SMRT在交直流大电网分析中的应用模式及实践

朱亚楠，郭琦，张树卿，欧开健，刘志飞，李伟，胡云

(1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市100084;2．南方电网科学研究院，广州市510080)

0 引言

为适应国民经济的发展，优化电力资源配置，我国“西电东送，南北互供和全国联网”工程正在快速推进。以直流输电为例，由于常规直流输电和柔性直流输电分别在长距离输电、非同步联网和可再生能源接入等方面的优势，高压直流输电系统和FACTS设备在我国电网中已经得到了广泛应用，截至2020年，将有至少50条高压直流线路投入运行，同时大量的FACTS设备也将投入使用，届时，电网将发展成为整体规模庞大、区域联系紧密、安全稳定要求严格的现代电力系统，因而仿真技术，这一研究系统运行过程、制定应对策略的保障电网安全稳定运行的有力工具被提出了新的要求:对大电网进行整体、全面的建模与分析，以真实刻画电网各部分间的相互作用;对局部设备、区域网络状态进行精确描述，并有机地将其与全网级暂态过程结合［1］。

然而，传统的电磁暂态仿真和机电暂态仿真均不能满足大规模现代电力系统的仿真需求。传统的电磁暂态仿真常被用于对线路过电压过程、基频或非线性元件和系统、串联补偿线路和高压直流线路的仿真［2］。电磁暂态仿真对电磁暂态过程描述精细，但由于仿真步长小，电气元件模型复杂，计算量大，难以直接用于对大规模电网的研究，必须通过对大规模电网的网络等值和简化来缩小研究规模，使计算量和计算时间均达到可以接受的范围，但是这种等值和简化处理势必会造成网络响应特性的改变，甚至导致电磁暂态仿真结果不能反映真实电网的响应过程［3］。机电暂态仿真常被用于系统受到短路故障、切除线路等大扰动后的暂态稳定性能分析。机电暂态仿真的仿真步长较大，由于采用准稳态模型，模型较为简单，可以满足对大规模电网的机电暂态仿真需求。但是其准稳态模型的前提条件造成不能对非对称故障进行仿真，同时，在交直流混合联网系统的研究中，机电暂态仿真忽略了换流器本身的暂态过程，不能描述换相过程以及换相失败、换流器内部故障及控制系统对换流过程的影响，不能对直流线路故障及此后的控制行为进行描述［3］。因此，为结合两种仿真思路的优点、克服其不足，并充分利用两种方法已有的研究成果，基于电磁暂态仿真和机电暂态仿真的混合仿真技术得到了快速发展，为研究大规模交直流混联电力系统提供了新途径。

1 混合仿真技术

1.1 混合仿真技术的发展

由于混合仿真系统需要将不同建模方法得到的模型、不同类型的微分方程组进行求解，在各分网之间转化数据类型并实现对两侧数据的组织、交互，接口技术成为混合仿真系统的关键。

德国西门子公司研发的NETMAC软件［4］最早实现了对于网络分块分别进行电磁暂态和机电暂态的建模，并在不同程序之间进行数据交互和转换的功能［5］。Heffernan 及其团队［6-8］首先将 HVDC 系统加入混合仿真系统，并将接口位置设置在换流母线处。为了减轻接口附近不对称故障和波形畸变，Reeve等人［9］率先提出令接口位置更加深入交流系统，以增加电磁暂态仿真侧的计算量为代价提升接口数据质量。张怡和Lin等学者［10-11］则采用改进等效建模方法的思路，通过基于频率相关网络等值和宽频多端口等值方法来减轻不对称故障和波形畸变的影响。在接口数据的组织和交互规则上，学者们先后提出串行交互时序、并行交互时序、串并行交互时序、伴随时序等思路［9，12-13］。

1.2 SMRT仿真平台

电磁暂态－机电暂态混合实时仿真平台SMRT基于实时数字仿真(real-time digital simulation)和数字计算机接口的仿真方法，该技术依靠RTDS执行电磁暂态侧仿真，主要包括HVDC、大容量FACTS设备等，通过和自主研发的超实时机电暂态仿真程序的接口实现对大规模交直流电网的混合实时仿真［1］。

SMRT的计算核心硬件主要由RTDS、数字计算机、通讯接口3个部分组成。其中，RTDS和数字计算机两侧实时同步仿真，在固定的时刻交换模型参数、电气接口量。图1为SMRT混合实时仿真平台。

图1 SMRT混合实时仿真平台Fig.1 SMRT hybrid real-time simulation platform

SMRT系统的接口设置在高压直流系统的换流变压器母线处，系统被分为若干电磁暂态子网以及外部机电暂态子网。在电磁暂态侧仿真时，机电暂态侧子网将接口三序电压幅值和相角等相域变量转化为瞬时量，并和机电暂态侧子网的戴维南、诺顿等值参数共同作为接口量发送至电磁暂态侧进行仿真;在机电暂态侧仿真时，电磁暂态侧将以三序基波功率作为接口量。图2为SMRT跨平台接口混合实时仿真案构。

图2 SMRT跨平台接口混合实时仿真架构Fig.2 SMRT hybrid real-time simulation framework of SMRT combining diverse platforms

文献［1］中对混合仿真中的机电侧稳态潮流数据的初始化问题、接口稳定性和连续长时间仿真、接口不当引起的谐波问题、交互固有误差以及三相不对称工况下的接口问题进行了讨论。SMRT系统通过并行交互过程中的预估校正机制，减小了接口误差，能够保证严格的超实时仿真要求，并且采用三序电流分立注入法提高了对不对称故障的适应性。目前，SMRT系统已经实现电磁－机电混合实时仿真系统的快速平稳启动和长时间可靠运行，基于图2所示的跨平台接口混合实时仿真架构，可以通过接口实现与高压直流的现场控制保护装置等物理设备、模块化设备元件仿真模块的数据交互，由图形化界面、仿真结果分析等高级应用为研究人员提供更为直观、便捷的服务，对各种人机交互界面设置各种故障情况下的交直流输电系统进行仿真。同时，该系统可以接收和响应二次设备的动作指令，并在南方电网系统中经过了全面的测试和应用。

2 SMRT应用模式及实践

2.1 SMRT应用模式

SMRT混合实时仿真的应用领域主要分为以下三类:生产运行服务、课题研究以及调度员的教学和培训。

SMRT平台接入高压直流的现场控制保护装置后，可以以多种典型运行方式为基础，开展交直流大电网机电暂态行为和稳定特性的仿真分析与研究，包括功角稳定、电压稳定、频率稳定等;基于典型运行方式的实际电网故障/事故快速复现、分析与反事故措施研究;电网典型运行方式下的交直流系统重大运行风险评估;系统稳定特性分析与系统级控制研究与验证。本文将重点介绍SMRT平台在事故的复现分析、大电网年度运行方式计算与运行风险点的排查中的应用。

2.1.1 事故复现与分析

SMRT电磁－机电混合实时仿真系统机电暂态程序采用南方电网2013丰大方式数据进行计算，电磁侧采用5回直流系统进行模拟，其中实际兴安直流控制保护装置和云广直流控制保护装置通过接口接入SMRT平台，其余3回直流控制保护系统采用RTDS软件模拟。机电暂态仿真子网概览见表1。

2012年8月11日16时7分，南方电网500 kV增穗乙线C相发生短路接地故障，故障持续70 ms，保护动作跳开线路，1 s后重合闸成功。SMRT平台对该“南方电网811事故”进行复现。

在SMRT平台中，可以通过机电暂态侧的仿真结果比较和分析故障中特征电气量以及发电机组振荡模式等。

表1 南方电网2013年丰大方式仿真系统机电暂态子网概览Table 1 Overview of CSG electromechanical subnetwork of simulation system in 2013

针对故障特点，从SMRT仿真平台中有针对性的获得故障发生及恢复期间故障线路首末两端母线电压量与PMU录波进行对比。可以看出，在运用典型运行方式通过SMRT复现故障时，电压的跌落幅值、故障后的恢复速度等关键性指标等均与PMU实际录波结果相同。需要说明的是，仿真结果与实际录波结果在稳态时存在一定差异是由于并未刻意调整稳态运行点造成的，即使需要对运行点进行调整来保证稳态仿真结果的一致，混合仿真的潮流调整相对电磁暂态仿真也更加便捷。图3为故障点C、A电压。

图3 故障点C、A电压Fig.3 Voltage of fault point C and A

以事故PMU录波为参考，对主网重要联络线梧罗1线线路有功功率(见图4)和SJ1发电机组输出有功功率(见图5)进行prony分析，得到其低频振荡的主要模式如表2、表3。从两波形的振荡模式分析结果可以看出，SMRT仿真结果能够较准确地模拟交流系统暂态特性，如系统振荡模式的频率、前两摆幅值等。

图4 梧罗1线线路有功功率Fig.4 Active power of line Wuluo 1

图5 SJ1发电机输出有功功率Fig.5 Active power of generator SJ1

表2 梧罗1线线路有功功率振荡模式分析结果Table 2 Oscillation mode analysis of active power of line Wuluo 1

表3 SJ1发电机输出有功功率振荡模式分析结果Table 3 Oscillation mode analysis of active power of generator SJ1

在SMRT仿真平台中，同样可以利用电磁暂态仿真侧的仿真结果对高压直流线路电压、电流及换流器中换流阀电流进行分析和比较。图6为楚穗直接换流阀组阀电流，图7为该线路电压、电流。

图6 楚穗直流换流阀组Y桥低压侧A、C相阀电流Fig.6 A，C valve phase current of Y converter bridge in Chuisui DC converter valve group at low pressure side

图7 楚穗直流线路电压、电流Fig.7 Voltage and current of Chusui DC line

从现场录波与SMRT的仿真结果对比可以看出，阀电流的通断规律基本能反映在故障期间直流换相失败特征和故障消除后的直流功率恢复过程。SMRT的电磁暂态侧仿真结果与实际TFR录波结果的变化过程相似，其中的关键参数如换相失败持续时间，电压、电流等电气量的恢复时间吻合，实现对交直流网络中直流线路部分的精确描述，较准确地反映故障特征和多回直流换相失败的情况。

上述仿真结果及在南方电网大量实践表明，SMRT混合仿真平台对于交直流系统故障特征和动态、暂态特性的描述能力能够满足实际的生产需要，有力支持了对交直流并联电网运行行为特性分析、事故反演与反应措施制定、直流多落点系统稳定性与协调控制策略制定等课题的研究。

2.1.2 运行风险点评估

采用SMRT仿真平台，可以对系统不同故障类型的运行风险点进行稳定性评估。本文分别对云南送出大功率直流闭锁导致稳控动作、双回直流同时闭锁导致稳控动作以及故障后开关拒动等3类风险点进行仿真，并与全RTDS电磁暂态仿真分析结论进行对比。表4为3类风险点故障的直流系统运行工况。

表4 3类风险点故障的直流系统运行工况Table 4 Operating conditions of DC system in three types of faults

以牛从直流四极闭锁故障为例。在SMRT实时仿真系统上模拟牛从直流线路整流侧发生接地故障。故障后，牛从直流四极闭锁。按照稳定控制策略切除了溪洛渡电厂7台机出力4 900 MW，同时切除广东负荷900 MW，以考察该方式单一直流闭锁的大扰动故障下系统运行稳定特性。

表5 故障时序模拟Table 5 Simulation sequence of fault

在牛从整流侧直流线路发生接地故障后，牛从直流控制保护动作四极闭锁，整流侧交流电压、逆变侧交流电压、各极直流电压、电流、功率如图8所示。其中，牛从直流闭锁后，直流送端、受端换流母线电压运行平稳。其余直流线路功率短时波动后恢复平稳，如图9所示。

图8 牛从直流整流侧交流电压、逆变侧交流电压、各极直流电压、电流、功率Fig.8 Voltage，current and power of Niucong HVDC in rectifier and converter side

观测故障及恢复过程，观测500 kV永丰断面永丰侧母线电压(见图10)、永丰断面功率(见图11、12)、溪洛渡送出功率情况(见图13)。

从交流系统的响应来看，故障后，500 kV牛从直流四极闭锁。故障后300 ms按稳控策略切除溪洛渡电厂7台机出力4 900 MW，同时切除广东负荷900 MW，系统短时扰动后恢复稳定。该结论与全电磁RTDS仿真结果基本一致。

在3类故障案例中，除第3类故障中库湾站案例分析结果与全电磁RTDS仿真结果不同外，其余案例均与全电磁RTDS仿真具有一致的稳定性分析结论，根据南方电网分析鉴定，针对本案例的混合仿真结果更加符合电网实际情况。

以上仿真结果表明，SMRT混合实时仿真平台针对调度运行的年度方式风险点重点排查仿真结论及关键物理过程与预期一致，可为复杂交直流混联大电网调度运行提供有力的支持。

图9 多回直流功率Fig.9 Active power of multi HVDC lines

图10 永丰断面永丰侧母线电压情况Fig.10 Bus voltage of Yongfeng section

图11 永丰断面有功功率Fig.11 Active power of Yongfeng section

图12 永丰断面无功功率Fig.12 Reactive power of Yongfeng section

图13 溪洛渡500 kV送出功率曲线Fig.13 Power curve of Xiluodu 500 kV line

2.2 其他应用模式

通过对故障的复现与实际系统的结果对比，SMRT的仿真结果精度和有效性得到进一步验证。对于以广东电网为代表的多馈入、重负荷的受端网络，STATCOM在换相失败恢复过程中的作用，交直流系统之间、直流系统逆变站与受端网络负荷，直流输电线路在故障恢复过程中的交互作用以及负荷特性均对系统的暂态稳定性能发挥着重要影响。SMRT仿真平台可以发挥其混合仿真优势，借助预测性的仿真，用于此类系统性能及控制策略课题的研究和电网动态补偿电力电子装置对电网多直流故障后换相失败恢复的作用和影响的分析;同时，目前交直流电网结构、运行和控制特性复杂，对于现场调度人员的操作要求进一步提高，因此可以借助混合仿真内核开展特性培训，将SMRT仿真平台作为调度员的教学和培训系统［14］。

经过进一步的开发，SMRT仿真平台有望与EMS、SCADA等能量管理系统相结合，获取电网实时拓扑结构、运行方式、保护配置定值等数据，实现在线系统级的保护整定与校验。利用SMRT可以连续仿真并设置多次故障的特点，在保护整定故障集中进行连续的故障分析、整定计算和校验，可以大大减小工作量和可能的操作失误，排除系统安全稳定控制系统参数整定过程中经验、主观因素的局限性，同时借助平台优秀的人机交互性能，充分发挥保护整定设计人员的经验优势，大大提高工作效率。

3 结语

在现代交直流混联电网中，以SMRT为代表的混合仿真系统因其仿真规模、建模细度、仿真精度和易用性方面优势逐渐凸显而得到了快速发展，其应用潜力也在得到不断地挖掘，有效拓展了传统机电和电磁暂态仿真的应用领域。

SMRT系统是开放性好、通用性强的并行交互混合实时仿真系统，目前，已经被用于交直流大电网机电暂态行为和稳定特性的仿真分析与研究、基于典型运行方式的实际电网故障/事故快速复现、交直流系统重大运行风险评估等生产运行服务、课题研究以及调度员的教学和培训。从以上仿真案例可以看出，SMRT仿真结果足够准确、可信，已满足工程使用需要。经过未来进一步的改进和开发，SMRT将对交流系统三相不对称故障和工况的仿真具有更好的适应性，优化大电网稳态潮流解算方法以提高其对不同方式、不同模型数据的适应性和收敛性，并进一步将其应用领域扩展到系统级保护整定与校验、多直流馈入中心负荷区域暂态电压稳定特性分析与控制策略等领域。

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