特高压直流换流站培训模拟系统的研究与应用

葛贤军，蒲天骄，徐正清，刘克文，崔 爽

(1．中国电力科学研究院，北京市100192;2． 国网电力科学研究院，北京市100192)

0 引 言

随着特高压电网建设的逐步推进和高压直流输电技术的日益成熟，我国直流特高压输电系统取得了稳步的发展。按照国家电网的发展战略，2020年前后，将建设成以1 000 kV 级交流和±800 kV 级直流特高压骨干网架为核心的坚强的国家电网［1-2］。拥有一支技术全面、经验丰富的特高压系统运行人才队伍是保证特高压电网长期安全运行的必要条件，因此加强相关技术及管理人员的培训显得尤为重要。

目前，国内外研究机构对发电机组仿真、变电仿真系统及电网仿真系统的研发技术已非常成熟［3-8］，这些系统的应用已经发挥了巨大的培训作用，但对特高压直流输电工程的培训仿真研究还鲜有应用实例。现阶段我国特高压直流输电的相关培训大多通过各换流站中随工程配置的培训工作站进行，其具有与运行人员工作站(operation work station，OWS)相同的人机界面和连锁逻辑，对运行人员熟悉监控系统操作界面有一定的帮助作用，但是由于缺乏对换流站一二次设备、辅助设备及交直流混联电网的完整模拟，难以全过程再现直流系统的运行和故障情况，难以满足换流站生产人员对交直流设备的巡视、故障与异常的分析与处理、反事故演习和安全管理等全面的培训需要。

因此亟待研究并开发一套包括交直流电网混联仿真与特高压换流站仿真一体化的培训模拟系统，以满足特高压换流站运行人员的日常运行培训、反事故演习的迫切需求。本文开发的特高压直流输电培训模拟系统(UHVDC TS)以±800 kV 复奉直流特高压输电系统为原型，是由交直流混联电网仿真、特高压直流换流站仿真组成，可以满足对特高压直流换流站运行人员的全方位的模拟培训。本文将介绍该仿真系统的组成架构、功能特点，并详细阐述系统实现的关键技术及其应用效果。

1 系统的结构

UHVDC TS 采用3 层体系架构设计，包括平台层、应用层和交互层，系统的结构如图1 所示。

图1 UHVDC TS 结构图Fig.1 UHVDC TS structure

交互式协同仿真平台作为本系统的基础支撑软件，采用基于高层体系结构(high level architecture，HLA)的分布式、交互式构架设计［4］，用于各应用功能模块间的交互、通信、协调，保证各功能模块间的高度耦合、实时协同运行。

系统的功能应用层主要包括仿真应用模块及仿真管理模块2 大部分。仿真应用模块是本系统的核心，实现特高压换流站仿真的运行仿真功能。仿真管理模块是为仿真系统管理人员开发的系统管理软件，可以满足管理人员对仿真系统的启停、控制及教员学员系统的管理。

人机交互层是仿真系统应用人员与仿真软件互动的关键场所，主要包括电网监控界面、换流站一和二次场景、OWS 仿真模拟界面及系统教员管理界面。通过这些人机界面，系统的使用人员可以进行遥控、遥调、设备巡视、故障的设置、处理等各种操作，实现沉浸式的全场景、全过程的培训效果。

2 仿真的组成及仿真模型

UHVDC TS 仿真模型主要由特高压交直流电网仿真、特高压换流站设备仿真及换流站OWS 监控仿真组成。各仿真模型之间相互耦合密不可分，运行关系如图2 所示。

图2 电网、换流站及监控仿真系统关系图Fig.2 Relation of grid simulation，converter station simulation and monitoring simulation

交直流混联电网仿真是整个仿真系统的基础，它负责为换流站设备仿真及监控仿真提供基本遥测信息。

OWS 监控仿真通过一系列的监控界面显示换流站的各种遥测及遥信信息，满足运行监视功能;同时可以通过各种控制界面实现对换流站设备的遥控、遥调等操作。

换流站设备仿真是本仿真系统的核心，它通过采集电网、监控及换流站设备的测量、控制等信息，依照实际的控制、保护策略实现设备的动作、调整模拟，并将相关信息反馈至电网及监控系统。

2.1 交直流混联电网仿真模型

电网仿真是整个仿真系统的基础和关键［3］。为保证仿真效果的准确性，本系统以华中地区电网、华东地区电网为基本网架建立交直流电网仿真模型。本系统仿真交直流电网简化图如图3 所示。

图3 交直流混联电网网架图Fig.3 Structure of AC/DC hybrid power grid

交流电网部分:模拟发电机组66 台，仿真500 kV交流变电站57 座，500 kV 输电线路170条。

直流电网部分:其中±800 kV 输电线路1 回(复龙—奉贤直流)，±500 kV 输电线路4 回(龙泉—政平，江陵—鹅城，葛洲坝—南桥，宜都—华新)。

在上述的交直流电网仿真范围基础上，电网仿真对复龙换流站及奉贤换流站相关的直流输电系统和交流电网建立详细仿真模型，在不影响仿真效果的前提下，对其他部分进行适当等值简化处理。

2.2 换流站设备仿真模型

换流站设备模型是特高压换流站仿真的基础，为保证仿真结果的真实性，需对仿真模型特性进行详细考虑。系统需充分考虑实际换流站设备的特点，对换流站的交流系统、直流系统以及辅助系统进行详细模拟。为此换流站的各模型均按照基于设备原理建模，并采用虚拟现实技术实现设备的三维场景再现。换流站设备仿真结构图如图4 所示，换流站设备仿真具体内容分述如下。

图4 换流站设备模型关系图Fig.4 Relation among equipments of converter station simulation

2.2.1 交流仿真模型

交流仿真模型主要由交流一、二次设备模型和保护系统模型组成。

(1)交流设备模型。交流设备模型包括交流母线、断路器、隔离开关、接地刀闸、交流滤波器、互感器、电抗器及所属二次控制、信号、测量、保护装置及回路。

(2)交流保护模型。交流保护系统模型主要包括线路保护、母线保护、变压器保护、滤波器保护、断路器失灵保护、操作箱等。

2.2.2 直流仿真模型

直流仿真模型包括直流设备模型、直流控制系统模型及直流保护系统模型。

(1)直流设备模型。直流设备模型主要包括换流变、换流阀、平波电抗器、直流滤波器、直流开关设备及光CT 等设备。

(2)直流控制系统。直流控制系统逻辑按照换流站实际控制系统工程控制软件的逻辑完成编程，可以逼真地模拟直流设备间连锁、顺控操作、换流变分接头控制、换流阀触发控制、运行方式控制、过负荷限制、开线试验、极功率控制、无功功率控制、电压和角度参考值控制等，支持换流站所有典型监视、运行等操作。

(3)直流保护系统。直流保护系统包括换流器保护、极保护(包括极、极母线、中性母线、直流线路、直流滤波器、平波电抗器和直流开关场设备)、双极保护(包括双极中性线和接地极线路)、换流阀保护、换流器交流母线和换流变压器保护。系统根据运行的特高压直流运行的特点可以灵活设置高低压换流变、高低压换流阀、极母线、中性母线、直流滤波器、直流输电线路等故障。

2.2.3 辅助设备仿真模型

本次仿真对换流站的站用电系统、直流系统、水冷系统进行了详细模拟。各辅助设备模型均依据实际系统运行逻辑建立耦合关系，站用电系统通过站用变压器与交流系统建立联系;直流系统通过充电装置与站用电建立联系;站用电及直流系统能否正常运行直接影响水冷系统能够正常工作。

站用电系统的仿真对象包括站用高低压母线、开关刀闸、测量回路、保护装置及回路、站用备自投装置、换流变冷却器回路等。

直流系统包括蓄电池、充电设备、直流母线、进出线刀闸、绝缘监察装置、表计、信号及相关屏盘等。

换流站的水冷系统按阀组配置，分为主水回路和辅助回路，主水回路包括主循环泵、马达阀、螺线管阀、以及管道上相应的温度计、流量计、压力计、加热器等;辅助回路包括膨胀箱、氮气吹泡装置、补水装置等。水冷系统按照实际的回路布置，所有管路、阀门以及附属的温度计、流量计、压力计、加热器，均能显示水冷系统的运行状态;支持主辅泵的切换操作及CCP 系统主/备的监视，实现对内冷水系统的远方和就地的控制;能模拟水冷异常及故障引起的换流阀闭锁等故障。

2.3 换流站OWS 监控系统仿真

换流站OWS 监控系统是换流站运行工作人员对换流站的运行进行监视、操作及故障分析的重要场所，是换流站安全稳定运行的指挥中枢。本文所述监控仿真对复龙换流站的实际监控系统［9］进行了详细仿真。系统采用“模拟”的仿真方式应用人机界面动态仿真技术实现换流站的OWS 仿真，从窗口风格、系统监视及系统控制3个方面对实际系统进行了详细模拟。监控仿真系统的人机界面、操作菜单、界面闭锁逻辑及直流告警和显示等功能与实际系统完全一致。监控仿真范围如图5 所示。

图5 OWS 监控仿真Fig.5 OWS monitoring simulation

监控系统主要仿真功能包括:顺控操作、直流场监控、交流场监控、高低端阀组监控、高低端阀组水冷系统图及站用电、直流监控界面等。所有界面的布局风格、遥信值、闭锁逻辑与真实设备完全一致，满足运行人员的各种设备监视、顺控操作、交直流设备遥控、换流变抽头遥调的操作等。

3 仿真系统的关键技术

3.1 基于电磁暂态的交直流电网全动态仿真技术

交直流电网实时数字仿真的模型完整性和计算精度直接决定着系统的整体性能。本系统针对特高压直流输电所处的大规模交流电网采用暂态、中长期一体化的全动态仿真，实现了交流电网的全过程仿真，真实再现了电力系统的动态行为。针对详细仿真的特高压直流输电系统，按照电磁暂态过程建模，建立了换流阀组、换流变、平波电抗器、直流输电线路、直流滤波器及交流滤波器的一次设备及其控制系统的电磁暂态模型，基于瞬时值的电磁暂态仿真进行计算［10］，可以模拟微秒级的电压、电流瞬时变化情况，不仅可以计算系统的工频电量，而且考虑非周期和高频分量以及快速的暂态过程，准确地再现直流系统的正常、异常及故障情况下的各种行为，为交直流培训模拟系统提供精确的数字信号。

结合直流培训系统的连续稳定运行、交互性、实时性等性能要求高的特点，针对换流阀状态频繁变换，开发修正向后欧拉法［10］的电量跃变计算以保证换流阀导通状态发生变化时，不会产生不衰减的数值振荡，提高了系统连续稳定的运行能力;采用长距离输电线路任意点故障在线仿真算法，实现各类设备故障的在线交互设置而无须预先设置以重新进行初始值及稳态计算，保证了系统的在线交互性;采用友元法、并行计算技术通过降低计算矩阵的阶数和将计算任务分解至多个CPU，以满足系统的实时性。

3.2 组件化换流站建模技术

在换流站仿真中，换流站的一、二次设备均采用全三维场景设计。为解决三维模型开发过程中的繁琐、机械、费时等问题［11］，根据三维模型控件的高度重复性的特点，采用了可视化的组件化建模系统。该建模系统主要利用设备组装工具、单元组装工具、场景组装工具结合开发的元件库、设备库及单元库，按照由元件生成设备，由设备生成单元，由单元生成场景的流程完成全三维场景的组建。三维系统建模过程如图6 所示。

图6 组件化建模系统结构图Fig.6 Structure of component-based modeling system

元件库:由电力系统中常见的压板、切换把手、按钮、仪表灯、装置面板等小元件组成。这些小元件是组成装置的基本元素。

设备库:由一次设备库及二次设备库2个部分组成，一次设备主要包括各种类型的断路器、隔离开关、PT、CT 等;二次设备主要包括各种类型的线路保护、变压器保护、断路器保护等二次保护屏盘，这些二次屏盘均可由元件库中的各种元件通过设备组装工具组合而成。

单元库:由变电站中典型的线路单元、变压器单元、电容器单元等组成。单元库中的设备均可由设备库中的各种元件通过单元组装工具组合而成。

基于可视化、组件化三维建模技术开发的设备组装工具、单元组装工具及场景组装工具使非专业三维人员灵活组建及修改三维场景变成了可能，大幅度提高了三维场景开发、维护的工作效率。

3.3 三维虚拟场景技术

采用三维虚拟场景技术，开发了包括一、二次设备在内的特高压换流站的交互式全三维虚拟场景，仿真效果如图7 所示。

为满足仿真场景的真实性，应用基于情景上下文的碰撞检测加速算法［12］，实现了虚拟场景的自由漫游、设备操作及设备巡视，采用分形和粒子系统方法模拟爆炸、烟雾、放电电弧等特殊效果和雨雪等气候条件，实现了全场景仿真，增加了培训的效果。

图7 特高压直流一次设备三维场景Fig.7 3D Scene of primary equipment in UHVDC

3.4 交互式协同仿真平台支撑平台技术

UHVDC TS 基于国际建模与仿真标准—高层体系架构开发了分布式、交互式的仿真支撑平台［4-5］，为各个仿真应用提供了位置透明、高效的虚拟运行环境，仿真系统结构如图8 所示。

图8 仿真支撑平台系统结构图Fig.8 Structure of training simulation platform

4 系统的应用

4.1 仿真系统的部署

仿真系统在网络结构和硬件的配置上都遵循开放性的原则，以达到系统的可扩充性和可维护性。

仿真系统由仿真教员台及仿真学员台组成，其中教员台由一台一机双屏的微机、投影系统及网络打印机组成，用于教案编制、故障设置、系统启停控制、系统维护管理、数据组织和对学员的监管等功能。每组学员台由3 台微机组成，分别运行电网仿真、监控仿真及换流站设备仿真程序，每组学员台可同时培训1 ～3名学员。学员台的数量可以根据实际培训需要进行增减，灵活配置，其规模原则上没有上限，与实际部署的网络环境有关。

系统的硬件结构如图9 所示。

图10 故障前画面Fig.10 State before fault

4.2 仿真案例

UHVDC TS 实现了特高压交直流电网与特高压换流站联合仿真，能够针对特高压直流输电相关生产、管理人员进行特高压换流站日常维护、正常操作、异常事故处理的技能技术的培训，以及联合反事故演习。

本节以复龙换流站极1 高端阀组短路故障为例分析了特高压换流站的仿真功能。

正常状态下，换流站处于双极双阀组满负荷，±800 kV全压运行，输送功率为6 400 MW，运行工况如图10 故障前画面所示。

当发生极1 高端阀组短路故障时，极1 高端阀短路保护动作，高端阀闭锁，其所对应的换流变高压开关跳闸并闭锁，直流高压阀旁路开关8011 及旁路刀闸80116 相继闭合，高压阀组阳极刀闸80111、阴极刀闸80112 打开，极1 降压至400 kV，过负荷1 750 MW运行。故障后状态如图11 故障后画面所示。

本次仿真现象、故障动作过程及故障信息结果与实际系统完全一致，三维一次、二次场景变化与系统故障逻辑相同。

4.3 应用效果

该系统分别在国网技术学院与国网运行分公司投入实际应用。投运以来已经成功支持了国家电网公司数千人次的新员工培训及近百人次特高压在岗人员技能培训，并承担了2013年度国网运行分公司特高压运行技能技术比武工作，取得了良好效果。

图11 故障后画面Fig.11 State after fault

5 结 语

UHVDC TS 采用交直流混联电网仿真技术实现了大电网交直流混联电网仿真，真实再现了交直流大电网的运行特点;利用虚拟现实技术实现了特高压换流站的一、二次设备的三维重现，满足了全场景仿真的需要;利用可视化、组件化三维仿真建模技术提高了三维场景组建快速性及维护的方便性及实用性;利用基于HLA 的支撑技术实现了仿真电网与仿真特高压换流站的无缝连接，实现了系统运行的全过程仿真。使用该仿真系统培训特高压运行人员，全面提高了特高压运行人员的技能技术水平，系统的成功开发为即将投运的±1 100 kV 特高压直流系统的仿真建设打下了良好的基础。

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