（电气工程专业论文）基于rtds的大规模交直流电力系统仿真建模研究.pdf

- 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于r t d s 的大规模交直流电力 系统仿真建模研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 拯趁 日期：立竺纽：迎 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名： 日 期： 季京汲 壹竺 竺：竺：堡 1 j 一 华北电力大学：亡程硕士学位论文摘要 摘要 现代电网的快速发展对仿真技术提出了越来越高的要求。开展大规模交直流电 力系统的实时仿真研究十分必要，是电网安全、稳定、经济运行的重要保证。本文 深入研究了r t d s 仿真建模的特点，提出了大规模交直流电力系统r t d s 仿真建模 与实验的一般方法。基于r t d s 配置各种实际控制保护装置，建立了高压直流控制 保护系统、高压线路保护装置、大电网安全稳定控制系统等三大试验平台。通过仿 真试验，比较成功地再现了贵广直流极2 闭锁实际故障过程，有效检验了4 套线路 距离保护装置和同步振荡解列判别原理及解列策略的正确有效性。采用r t d s 开展 交直流电力系统的试验，充分发挥了大规模r t d s 系统实时、闭环、连续、数字仿 真的优势。 关键词：电力系统仿真，交直流系统，建模，实时仿真，r t d s a b s t r a c t b e c a u s eo ft h er a p i d d e v e l o p m e n to fm o d e r np o w e rs y s t e m ，l a r g e s c a l ea c d c r e a l - t i m ep o w e rs y s t e ms i m u l a t i o ni sn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , s i m u l a t i o nm o d e l i n gf e a t u r e so f r t d si sr e s e a r c h e d m o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a lm e t h o do fl a r g e s c a l ea c d cp o w e rs y s t e m r e a l t i m es i m u l a t i o ni sp r o p o s e d h v d cc o n t r o la n dp r o t e c t i o ns y s t e mt e s tp l a t f o r m ，h i g h v o l t a g el i n ep r o t e c t i o nd e v i c et e s tp l a t f o r m ，a n dl a r g ee l e c t r i cn e t w o r ks e c u r i t ya n ds t a b i l i t y c o n t r o ls y s t e mt e s tp l a t f o r ma r ee s t a b l i s h e db a s e do nr t d s t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ， ar e a l i s t i cd cl i n ef a u l ti sr e p r o d u c e d c o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so f4s e t so fl i n ed i s t a n c e p r o t e c t i o nd e v i c e sa n ds y n c h r o n o u so s c i l l a t i o ns p l i t t i n gs y s t e ma r ep r o v e d r t d si sr e a l t i m e ， d o s e dl o o p ，c o n t i n u o u s ，d i g i t a ls i m u l a t i o nt 0 0 1 i tw i l lb ew i d e l yu s e di nl a r g e s c a l ea c d c p o w e rs y s t e mr e a l - t i m es i m u l a t i o n y a n gl i n g ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g y i na n dy a ok e m a n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e ms i m u l a t i o n ，a c d cp o w e rs y s t e m ，m o d e l i n g ，r e a l t i m e s i m u l a t i o n ，r t d s 一 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1电力系统仿真的分类1 1 1 1 物理仿真、数字仿真和数字物理混合仿真1 1 1 2 实时仿真和非实时仿真2 1 1 3 频域仿真和时域仿真2 1 1 4 电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真2 1 2电力系统实时仿真的意义4 1 3 论文研究背景及意义4 1 4国内外研究现状5 1 5论文主要工作7 第二章大规模交直流电力系统r t d s 实时仿真建模8 2 1 引言8 2 2实时数字仿真器r t d s j 8 2 2 1r t d s 简介，8 2 2 2r t d s 硬件和软件介绍9 2 2 3r t d s 功能及应用领域1 0 2 3大规模交直流电力系统r t d s 仿真建模的一般步骤1l 2 4交直流电力系统动态等值11 2 4 1 动态等值的原则l l 2 4 2 大规模交直流电网等值模型1 2 2 5交直流电力系统仿真建模1 2 2 5 1b p a 到r t d s 数据格式的转换1 2 2 5 2 等值网络子系统划分1 4 2 5 3 仿真步长的选择1 4 2 5 4 处理器资源分配15 2 6r t d s 仿真模型静态和动态校核1 6 2 6 1 同步发电机模型动态特性比较1 6 i 华北电力大学工程硕士学位论文目录 2 6 2r t d s 与b p a 等值模型静态特性比较2 0 2 6 3r t d s 与b p a 等值模型动态特性比较2 2 2 7 本章小结2 3 第三章基于r t d s 的大规模交直流电力系统仿真试验平台2 5 3 1 引言2 5 3 2高压直流控制保护系统试验平台2 5 3 2 1 直流控制保护系统平台结构2 5 3 2 2 直流控制保护试验系统主要设备2 7 3 2 3 直流控制保护试验项目及内容2 7 3 3交流线路保护装置试验平台2 8 3 3 1 交流线路保护试验系统的主要设备2 8 3 3 2 交流线路保护试验平台结构2 8 3 3 3 交流线路保护试验项目及内容2 9 3 4大电网安全稳定控制系统试验平台3 0 3 4 1 大电网安稳系统试验主要目的3 l 3 4 2 安稳装置和失步解列装置试验平台结构3 1 3 4 3 大电网安稳装置试验项目及内容3 2 3 5交流系统和直流系统现场故障录波回放3 2 3 5 1c o m t r a d e 录波文件格式3 2 3 5 2c o m t r a d e 格式文件处理软件3 3 3 5 3 基于r t d s 录波回放的实现3 4 3 6 本章小结3 6 第四章基于r t d s 的大规模交直流电力系统实时仿真应用3 7 4 1 引言3 7 4 2高肇直流极2 闭锁事故仿真试验3 7 4 2 1 故障情况介绍3 7 4 2 2 故障仿真实验3 7 4 2 3 仿真结果分析3 9 4 3 交流线路保护装置试验3 9 4 3 1 仿真试验目的3 9 4 3 2 试验系统介绍4 0 1 1 华北电力大学工程硕士学位论文目录 4 3 3 仿真结果分析4 1 4 4大电网安全稳定控制系统试验4 l 4 4 1 仿真试验目的4 l 4 4 2 试验系统介绍4 2 4 4 3 仿真结果分析4 3 4 5 本章小结4 5 第五章结论4 6 参考文献4 7 致谢5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 l i i i ， 华北电力大学工程硕士学位论文 第一章绪论 电力系统的发展虽然已有1 0 0 年历史，但对于电力系统仿真的发展来说，才只 有几十年的时间。 电力系统仿真是根据原始电力系统建立模型，利用模型进行计算和试验，研究 电力系统在特定时间内的工作行为和特性【卜2 1 。电力系统仿真可以把复杂系统的运行 放在实验室中进行，具有良好的可控性、无破坏性和经济性等优点。因此自诞生以 来，在电力系统中一直发挥着举足轻重的作用。 现代电网是强非线性、高维数系统，所以对其进行严格的仿真计算分析十分困 难。近几十年来，随着电力系统技术和计算机技术的飞速发展，电力系统仿真技术 也取得了巨大的进步，解决了很多电力系统规划、生产、运行、试验、研究和培训 等方面的实际问题，在电力系统的发展过程中发挥了独特的作用f 3 石】。但另一方面， 随着现代电力系统的飞速发展，对电力系统仿真也提出了更高的要求。 1 1电力系统仿真的分类 依据不同的标准，电力系统仿真可以分为不同的类型。 1 1 1 物理仿真、数字仿真和数字物理混合仿真 根据仿真模型性质的不同，电力系统仿真可分为物理仿真、数字仿真和数字物 理混合仿真。 物理仿真基于相似理论，将电力系统实际元件，如换流阀、发电机、a v r ( 自 动调压器) 、调速器、电动机、变压器和输电线路等，用参数成倍缩小的真实物理 元件模拟【7 1 。物理仿真即通常所说的动模实验。 随着实际系统的发展，电网的规模和复杂程度发生了很大变化，物理仿真方法 的局限性日益突出。同时，由于计算机软硬件技术和数字通信技术的进步，电力系 统数字仿真取得了突破性进展，出现了用数学模型代替物理模型的新型模型系统， 我们把建立数学模型并在计算机上做试验的过程称为电力系统数字仿真【8 1 。 数字物理混合仿真( 又称数模混合仿真) ，采用的是数字仿真模型和基于相似 理论的物理模型。数模混合仿真中，通常采用的仿真方式是用基于微处理器或d s p 芯片等数字仿真技术模拟电机等旋转元件，而直流换流阀、输电线路和变压器等难 以得到其数字仿真模型或者易于采用物理模型的电力系统元件仍采用基于相似理 论的物理模型进行模拟【9 】。 1 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 2 实时仿真和非实时仿真 根据实际电力系统动态过程响应时间与系统仿真时间的关系，电力系统仿真可 分为实时仿真和非实时仿真。 实时仿真是指实时模拟电网各类动态过程，并能接入实际物理装置进行实验的 仿真方式【l o 】。也就是说，实时仿真能在一个仿真步长内计算完成实际电力系统在该 时间内的动态响应情况并完成数据交换。目前电力系统实时仿真能够模拟一定规模 电网的电磁暂态、机电暂态过程以及后续的动态过程。典型的实时仿真器有r t d s ， t n a t 1 2 】( t r a n s i e n tn e t w o r ka n a l y z e r ) 等。 而在电力系统非实时仿真中，系统仿真所需时间要比实际电网动态过程响应时 间长得多，实际电力系统几毫秒的动态过程往往需要几秒钟甚至几分钟才能计算完 毕。非实时仿真工具非常多，包括n e t o m a c ，e m t d c ，e m t p 等。 1 1 3 频域仿真和时域仿真 根据仿真变量的不同，电力系统仿真可分为频域仿真和时域仿真。 频域仿真以频率为仿真变量，重点分析电力系统在频率领域的响应情况。频域 仿真的范围可以从0 赫兹到数兆赫兹，可以覆盖从次同步振荡、暂态及次暂态过程 直到系统行波的研究。利用系统特征向量及特征值等系统小于扰特征进行模式分析 ( 特征值分析) 也可以归纳为系统频域分析。通过计算系统的特征值并进行模式分 析，从而能够研究系统的振荡特性，并测定和计算大型电力系统的稳定性、可控性 及状态变量的衰减和振荡。以此为基础，能够方便地设计某些控制器以改善系统的 某些动态特性，例如电力系统稳定器( p s s ) 以阻尼系统振荡，并建立仅考虑主导 状态变量的小干扰动态模型。 时域仿真以时间为变量，重点分析电力系统在特定时间内的动态响应情况。 1 1 4 电磁暂态仿真、机电暂态仿真和中长期动态仿真 根据考察的动态过程的不同，电力系统时域仿真可分为电磁暂态仿真、机电暂 态仿真和中长期仿真。 电磁暂态仿真主要分析电网故障或操作后可能出现的暂态过电压和过电流，以 及系统谐波和波形畸变【1 3 1 。电磁暂态仿真必须考虑直流输电及其控制系统电磁暂态 特性、输电线路分布参数特性和参数的频率特性、发电机的电磁和机电暂态过程以 及一系列元件( 避雷器、变压器、电抗器等) 的非线性特性。因此，电磁暂态仿真 的数学模型必须建立这些元件和系统的代数和微分方程、偏微分方程。电磁暂态仿 真程序一般都基于d o m m e l 算法，通过采用隐式梯形积分法将描述电力系统的微分 2 华北电力大学工程硕士学位论文 方程、偏微分方程化为差分方程。 电磁暂态仿真模式下，系统通过代数方程、微分方程和偏微分方程进行完整描 述，系统参数可以分相输入并可以独立修改。电磁暂态仿真模式采用瞬时值方式进 行计算，可以精确地模拟含有h v d c 和f a c t s 装置的复杂系统的各种元件，如常 规晶闸管、低频门极关断晶闸管( g t o ) 甚至高频绝缘栅双极晶闸管( i g b t ) 。因 此，电磁暂态仿真模式可以比较准确地分析交直流电力系统各种暂态( 包括电磁暂 态和机电暂态) 问题。但是，由于电磁暂态模式是建立在解微分方程基础上的，它 的求解速度较慢，所以能够描述的系统也相对较小。所以，采用这种仿真模式进行 大规模交直流电力系统仿真分析或研究h v d c 和f a c t s 装置特性时，应根据研究 的重点和研究的目的进行系统等值。 目前，国内外常用的电磁暂态仿真程序有e m t p t l 4 】( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t p r o g r a m ) 、加拿大m a n i t o b a 直流研究中心的p s c a d e m t d c 1 5 1 6 1 、加拿大r t d s 公司的r t d s 1 7 郴】( r e a l t i m ed i g i t a ls i m u l a t o r ) 、德国西门予公司开发的 n e t o m a c t 2 0 】等。 机电暂态仿真主要分析电网受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态 稳定性能【l3 1 。其中暂态稳定仿真分析是研究电力系统受到小扰动后的静态稳定性 能。其中暂态稳定仿真分析是研究电力系统受到诸如短路故障，切除线路、发电机、 负荷，发电机失去励磁或者冲击性负荷等大扰动作用下，电力系统的动态行为和保 持同步运行的能力。 电力系统机电暂态仿真需要联立求解电力系统微分方程和代数方程组，以获得 物理量的时域解。代数方程的求解方法主要有：进行迭代求解的牛顿一拉夫逊法、 基于导纳矩阵形式的高斯一赛德尔法和基于稀疏三角分解的直接解法。微分方程的 求解方法可以采用显式积分法和隐式积分法，其中隐式积分法和代数方程的求解顺 序又可以分为交替解法和联立解法。 目前，国内外常用的机电暂态仿真程序有中国版b p a 电力系统分析程序【2 m 2 1 、 中国电科院的电力系统综合程序p s a s p t 2 3 “】、美国p t i 公司的p s s e 2 5 】、瑞典a b b 公司开发的s i m p o w 程序【2 6 2 7 1 、德国西门子公司开发的n e t o m a c 等。 中长期动态仿真主要分析电力系统受到扰动后较长过程动态仿真，要计入在一 般暂态稳定过程中不考虑的电力系统长过程和慢速的动态特性，包括发电厂热力系 统和水力系统以及核反应系统的动态响应，以及自动控制系统的动态行为等。长期 过程动态稳定计算的时间范围可以从几十秒到几十分钟。主要用来分析电力系统较 长时间的动态特性。 3 华北电力大学工程硕士学位论文 与机电暂态稳定计算一样，电力系统中长期稳定计算也是联立求解描述系统动 态元件的微分方程和描述电力网络特性的代数方程组，以获得电力系统长过程的时 域解。但是，电力系统长过程动态的响应时间常数从几十毫秒到1 0 0 秒以上，是典 型的刚性系统，需要采用隐式积分算法。为避免计算时间过长，还必须采用自动变 步长计算技术。 目前，国际上主要的中长期动态仿真软件有法国电力公司开发的e u r o s t a g 程序【2 8 1 、美国电科院的l t s p 2 9 1 、美国通用电气公司和日本东京电力公司共同开发 的e x t a b 程序等。 1 2电力系统实时仿真的意义 现代电力系统飞速发展，大量先进的控制、保护和测量装置，如f a c t s 控制 器、直流输电控制器、继电保护装置和安全稳定监控设备( 包括广域测量装置) 等 广泛应用于实际电网中。这些复杂的控制装置提高了电网大容量、远距离输电能力， 保证了电力供应的安全、稳定与优质。但随着越来越多自动控制装置的投运，也极 大地增加了系统的复杂程度。这些设备和装置对整个电力系统的作用需要通过仿真 实验加以研究，而且它们的控制系统要通过实时仿真进行试验验证后，才能投入实 际电网运行。因此，自动装置的试验和检测必然要求实时仿真。 实时仿真是实现高效电力系统稳定分析和在线动态安全评估与控制的基础。当 前电力系统计算机通信网络已初具规模，全国各大电网能量管理系统( e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 也相继建成。从e m s 获取电力系统在线数据，利用实 时仿真平台进行分析计算和稳定性评估，并提出事故处理建议，可以有效地提高电 网应对事故的能力。 另外，利用电力系统实时仿真可以模拟实际电网运行特性，进行电网的实际故 障重现和反事故演习。实时仿真同样可以培训调度及运行部门的工程技术人员；帮 助调度运行人员熟悉系统特性、掌握系统运行规律、分析电网事故原因、提高事故 应变能力等。因此，实时仿真作为电力系统重要的研究手段，其应用非常广泛，对 电网安全稳定运行意义重大，是未来仿真技术发展的必然趋势。 1 3 论文研究背景及意义 随着电力系统的不断发展，电网规模越来越大。2 0 1 0 年，世界上首个特高压直 流输电系统云广直流输电工程投入运行。云广特高压直流输电系统起始于云南 的楚雄换流站，落点于广东的穗东换流站，额定电压为士8 0 0 k v ，传输容量为 5 0 0 0 m w 、输送距离超过1 5 0 0 k r n 。南方电网已成为具有5 回直流输电线路( 含l 回 4 华北电力大学工程硕士学位论文 特高压直流线路) 和8 回高压交流输电线路的多馈入交直流混合输电系统。在该系 统中各个地区电网的关联性大大加强，很难再孤立地考虑局部电网的安全问题。实 际上，电网中任何一个局部条件的变化都可能引起整体行为的改变。实际电网的发 展对电力系统仿真技术提出了更高的要求。大规模电力系统仿真，电网整体安全稳 定特性的研究需求也变得越来越迫切。 与此同时，大功率电力电子，如：s v c 、t c s c 设备和各种安全稳定控制装置 的广泛应用，也使得电网的动态特性日趋复杂。特别是，在包括直流输电的系统中， 交直流系统的运行工况会相互影响。南方电网中就真实的发生过此类事故，2 0 0 6 年 1 2 月1 5 日，惠三甲线发生a b 两相短路接地故障，两侧保护正确动作，跳闸无重 合。故障引起博罗站5 0 0 k v 交流母线故障相电压降至2 0 0 k v ，造成三广直流系统换 相失败，鹅城换流站负荷电流畸变严重，最终造成了横东甲乙线保护动作跳闸。这 种情况下，实时仿真显示出了独特而强大的优势，它可以连接实际控制保护装置， 形成闭环试验系统，用于精确模拟现代电网中复杂控制器的动态特性。 作为最具代表的实时数字仿真器，r t d s 对电力系统、尤其是对直流输电和 f a c t s 装置的仿真准确性已经得到了广泛的验证和认可。由于r t d s 的实时性，可 以将其计算结果通过d a 转换以模拟量输出，与实际设备连接构成灵活方便的数字， 一物理闭环回路，用于各种控制或继电保护装置的实验。因此，r t d s 可以配置各 种实际直流输电、继电保护、安稳控制装置，构成功能强大的试验平台。可以用于 开展交直流并联运行的系统仿真研究，对分析直流并联大电网实时运行特性、机理 及开发各种安全稳定与故障恢复控制策略有重要的实际意义。本实验室共配置了2 9 个r a c k ，以及多套实际直流输电系统控制器、线路保护和安稳装置，为开展大规 模交直流电力系统仿真提供了保证。本研究同时为今后开展包含高压直流输电的 r t d s 建模和建立大规模交直流并联电网r t d s 实时仿真平台提供重要的指导。综 上所述，本课题的研究无论从仿真技术和生产运行等方面都有非常重要的意义。 1 4国内外研究现状 鉴于实时仿真技术对现代电力系统运行和研究的重要性，国内外许多电力企 业、科研单位和高校都投入了大量的人力物力进行研究，部分已经产品化。电力系 统实时仿真按发展阶段可分为物理仿真、数模混合仿真以及全数字实时仿真三种类 型。全数字实时仿真装置基于现代计算机技术和信息技术，其产品造价低、占地面 积小、可扩展性好，是当前国际上实时仿真的主要发展方向。 表1 1 对上述几种实时数字仿真系统，从技术、经济等多方面进行了比较。综 合来看，r t d s 、a r e n e 和h y p e r s i m 都实现了实时电磁暂态仿真。其中，r t d s 5 _ - 。1 。_ _ - _ - 1 。 匕电力大学工程硕士学位论文 的实时仿真工具。其对电力系统，尤其是对直流输电 和f a c t s 装置的仿真准确性已经得到了广泛的验证和认可。由于信息技术、软件 技术和计算机硬件系统的发展，开发一个仿真系统并不是不能企及的事情。但是如 何保证仿真所得到的结果经得起实践的考验是非常困难的。r t d s 与h y p e r s i m 都 是直流输电的用户作为最初开发者，对实际系统非常了解。尤其r t d s 经过了全世 界很多用户多年的检验和测试，这方面是其它问世刚刚2 年到3 年的仿真平台无法 相比的。 表1 - 1 实时数字仿真系统对比 由于r t d s 的诸多优点，国内外学者越来越多的将其应用于各种电网仿真研究， 包括直流输电控制特性研究【3 0 1 、继电保护装置研究【3 1 1 ，甚至风力发电等新能源研究 等领域。文献【3 2 】利用r t d s 对同步电机进行了静态特性和动态特性试验。文献 3 3 】 采用r t d s 验证了伊敏冯屯5 0 0 k v 可控串补控制器的各项控制性能。在【3 4 】文献中， 建立了福建省等值电网r t d s 仿真模型，并进行了潮流计算、系统故障仿真等初步 应用研究。文献 3 5 】探讨了利用r t d s 建立电压源逆变器小步长模型的几点问题， 给出了建立h 桥级联式s s s c 模型的具体实现方法。文献【3 6 】提出了一种基于r t d s 实现电磁机电暂态混合实时仿真的方法。在文献 3 7 】中，基于r t d s 与广域测量系 统物理装置平台，测试了直流自适应阻尼控制器策略。文献【3 8 】建立了+ 8 0 0 k v 特高 压直流输电模型，对双1 2 脉动阀组的解锁闭锁时极控的组织策略进行了仿真。 综上所述，目前利用r t d s 进行的试验研究中，电网仿真模型的规模非常有限， 主要用于小规模系统仿真、局域电网特性分析或控制保护装置测试试验。还无法准 6 华北电力人学工程硕士学位论文 确模拟反映大规模电网整体动态特性、交直流系统之间的相互影响以及电网安稳装 置控制策略对大规模交直流系统稳定运行的影响等。基于r t d s 的大规模交直流电 力系统实时仿真建模研究目前在国内外还未见论述。本文将r t d s 用于模拟含5 回 直流输电的大规模交直流电力系统，并配置了实际直流输电控制保护、高线线路保 护装置和大电网安稳控制系统。采用r t d s 开展交直流电力系统的试验，充分发挥 大规模r t d s 系统实时、闭环、连续、数字仿真的优势，可以较准确地分析直流并 联大电网实时运行特性、机理及开发各种安全稳定与故障恢复控制策略，为实际电 网安全、稳定、经济运行提供支持与保证。 1 5 论文主要工作 本文深入研究了r t d s 仿真建模的特点，提出了大规模交直流电力系统r t d s 仿真建模与实验的一般方法。基于r t d s 配置各种实际控制保护装置，建立了高压 直流控制保护系统、高压线路保护装置、大电网安全稳定控制系统等三大试验平台。 并以此为基础，对高肇直流极2 闭锁实际事故、4 套高压线路保护装置、同步振荡 解列控制系统进行了仿真试验研究。论文主要工作如下： ( 1 ) 提出了在交直流电力系统仿真中，系统等值的一般原则。建立了2 0 1 0 年 丰大方式下南方交直流电网r t d s 仿真试验模型，该模型包括：4 回+ 5 0 0 k v 直流系 统及1 回+ 8 0 0 k v 直流输电系统；3 9 台等值发电机组；1 3 5 条母线、2 2 3 条交流线路。 详细对比分析了r t d s 与b p a 中不同发电机模型的差异，对2 0 1 0 年丰大方式下南 方交直流电网r t d s 仿真试验模型进行了初始潮流计算、静态和动态校核。证明所 建立的r t d s 仿真模型可以比较准确地反映原始b p a 模型的系统特性。 ( 2 ) 基于r t d s 实时数字仿真系统，配置了4 套实际直流系统控制保护装置、 典型高压线路保护装置、电网同步振荡解列装置，建立了高压直流控制保护系统、 高压线路保护装置、大电网安全稳定控制系统等三大试验平台。分别从配置设备、 整体结构、试验目的、试验项目及内容等不同方面介绍了直流控制保护系统试验平 台、大电网安全稳定控制系统试验平台、交流线路保护试验平台的主要特点。 ( 3 ) 采用r t d s 开展交直流电力系统的试验，充分发挥了大规模r t d s 系统实 时、闭环、连续、数字仿真的优势。通过仿真试验，对贵广直流极2 闭锁故障、4 套高压线路保护装置和电网广域振荡解系统进行了研究。比较成功地再现了实际直 流系统故障过程。有效检验了4 套线路距离保护装置和同步振荡解列判别原理及解 列策略的正确有效性。 7 学t 程硕士学位论文 2 1引言 电力系统r t d s 实时仿真建模 随着仿真技术本身的不断发展和人们对仿真技术应用价值认识的不断深入，其 应用领域越来越广泛，已经涵盖了电力系统规划、设计、运行的全过程。作为交直 流系统分析的有力手段，实时电磁暂态仿真工具可以与实际控制保护物理设备连接 构成闭环实验系统，准确地模拟包含h v d c 和f a c t s 装置的电力系统动态响应特 性。 然而建立大规模交直流电力系统实时仿真实验模型是一个非常复杂的过程。本 文针对r t d s 的特点，提出了交直流系统仿真建模的总体步骤。介绍了交直流系统 动态等值原则、b p a 到r t d s 数据格式的转换、等值网络子系统划分、仿真步长的 选择以及处理器分配等关键问题，可以作为今后利用r t d s 进行交直流系统仿真实 验的指导。在此基础上，建立了大规模交直流电力系统实时仿真试验模型，并对该 模型进行了静态和动态校核。 2 2 实时数字仿真器r t d s 2 2 1r t d s 简介 实时数字仿真器r t d s 是由加拿大 m a n i t o b a 直流研究中心开发，r t d s 公司制造， 为实现实时电力系统电磁暂态仿真而专门设计 的并行计算机系统。在国际上，它的研制和商业 化运营较早，其对电力系统，尤其是对直流输电 和f a c t s 装置的仿真准确性已经得到了广泛的 验证和认可。 相对于物理仿真实验，r t d s 仿真建模方 便，可以精确模拟交直流电力系统动态特性，具 有良好的可扩展性和兼容性。由于r t d s 的实时 图2 - 1实时数字仿真器r t d s 性，可以将其计算结果通过d a 转换以模拟量输出，与实际设备连接构成灵活方便 的数字一物理闭环回路，用于各种控制或继电保护装置的实验。因此，r t d s 同时 具有了物理和数字两种仿真手段的优点，是一种非常先进的仿真工具。 8 华北电力大学t 程硕+ 学位论文 在硬件上，r t d s 采用高速d s p 芯片和并行处理结构以完成连续实时运行所需 的快速运算。r t d s 软件系统由图形用户界面r s c a d ( r e a lt i m es i m u l a t o rc a d ) 、 电力系统和控制元件模型库以及编译器组成，方便用户进行仿真模型搭建、仿真实 验运行和实验结果分析。其算法采用d o m m e l 于1 9 6 9 年创建的经典电磁暂态计算理 论，可以实时而且连续地模拟电力系统电磁暂态、机电暂态等各种现象。目前，r t d s 的频率响应能达到1 0 k h z 以上。一个简单电力系统的仿真步长约为5 0 i t s ，对于含有 h v d c 或f a c t s 装置的系统，仿真步长通常在5 0 1 0 0 9 s 之间，即能够满足交直流 系统各种暂态现象的仿真要求。 2 2 2r t d s 硬件和软件介绍 2 2 2 1r t d s 硬件配置 r t d s 由计算软件、计算处理和接口等硬件设备组成。r t d s 的基本单元称作 r a c k ( 机柜) ，一套r t d s 装置可包括几个或几十个r a c k 。r a c k 的数量决定了仿真 系统的规模。每个r a c k 包含了多块通信、处理和接口板卡，同一个r a c k 的处理和 通信板卡都插在通信背板上。r t d s 主要的处理板卡为g p c 卡，主要的通信板卡为 g t w i f 卡。在表2 1 中列出了各种板卡的配置情况和主要功能。 表2 1r t d s 板卡配置 2 2 2 2r t d s 图形软件 用户和r t d s 实时仿真器间的所有互动都通过基于j a v a 技术的r s c a d 文件管 理系统来完成。 9 程硕士学位论文 m u i t i p l o t 和c b u i l d e r 等模块。 d s 软件，如图2 2 所示。通过它，用户可 运行和实验结果分析。所有其他应用软件 要包括：d r a f t 、r u n t i m e 、t l i n e c a b l e 、 图2 - 2r s c a d 文件管理系统 目前r t d s 已经拥有比较完备的电力系统元件和控制系统元件模型库。经过多 年的发展和不断完善，r t d s 元件库无论在功能或模型精度方面都得到了很大的提 高，另外用户还可以通过自定义工具根据需要开发各种元件模型和实时仿真程序。 编译系统是用户图形界面与r t d s 计算代码之间的重要联系。r t d s 编译器从 绘图软件( d r a f t ) 中读取回路接线和参数的同时产生处理所需的执行代码。此外， 编译器还根据r t d s 所具有的硬件资源给每个处理器分配计算任务。 2 2 3r t d s 功能及应用领域 r t d s 实时仿真系统可以与实际控制保护装置相连接，实现电网交直流系统的 仿真试验和研究。如图2 3 所示，r t d s 实时仿真系统主要功能包括： ( 1 ) 电网控制保护装置的实时闭环测试。包括高压直流控制保护装置、安全稳 定控制装置、串补控制保护装置、继电保护装置等的实时仿真试验研究； ( 2 ) 交直流电力系统研究。包括交直流系统电磁暂态仿真、交直流协调控制、 电网直流多落点、直流换相性能分析、电网故障录波回放和反演等仿真研究； ( 3 ) 高压直流控制保护系统特性研究及事故分析，包括高压直流控制保护系统 运行特性及动态特性的分析研究、直流运行事故分析和再演等； 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 图2 3r t d s 实时数字仿真系统主要功能 ( 4 ) 交直流电力系统的高级培训，包括运行、维护人员和调度员岗前培训与考 核、直流运行维护及相关专业人员的专业理论和技术技能培训与考核等。 一 2 3大规模交直流电力系统r t d s 仿真建模的一般步骤 大规模交直流电力系统r t d s 实时仿真的一般分为以下三步：( 1 ) 系统动态等 值；( 2 ) r t d s 仿真建模；( 3 ) 仿真模型调试和校核。 由于r t d s 硬件资源的限制，利用r t d s 进行大型交直流电力系统实时仿真首 先一步就是根据现有的r t d s 仿真硬件资源以及研究目确定合适的等值系统规模。 接下来在r t d s 仿真模型建立之前，应首先对整个等值网络进行划分，将整个等值 网络划分为若干子系统，这些子系统在仿真中将在不同的r a c k 中进行计算，因此， 每个子系统的规模也应该根据其所在的r a c k 的硬件情况决定。由于r t d s 仿真模 型一般都比较大，编译过程中往往会发现很多问题。为了便于查找问题，应分别编 译各回直流系统的模型，再逐步加入交流网络部分。r t d s 仿真模型的调试和校核 分为初始潮流计算、静态校验和动态校验三部分，经过了以上步骤后，仿真模型才 可以用于电网各种实时仿真试验研究。 2 4 交直流电力系统动态等值 2 4 1 动态等值的原则 鉴于r t d s 硬件设备非常昂贵，每个r a c k 的计算能力有限，不可能对整个电 网进行仿真计算。因此，在交直流电力系统电磁暂态仿真之前，往往需要对交流系 程硕士学位论文 模拟过分简化，将可能丢失较多的电力系 。因此，在交直流电力系统仿真中，根据 行合理的交流网络动态等值，以建立详细 交流网络动态等值的原则如下： ( 1 ) 如果研究直流输电系统的控制保护特性和动态性能，分析由各种故障引起 的直流系统暂态过电压、过电流和直流控制保护装置的响应特性。则必须对直流输 电系统建立详细的模型。而对交流系统则可以在系统等值的基础上进行简化，可将 该直流系统以外的交流网络化简为等值电源。这样在保证仿真结果可信性的基础 上，将大大节省实验资源。 ( 2 ) 如果研究交直流之间、各回直流之间的相互影响，进行动态等值时应保留 以下子系统：各回直流系统均应保留并详细描述；多回直流落点的交流主框架、与 直流系统并联运行的交流通道、发电容量较大的发电机组和各直流系统附近的发电 机组均应保留。 2 4 2 大规模交直流电网等值模型 南方电网包括广东、广西、云南、贵州和海南5 省，电网规模巨大。以2 0 1 0 年丰大方式下南方电网为原始系统模型，等值系统在保留原始系统特性的前提下， 对网络结构进行了简化，并尽可能使之满足动态等值的要求。 与原始系统相比较，网络结构主要做了以下几方面化简： ( 1 ) 保留了原始系统中的4 回+ 5 0 0 k v 直流系统及1 回+ 8 0 0 k v 直流输电系统 模型； ( 2 ) 将原始系统中的1 7 9 台发电机、8 1 台等值机及其周边相关节点进行了等 效合并，最终化简为3 9 台发电机组； ( 3 ) 对原始系统中2 2 0 k v 及以下电压等级的线路、负荷和部分5 0 0 k v 节点和 线路，将负荷都等效到了5 0 0 k v 母线处，最终化简为1 3 5 条母线、2 2 3 条交流线路。 等值系统的地理接线图如图2 4 所示。 2 5 交直流电力系统仿真建模 2 5 1b p a 到r t d s 数据格式的转换 电网公司的计算数据一般为b p a 或者p s s e 格式，并且区域电网的潮流和稳定 数据文件非常庞大。若在r t d s 建模的过程中，手动提取b p a 或者p s s e 数据并输 1 2 图2 4 等值系统的地理接线图 入到r t d s 非常枯燥而且容易出错。 如图2 5 所示，r t d s 为用户提供了数据转换功能，可以方便的将b p a 的网络 露鬟嚣隧猫羹疆缱麴i 鬏獭颡簇溺黝溯黝糕黝蒸搦黼乏缀i 塑黪翔 e e h e l p ；脚州 8 豫哪l _ ， p s s ef o r m a li n p u tf i l e s l j p 鹞七咖州鼬姗删ll l 啤。l h p s 铂蛳鲥羹嘲i 鼬嘲獬l眨磐畸瓢。i 嗽- 钠i 嘲州隧锄 | 一1 一o f f s e , 。，l _ 哪哩卿i ! 斜嗍i 即州删岬墼墼删 r t d so u t p u td 静e d o 搿 璜嘲蛳，h 秘删慷l 盯o s 嗤雌a 冈啊 翻 巍峨f ，捌m 庙黼一k 嘲劬柚蠢 ；o p t i o n s p s s m v a m 匿 c 啊w 咖 够0 t 岫s 睁b 嘲陋! 秘咖nt 曲铀i 嘲洲匿 轨哺心蝴陬嘲呻 彩 0l o wi 1| | ! s 捧t m f r m t ro 鞠国钐湖 朋髓啊哪巾魈l j | 妇黼眦0 0 n 国o 一 一u s e b u s 弹l 硼懈 c 誓d l 蜘静搿，c0 栈 嘲e 列拜b u s 删l 密0 t r 赫i 司 图2 - 5b p a 到r t d s 数据格式转换 华北电力大学_ t 程硕+ 学位论文 格式。其中包括：发电机及其调速器、励磁系统参数，输 ，和负荷模型参数。 应用此功能可以方便地将b p a 原始数据库文件( 潮流文件宰d a t 和稳定文津 木s w i ) 转换为r t d s 的d r a f t 模型文件宰d f t 、r t d s 运行文件宰s i b 以及输电线路文 件t l b 。 2 5 2 等值网络子系统划分 在r t d s 仿真模型建立之前，应首先对整个等值网络进行划分，将整个等值网 络划分为若干子系统，这些子系统在仿真中将在不同的r a c k 中进行并行计算，因 此，每个子系统的规模也应该根据其所在的r a c k 的硬件情况确定。另外，在进行 子系统划分的时候，各子系统相互之间的连接应尽量减少，而且分割点应选在交直 流输电线路上。 总体来说等值网络子系统划分的四个原则为：由r a c k 的配置情况确定子系统 的仿真规模；尽量减少各子系统相互之间的电气连接；各分割点应选在不短于1 5 k m 的输电线路上；在各r a c k 之间尽量做到平均分配计算，将可以有效的减少仿真步 长，提高仿真精度。 描述各子系统的网络方程在不同的r a c k 中并行求解，各r a c k 所需其他 r a c k 的处理器信息则是通过i r cs w i t c h 进行交换。每个r a c k 配置一块g t w i f 卡，通过光纤与i r cs w i t c h 进行连接，完成计算数据与信息的交互。每个i r c s w i t c h 最多可以和6 0 个r a c k 同时相连。因此，通过各r a c k 并行计算和信息 交互，只要配置了足够的r t d s 仿真器，r t d s 仿真系统