化模擬。圖5為仿真模型與運行人員控制系統(tǒng)聯(lián)動示意圖，圖6為系統(tǒng)通信結構示意圖。

圖5 仿真模型與運行人員控制系統(tǒng)聯(lián)動示意圖

圖6 系統(tǒng)通信結構示意圖

PSCAD/EMTDC仿真模型與運行人員控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互如圖7所示：基于PSCAD/EMTDC的特高壓直流輸電系統(tǒng)可視化平臺由直流系統(tǒng)仿真工作站和OWS組成，直流系統(tǒng)仿真工作站運行EMTDC模型計算引擎和運行人員控制系統(tǒng)前置接口程序，OWS的運行人員控制系統(tǒng)后臺客戶端程序，其中EMTDC模型計算引擎通過自定義接口模塊將共享內(nèi)存映射到本進程的內(nèi)存空間中，運行人員控制系統(tǒng)的前置接口程序也將同一共享內(nèi)存映射到本進程的內(nèi)存空間中，從而仿真模型和前置接口程序可對同一共享內(nèi)存進行數(shù)據(jù)讀寫，并需遵循首次運行者開辟共享內(nèi)存原則和基于信號量的讀寫互斥原則，同時，運行人員控制系統(tǒng)的前置通信程序和后臺客戶端程序通過TCP/IP通信進行數(shù)據(jù)交互，最終實現(xiàn)PSCAD/EMTDC直流控制保護仿真模型與運行人員控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通和無縫聯(lián)動。

與現(xiàn)有技術相比，本技術方法的有益效果是：可以直接使用人機接口裝置控制直流輸電工程EMTDC仿真裝置，不需要人為在EMTDC仿真裝置上搭建控制后臺，從而大大節(jié)約了人力成本，降低了仿真誤差，提高了仿真速度。

圖7 PSCAD/EMTDC仿真模型與運行人員控制系統(tǒng)的交互

3 反事故推演系統(tǒng)故障模擬及錄波分析

3.1 反事故推演系統(tǒng)故障模擬

相關模型建立后可以對現(xiàn)場進行模擬分析，故障模擬功能包含一次系統(tǒng)故障、二次系統(tǒng)故障及設備異常故障模擬等，本文以極1直流線路首端發(fā)生1 000ms金屬接地故障模擬為例，如圖8所示。

3.2 反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析

故障后需要對相關的波形進行分析、判斷故障類型及位置，因此通過讀取現(xiàn)場內(nèi)置或外置故障錄波文件，直流控制保護仿真模型可復現(xiàn)現(xiàn)場工況，并保證保護輸出事件信息的時間節(jié)點與順序事件記錄（sequence event record, SER）一致，可實現(xiàn)仿真事件與現(xiàn)場波形的同步展示，從而為故障分析、保護策略調(diào)整和優(yōu)化提供仿真驗證。

圖8 反事故推演系統(tǒng)模擬極1直流線路首端發(fā)生1 000ms金屬接地故障

歸納總結現(xiàn)場故障發(fā)生后的保護區(qū)域及該區(qū)域故障后保護動作情況對應關系，劃分出不同區(qū)域的保護配置分布情況，以及故障點與保護動作的對應關系，并建立故障定位分析庫。根據(jù)故障定位分析庫規(guī)則，篩選定位出一次故障發(fā)生后，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的大概區(qū)域，為用戶定位出故障范圍，在系統(tǒng)結構圖中標明故障點，該故障點包含故障區(qū)域、故障位置等屬性，以此輔助用戶快速分析出故障原因，排查出正確的故障點，圖9為反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析界面。

圖9 反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析界面

4 結論

1）實現(xiàn)了模型引擎與換流站仿真系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互，通過交互數(shù)據(jù)的共享和分類整理、數(shù)據(jù)順序傳遞關系的建立，實現(xiàn)了變電站仿真系統(tǒng)與PSCAD特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型引擎的同步運行 功能。

2）實現(xiàn)了PSCAD模型與外部程序的數(shù)據(jù)交換功能，將離線仿真工具“在線化”，首次實現(xiàn)PSCAD模型與運行人員監(jiān)控后臺的全數(shù)據(jù)交換功能，運行人員監(jiān)控后臺能直接采用工程現(xiàn)場平臺，既能減少配置工作，又能完成工程現(xiàn)場全部的監(jiān)視與控制保護功能。

3）通過反事故推演系統(tǒng)對現(xiàn)場內(nèi)置或外置故障錄波文件的讀取，直流控制保護仿真模型可復現(xiàn)現(xiàn)場工況，并保證保護輸出事件信息的時間節(jié)點與現(xiàn)場SER一致，實現(xiàn)了特高壓換流站的故障模擬、故障重現(xiàn)及自動分析等功能，從而提高現(xiàn)場運維人員技能水平。

4）下一步研究方向：將反事故推演系統(tǒng)與換流站設備發(fā)生的各種類型故障進行對比，進一步快速準確判定故障的類型、控制保護動作情況及事故處置情況。

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Research on visualized anti-accident inference system for ultra high voltage DC converter station based on PSCAD model

ZHAO Qingjie1SHI Lei2CHAI Bin1LEI Zhanfei1XIE Weifeng1

(1. Ultra-High Voltage Company of State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd, Yinchuan 750000; 2. State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd, Yinchuan 750000)

In order to improve the DC control and protection performance, ensure the safe operation of large power grid, enable the dispatching, operation and maintenance personnel to carry out anti-accident exercises, and further improve their on-site accident emergency disposal ability, this paper establishes the PSCAD model of ultra high voltage (UHV) DC converter station, studies the interaction technology between the model engine and substation simulation system, and applies the on-site operator work station (OWS) system to the simulation system. The results show that by establishing the PSCAD model and analyzing the simulation system, the functions of fault simulation, recording playback and automatic analysis of the DC converter station equipment are further realized.

emergency response; simulation system; fault simulation; automatic analysis

2021-11-15

2022-03-28

趙慶杰（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為變電站運維檢修。