基于PSCAD模型的特高压直流换流站反事故可视化推演系统研究

赵庆杰 史 磊 柴 斌 雷战斐 谢伟锋

基于PSCAD模型的特高压直流换流站反事故可视化推演系统研究

赵庆杰1史 磊2柴 斌1雷战斐1谢伟锋1

（1. 国网宁夏电力有限公司超高压公司，银川 750000；2. 国网宁夏电力有限公司，银川 750000）

为了提升直流控制保护系统性能，保障大电网安全运行，同时使调度、运行及检修人员能够开展反事故演习，进一步提升其现场事故应急处置能力，本文建立特高压直流换流站PSCAD模型，对模型引擎与变电站仿真系统交互技术进行研究，并将现场运行人员工作站（OWS）系统应用于仿真系统。研究结果表明，通过建立PSCAD模型并进行仿真系统分析，可进一步实现对直流换流站设备进行故障模拟、录波回放及自动分析的功能。

应急处置；仿真系统；故障模拟；自动分析

0 引言

特高压直流输电具有传输距离远、输送功率大、启动和调节速度快、可控性强等优点，已成为我国电网建设的重要部分[1]。特高压直流输电工程控制保护系统规模庞大、逻辑复杂，技术掌握难度大，控制与保护耦合紧密，相互影响，导致其故障过程及故障特征复杂，对运维人员的专业技术水平提出了更高的要求[2-6]。因此，亟需一套换流站反事故可视化推演系统，以更好地应对故障的发生、制定故障预案和措施。然而，目前换流站反事故可视化推演的相关技术和手段严重匮乏，且只能依赖实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）系统进行直流输电工程的建模和故障模拟，而RTDS造价昂贵、经济性较差。在此背景下，迫切需要开发一个换流站控制保护仿真平台，可以进行虚拟操作和故障设置，查看操作后或故障后系统的运行状况，进行故障录波回放、故障重现和自动定位分析，帮助运维人员更好地理解特高压直流控制保护逻辑和原理，提高现场运维技术水平[7]。

本文通过交互数据的共享和分类整理、数据顺序传递关系的建立，实现变电站仿真系统与PSCAD特高压直流输电系统仿真模型引擎的同步运行，从而开发基于PSCAD模型引擎和变电站仿真系统的特高压直流换流站反事故推演系统。该系统能进一步开展特高压直流输电系统的故障录波回放、故障重现和自动分析、定位，提高特高压直流输电工程的运维技术水平[8-12]。

1 PSCAD仿真工具扩展模型

直流系统仿真采用EMTDC模型，使用PSCAD仿真工具。PSCAD本身只是一个离线仿真工具，不具备对外通信功能，需要使用Fortran语言或C语言作为PSCAD开发扩展模块，扩展出访问共享内存功能，实现模型引擎“在线化”应用。

1.1 模型引擎接口

PSCAD/EMTDC 4.0以上版本在GNU编译器下支持直接调用C程序，该方法比较容易理解。图1给出了在PSCAD/EMTDC中直接调用C函数时，自定义模块与C函数及C文件的关系。

图1 两种自定义模块、C函数及C文件之间的关系

从图1改进前可以看出，一个自定义模块对应一个C函数，这些C函数又分布在一个或多个C文件中，由此可知，要调用多少个C函数就要建立多少个自定义模块，这些函数分布在多少个C文件中就要在PSCAD/EMTDC中引用多少个C文件。一般而言，大型工程都需要调用大量的C函数，即需要建立大量的自定义模块，多个模块的调用很繁琐，大大影响工作效率。因此对于大型工程而言，这种方法很不实用，需要对其进行改进，如图1改进后所示，可以编写一个主函数，在这个主函数中可以调用其他C函数，然后在自定义模块里调用该主函数，从而达到建立一个自定义模块就可以调用多个C函数的目的。

1.2 直流控制保护模型总体结构及功能定制

建立模型引擎需要搭建和定制特高压直流控制保护模型及其功能，特高压直流控制保护模型完全基于实际工程的控制保护系统，其逻辑结构与实际控制保护系统结构完全一致，如图2所示（以单个换流站为例）。

图2 直流控制保护系统逻辑结构

特高压直流控制保护系统在PSCAD中采用自定义模块实现，其分层结构在PSCAD中的映射如图3所示（单个换流站），控制保护自定义模块与工程控制保护装置一一对应，即每个实际控制保护装置对应PSCAD/EMTDC中一个“虚拟装置”。

图3中，HMI Controls_SA为整流侧运行人员工作站（operator work station, OWS）模拟页面，采用PSCAD自带模块搭建的模拟工程运行人员工作站向控制保护仿真模型下发控制命令。站控制层JN_SA_DCSC为整流侧直流站控仿真模块。极控制保护层JN_SA_P1_HPM为整流侧极1控制测量仿真模块（同时模拟本极极控制测量装置和两个换流器控制测量装置）；JJN_SA_P1_PM为整流侧极1保护测量仿真模块；JN_SA_P1_PPR为极1保护测量模块。换流器层JN_SA_P1_GC1为整流侧极1高端阀组控制仿真模块；JN_SA_P1_CPR_HG为整流侧极1高端保护仿真模块；JN_SA_ P1_CPR_LG为整流侧极1低端保护仿真模块。

图3 PSCAD中控制保护系统结构

2 控制保护逻辑建模及现场应用

2.1 控制保护逻辑建模

本文采用可视化编程软件建模的方法，该方法能够很好地实现对现场运行的控制保护程序的源码级移植，构建不依赖实际工程核心控制保护装置和I/O接口设备的可单机离线运行的特高压直流控制保护系统仿真模型，从而提高仿真结果的真实性和控制保护模型搭建的效率。

控制保护装置向PSCAD控制保护仿真模块无缝转换前，首先要梳理控制保护机箱装置与测量装置之间、控制装置与保护装置之间、直流极控装置与直流站控装置之间的物理连接方式和信号传输所用载体的通信规约，整理各个装置之间需要传输的模拟量信号和数字量信号，确定所需信号的类型、长度、单位，分析硬件底层程序的处理方法。其次，通过结合模型引擎复杂程度分析控制保护冗余装置在直流工程中对PSCAD/EMTDC仿真软件运行速度的影响，对冗余系统做适当的裁剪处理，整理控制保护程序中与时间定值相关的功能块，优化时间定值，实现可靠衔接。

通过对单台装置对应的入口函数的调用，完成仿真系统可识别代码向控制保护自定义仿真模块的转换，并根据实际工程控制保护装置的通信连接关系将各个控制保护模块组合成一个完整的直流输电控制保护系统，最终实现对现场控制保护功能的精准模拟。控制保护装置模型无缝转换流程示意图如图4所示。

图4 控制保护装置模型无缝转换流程示意图

2.2 控制保护仿真系统模型现场应用

建立控制保护系统相关模型后，需要与现场进行结合，OWS系统和PSCAD/EMTDC模型使其可利用PSCAD/EMTDC优点满足控制保护系统的仿真需求，通过以太网与实际控制保护装置进行数据交互，现场运行人员控制装置可以给控制保护装置下发指令，同时接收控制保护系统状态。本文采用共享内存机制代替实际工程中控制保护与现场运行人员监控平台之间的以太网通信方式，对原有通信规约进行改造，从而使现场运行人员控制系统可以通过一块共享内存向控制保护PSCAD/EMTDC模型下发控制命令，控制保护PSCAD/EMTDC模型可以通过另一块共享内存向现场运行人员控制系统返回直流系统状态信息，最终实现对工程现场二次系统的全景可视化模拟。图5为仿真模型与运行人员控制系统联动示意图，图6为系统通信结构示意图。

图5 仿真模型与运行人员控制系统联动示意图

图6 系统通信结构示意图

PSCAD/EMTDC仿真模型与运行人员控制系统的数据交互如图7所示：基于PSCAD/EMTDC的特高压直流输电系统可视化平台由直流系统仿真工作站和OWS组成，直流系统仿真工作站运行EMTDC模型计算引擎和运行人员控制系统前置接口程序，OWS的运行人员控制系统后台客户端程序，其中EMTDC模型计算引擎通过自定义接口模块将共享内存映射到本进程的内存空间中，运行人员控制系统的前置接口程序也将同一共享内存映射到本进程的内存空间中，从而仿真模型和前置接口程序可对同一共享内存进行数据读写，并需遵循首次运行者开辟共享内存原则和基于信号量的读写互斥原则，同时，运行人员控制系统的前置通信程序和后台客户端程序通过TCP/IP通信进行数据交互，最终实现PSCAD/EMTDC直流控制保护仿真模型与运行人员控制系统的互联互通和无缝联动。

与现有技术相比，本技术方法的有益效果是：可以直接使用人机接口装置控制直流输电工程EMTDC仿真装置，不需要人为在EMTDC仿真装置上搭建控制后台，从而大大节约了人力成本，降低了仿真误差，提高了仿真速度。

图7 PSCAD/EMTDC仿真模型与运行人员控制系统的交互

3 反事故推演系统故障模拟及录波分析

3.1 反事故推演系统故障模拟

相关模型建立后可以对现场进行模拟分析，故障模拟功能包含一次系统故障、二次系统故障及设备异常故障模拟等，本文以极1直流线路首端发生1 000ms金属接地故障模拟为例，如图8所示。

3.2 反事故推演系统故障录波分析

故障后需要对相关的波形进行分析、判断故障类型及位置，因此通过读取现场内置或外置故障录波文件，直流控制保护仿真模型可复现现场工况，并保证保护输出事件信息的时间节点与顺序事件记录（sequence event record, SER）一致，可实现仿真事件与现场波形的同步展示，从而为故障分析、保护策略调整和优化提供仿真验证。

图8 反事故推演系统模拟极1直流线路首端发生1 000ms金属接地故障

归纳总结现场故障发生后的保护区域及该区域故障后保护动作情况对应关系，划分出不同区域的保护配置分布情况，以及故障点与保护动作的对应关系，并建立故障定位分析库。根据故障定位分析库规则，筛选定位出一次故障发生后，系统出现故障的大概区域，为用户定位出故障范围，在系统结构图中标明故障点，该故障点包含故障区域、故障位置等属性，以此辅助用户快速分析出故障原因，排查出正确的故障点，图9为反事故推演系统故障录波分析界面。

图9 反事故推演系统故障录波分析界面

4 结论

1）实现了模型引擎与换流站仿真系统之间数据交互，通过交互数据的共享和分类整理、数据顺序传递关系的建立，实现了变电站仿真系统与PSCAD特高压直流输电系统仿真模型引擎的同步运行 功能。

2）实现了PSCAD模型与外部程序的数据交换功能，将离线仿真工具“在线化”，首次实现PSCAD模型与运行人员监控后台的全数据交换功能，运行人员监控后台能直接采用工程现场平台，既能减少配置工作，又能完成工程现场全部的监视与控制保护功能。

3）通过反事故推演系统对现场内置或外置故障录波文件的读取，直流控制保护仿真模型可复现现场工况，并保证保护输出事件信息的时间节点与现场SER一致，实现了特高压换流站的故障模拟、故障重现及自动分析等功能，从而提高现场运维人员技能水平。

4）下一步研究方向：将反事故推演系统与换流站设备发生的各种类型故障进行对比，进一步快速准确判定故障的类型、控制保护动作情况及事故处置情况。

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Research on visualized anti-accident inference system for ultra high voltage DC converter station based on PSCAD model

ZHAO Qingjie1SHI Lei2CHAI Bin1LEI Zhanfei1XIE Weifeng1

(1. Ultra-High Voltage Company of State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd, Yinchuan 750000; 2. State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd, Yinchuan 750000)

In order to improve the DC control and protection performance, ensure the safe operation of large power grid, enable the dispatching, operation and maintenance personnel to carry out anti-accident exercises, and further improve their on-site accident emergency disposal ability, this paper establishes the PSCAD model of ultra high voltage (UHV) DC converter station, studies the interaction technology between the model engine and substation simulation system, and applies the on-site operator work station (OWS) system to the simulation system. The results show that by establishing the PSCAD model and analyzing the simulation system, the functions of fault simulation, recording playback and automatic analysis of the DC converter station equipment are further realized.

emergency response; simulation system; fault simulation; automatic analysis

2021-11-15

2022-03-28

赵庆杰（1989—），男，硕士，工程师，研究方向为变电站运维检修。