分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)的研制及應用

李興建，夏彥輝，陳松林，任祖怡，沈全榮，王言國

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大，新型元件不斷涌現(xiàn)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復雜，運行方式靈活多變，系統(tǒng)穩(wěn)定問題日益突出。作為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的第二、三道防線和提高電網(wǎng)輸送能力的重要手段，區(qū)域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用。一方面，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可靠正確動作可降低故障給電力系統(tǒng)造成的損失，使電力系統(tǒng)恢復安全穩(wěn)定運行；另一方面，穩(wěn)定控制系統(tǒng)的誤動或拒動，輕則擴大事故影響，造成不必要的損失，重則對電力系統(tǒng)造成災難性破壞。

穩(wěn)定控制系統(tǒng)的高度復雜性對其測試工作帶來了挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

a.區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)所涉及的設備較多，且地理位置分散，多個廠站的穩(wěn)定控制裝置構(gòu)成一個系統(tǒng)，配合工作共同實現(xiàn)區(qū)域穩(wěn)定控制的功能，如南方電網(wǎng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)橫跨廣東、廣西、云南、貴州、海南五省，涉及廠站達數(shù)百個之多。要對如此龐大的系統(tǒng)進行一次完整的系統(tǒng)測試，其工作量和難度都非常大，而且系統(tǒng)測試時對系統(tǒng)運行方式的真實模擬要求較高，常規(guī)的測試手段很難滿足測試要求。

b.大規(guī)模電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制策略一般比較復雜，采用的穩(wěn)定控制裝置來自不同的廠家，型號多種多樣，不同廠家的測試方法和手段也各不相同。因此當前的系統(tǒng)測試大多采用分層、分級局部測試的方法，整個系統(tǒng)的全面測試較難實現(xiàn)。

c.在穩(wěn)定控制裝置的開發(fā)和出廠驗收測試過程中，為了保證軟件邏輯的嚴密性，必須搭建與現(xiàn)場運行工況盡量接近的測試平臺，這也是一個復雜的過程，用現(xiàn)有的測試手段實現(xiàn)起來比較困難。

因此，本文研制了新型的分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)，旨在為現(xiàn)場穩(wěn)定控制系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)測試提供手段，以對電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)進行有效、可靠、完整的系統(tǒng)測試，將裝置的軟、硬件缺陷盡早地暴露出來，避免給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來隱患，并簡化測試人員的工作。

目前，穩(wěn)定控制系統(tǒng)測試的方法主要有：用測試儀模擬故障強相關(guān)元件，針對單個穩(wěn)定控制裝置進行策略驗證測試；動模試驗；利用RTDS進行電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真試驗。

上述3種方法中，第1種方法僅能對單臺裝置進行測試，顯然無法滿足現(xiàn)場對于系統(tǒng)及邏輯策略驗證的需求。第2種方法試驗效率較低，試驗成本太大，只限于穩(wěn)定控制裝置研發(fā)和出廠驗收階段，無法對現(xiàn)場穩(wěn)定控制裝置進行測試。第3種方法可實現(xiàn)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的實時閉環(huán)試驗，但是，限于計算節(jié)點的配置，大規(guī)模電力系統(tǒng)往往需要等值簡化后才能進行仿真，需要測試人員對網(wǎng)絡和RTDS有高度了解。另外，RTDS試驗也只限于穩(wěn)定控制裝置研發(fā)和出廠驗收階段，無法對現(xiàn)場穩(wěn)定控制裝置進行測試。本測試系統(tǒng)提供的測試方法并沒有追求達到RTDS的實時閉環(huán)測試的效果，旨在為現(xiàn)場系統(tǒng)級別的穩(wěn)定控制系統(tǒng)的策略驗證、邏輯判斷提供簡便易行的方法，在現(xiàn)場測試中受到了廣泛的好評。

1 新型分布式區(qū)域穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)

目前，電力系統(tǒng)分析計算軟件已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，功能也越來越強大，可計算的系統(tǒng)規(guī)模也越來越大，可模擬幾千個節(jié)點的電力系統(tǒng)；能夠模擬的元件種類也很多，如換流變壓器、SVC、SVG、TCSC等各種電力電子設備，還可模擬變壓器的內(nèi)部故障、勵磁涌流、電流互感器飽和及電壓互感器斷線的暫態(tài)過程等，并且其仿真的正確性已經(jīng)得到了公認。本文利用BPA、PSASP、PSCAD等電力系統(tǒng)分析計算程序的強大功能來構(gòu)造分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)。

分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其設計方案和工作原理如下：通過仿真后臺的仿真軟件對所涉及的電力系統(tǒng)進行故障仿真，故障仿真的數(shù)據(jù)通過仿真測試裝置執(zhí)行輸出，仿真測試裝置通過GPS裝置保證輸出的嚴格同步，從而將仿真的系統(tǒng)故障同步輸入到各安裝處的穩(wěn)定控制裝置，檢驗系統(tǒng)故障時各穩(wěn)定控制裝置的邏輯策略、動作情況等。整個系統(tǒng)包括仿真后臺、HELP2000穩(wěn)定控制仿真測試裝置（以下簡稱HELP2000）和外部GPS時鐘源3個部分。

1.1 仿真后臺

采用通用的PC機或者工作站，安裝BPA、PSASP、PSCAD等仿真軟件，能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡模型，對電力系統(tǒng)的各種故障進行仿真，得到穩(wěn)定控制裝置所需的二次側(cè)電流、電壓量，通過程序?qū)@些電流、電壓數(shù)字值進行處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)镠ELP2000所需的數(shù)字量。通常BPA等軟件的輸出都是幅值、頻率、相角信息，且間隔一定的時間（幾十至幾百毫秒）輸出一個點，HELP2000根據(jù)BPA等軟件中輸出的點的數(shù)據(jù)信息，定時實時計算故障模擬量，計算公式為：

其中，A 為幅值；ω=2πf，f為頻率；t為定時的間隔；φ為相角。每周期輸出200點的故障數(shù)據(jù)（可以根據(jù)測試系統(tǒng)的要求輸出更多點），該數(shù)據(jù)通過DA轉(zhuǎn)換變成交流模擬量信號，從而保證了故障過程中的暫態(tài)特性，滿足穩(wěn)定控制裝置的系統(tǒng)測試要求。如果數(shù)據(jù)來源于PMU等錄波數(shù)據(jù)，將根據(jù)錄波點數(shù)的不同，采用拉格朗日插值將每周期的數(shù)據(jù)插值到每周期200點。

仿真后臺的控制軟件也可來自PMU或者穩(wěn)定控制裝置的COMTRADE格式的錄波數(shù)據(jù)，裝載到HELP2000后，再現(xiàn)實際系統(tǒng)的故障，驗證穩(wěn)定控制裝置的控制策略，分析動作邏輯。PMU錄波、現(xiàn)場裝置錄波數(shù)據(jù)用來測試穩(wěn)定控制系統(tǒng)邏輯功能是非常有意義的，即使整個電網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和運行方式發(fā)生大的改變，可能過一段時間也會恢復原樣，而穩(wěn)定控制系統(tǒng)對歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過的運行方式也需正確響應，因此該方法的實現(xiàn)在現(xiàn)實中具有很重要的意義。

仿真后臺采用跨平臺Qt設計方案，通過網(wǎng)絡方式對HELP2000和穩(wěn)定控制裝置進行分類管理控制。該仿真后臺集成了變電站自動化系統(tǒng)，將穩(wěn)定控制裝置納入到仿真測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡中，在系統(tǒng)仿真試驗的過程中可以實時監(jiān)控穩(wěn)定控制裝置的動作情況，根據(jù)穩(wěn)定控制裝置的動作情況動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，形成準實時閉環(huán)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)受限于計算機和BPA等仿真軟件的計算實時性，實際上是預先通過BPA仿真了穩(wěn)定控制系統(tǒng)動作的各種情況，將各種仿真的數(shù)據(jù)（稱之為故障狀態(tài)模型）預先下載到HELP2000中，HELP2000在輸出的過程中實時檢測穩(wěn)定控制裝置的動作接點情況，然后根據(jù)動作的不同調(diào)用不同的故障狀態(tài)模型進行輸出，因而并不是嚴格意義上的閉環(huán)仿真，只能稱之為準實時閉環(huán)仿真。如果能將BPA等軟件的模型算法放在測試裝置中實時計算，并根據(jù)反饋接點調(diào)整算法，進行DA轉(zhuǎn)換輸出，才是嚴格意義上的閉環(huán)仿真，本文所設計的系統(tǒng)受軟硬件水平限制，并從工程實際考慮，采用了文中所述的方法。

試驗過程中，分布在各個變電站的HELP2000接入到統(tǒng)一的GPS對時網(wǎng)絡中，各臺HELP2000的系統(tǒng)時標嚴格同步；HELP2000內(nèi)部板卡將對時網(wǎng)絡的對時信號精確解碼，并轉(zhuǎn)化為內(nèi)部對時脈沖，保證內(nèi)部板卡的步調(diào)嚴格一致；試驗時各臺HELP2000通過定時，在同一時間觸發(fā)故障，后續(xù)各臺HELP2000根據(jù)各自對接的穩(wěn)定控制裝置的反饋情況觸發(fā)不同的故障狀態(tài)。外部GPS對時和內(nèi)部根據(jù)GPS信號解碼的秒脈沖，保證了分布在各個試驗場所的HELP2000的協(xié)調(diào)工作和輸出故障信號的同步。

圖1 分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of distributed simulation&test system for stability control

試驗時，預設的故障狀態(tài)如圖2所示。

圖2 HELP2000故障狀態(tài)切換Fig.2 Fault status switching of HELP2000

仿真故障狀態(tài)1是故障運行的主態(tài)，在規(guī)定的時間內(nèi)如果沒有符合條件的接點動作，該狀態(tài)將一直運行；狀態(tài)分支的動作條件一般是動作接點和接點的動作時間，不同的接點觸發(fā)不同的狀態(tài)分支，相同的接點在不同的動作時間也會觸發(fā)不同的狀態(tài)分支。

試驗時如果裝置的動作和預設的故障狀態(tài)分支都不一致，則存在裝置動作的動作邏輯不對、反饋接點的接線出錯、預設的狀態(tài)分支不夠完備3種情況。

此時，試驗完畢后根據(jù)仿真后臺收集的動作接點SOE報文和穩(wěn)定控制裝置動作報文，分析是否是前2種情況，一般如果仿真準備工作比較完備的話，試驗即能驗證穩(wěn)定控制裝置的策略和邏輯；當然也存在第3情況，這種情況下只能重新分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，增加故障情形，重新進行試驗。

試驗結(jié)束后，系統(tǒng)根據(jù)穩(wěn)定控制裝置的動作報文、接點的動作時間，以及HELP2000輸出故障的時刻，形成整組動作測試；另外還會形成完整的報告，并自動存檔，供用戶查閱。

1.2 HELP2000穩(wěn)定控制仿真測試裝置

HELP2000作為分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)故障的執(zhí)行機構(gòu)，與仿真后臺通過以太網(wǎng)連接，支持GPS的IRIGB、分脈沖、秒脈沖模式的對時。HELP2000作為仿真測試系統(tǒng)的重要組成部分，其功能要求包括網(wǎng)絡通信、故障計算（實時按照模型公式計算輸出BPA等軟件的故障數(shù)據(jù)，并根據(jù)動作接點切換故障狀態(tài)模型）、GPS對時、內(nèi)部數(shù)據(jù)交換和同步等，十分復雜。故本系統(tǒng)采用了模塊化的插件式設計思路，硬件采用了POWEPC、DSP、FPGA、高速數(shù)據(jù)總線等多種解決方案，支持靈活擴展，而軟件采用實時Linux操作系統(tǒng)，支持多線程調(diào)度，組成強大的軟硬件系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。各板卡均自帶CPU并分布式排列在背板高速數(shù)據(jù)總線上；主控CPU采用高性能POWERPC芯片，嵌入式實時Linux操作系統(tǒng)，負責調(diào)度測試項目的進行，測試項目被主控CPU分解為與各擴展板卡相關(guān)的任務，通過數(shù)據(jù)總線下發(fā)到各擴展板；各擴展板卡的CPU采用高性能DSP芯片，負責實時計算系統(tǒng)故障，而對時板卡采用先進的FPGA解決方案，對外部時鐘源進行解碼，并從中得到精準的對時脈沖，通過對時總線保證各擴展板任務執(zhí)行的協(xié)調(diào)、一致。

圖3 HELP2000內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Internal structure of HELP2000

1.3 外部GPS時鐘源

將分布在同一廠站不同位置以及不同廠站（如圖1中的甲地和乙地）的HELP2000和穩(wěn)定控制裝置納入到統(tǒng)一的時標之下，HELP2000以外部時鐘源為基準，從中分解出精確的內(nèi)部板卡同步脈沖，用于內(nèi)部板卡之間的同步。通過此方式不同位置的HELP2000的多塊板卡同步輸出，對擴展區(qū)域的穩(wěn)定控制裝置進行同步測試，解決了區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)所涉及的設備較多、地理位置分散的難題，實現(xiàn)了系統(tǒng)級的測試。

2 新型區(qū)域穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)的測試過程

a.設定目標電網(wǎng)的故障情形，由BPA、PSASP、PSCAD等軟件進行仿真計算，以設定的時間步長輸出指定元件的狀態(tài)量的振蕩波形數(shù)據(jù)。

b.利用仿真后臺的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具將BPA、PSASP、PSCAD等軟件的仿真計算結(jié)果、PMU錄波數(shù)據(jù)、穩(wěn)定控制裝置現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)獲得的系統(tǒng)動態(tài)過程數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，輸出為HELP2000支持的數(shù)據(jù)格式。

c.將HELP2000的模擬量、開關(guān)量輸出連接至對應的穩(wěn)定控制裝置，將穩(wěn)定控制裝置的輸出接點反饋至HELP2000。

d.通過穩(wěn)定控制仿真測試軟件平臺將電力系統(tǒng)動態(tài)過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡加載于分布在各處的HELP2000，精確定時同步輸出系統(tǒng)故障，如圖 4所示。

圖4 精確定時同步輸出故障Fig.4 Accurate timing and synchronous output of fault data

e.實時監(jiān)控系統(tǒng)仿真試驗的全過程，獲取并校核穩(wěn)定控制裝置的動作報文，檢查策略執(zhí)行結(jié)果，形成完整的系統(tǒng)試驗報告。

整個仿真過程如圖5所示。

圖5 仿真測試系統(tǒng)圖Fig.5 Simulation&test system

仿真后臺的主要工作如下：

a.調(diào)用BPA/PSASP/PSCAD等軟件根據(jù)系統(tǒng)模型進行計算，以設定的步長輸出制定元件各種動作情況下的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)模型；

b.處理各元件的故障狀態(tài)模型數(shù)據(jù)，與穩(wěn)定控制裝置的動作情況建立關(guān)系；

c.將各種數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的報文格式，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡下載到指定的HELP2000，并定時運行故障。

HELP2000的主要故障如下：

a.根據(jù)公式實時計算故障數(shù)據(jù)，并進行DA轉(zhuǎn)換；

b.定時輸出并實時監(jiān)測穩(wěn)定控制裝置動作情況，切換不同的故障狀態(tài)模型；

c.通過對時網(wǎng)絡同步系統(tǒng)時間及計算時刻，保證系統(tǒng)中各測試裝置輸出同步。

3 穩(wěn)定控制系統(tǒng)測試應用實例

本文分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)解決了當前區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)測試工作中存在的實際問題，在南方電網(wǎng)、新疆電網(wǎng)、大連石化電網(wǎng)等一大批實際工程中發(fā)揮了重要作用。

下面以南方電網(wǎng)高肇直流雙極閉鎖后穩(wěn)定控制系統(tǒng)執(zhí)行策略的驗證為例說明新型區(qū)域穩(wěn)定控制仿真測試的實現(xiàn)過程，各站點之間的通信連接關(guān)系如圖6所示。

圖6 高肇直流雙極閉鎖策略測試Fig.6 Test of dual-pole blocking strategy for Gui-Guang HVDC system

系統(tǒng)故障時，高坡站穩(wěn)定控制裝置判斷出南方電網(wǎng)發(fā)生高肇直流雙極閉鎖故障后，高坡站穩(wěn)定控制裝置向安順站（南網(wǎng)）、青巖站（南網(wǎng)）穩(wěn)定控制裝置發(fā)切機命令，向羅洞站（南網(wǎng)）穩(wěn)定控制裝置發(fā)切負荷命令，安順站（南網(wǎng)）穩(wěn)定控制裝置將高坡站穩(wěn)定控制裝置發(fā)來的切機命令轉(zhuǎn)發(fā)至安順站（貴州）穩(wěn)定控制裝置，肇慶站穩(wěn)定控制裝置將判斷出的雙極閉鎖的開放信號發(fā)送至青巖站（南網(wǎng)）穩(wěn)定控制裝置。

系統(tǒng)測試時，在圖6所示的6個接入站點中各配1臺 HELP20000，6臺 HELP2000通過 GPS裝置實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)同步，每臺HELP2000分別模擬高肇直流雙極閉鎖故障時各個接入點的運行狀態(tài)，動態(tài)仿真了整個故障過程，試驗過程中所有穩(wěn)定控制裝置均正確動作，驗證了穩(wěn)定控制策略與定值的正確性與合理性，為系統(tǒng)可靠運行提供了保障。

4 分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足

分布式穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)的優(yōu)勢如下。

a.與穩(wěn)定控制系統(tǒng)的策略制定采用的數(shù)據(jù)源保持一致，充分利用現(xiàn)有的電力系統(tǒng)仿真計算技術(shù)的成果，不受系統(tǒng)規(guī)模、故障類型的限制，不需對目標電網(wǎng)進行任何簡化、等值處理，可驗證大規(guī)模電網(wǎng)的復雜策略，符合運行方式人員的日常工作習慣，且試驗成本較低。

b.試驗過程簡單，可應用于穩(wěn)定控制系統(tǒng)的研發(fā)測試、出廠驗收測試、現(xiàn)場調(diào)試測試、定期檢修測試全過程；功能強大、界面友好的仿真軟件將各種類型的故障數(shù)據(jù)處理完畢后，可存貯成各種故障菜單，既可用于系統(tǒng)級別的跨區(qū)域策略測試，也可進行單臺穩(wěn)定控制裝置的研發(fā)測試、生產(chǎn)調(diào)試，靈活方便；可將PMU或現(xiàn)場穩(wěn)定控制裝置的錄波數(shù)據(jù)在穩(wěn)定控制系統(tǒng)上進行故障現(xiàn)場模擬，便于分析問題。

c.穩(wěn)定控制仿真測試裝置HELP2000便攜、可擴展，支持分布式部署，其輸出的模擬量經(jīng)過功率放大后，可加載于穩(wěn)定控制裝置的交流采樣模塊，構(gòu)建多廠家穩(wěn)定控制裝置構(gòu)成的穩(wěn)定控制系統(tǒng)統(tǒng)一測試平臺；同時穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)提供COMTRADE格式的系統(tǒng)振蕩數(shù)據(jù)，可與其他測試儀（如博電、昂立）基于GPS對時，構(gòu)建統(tǒng)一測試平臺。

d.穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)和穩(wěn)定控制裝置組成閉環(huán)系統(tǒng)，并處于同一GPS網(wǎng)絡之中，具有統(tǒng)一的時標，根據(jù)穩(wěn)定控制裝置的動作接點和動作報文，結(jié)合可控的故障時刻，可以非常方便地測試穩(wěn)定控制裝置的整組動作時間。

e.穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)離線計算各種情況下的系統(tǒng)故障，可實時根據(jù)穩(wěn)定控制裝置的動作情況，動態(tài)切換系統(tǒng)運行狀態(tài)，更加符合實際情況。

f.與在線穩(wěn)定控制系統(tǒng)相結(jié)合，取電力系統(tǒng)的真實運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定控制裝置的策略研究和功能測試，可用來測試在線穩(wěn)定控制系統(tǒng)實時刷新的策略表，如圖7所示。

圖7 新型區(qū)域穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)與在線穩(wěn)定控制系統(tǒng)的結(jié)合Fig.7 Integration of simulation&test system for regional stability control and online stability control system

穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)也存在一些不足，其所采用的閉環(huán)控制策略僅僅是對各種故障情形作了預設，根據(jù)裝置的動作調(diào)取不同的故障進行輸出，并沒有根據(jù)裝置的動作情況，實時反饋給故障仿真軟件，重新仿真系統(tǒng)故障，因此并不是一種實時閉環(huán)系統(tǒng)，而僅僅是一種離線閉環(huán)系統(tǒng)。針對這些不足，將在后續(xù)的工作中結(jié)合實際的情況，給出更好的解決思路。

5 結(jié)語

本文在充分研究當前區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)測試工作中存在的實際問題的基礎上，設計并開發(fā)了新型分布式區(qū)域穩(wěn)定控制仿真測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了大規(guī)?？鐓^(qū)域電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的動態(tài)整組測試。工程實踐表明，該測試系統(tǒng)可方便快捷地實現(xiàn)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的全面測試，提高了測試工作的效率和自動化程度，減輕了測試人員的工作強度，為確保穩(wěn)定控制系統(tǒng)的安全可靠運行把關(guān)。

該測試系統(tǒng)具有良好的工程應用背景和廣闊的市場推廣前景，對類似控制系統(tǒng)的測試裝置研發(fā)工作具有較高的參考價值和借鑒意義。