换流站直流系统应采用(直流变换装置)

许电气传动分公司贾帅峰、李凤龙、赵、研究员在2021年第7期《电气技术》上撰文。通过对换流站仿真培训系统的研究，提出了一种新的基于PSCAD/EMTDC的仿真培训系统设计方案。利用PSCAD自定义装置对实际控制保护装置进行仿真，构建了DC控制保护仿真系统。介绍了自定义设备之间、自定义设备与操作员控制系统之间的通信接口设计，优化了操作员控制系统与自定义设备之间的通信协议和交互方式，使自定义设备发送消息的数据区与实际设备一致，从而使工程现场的操作员控制系统参数可以直接应用于DC换流站仿真培训系统。
目前，我国已建成并投入运行的直流输电工程超过30个，直流输电工程的运行维护工作日益繁重，直流输电系统的结构和控制保护策略复杂。因此，对运营商的运维要求更加专业。为了研究DC系统的运行特性和维护试验，有必要建立一个仿真培训系统。DC仿真培训系统一般有两种：一种是由硬件和软件组成，如实时数字仿真(RTDS)和控制保护装置，另一种是由RTLAB或HYPERSIM和控制保护装置组成，但这种仿真系统设备多，结构复杂；另一种由纯软件组成，如PSCAD/EMTDC，根据工程程序构建控制和保护逻辑。但是，这种仿真系统建立的模型与实际的控制和保护逻辑相差很大，无法像工程物理模型那样为用户提供详细的系统状态信息。因此，迫切需要开发一种新的仿真培训系统，既能高度仿真现场DC控制和保护系统，又能实现仿真平台与工程现场的高度一致性，可用于运输和检验人员的专业培训，并且具有结构简单、经济等优点。
DC换流站仿真培训系统介绍仿真培训系统的目的是实现运行人员的培训功能，通过运行人员控制系统(以下简称后台系统)的各种功能，为运行高压直流系统提供一个培训设施。典型的双端特高压直流系统全软件仿真培训系统(可扩展为多端仿真培训系统)的整体结构如图1所示。它主要由两个换流站的培训工作站、仿真服务器和连接它们的局域网组成。两个培训工作站分别是整流站和逆变站的后台系统工作站。
图1模拟训练系统的总体概况
2仿真培训系统总体方案设计仿真培训系统分为三个部分：DC控制与保护仿真系统、一次设备仿真系统和后台系统。其中，DC控制保护仿真系统和一次设备仿真系统完全在仿真服务器中实现，后台系统的前置程序也在仿真服务器中实现。培训系统逻辑模型的整体结构如图2所示。2.1一次设备仿真系统方案设计是根据实际工程的主接线图和主回路参数信息，利用PSCAD自带的组件库对换流变压器、换流器、DC线等DC现场关键设备进行仿真建模，调整模型参数使其外特性与特高压直流换流站一次设备高度一致，建立交流系统等值网络，确保交流系统对DC系统的外特性与实际工程高度一致。利用自主开发的DCSIM模块对测控设备和一些一次设备(如刀闸、断路器等)进行仿真。)以及所有测量和控制设备以及一次设备(如刀闸、断路器、换流阀等)的模拟。DC输电工程的现场楼层是com
为了保证实际控制和保护系统的可靠性，设置了各种冗余设计。如通信、控制和保护装置设置双系统冗余，DC保护系统设计三套保护。这些功能主要是加强系统的可靠性，在系统级仿真中不影响DC的动态响应特性。因此，控制保护的仿真模型中不考虑这些容错设计，控制保护层的所有设备都是单系统，即单组仿真设备，通信链路简化为单组信号直连。DC控制和保护仿真系统结构中的每个控制和保护定制模块对应于一个实际的控制和保护装置。通过转换程序将各许继直流公司开发的HCM3000控制保护装置的程序转换成相应的仿真系统可识别的C代码库文件；然后，各控制保护自定义模块通过fortran函数调用相应的C代码库文件，完成从实际控制保护系统代码到控制保护自定义仿真模块的转换；最后，根据实际工程控制保护装置的通信连接关系，增加几个控制保护自定义仿真模块之间的信号传输，将每个控制保护模块组合成一个完整的DC输电控制保护系统，从而完成DC二次控制保护系统的仿真。PSCAD自定义模块之间的通信接口设计。在实践中，DC控制和保护装置之间的通信主要通过硬接线和光纤实现，包括局域网络通信、现场总线通信、系统间快速控制总线通信、站间快速通信、时分复用(TDM)光纤通信等。在PSCAD仿真系统中，控制和保护自定义模块用输入输出引脚连接代替各种通信硬线和光纤，将数据读写到指定通信类型的数据缓冲区，从而满足模拟控制和保护装置之间各种通信数据类型传输的要求。2.4控制保护仿真系统与后台系统的接口设计；DC控制保护仿真系统与操作员控制系统的数据交互示意图如图3所示；基于PSCAD/EMTDC的DC控制保护仿真系统和后台前置程序都部署在仿真服务器上，它们通过共享内存块进行数据交换；前端程序通过网络协议将DC控制保护仿真系统发送的数据发送给后台目标程序，并通过客户端发出的命令将目标程序转发给DC控制保护仿真系统。
图3 DC控制保护仿真系统与操作员控制系统数据交互示意图。在仿真服务器中，DC控制与保护仿真系统由多个仿真设备组成，每个仿真设备通过自定义接口模块将自己的共享内存映射到自己设备的内存空间，后台系统的前置程序也将对应的共享内存映射到本进程的内存空间，这样仿真设备和前置程序就可以读写同一个共享内存，实现数据交换。最后，实现了DC控制保护仿真系统与后台系统的互联，并在后台系统中显示仿真系统运行状态的详细信息。2.5控制保护仿真系统与后台系统的通信协议为了利用现有工程的后台参数，减少后台配置的工作量，降低消息组织对DC控制保护仿真系统运行效率的影响，对实际控制保护系统与后台系统的通信协议进行了优化，并根据数据交互共享内存的特点，修改了协议交互方式。DC控制保护仿真系统与后台系统之间的通信报文格式见表1。
表1 DC控制保护仿真系统与后台系统通信报文格式表1中，字0 ~ 9为协议头，每个字占用两个字节，数据部分从第10个字开始存储。模拟控制和保护装置通过使用三个独立的共享存储器与后台系统的前端程序进行通信，这三个共享存储器是ADI共享存储器、SER共享存储器和CMD共享存储器。其中ADI模块用于存储远程通信和遥测数据；服务块用于存储事件信息；CMD块用于存储后台系统下发的命令模块。在远程通信和遥测数据上传中，数据传输由ADI块共享存储器执行。该存储块用于存储模拟控制和保护装置发送的远程通信和遥测数据。该存储区的第二个字默认为0，不进行事件上传。遥测数据从第10个字开始存储，每个遥测数据占用一个字，每个遥测数据占用一个或多个位。前端程序每100ms读取一次共享内存，解析虚拟设备输出到共享内存的数据，通过内部接口发送到后台系统，在客户端显示各个变量的状态。SER信息上传采用SER块共享内存进行数据传输。该存储块用于存储从模拟设备发送到后台系统的事件信息。该存储模块的第三个字默认为0x0a，即从第十个字开始存储事件信息。为了防止事件信息的丢失，如果前置程序在读取后发现这个内存块中有事件，应该写一个消息使这个内存块的第二个字变成0；只有当存储块的第二个字为0时，模拟设备才能将事件写入共享存储器。发出后台命令时，CMD块用于数据传输。内存块用于接收后台系统发出的命令。后台系统发出命令前，先读取内存块的内容，判断内存块的第一个字是否为0。如果为0，说明内存块没有命令可以读取，命令可以直接写入缓冲区。如果不为0，等待100ms，生成一个不被仿真系统带走的系统事件命令，然后将发出的命令写入缓冲区。虚拟设备接受命令后，应该写回一条消息，使内存块第一个字的内容变成0。
3仿真培训实验为了验证仿真培训系统的功能和性能，本文以800kv UHV延淮DC工程仿真系统为例，进行了解锁实验，以验证系统的培训功能。保留仿真培训系统解锁实验产生的记录波形，与实时仿真系统产生的波形(第一部分由实时仿真器模拟，第二部分为实际控制保护装置)进行对比，验证仿真培训系统的动态特性。3.1模拟实验1雁门关换流站极2解锁实验，DC系统传输功率为400MW，DC系统运行方式为：极2双变流器，单极功率控制，固定功率值为400MW。仿真波形的比较如图4所示。图5显示了模拟训练系统的操作界面。
图4延淮DC极2解锁与整流侧仿真波形与实物模型波形对比
图5仿真培训系统操作界面
在图4中，从上到下，触发角、DC电流和DC电压依次是。灰色是物理模型波形，黑色是仿真波形。通过对比发现，延淮DC仿真模型在解锁过程中触发角、DC电压和DC电流的变化趋势与物理模型解锁过程基本一致。3.2模拟实训实验2极1低端变流器锁定，DC系统传输功率200MW。DC系统运行方式：极1低端变换器运行，单极功率控制，200MW固定功率，极1低端变换器闭锁。仿真波形对比如图6所示。在图6中，从上到下，触发角、DC电流和DC电压依次是。灰色是物理模型波形，黑色是仿真波形。通过比较延淮DC船闸的仿真波形和物理模型波形，
结论采用全软件方法构建仿真培训系统，利用PSCAD自定义模块模拟实际控制保护装置，搭建DC控制保护仿真系统，利用DCSIM模拟开关测控装置和PASCAD一次模型模拟DC一次系统，优化后台系统与DC控制保护仿真系统的通信协议和交互方式。后台系统可以直接采用项目现场和上述系统的后台参数，构建一个经济合理的DC仿真培训系统。
图6延淮DC极1低端变换器仿真波形与物理模型波形对比。详细介绍了仿真培训系统的设计方案。最后，通过仿真实验验证了仿真系统的瞬态特性和功能。该培训系统不需要实际的控制和保护装置，仿真环境简单，成本低，具有很大的推广价值。该系统可广泛应用于换流站运行人员、维护人员和电气专业大四学生的教学和培训。它可以执行典型操作，如DC解锁、锁定、顺序控制、紧急停车、阀组关断等。并能完成交流侧单相接地、DC侧接地等反事故演练。
本文编译自2021年第7期第《电气技术》号。本论文的题目是“新型DC换流站仿真培训系统的设计与实现”，作者是贾帅峰和张皓然。