±800 kV特高压直流示范工程建模研究

2011-11-15甄旭锋高本锋

河北电力技术 2011年5期

甄旭锋，高本锋，侯冲

(1.保定供电公司，河北保定 071000；2.华北电力大学,北京 102206；3.河北省安平县电力局，河北衡水 053600)

0 引言

向家坝-上海±800 kV特高压直流示范工程(向上线)线路长度(1 935±60)km，额定功率6 400 MW，额定功率时的正常直流电压±800 kV。向上线是目前世界上电压等级最高，输送容量最大的直流输电工程。其中直流控制保护系统是作为该工程关键的部分之一, 在投运之前需进行严格的系统测试, 以期全面检验控制保护参数配置的正确性和合理性, 同时还可测试发现硬件设备存在的缺陷。因此, 对控制保护设备的测试在整个直流工程的建设中具有重要意义[1-8]。

随着计算机技术的发展，实时数字仿真技术越来越多的用于控制和保护设备的测试中，RTDS(Real Time Digital Simulation)是一种实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置，利用先进的软硬件技术，可以对交直流系统进行实时准确的仿真[9-11]。

1 向上线概况

1.1 换流站接线方式

换流站每极由2个12脉动换流器串联组成,控制保护系统以单个12脉动换流单元为基本单元进行配置，以便能够单独退出单12脉动换流单元而不影响其他设备的正常运行。考虑到运输方便的因素，换流变压器采用单相两绕组。

1.2 交流侧

复龙侧额定运行电压530 kV，最高稳态电压550 kV，短路容量57 288 MVA；奉贤侧额定运行电压515 kV，最高稳态电压525 kV，短路容量57 288 MVA。

1.3 滤波器

复龙换流站交流滤波器包括单组容量均为220 Mvar的4组双调谐BP11/13滤波器，4组双调谐HP24/36滤波器，1组单调谐HP3滤波器，5组SC并联电容器。奉贤换流站交流滤波器配置为：8组HP12/24滤波器，每组容量为260 Mvar；7组SC并联电容器，每组容量为238 Mvar。复龙站和奉贤站直流侧各设置1组三调谐HP2/12/24滤波器。

1.4 变压器

复龙侧换流变压器变比为530 kV/170.3 kV，额定容量为321.1 MVA；奉贤侧换流变压器变比为515 kV/157.6 kV，额定容量为297.1 MVA。

1.5 控制系统参数

额定触发角为15°，最小触发角为5°，额定关断角为17°[12-13]。

2 模型总体设计

RTDS的基本组成部分为RACK，多个RACK之间通过总线和工作站接口卡WIF(Wokstation Interface)相连，每个RACK包含多个GPC卡和I/O板卡。向上线用于与直流保护和控制设备交互的一次系统模型I/O板卡配置如表1所示。

表1 I/O板卡的配置

3 建模关键技术分析

3.1 模型等值处理

同以往的直流工程建模相比，向上线工程运行方式较为复杂，一次系统和控制保护的信号较多，受RTDS仿真规模的限制，因此无法也没有必要在RTDS模型完全包括全部的一次系统模型。在不影响闭环测试精度上，在RTDS模型中对一次系统进行简化(包括换流站的交流系统采用等值电源代替，略去交流、直流场的部分开关等)。

3.2 RTDS处理器的分配

由于RTDS一个RACK只能运算54个电气节点或者56个开关量，对于规模比较大的模型需要采用多个RACK并行计算方式。RACK间以及同一RACK上不同GPC卡间的数据交互，存在一定的时延，会降低仿真精度，增加系统的仿真步长。因此，建立模型前要进行详细分析，确定合理的处理器分配方案。

向上线RTDS模型中的换流器个数及开关量的控制比较多，因此采用多个RACK同步计算的方案，并且对模型进行分块，最大程度上减少了数据在不同RACK和GPC卡间交互带来的时间延迟。RACK间的数据交互采用直流输电线路模型或 “EXPORT”和“IMPORT”输入输出模块连接。

3.3 复龙侧和奉贤侧交流系统的等值

为便于模拟计算，需要对送端和受端电网进行必要的等值简化。整流逆变两侧电网采用内电势恒定的等值电压源模拟，采用等值内阻抗反映其实际系统强度。整流侧送端系统内阻抗为16.75 Ω；逆变侧受端系统内阻抗为11.26 Ω。复龙换流站交流母线正常连续运行电压的范围为500～550 kV, 奉贤换流站交流母线正常连续运行电压的范围为490～525 kV。

3.4 滤波器的设计

交流滤波器在系统中扮演重要的角色，它滤除换流器产生的各次谐波，控制系统谐波在可接受的范围，并提供换相所需的无功功率。两侧换流站的交流滤波器包括5种类型，分别为：BP11/13，HP24/36， HP3，SC并联电容器，HP12/24。

RTDS中的滤波器元件是一个多支路单相滤波器组，由并联在同一母线上的多个滤波器组成。滤波器的类型可以在该元件中进行设置，共包括单调谐滤波器(RLC)、C型滤波器(C-Type)、双阻尼滤波器(D-Damp)等类型。

经过工程的近似等效，交流滤波器BP11/13，HP12/24，HP24/36， HP3，SC并联电容器，HP12/24分别可以用RTDS中的中的模型D-Damp，D-Damp，D-Damp，C-Type和RLC来等值。经测试，基于RTDS所设计的滤波器均满足工程要求。

复龙站和奉贤站每极各设置一组相同的直流滤波器，其模型如图1所示。

图1 直流滤波器模型

3.5 RTDS改进点火脉冲的应用

换流器的触发脉冲由外部控制器产生，由GTDI卡采集，换流器接收到点火脉冲的时刻是随机的，并且只能整步长响应。

因此造成了RTDS接收到点火脉冲的时间误差在0～1步长之间，将会造成仿真器不能连续响应并产生实际系统内没有的非特征谐波。

采用RTDS公司提出的改进点火脉冲算法。采用改进点火脉冲算法后，不管触发脉冲发生在哪个时刻，RTDS接收触发脉冲的时间误差恒为一个RTDS仿真步长，实现了对换流器触发角微调的连续响应，避免产生随机误差[14]。

3.6 Runtime监控界面的开发

RTDS 前台工作站的软件是基于JAVA 平台的RSCAD，有以下几个模块：搭建电力系统和控制系统模型的Draft；编辑线路和电缆相关参数的Tline和Cable；装载并运行用Draft搭建的电力系统，只起到控制和显示的作用的Runtime。Runtime模块是运行控制和显示模块，RTDS仿真系统必须通过它才能运行。向上线控制和运行方式特别复杂，直流场和交流场开关量较多，因此有必要在Runtime界面中设计友好的交互界面，便于实验人员操作和监视当前的状态。

RSCAD自2008版本起，在RUNTIME里的基本图形模块可以和draft中的开关状态相关联，不同的颜色可以表示开关不同的状态[11]。基于此，在RUNTIME里面设计了类似于LWS的监控平台直流系统一次模型图，添加了系统的主要参数。

4 模型闭环校验

为了验证搭建的RTDS模型的正确性，将其与实际的直流控制保护设备构成闭环，测试模型的稳态和暂态运行特性。

系统为双极全压运行方式，复龙站采用定电流控制，额定电流为IdN=4 kA，奉贤站采用定关断角控制，γN=17 。稳态运行特性曲线见图2。

(a) 复龙侧极1直流电压

(b) 复龙侧极1直流电流

(d) 奉贤侧阀电压

(e) 奉贤侧关断角

由图2可知，从模型中得到的稳态特性曲线和暂态运行结果与理论分析一致，表明搭建的模型对向上线一次系统模拟精确度较高，具有良好的稳态和暂态运行特性。

5 结束语

在RTDS的基础上，首次实现了对目前世界上电压等级最高，输送容量最大的直流输电工程一次系统的建模。基于RTDS的向上线工程的一次系统模型已应用于向上线工程的直流保护和控制设备的联合测试，测试项目近千项。向上工程的一次模型模拟准确、实时性强，保证了实验规模的等效性和实验方法的灵活性，对于确保向上工程按期投运，起到了十分重要的作用。建立本模型所使用的方法及经验，对以后其他特高压工程的建模具有一定的借鉴意义。

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