高压直流输电教学培训软件设计

张勇，陈红坤，吴茜，尹力，缪翼军

（武汉大学电气工程学院，武汉 430072）

近年来，随着电网联网规模的迅速增加和交直流混合系统的大力建设，其对技术性、可靠性、经济性的要求也越来越高，高压直流（high voltage direct current，HVDC）输电开始扮演重要角色[1]。HVDC系统在正常运行时，运行调度人员常常需要根据系统运行方式和负荷变化情况，对系统运行工况及时加以调整，但是具体如何调整需要调度人员预先了解和掌握多种调整方式[2]。基于上述原因，对高压直流输电教学培训软件进行设计与研究具有重要的理论与现实意义。

针对这一问题，本文设计了一套用于稳态运行过程模拟的软件，用以检验各种控制措施的效果，并辅助调度人员了解实际系统的运行工况，从而实现高压直流输电教学培训。

LabVIEW（又称虚拟仪器）是一种图形化的编程语言，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受[3]，是一个功能强大且灵活的软件。其包含丰富的数学和仿真工具模块，界面清晰直观，是一个面向最终用户的工具，特别适合于初次编写软件的人员。

1 HVDC稳态计算原理

主回路稳态参数计算是设计HVDC教学培训软件的基础，其计算结果直接影响到系统的其他功能模块，如无功补偿输入模块、滤波设计模块等。它是考虑在具体的主回路控制方式下，主要包括整流侧、逆变侧换流器控制方式和整流侧、逆变侧换流变压器抽头位置，确定HVDC系统的稳态值。

HVDC系统的核心部分为换流器，其基本模块是三相桥式全控整流电路[4]。分析整流电路时，当负荷为阻感性负载且考虑变压器漏感时，整流输出电压、电流分别[5]为

式中：Udo为理想空载直流电压；EL为变压器二次侧线电压；α、μ分别为触发延迟角、换相角；XB为考虑换相过程后的等效电感。为了区分整流侧和逆变侧的各量，对整流侧的量值加下标r，对逆变侧的量值加下标i。

由式（1）和式（2）可得

将式（3）代入式（1）得

由于触发角和换相角的存在，交流侧相电流的基波将滞后相电势一个相角，功率因数可近似表示为

目前换流站普遍采用12脉动换流器，由两个6脉动的三相桥式电路串联，其中一个采用三角形接法，另一个采用星形接法，从而使两6脉动波形相位相差30°，串联起来即得到12脉动波形。12脉动电压、电流的计算方法与6脉动的计算方法一致，输出电压为6脉动的两倍。

根据实际工程应用的需要，定义两个参数：相对电感压降dx和相对电阻压降dr[6－7]分别为

式中：UdoN为额定理想空载直流电压；Pcu为折算至6脉动换流器标么值的变压器和平波电抗器负载损耗；Rth对应晶闸管上与电流有关的压降；IN为直流线路额定电流。

由于交流母线电压变化小，udoN/udo≈1，且忽略晶闸管导通压降，联立式（3）～式（6）则有

逆变站的直流电压、无功计算方法与整流站相似，表达式[8－9]为

式中：Tr、Ti分别为两端换流变分接头变比；Eacr、Eaci分别为两端交流母线电压。

其他相关稳态参数表达式为

2 基于LabVIEW的HVDC输电教学培训软件的开发与设计

根据HVDC原理和软件设计流程，本文利用LabVIEW图形化编程语言设计了用于HVDC系统稳态模拟的教学培训软件。

2.1 软件的设计思路和功能

本软件应能在多种操作系统中安装和使用，且具有直观友好的用户操作界面，通过简单操作，即可实现直流输电系统的模拟仿真，潮流计算完成后，可即时输出仿真结果。具体来说，软件能够实现的基本功能如下所述。

（1）根据功能和设计需求，软件界面包含2个动态显示的页面，分别为：主界面和参数设置界面。其中主界面用于实时显示潮流计算结果、运行状态；对于过负荷、轻载或接地极电流过大，应能够告警提示；对于无功补偿不足或过剩，可以提示投切无功；对于潮流逆转启动，弹出对话框进行相关参数整定提示。参数设置界面用于对具体的直流输电系统进行额定参数、参数运行范围的设置。

（2）对于主界面中的交直流滤波器、晶闸管阀组、无功补偿装置，为了更形象显示其结构，采用控件高级自定义的方法，通过相应的动态结构来替换布尔控件，实现即点即现的效果。

（3）为了模拟HVDC的控制方式对系统的影响，换流站两端均设置了定功率、定触发角等基本控制方式，对两侧在不同组合的控制方式下稳态运行进行模拟。

2.2 软件的计算机实现方法

为了使操作人员能够准确和清楚的使用本软件，在软件主界面上向用户提供尽可能详细的信息，直观简洁，并且最大程度的体现用户和界面的交互性[10]。利用LabVIEW前面板提供的丰富的控件与显示，可以非常方便的根据需求进行设计。

本软件由下述3大模块组成。

1）启动界面

为了程序的友好性和显示出有意义的标示语，遵循简单、直观的原则制作了启动界面。通过点击自定义的软件图标，本次设计的启动界面如图1所示。实践证明当程序运行时，CPU占用率较小，体现了LabVIEW人机界面设计方面的优势，即美观、可视性强。

图1 软件启动界面Fig.1 Start-up interface of the software

软件由多个界面组成，这些界面由前面板上的鼠标事件、键盘事件触发。通过启动界面VI文件的路径来加载主界面[11]，并决定主界面的执行状态。通常将子界面VI文件放到主程序文件夹中，可确保利用相对路径成功调用子VI文件。

2）参数管理模块

在主界面中，通过点击相应元件弹出输入框，可以调节换流变压器分接头变比，调节直流输电线路电阻、接地极电阻、平波电抗器，投切滤波器组数，开合断路器以实现单双极运行。

采用LabVIEW的属性节点和控件高级自定义的方法实现参数管理模块。LabVIEW之所以功能强大、生动形象，关键之一在于其使用了属性节点。属性节点在功能上是离散的、被准确定义的，它既可以单独使用，也可以与其它属性一起组装成一个完整的应用系统。属性节点有多种表现形式，常用的有可见、闪烁、禁用、提示框等，本次设计采用了闪烁、可见等属性节点，效果良好。

3）辅助模块

软件设计中，为确保各稳态参数处于正常范围，设置了辅助模块。当触发角运行范围超出设定

值，触发角参数框将闪烁提示；双极运行时，接地极电流超过1%IN，将提示接地极电流过大；当两侧换流站消耗无功与系统投入无功补偿之差的绝对值超过单组无功补偿容量时，系统将提示投切无功补偿。

LabVIEW同时包含丰富的数学工具，能够实现各种复杂函数表达式，分别将函数表达式的输出和设定值作为比较函数的输入，比较函数的输出连接到布尔器件，实现稳态运行状态的判断。

3 HVDC稳态运行模拟仿真

利用设计的软件以天生桥—广州（天广）直流输电工程为例进行了各种工况条件下的稳态运行模拟仿真。

3.1 天广直流输电系统相关数据

天广直流输电工程额定传输容量为双极180万kW，额定工作电压为±500 kV，额定工作电流为1 800A，两站交流系统额定电压均为220 kV，换流站采用典型双极12脉动换流阀组[12]。正常情况下，天生桥换流站作为整流站运行，广州换流站作为逆变站运行，换流站运行参数见表1。两换流站换流变分接头变比按实际情况选取。当系统以双极运行，整流侧定电流、逆变侧定γ角运行时，参数设置界面、双极全压运行主界面如图2和图3所示，潮流逆转主界面如图4所示。

表1 换流站运行参数Tab.1 Operation parameters of converter stations

图2 参数设置界面Fig.2 Parameters setting interface

图3 双极全压运行，潮流正转Fig.3 Bipolar and positive power flow operation with full voltage

图4 潮流逆转Fig.4 Negative power flow operation

3.2 模拟仿真结果

由图3和图4可知，由于触发角和逆变角的存在，无论是整流站还是逆变站，正常运行时，换流站所需的无功功率为变压器额定容量的45%左右。通过调整换流变压器分接头或者投切无功补偿设备，可以解决系统无功平衡问题；通过模拟控制方式之间的切换，可以改变系统的稳态运行点。

4 结语

本文利用LabVIEW 8.5设计了高压直流输电教学培训软件，详细阐述了软件设计的总体架构、功能特点以及模块划分，并通过具体算例进行了模拟仿真。本软件应用可视化界面技术，在各种控制方式下可以连续运行，运行过程中稳态参数采用参数框闪烁告警和弹出对话框提示。算例验证表明此软件模拟仿真结果达到设计效果，可视化程度较高、界面直观清晰、方便操作人员使用，可以应用于实际的教学与培训工作中。

[1]徐政．特高压直流输电与柔性交流输电控制装置[M]．北京：机械工业出版社，2006．

[2]刘振亚．特高压直流输电理论[M]．北京：中国电力出版社，2009．

[3]付家才．LabVIEW工程实践技术[M]．北京：化学工业出版社，2010．

[4]李兴源．高压直流输电系统[M]．北京：科学出版社，2010．

[5]王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2000．

[6]王峰，徐政，黄莹，等（Wang Feng，Xu Zheng，Huang Ying，et al）．高压直流输电主回路稳态参数计算（Calculation ofmain circuit parameters for HVDC transmission）[J]．电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2009，24（5）：135-140．

[7]杨彬，叶鹏，孙保功，等（Yang Bin，Ye Peng，Sun Baogong，et al）．多种控制方式下HVDC系统的潮流计算（A power flow calculation model for HVDC power transmission system under various regulation and control modes）[J]．电网技术（Power System Technology），2010，34（6）：139-143．

[8]梁振锋，杨晓萍，高立刚，等（Liang Zhenfeng，Yang Xiaoping，Gao Ligang，et al）．基于LabVIEW的微机保护仿真（Digital simulation of microcomputer-based protective relaying based on LabVIEW）[J]．电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（4）：120-124．

[9]刘军娜，赵成勇，李广凯（Liu Junna，Zhao Chengyong，Li Guangkai）．两电平电压源换流器的损耗计算方法（Power loss evaluation of two-level voltage source converter）[J]．电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（3）：8-12，39．

[10]刘刚，王立香，张连俊．LabVIEW8.20中文版编辑及应用[M]．北京：电子工业出版社，2008．

[11]岂兴明，周建兴．LabVIEW8.2入门与典型实例[M]．北京：人民邮电出版社，2010．