电网仿真装置简介及应用情况

1 电网全数字实时仿真装置概述1.1 电网全数字实时仿真装置简介电网全数字实时仿真装置，也称为电力系统全数字仿真装置（Advanced Digital Power System Simulator，ADPSS），是由中国电力科学研究院研发的基于高性能PC机群的全数字仿真系统。该仿真系统利用机群的多节点结构和高速本地通讯网络，采用网络并行计算技术对计算任务进行分解，并对进程进行实时和同步控制，实现了大规模复杂交直流电力系统机电暂态和电磁暂态的实时和超实时仿真以及外接物理装置试验。利用该仿真系统，可以进行1000台机， 10000个以上节点的大系统交直流电力系统机电暂态仿真以及机电、电磁暂态混合仿真研究，可接入继电保护、安全自动装置、FACTS控制装置以及直流输电控制装置等实际物理装置进行闭环仿真试验，可接入MATLAB等商用软件进行局部和子任务计算，接入用户自定义模型以完成用户指定功能和任务。图1-1、1-2、1-3分别为仿真系统外观图、硬件架构图和总体结构图。图1-1仿真系统外观图图1-2仿真系统硬件架构图1-3仿真系统结构图仿真系统获授权发明专利3项电力系统数字仿真装置、电力系统数字仿真方法、电力系统潮流分网并行计算，其中“电力系统数字仿真装置”获得中国专利优秀奖；获软件著作权一项。仿真系统获2009年度国家科学技术进步一等奖。专家鉴定认为：“成果具有自主知识产权，总体技术达到了国际领先水平。” 图1-4、1-5、1-6分别为仿真系统知识产权、鉴定及获奖情况。图1-4 仿真系统专利及软件著作权图1-5 中国电机工程学会鉴定意见图1-6 仿真系统获2009年度国家科学技术进步一等奖1.2 基于ADPSS用户开展工作情况序号单位使用情况1国家电网仿真中心构建国家电网的仿真模型，为电网运行方式的分析和预演、电网事故重现和对策、控制系统的研发与验证等提供实验环境。2江苏电力试验研究院系统故障分析、交直流互联系统分析、继电保护故障重现、继电保护装置全面测试、安稳控制装置测试等。开展数字化互动试验研究3安徽电力科学研究院系统故障分析、励磁控制装置测试、安稳控制装置测试等。4河北电力试验研究院系统故障分析、继电保护装置试验研究、发电机励磁系统建模与参数辨识研究、基于在线数据的实时仿真分析。5西北电网技术中心西北电网风电、直流输电接入的系统分析、TCSC控制器闭环试验研究等6山东大学继电保护装置试验研究、直流系统建模及控制策略验证等7山东电力试验研究院系统故障分析、继电保护装置试验研究、直流系统建模及控制策略验证等8四川电力试验研究院大电网故障分析、基于在线数据的实时仿真分析。开展数字化互动试验研究9河南电力试验研究院将高压、继电保护、系统是三个专业整合到一个平台上，开展各自系统分析、装置试验等工作；构建河南电网的仿真模型，为电网运行方式的分析和预演、电网事故重现和对策、控制系统的研发与验证等提供实验环境。开展数字化变电站的互动试验10湖北电力试验研究院系统故障分析、交直流互联系统分析、继电保护故障重现、继电保护装置全面测试、安稳控制装置测试等。11宁夏电力科学研究院交直流互联系统分析继电保护故障重现、继电保护装置全面测试、安稳控制装置测试、直流系统建模及控制策略验证等。开展数字化变电站的互动试验.12西南大学电铁与电网的互动研究、交直流互联系统分析继电保护故障重现、继电保护装置全面测试、安稳控制装置测试、直流系统建模及控制策略验证等。ADPSS为研究大电网的稳定、事故分析、电网控制、新能源接入、特高压分析、高铁对电网的冲击、数字化变电站等等一切提供了平台和试验工具，为驾驭大电网安全提供了强有力手段。2 ADPSS应用案例2.1 线路光纤电流差动保护试验采用典型输电系统模型进行线路光纤电流差动保护试验，试验系统如图9-1、图9-2所示。接线方式为： 两保护装置：左侧PSL 603G，右侧PSL 603，使用光纤通道直接相连 开关量输出：两套保护装置通过跳闸接点和重合接点控制模拟断路器的跳、合闸线圈 开关量输入：将模拟断路器辅助接点接入保护 模拟断路器：两组辅助接点分别接给仿真系统和故障录波器开展的试验内容包括区内外金属性故障、发展性故障、转换性故障、经过渡电阻短路、系统振荡试验、系统频率偏移、解合环及手合故障、弱馈试验、TV断线试验、TA断线试验、TA饱和试验、距离I段暂态超越、短路与PT断线同时发生的复杂故障等。图9-3为部分试验录波图。图9-1 中长距离线路输电系统模型图9-2 220 kV单电源环网图模型图9-3 K4点B相接地10ms后PSL603G侧A相PT断线2.2 双母线母差保护试验采用典型输电系统模型进行双母线母差保护试验，试验系统如图9-4所示。试验项目包括：区内外金属性故障、区外转区内短路故障、两母线相继短路故障、两母线同时短路故障、死区短路故障、倒闸过程中短路故障、辅助触点开路试验、TA饱和与断线试验、振荡和振荡中短路、经过渡电阻故障试验、分裂运行、充电保护的试验、母联开关失灵试验、系统频率偏移。图9-4 双母线母差保护试验试验结果表明：（1）在做刀闸辅助触点开路试验，空载运行时如果线路中负荷电流很小，保护无法判断刀闸位置，故障后小差不能跳开该线路，而只能由大差后备延时跳开；（2）母联非全相保护，如果母联负荷电流小于非全相零序和负序整定值，则母联单相断线后保护无法识别出非全相状态，非全相保护无法跳开母联开关；（3）同样，TA饱和判据受非周期分量的影响。2.3 江苏电网继电保护装置闭环仿真试验采用江苏电网2005年全网数据，系统接线图如图9-5所示，共有母线2040条、发电机173台、负荷555个、交流线1114条、直流线1条、变压器685台。试验中采用机电暂态-电磁暂态混合仿真方法，即江苏电网大部分区域采用机电暂态模型，局部的百家-茶亭双回线采用电磁暂态模型，并通过物理接口接入实际的继电保护装置，如图9-6所示。在K10处设置三相金属性接地故障，故障发生后保护装置迅速动作，切掉第二回线，故障电流变为零；江苏电网在故障发生后有明显的功角振荡，故障线路切除后振荡逐渐平息，系统恢复稳定，试验录波如图9-7、图9-8所示。图9-5 江苏电网接线图图9-6 江苏电网继电保护装置闭环试验图9-7 保护装置跳闸波形图9-8 江苏电网振荡波形2.4 沙河抽水蓄能电站误跳闸事故分析以2005年江苏电网网架为基础，模拟2005年1月4日武南变出线单相接地，运行在抽水状态沙河抽水蓄能机组无故障跳闸的情况，对事故进行研究和重现。仿真模拟结果显示：抽水蓄能机组运行在抽水状态，机组功率发生大幅振荡，发电机低功率保护动作出口切除沙河两台机组。 图9-9 沙河抽水蓄能电站误跳闸事故分析武南变发生单相接地故障，0.3s后切除故障，沙河机组的功率波形及与录波数据的比较。图中蓝色直线:低功率保护定值，黑色曲线:现场录波功率数据，红色曲线:仿真的实时功率数据。通过对比可以发现，仿真的故障波形和实际的故障波形基本吻合。 图9-10 录波波形与仿真波形对比2.5 国家电网5000节点级系统机电-电磁混合实时仿真采用国家电网公司5000节点级系统，系统包括4884条母线、3257条交流线、2条直流线、3632台变压器、524台发电机以及1452个负荷。系统大部分采用机电暂态模型，共分为川渝蒙西、山西河北南、京津唐、湖南江西、东北等5个机电子网；东北局部地区采用电磁暂态模型，共分为2个子网。在电磁暂态子网2中设置故障，分析系统暂态过程，仿真波形如图9-12所示。图9-11 国家电网5000节点级系统图9-12 故障后系统暂态过程2.6 华中电网交直流互联系统分析华中电网算例包含4962条母线、401台发电机（含等值机）、934个负荷、2468条交流线路、1259台并联电抗器、5个串联补偿电抗、652台双绕组变压器、1106台三绕组变压器、4条直流线路。采用机电暂态-电磁暂态混合仿真方法，华中送往广东的直流线为电磁子网，其余网络为机电子网。在母线粤惠州500处发生三相短路接地故障，直流线路“鄂江陵500-粤惠州500”在接地故障下发生换相失败，该直流线路送出功率为零，逆变侧阀电流波形如图9-13所示：图9-13 直流线路换相失败波形而采用纯粹的机电暂态仿真和电磁暂态仿真，其仿真结果均存在一定问题。机电暂态仿真不能模拟HVDC和FACTS等电力电子装置的快速暂态特性和MOV等非线性元件引起的波形畸变特性；而电磁暂态仿真虽然能较真实地反映HVDC和FACTS的动态特性，但受模型与算法的限制，其仿真规模不大，分析大规模系统的动态特性时往往会将交流系统等值为简单的等效电路，这样势必丢失交流系统自身动态性能的大量信息，即使采用并行算法求解，也难以对大规模电力系统进行电磁暂态仿真。而采用机电暂态-电磁暂态混合仿真方法，解决了相互独立的机电暂态或电磁暂态程序在研究电力系统时存在的固有缺陷，协调了仿真规模与计算准确性之间的矛盾，为准确分析大规模电网的暂态过程提供了可能，为更好地分析电力系统提供了一种新的有效途径。2.7 励磁调节器闭环试验励磁调节器闭环试验采用的仿真算例如下图所示，系统为单机无穷大系统，励磁系统采用自并励方式，即发电机出口电压并励磁变压器后接全控整流桥，整流桥输出直流电压接发电机转子，为发电机提供励磁。励磁控制器采集发电机机端电压、出口电流等变量，输出6脉冲触发信号，控制整流桥的导通，进而控制励磁电压。图9-14 励磁调节器试验系统图励磁调节器采用PID控制算法。图9-15至图9-17分别是发电机空载极端电压+10%阶跃、发电机带载甩负荷、发电机带载时双回线第二回中段三相金属性短路的试验录波结果。图9-15 发电机空载极端电压+10%阶跃时机端电压和励磁电流图9-16 发电机带载甩负荷时机端电压和励磁电流图9-17 发电机带载第二回线三相短路时机端电压和励磁电流2.8 750kV可控串补控制器闭环试验本试验以西北电网为研究对象，在电力系统全数字仿真装置(ADPSS)中接入实际的可控串补控制器，开展全数字实时仿真试验。试验基础数据采用西北电网2010年冬大运行方式下的规划数据，采用机电暂态-电磁暂态混合仿真方法，将哈密至永登的750kV输电线路采用电磁暂态仿真，并在第二回线上接入实际的TCSC控制器。图9-18 试验采用的河西走廊750kV串补配置图9-19是TCSC控制器采用阻抗开环控制时的阻抗命令值由1.2p.u.阶跃至2.5p.u.，然后又阶跃至1.2p.u.的试验结果。图9-19 阻抗开环控制试验图9-20是TCSC控制器采用阻抗闭环控制时的阻抗命令值由1.2p.u.阶跃至