RTDS应用于直流控制保护系统的仿真试验

第31卷第8期2005年󰀁󰀁8月

高󰀁电󰀁压󰀁技󰀁术

HighVoltageEngineeringVol.31No.8

󰀁󰀁

Aug.󰀁2005

RTDS应用于直流控制保护系统的仿真试验

龙󰀁英,马玉龙,曾南超,陶󰀁瑜,韩󰀁伟

(1󰀁北京网联直流输电系统工程有限公司,北京100088;2󰀁华北电力大学电气工程学院,北京102206)

摘󰀁要:介绍了电力系统实时数字仿真系统(RTDS)在西北󰀁华中联网背靠背直流工程灵宝换流站直流控制保护系统仿真试验中的应用情况,详细说明了仿真系统的配置、建模以及与外部系统的接口,并对RTDS用于直流控制保护系统仿真研究进行了总结。

关键词:直流工程;背靠背;控制保护系统;RTDS;仿真试验中图分类号:TM7󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1003󰀁6520(2005)08󰀁0056󰀁03

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ApplicationofRealTimeDigitalSimulatorinSimulation

TestofHVDCControlandProtectionSystem

LONGYing1,MAYulong2,ZENGNanchao1,TAOYu1,HANWei1(1.BeijingHVDCEngineeringConsultantCompany,Beijing100088,China;

2.NorthChinaElectricEngineeringInstitute,Beijing102206,China)

Abstract:Inthispaper,therealtimedigitalsimulator(RTDSforshort)isappliedincontrolandprotectionsystemsimulationstudyforLingbaoConverterStation,NorthwesttoCentralChinaBacktoBackHVDCLink.Thesimula󰀁tor'sconfiguration,modelingandinterfacestotheexternalequipmentaredescribed.Someconclusionsaboutsimula󰀁tiontestforHVDCcontrolandprotectionsystemarebroughtup.

Keywords:HVDC;BacktoBack;controlandprotectionsystem;RTDS;simulationtest

0󰀁引󰀁言

目前,对电力系统的仿真手段主要包括物理模拟和数字仿真。模拟仿真更接近实际的电力系统,但它耗费及占地面积大、接线复杂,且一旦成型元件参数不可改变,调整运行方式困难。数字仿真可克服模拟仿真的这些缺点,已越来越多地应用于电力系统仿真的各个领域。在众多数字仿真设备中,实时数字仿真系统(简称RTDS)以其优越的性能广泛应用于电力系统设备的闭环测试中。

本文对用于仿真试验的RTDS硬件配置规模、仿真试验实现的过程,包括仿真模型、与外部测试设备的接口以及系统测试情况等进行了描述,并对使用RTDS进行控制保护系统仿真试验进行总结。1󰀁RTDS配置及仿真建模1󰀁1󰀁RTDS的配置

本文采用的RTDS包括3个机箱,每个机箱有10块电路板,每块电路板的功能和配置见表1。

RTDS屏柜配置有专用功能的板卡,见表2。机箱(含光隔离系统)安装在标准尺寸的EQUIPTO屏柜中,并包含电源、冷却系统和网络连接硬件、配线盘和端子排。工作站采用SUN工作站,通过图形化界面的PSCAD/RTDS软件,建立和编译交直[1]

流系统模型、修改交直流主回路参数、记录主回路测量值和控制系统信号及运行仿真。

表1󰀁RTDS机箱电路板配置Tab.1󰀁RTDS'srackconfiguration

电路板名称3PC处理器板工作站接口板(WIF)机箱通讯板(IRC)

配置

功能

8块,两每块板3个sharc数字处理器作高速并行两绑定计算,每块板的功能由仿真软件决定

RTDS和工作站之间的通讯接口,完成装载程

󰀁1块

序、仿真启动/停止、读取仿真结果、自诊断和诊断机箱中的其它板卡

󰀁1块

提供机箱之间高速通讯

表2󰀁其它板卡配置

Tab.2󰀁Additionalboardsconfiguration

电路板名称数字I/O板数字输入记时板光模/数转换板光隔离模/数I/O板

配置

功能[1]

2块与外部设备的数字接口板

8块接收外部控制系统的点火脉冲并进行光隔2块接收外部设备模拟信号并进行光隔1块用于RTDS和外部设备信号的电气隔离

1󰀁2󰀁仿真建模

依据系统等值研究结果,在RTDS上建立背靠背工程仿真模型见图1。图中,换流阀和换流变压器采用嵌入式阀组模型[2],即换流变与6脉冲换流阀组成一个模块,因此实际工程使用的三绕组变压器在模型中分为两个并联的双绕组变压器。设置220kV侧换流变接线方式为YY0,YD1(󰀁滞后󰀁2005年8月高󰀁电󰀁压󰀁技󰀁术

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Y30󰀁),330kV侧换流变接线方式为YY0,YD11(󰀁超前Y30󰀁)。换流阀控制采用点火改进方案,将系统计算步长产生的可变偏差转化为固定的系统偏差或点火时延,提高了点火控制模拟的真实性。220和330kV交流系统分别采用2个󰀁电源来等值,电源电势的幅值和相角经潮流计算后,按照系统实际运行加以调整,使系统在额定工况时两端交流系统的母线电压为额定值。整个系统的模拟采用实时网络计算方案,模型的计算步长52󰀁275󰀁s。两侧馈电断路器的开合和滤波器组、并联电容器组(电抗器)的投切均由外部信号控制。

2󰀁RTDS与外部控制保护系统的接口

2󰀁1󰀁信󰀁号

背靠背工程模型与外部控制保护系统交换的信号包括脉冲输入量、模拟输出量、数字输入量和输出量。信号描述和接口示意见图2。2󰀁2󰀁接口配置方案

(1)输出量󰀁RTDS系统输出为低水平(如󰀁10V峰值)模拟信号,为在标准、现场的二次水平下(即二次电压100V、电流1A)测试外部控制保护系统,RTDS和外部控制保护系统间按要求配置了合适的电压、电流放大器以模拟实际工程。配置的放大器为专用仿真线性功率放大器,额定输出分别为100V/路和1A/路。RTDS的直流电压、电流输出基本与现场一致,无需放大。放大器主要性能指标为输入信号0~7V,差分输入阻抗10k󰀁,线性度0󰀁2%,失真度0󰀁2%,频率范围DC~5kHz󰀁1dB,阶跃响应<20󰀁s,输入输出延时<20󰀁s,相位最大

误差<0󰀁2󰀁。其它见表3。

表3󰀁放大器性能指标

Tab.3󰀁Current/voltageamplifierperformance

放大器电压电流

最大输出最大输出功率4󰀁120V3󰀁30A

>50VA/相>300VA/相

增益20V/V4A/V

电流误差/%<0󰀁21)0󰀁22)

󰀁󰀁1)输出功率0~30VA;2)输出电压0~10V

(2)点火脉冲󰀁送至RTDS上DITS板的点火脉冲形式为120󰀁脉宽、24V电信号。DITS板上与LED串联的外接电阻为2󰀁2k󰀁,以保证LED驱动电流范围约10mA。外部控制系统脉冲与DITS板共阴极。DITS板上配置接口示意见图3。

󰀁󰀁(3)数字输入量󰀁RTDS接收的命令为0~10V数字开关量,为避免RTDS与外部控制保护设备之间的干扰,RTDS通过光隔离数字输入板接收数据。为与现场要求一致,通过开关量转化装置将电平转换成现场的24V和110V,实现电平匹配。

(4)数字输出量󰀁实际工程中系统监视的状态量和模拟量很多,包括各点电流、电压、分接头状态,断路器状态等。为简化接口数量,由外部控制保护系统自身模拟断路器状态,以满足开关的联锁条件。分接头位置信号通过RTDS的数字输出板经隔离后,再经开关量转换装置实现电平转化送至控制保护设备。

(5)其它测试量󰀁除了外部控制保护系统内部的接口(例如,控制保护与服务器的接口),RTDS输出的测量量和系统设备状态、控制保护操作、动作出口等信号均通过硬接线的方式连接到外部独立的暂态故障录波系统上。

图1󰀁背靠背工程的一次系统等值仿真模型

Fig󰀁1󰀁AC/DCequivalentmodelforsimulationforBacktoBackProject

图3󰀁点火脉冲接口示意图

Fig󰀁3󰀁RTDSinterfaceforcontrolfiringpulses

󰀁58󰀁Aug.2005

High󰀁Voltage󰀁EngineeringVol.31No.8󰀁

图4󰀁逆变侧丢失脉冲100ms直流电压、电流情况Fig󰀁4󰀁HVDCvoltagesandcurrentsforshortterm

mis󰀁firingpulses(100ms)ininverterside

图5󰀁逆变侧丢失脉冲700ms直流电压、电流情况Fig󰀁5󰀁HVDCvoltagesandcurrentsforlongterm

mis󰀁firingpulse(700ms)ininverterside

3󰀁仿真试验

利用上述仿真系统测试直流控制保护系统的整体功能、性能,参试的外部设备包括运行人员控制、站控、直流极控、直流保护、换流变压器保护、交流滤波器保护、直流暂态故障录波以及保护子站等设备,测试内容包括直流起/停、电流控制、功率控制、无功控制、故障及保护功能、性能试验以及各子系统的基本功能。本文以模拟丢失控制脉冲的试验项目为例,介绍RTDS用于直流仿真测试的过程和方法。

在DITS板送给3PC的控制脉冲和加在换流阀的点火脉冲之间设置时间窗,可用控制台上设置时间窗的长度来控制屏蔽点火脉冲的时间(即丢失脉冲的个数),模拟丢失控制脉冲故障。图4、5为功率正送,额定功率下模拟逆变侧丢失多个脉冲时直流电流、电压的情况。

外部直流保护单桥换相失败保护的定值为系统切换时延100ms,跳闸时延150ms。由录波图可见,逆变侧丢失脉冲时换相失败,直流电压降低,直流电流有一过冲。100ms丢失脉冲时,保护检测到换相失败,试图提升󰀁角以保持系统稳定,由于故障时间未超过保护定值,100ms后系统恢复正常,700ms丢失脉冲故障下,单桥换相失败保护检测到故障后150ms发出跳闸命令,直流停运。4󰀁结󰀁语

实时数字仿真系统RTDS易于建模、不受系统规模和复杂程度限制、不受故障严重程度和持续时间限制、配置灵活、可重复性强、现场故障波形回放

方便并成功应用于灵宝换流站直流控制保护系统的仿真测试。测试全面考察了直流控制保护系统的动态特性,检验了原有设计方案的可行性、可靠性。对

试验中发现的问题通过改进设计方案、调整控制系统参数达到了优化系统性能的目的。测试发现影响模拟真实性的问题及RTDS的不足是:

a)RTDS采用的输入脉冲可为120󰀁宽脉冲,也可为窄脉冲,实际工程中阀基电子设备上送至阀的点火脉冲为一组窄触发脉冲群;在模拟系统空载加压试验时应采用窄脉冲触发,否则不能保证空载电压升到较高的水平。

bRTDS的嵌入式阀组模型将一个6脉动阀与换流变压器组成一模型,两个设备间提供交流连线三相、阀高/低压端以及地共6个点用于模拟故障。该设计可节省嵌入节点数量,但由于故障点只能两两相连(如A相对地),不能模拟阀侧交流连线的两相对地和三相对地故障。

c)RTDS的换流变模型不能模拟换流变绕组匝间短路故障、过励磁以及换流变区域的接地故障,需要用户定义、单独搭建复杂的模型用于换流变保护的研究。

参

考

文

献

[1]RTDS公司󰀁REAL󰀁TIMEDIGITALSIMULATORHardwareManual

[Z].Manitoba,Canada:RTDSTechnologies,2001󰀁

[2]RTDS公司󰀁REAL󰀁TIMEDIGITALSIMULATORPowerSystemUsers

Manual[Z].Manitoba,Canada:RTDSTechnologies,2002.

(收稿日期󰀁2004󰀁07󰀁22)

龙󰀁英󰀁1971年生,博士,从事高压直流输电控制保护专业。马玉龙󰀁1975年生,博士生,研究方向为直流输电。