基于RTDS的两类直流全过程详细仿真模型建模

崔勇，冯煜尧，申屠刚，杨增辉，李建华，郭强

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.国家电网华东分部，上海 200120）

基于RTDS的两类直流全过程详细仿真模型建模

崔勇1，冯煜尧1，申屠刚2，杨增辉1，李建华2，郭强1

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.国家电网华东分部，上海 200120）

基于RTDS实时仿真系统，结合ABB和西门子2种类型直流控制保护程序特点，采用RTDS元件库组装以及CBuilder自定义建模相结合的方法，全面考虑与直流稳态和暂态响应相关的主要功能模块，建立了可模拟直流稳态和暂态响应的全过程详细仿真模型，并通过与实际控保装置稳态调节过程以及故障暂态过程下的比对校核，验证了直流全过程仿真模型的正确性。

RTDS实时仿真系统；直流输电；全过程仿真模型；自定义建模

大规模直流密集接入，交直流交互影响问题突出，直流系统无功电压控制复杂等因素，对华东电网、南方电网等的规划和运行造成了重大影响，为确保交直流混联电网的安全稳定运行，迫切需要建立直流输电系统详细模型，准确模拟直流输电的实际物理特性以及交直流系统之间的相互影响过程。

目前，对于直流模型建模和仿真研究，部分研究机构采用机电暂态建模和仿真方法，其仿真方法具有一定的局限性，其仿真模型与实际偏差存在一定差异[1-2]。部分研究机构采用实时数字仿真方法，并接入了直流控制保护装置，能准确模拟直流运行特性，在电网运行中取得了实质效果，但当直流输电工程较多时，投资成本较大[3-4]，因此国内外广泛开展了直流电磁暂态仿真模型建模工作。目前研究中采用的直流电磁暂态模型主要考虑与直流暂态响应相关的控制功能模块，对直流稳态响应相关的功能模块，比如无功功率控制、分接头控制等模块，并没有进行考虑，因此无法研究直流在稳态调节过程中的有功功率和无功功率运行特性[5-7]，直流电磁暂态模型均为通用模型，控制逻辑和参数也基本一致，未针对具体的直流工程所采用的不同技术类型控制保护逻辑，建立与之相一致的模型，仿真精度和准确性得不到保证[8-9]，所以有必要针对实际直流工程，参照其实际直流控制保护程序，结合ABB和西门子2种类型控保的特点，搭建能准确模拟直流暂态和稳态响应的全过程详细电磁暂态仿真模型，具有一定的可行性和实用性。

本文基于RTDS实时仿真系统，以实际电网中采用ABB类型控保的±500 kV宜华超高压直流工程和采用西门子类型控保的±800 kV宾金特高压直流工程作为建模对象，参考实际直流工程一次系统参数和控制保护程序，结合ABB和西门子2种类型的直流控制保护系统的不同特点，提出采用RTDS元件库组装以及CBuilder自定义建模相结合的方法，建立可模拟直流稳态和暂态响应的全过程详细仿真模型。通过与实际控保稳态调节过程以及故障暂态过程下的比对校核，验证直流全过程仿真模型的正确性。

1 建模总体思路

根据建模需求，提出RTDS直流全过程详细模型建模总体思路如图1所示。

图1 RTDS直流全过程详细模型建模总体思路Fig.1 General idea of the RTDS-based modeling for full-process simulation of HVDC

首先开展资料搜集工作，全面收集直流工程技术资料，包括直流的一次系统模型和参数，以及直流控制保护程序，为后续直流建模工作提供准确依据和有力参考。然后根据直流工程一次设备参数，搭建一次系统RTDS模型，包括±500 kV超高压直流和±800 kV特高压直流2种。并根据直流控制保护程序，梳理了与交直流交互影响密切相关的控制保护功能模块，包括ABB和西门子2种技术路线，针对ABB直流控制保护模型，采用RTDS控制元件库中的模块直接进行搭建。针对西门子直流控制保护模型，采用RTDS中CBuilder自定义建模技术进行模型建模，再将直流一次系统模型和控制保护系统模型进行拼接，从而建立直流输电系统全过程详细模型，最后对模型的准确性进行校核，将模型的仿真结果与实际控制保护装置仿真结果或者实际现场录波曲线进行对比，包括稳态调节以及交流系统故障等试验，确保仿真详细模型与实际控制保护装置的稳态和暂态响应相一致。

2 基于RTDS的直流全过程详细仿真模型建模

2.1 直流RTDS一次系统建模

参照±500 kV宜华直流和±800 kV宾金直流工程一次系统模型和参数，基于RTDS搭建了一次系统模型，包括换流变压器、晶闸管换流器、平波电抗器、直流滤波器、交流滤波器、直流线路和接地极线路、开关等所有一次设备以及两侧的等值交流系统。

2.2 直流RTDS控保仿真模型框架

根据研究需求和仿真规模，梳理了直流控制保护系统中重要的以及与交直流影响研究密切相关的功能模块，在详细考虑功率/电流控制、触发角控制等功能模块的基础上，补充完善了无功功率控制、分接头控制等与直流稳态调节相关的功能模块，使得所建立的直流全过程详细仿真模型既能模拟直流在交流故障后的暂态响应特性，同时也能模拟直流在功率稳态调节过程中的响应特性，满足交直流电网无功功率优化控制研究等方面需求。直流全过程详细仿真模型控制保护功能框图如图2所示。

图2 直流全过程详细仿真模型控制保护功能框图Fig.2 Control and protection function diagram of the full-process simulation of HVDC

2.3 ABB类型直流控保模型建模

ABB与西门子的直流控制保护系统采取不同的技术路线，控制保护程序差别很大，因此针对其特点采用了不同的建模方法。ABB直流控制保护程序是基于Hidraw的图形化工具，其逻辑元件功能比较直观，一般可以在RTDS自带的控制元件库中找到对应的元件，建模时只需根据其控制保护逻辑在RTDS中对这些元件进行组装。

建立的宜华直流控制保护系统RTDS模型如图3所示。该模型控制模块包括：极功率和电流控制、换流器触发控制（其中有低压限流控制、闭环电流控制、电压控制、AMAX控制、换相失败预测控制、点火角限幅控制、Gamma0启动控制、RAML控制、过电压控制以及点火控制）、电压角度参考值计算、过负荷限制、无功功率控制（包括UMAX/QMAX控制、QControl/U-Control、无功控制优先级）、分接头控制（包括Udi0控制、Alpha/Gamma控制、Ud控制以及控制方式的配合）等；保护模块包括换相失败保护、过流保护、直流过压保护、直流低压保护等。

2.4 西门子类型直流控保模型建模

西门子直流控制保护程序是基于STRUC G的图形化工具，其元件均为封装模块，逻辑功能不太直观，并且这些元件与RTDS控制元件库中自带的元件无法一一对应，因此需要先基于RTDS的CBuilder自定义建模方法，对这些元件进行自定义建模，然后再根据其控制保护逻辑进行组装。

图3 宜华直流控制保护系统RTDS模型Fig.3 RTDS model of Yihua HVDC control and protection system

RTDS提供了一个高效的用户自定义建模功能—Component Builder，在CBuilder下，用户可通过编制相应的程序来实现某些功能。基于RTDS中CBuilder自定义建模环境，建立了自定义元件库，包含了西门子直流控制保护建模所需的元件如图4所示。

图4 西门子直流控制保护模型自定义元件库Fig.4 User-defined components library of SIEMENS HVDC control and protection system

建立的宾金直流控制保护系统RTDS模型如图5所示。该模型包含如下模块和功能：参数设置、功率/电流控制、触发角控制、点火控制、分接头控制（包括Udi0控制、Alpha/Gamma控制、Ud控制以及控制方式的配合）、无功功率控制（包括UMAX/QMAX控制、Q-Control/U-Control、无功控制优先级）、直流保护（包含谐波保护、换相失败保护、交流过电压保护和交流欠压检测）、解锁/闭锁控制、开关控制等模块。

3 RTDS直流全过程仿真模型校核

宜华直流RTDS全过程仿真模型为例，通过比较稳态调节过程和故障暂态过程下，RTDS直流全过程仿真模型与实际控保录波曲线的差异，评估RTDS直流全过程仿真模型的准确性。

图5 宾金直流控制保护系统RTDS模型Fig.5 RTDS model of Binjin HVDC control and protection system

3.1 稳态调节过程比对

通过改变直流功率指令值，将直流功率由3000MW回降至2 000 MW，功率变化过程中，RTDS仿真模型与实际控保逆变侧各变量的波形比较如图6所示，图6（a）为实际控保录波，图6（b）为RTDS全过程仿真模型录波。

RTDS全过程仿真模型在直流功率从3 000 MW回降到2 000 MW时过程中，直流电流按照步进逻辑逐步从3 000 A下降到2 000 A，换流变分接头不断进行调节，控制触发角度在15°左右，交流滤波器组也逐级切除，使得交直流系统交换无功在合理范围内。在直流功率稳态调节过程中，RTDS直流全过程仿真模型与实际控保的直流电压、直流电流、触发角、熄弧角、直流有功功率、交直流交换无功功率等变量的录波曲线保持一致。

图6 稳态功率调节过程中RTDS仿真模型与实际控保逆变侧各变量波形比对Fig.6 Comparisons of the RTD-based simulation model with wave-forms of variables at the inverter side of the actual control and protection system in the steady state power regulation process

3.2 故障暂态过程比对

在逆变侧交流系统设置三相金属性短路接地故障，持续时间为100 ms。RTDS直流全过程仿真模型与实际控保在交流系统故障后逆变侧响应曲线比较如图7所示，图7（a）为实际控保录波，图7（b）为RTDS全过程仿真模型录波。

RTDS全过程仿真模型在逆变侧交流系统发生三相短路后，由于换相电压降低，使得逆变侧直流电压降低，从而使得直流电流升高，换相角加大，导致熄弧角变小，当熄弧角小于7°～9°时，逆变器发生了换相失败，整流侧控制系统增大触发角以抑制过大的短路电流，直流电流下降至零并一直保持零值，直到故障后才重新恢复至稳态值。RTDS直流全过程仿真模型与实际控保在逆变侧三相短路（持续时间100 ms）后的直流电压、直流电流、熄弧角、直流有功功率、交直流交换无功功率等变量的录波曲线基本一致[10]。

上述校核结果表明，RTDS直流全过程仿真模型与实际控保装置稳态运行以及故障后暂态响应曲线保持一致，验证了直流全过程仿真模型的正确性。

图7 逆变侧交流系统故障后RTDS仿真模型与实际控保逆变侧各变量波形比对Fig.7 Comparisons of the RTD-based simulation model with wave-forms of variables on the inverter of the actual control and protection system when a fault occurs to the AC system at the inverter side

4 结语

本文基于RTDS实时仿真系统，参考实际直流工程一次系统参数和控制保护程序，针对ABB和西门子2种类型的直流控制保护系统，采用了RTDS元件库组装以及CBuilder自定义建模相结合的方法，考虑了与直流稳态和暂态响应相关的功能模块，建立了可准确模拟直流稳态和暂态响应的全过程详细仿真模型，并通过与实际控保录波曲线进行对比，验证了模型的正确性。该模型为研究直流输电控制保护策略和运行特性，以及交直流之间交互影响机理奠定了基础，提高了交直流电网仿真准确性和精度，也为国内外其他电网，开展ABB类型或者西门子类型的超高压直流和特高压直流仿真模型建模工作提供了指导和参考，具有一定的可行性和实用性。

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（编辑 张晓娟）

RTDS-Based Modeling for Full-Process Simulation of Two Types of HVDC

CUI Yong1，FENG Yuyao1，SHEN Tugang2，YANG Zenghui1，LI Jianhua2，GUO Qiang1
（1.State Grid Shanghai Electric Power Research Institute，Shanghai 200437，China；2.China East Branch of State Grid Corporation of China，Shanghai 200120，China）

The characteristics of DC system control and protection programs are analyzed for ABB and Siemens HVDC systems.The detailed model for full-process simulation of steady-state and transient response of HVDC system is established through combining RTDS component library and userdefined modeling by CBuilder.Simulation of the steady-state and transient response of HVDC system is performed based on the model.The accuracy of the model is verified through comparison of the simulation results and the practical response of HVDC control and protection cabinet.

real time digital simulation system（RTDS）；HVDC power transmission；full-process simulation；userdefined modeling

国家电网公司科技项目（52094016000X）：直流控制保护与受端电网配合性能提升技术研究。

Project Supported by the Science and Technology Program of the SGCC（52094016000X）：Performance Improvement of the DC Control and Protection System.

1674-3814（2016）10-0088-06

TM64

B

2016-06-13。

崔 勇（1985—），男，硕士，工程师，从事电力系统仿真分析工作；

冯煜尧（1983—），男，硕士，高级工程师，从事电力系统运行与控制工作；

申屠刚（1985—），男，硕士，工程师，从事电力系统调度与运行控制工作。