大規(guī)模交直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)構(gòu)建及驗(yàn)證(一)整體構(gòu)架及大規(guī)模交直流電網(wǎng)仿真驗(yàn)證

朱藝穎, 于 釗, 李柏青, 郭 強(qiáng), 劉 翀, 董 鵬, 王薇薇, 胡 濤

(1. 電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國電力科學(xué)研究院有限公司), 北京市100192; 2. 國家電網(wǎng)有限公司, 北京市 100031)

0 引言

近年來,中國特高壓交直流電網(wǎng)快速發(fā)展,新一級(jí)電壓等級(jí)逐漸形成,風(fēng)電、光伏等新能源大規(guī)模并網(wǎng),電力系統(tǒng)加速重構(gòu),電力資源大范圍優(yōu)化配置能力大幅提高[1]。與此同時(shí),交直流、多直流以及源網(wǎng)荷之間的相互影響加劇,直流輸電規(guī)模不斷擴(kuò)大且日趨復(fù)雜,電網(wǎng)安全運(yùn)行面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。未來20年內(nèi),西南水電基地、北方火電基地、可再生能源基地等大型能源基地的建設(shè)開發(fā)將繼續(xù)深入進(jìn)行。隨著中國特高壓骨干網(wǎng)架逐步建成,特高壓直流回?cái)?shù)不斷增加,落點(diǎn)更為密集,交直流混聯(lián)特征更加突出,大電網(wǎng)穩(wěn)定特性將更加復(fù)雜[2]。

特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展對(duì)仿真工具提出了更高的要求。特高壓電網(wǎng)的形成使其內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)間電氣距離進(jìn)一步縮小,交流與直流之間、直流通過交流與其他直流之間的相互聯(lián)系更為密切。交流系統(tǒng)諧波畸變、直流快速調(diào)節(jié)變化等電磁暫態(tài)時(shí)間尺度的物理過程將在更大范圍內(nèi)相互作用,交直流連鎖反應(yīng)影響面有可能波及整個(gè)電網(wǎng)。傳統(tǒng)以研究機(jī)電暫態(tài)過程為主的大電網(wǎng)分析和仿真方法,已不能準(zhǔn)確描述當(dāng)前及未來電網(wǎng)的物理特性,電網(wǎng)運(yùn)行邊界將極大地取決于仿真精度,對(duì)仿真工具的精度提出了更高要求[3]。

電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡婕嬗形锢砗蛿?shù)字仿真技術(shù)特點(diǎn),可進(jìn)行從電磁暫態(tài)到機(jī)電暫態(tài)的全過程實(shí)時(shí)仿真研究,能較精確地模擬交/直流電網(wǎng)的運(yùn)行特性和動(dòng)態(tài)過程[4]。在進(jìn)行大規(guī)模交直流電網(wǎng)仿真研究中,對(duì)接入多個(gè)直流工程的控制保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡媸悄壳皩?duì)交直流電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性仿真較為準(zhǔn)確的仿真手段[5]。

為滿足未來電網(wǎng)對(duì)仿真精度的要求,并具備支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力,數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)需要從以下兩方面進(jìn)行提升。

1)需要進(jìn)一步擴(kuò)大電磁暫態(tài)的仿真規(guī)模。機(jī)電暫態(tài)仿真工具由于采用基于相量的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型,無法準(zhǔn)確描述大功率電力電子與交流電網(wǎng)間的交互影響,因此在解決交直流電網(wǎng)準(zhǔn)確分析問題時(shí)具有局限性;而離線的電磁暫態(tài)仿真軟件適用工程分析和小規(guī)模電網(wǎng)研究,其計(jì)算效率較低,不適合大電網(wǎng)計(jì)算,且難以精確模擬基于電力電子技術(shù)的復(fù)雜控制保護(hù)系統(tǒng),從而影響電網(wǎng)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)需要接入大規(guī)模實(shí)際控制保護(hù)裝置,提升數(shù)?；旌戏抡娴募夹g(shù)能力。直流輸電系統(tǒng)的控制保護(hù)裝置特性直接影響故障連鎖反應(yīng)效果,與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等傳統(tǒng)控制器相比,直流控制保護(hù)裝置在控制環(huán)節(jié)、板卡數(shù)量、指令速度、控制精度等方面更復(fù)雜,其模擬精度將極大影響交直流連鎖故障仿真的準(zhǔn)確性。目前采用的控制保護(hù)裝置數(shù)字模型主要是對(duì)控制保護(hù)邏輯進(jìn)行理想化建模,而對(duì)實(shí)際裝置實(shí)現(xiàn)全部數(shù)字化建模仍需探索。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際,借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn),需要接入實(shí)際控制保護(hù)裝置,實(shí)現(xiàn)數(shù)?；旌戏抡?提升仿真精度,從而解決控制保護(hù)裝置數(shù)字化精確建模困難等問題[6]。

本文在原有數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)基礎(chǔ)上,提出了適用于研究大規(guī)模交直流混聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行特性的新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)構(gòu)建方案,以解決大規(guī)模特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)高精度仿真試驗(yàn)研究的難題。

大規(guī)模交直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)構(gòu)建及驗(yàn)證內(nèi)容將分為2篇文章進(jìn)行描述,本篇主要描述仿真平臺(tái)整體構(gòu)架及大規(guī)模交直流電網(wǎng)仿真驗(yàn)證,后續(xù)文章主要描述直流輸電工程數(shù)?；旌戏抡娼＜膀?yàn)證。

利用新一代數(shù)模混合仿真平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)的數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真,能夠?qū)χ袊我粎^(qū)域電網(wǎng)220 kV及以上交直流電網(wǎng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真;電磁暫態(tài)仿真規(guī)模超過6 000節(jié)點(diǎn),并接入全部在運(yùn)實(shí)際直流工程的控制保護(hù)裝置。該平臺(tái)還具備隨時(shí)支撐實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行方式校核的功能,已成為其他數(shù)字仿真軟件的“校準(zhǔn)鐘”。

1 新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)整體構(gòu)架

為滿足未來電網(wǎng)對(duì)仿真精度的要求,針對(duì)現(xiàn)有仿真技術(shù)需要擴(kuò)大電磁暫態(tài)的仿真規(guī)模以及接入大規(guī)模實(shí)際控制保護(hù)裝置兩大迫切需求,結(jié)合中國電網(wǎng)發(fā)展,提出新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)的總體構(gòu)建方案(參見圖1),即采用通用架構(gòu)的高性能并行計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)交直流電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字實(shí)時(shí)仿真,通過數(shù)模連接技術(shù)接入直流輸電線路、靜止無功補(bǔ)償裝置、統(tǒng)一潮流控制器、新能源發(fā)電等電力電子設(shè)備的控制保護(hù)裝置,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)數(shù)字模型和大量實(shí)際物理控制保護(hù)裝置閉環(huán)仿真[6]。解決電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真規(guī)模不斷擴(kuò)大的難題,需要實(shí)現(xiàn)基于多處理器且核間高速通信的超級(jí)并行計(jì)算機(jī)的電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真技術(shù),提升軟件仿真實(shí)時(shí)性,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電磁暫態(tài)電網(wǎng)自動(dòng)化建模等,本文對(duì)這一方面進(jìn)行了詳細(xì)描述;解決同時(shí)接入大規(guī)模實(shí)際控制保護(hù)裝置的難題,需要研究直流輸電工程控制保護(hù)裝置簡(jiǎn)化原則,深度優(yōu)化數(shù)?；旌戏抡娼涌诩夹g(shù),規(guī)范直流輸電系統(tǒng)一次建模要求及模型校核試驗(yàn)等,這一方面內(nèi)容將在下一篇中進(jìn)行詳細(xì)描述。

新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)應(yīng)該具備對(duì)中國多直流落點(diǎn)地區(qū)電網(wǎng)的精確仿真,即電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真規(guī)模應(yīng)該達(dá)到中國區(qū)域電網(wǎng)220 kV及以上骨干網(wǎng)架,能夠接入落點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的全部在運(yùn)直流輸電工程的控制保護(hù)裝置。

圖1 新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)總體構(gòu)架Fig.1 General structure of a new generation digital-analog hybrid simulation platform

2 大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)

2.1 應(yīng)用軟件

從各類電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真工具的應(yīng)用領(lǐng)域來看,主要包括2類:一類是大電網(wǎng)穩(wěn)定分析的系統(tǒng)級(jí)仿真;另一類是單一工程的設(shè)備級(jí)仿真。目前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的有加拿大曼尼托巴直流研究中心RTDS公司研發(fā)的電力系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(RTDS)、加拿大魁北克水電研究所研發(fā)的HYPERSIM、加拿大魁北克Opral-RT公司研發(fā)的RT-Lab以及中國電力科學(xué)研究院有限公司研發(fā)的ADPSS。RT-Lab主要應(yīng)用于單一工程的設(shè)備及其仿真,尚未應(yīng)用到系統(tǒng)級(jí)研究;ADPSS目前主要采用機(jī)電暫態(tài)—電磁暫態(tài)混合仿真,其應(yīng)用于大規(guī)模電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真的技術(shù)正在完善之中;RTDS和HYPERSIM均應(yīng)用于設(shè)備級(jí)仿真和系統(tǒng)級(jí)仿真,南方電網(wǎng)科學(xué)研究院采用RTDS進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真,最大仿真規(guī)模達(dá)到2 000節(jié)點(diǎn)[7],中國電力科學(xué)研究院有限公司國家電網(wǎng)仿真中心采用HYPERSIM進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真,最大仿真規(guī)模達(dá)到6 000節(jié)點(diǎn)。新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)要求能夠?qū)?fù)雜大電網(wǎng)進(jìn)行電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真,目前選擇HYPERSIM作為數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)的數(shù)字仿真應(yīng)用軟件。國家電網(wǎng)仿真中心已經(jīng)與加拿大魁北克水電局簽署長(zhǎng)期合作協(xié)議,聯(lián)合開發(fā)HYPERSIM,不斷提升仿真能力。

HYPERSIM是一種基于并行計(jì)算技術(shù)、模塊化設(shè)計(jì)、面向?qū)ο缶幊痰碾娏ο到y(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真軟件。該系統(tǒng)既可以進(jìn)行單處理器或多處理器的離線仿真,也可以進(jìn)行基于多核的并行實(shí)時(shí)仿真。HYPERSIM的軟件核心為電磁暫態(tài)程序(EMTP),仿真精度為64位雙精度,它在代碼產(chǎn)生、編譯和仿真過程中使用的都是真64位雙精度浮點(diǎn)數(shù),數(shù)值穩(wěn)定。HYPERSIM代碼生成器用來分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并將線路、母線、控制元件及其子系統(tǒng)分解為不同的任務(wù),然后自動(dòng)將任務(wù)合理分配給各并行處理器進(jìn)行處理,從而使各任務(wù)之間的通信負(fù)擔(dān)最小。通過代碼生成模塊產(chǎn)生的C語言代碼在實(shí)時(shí)與離線狀態(tài)下都完全相同,仿真結(jié)果也完全一致[8]。

HYPERSIM支持通過模數(shù)(A/D)、數(shù)模(D/A)接口及通信協(xié)議接口與硬件設(shè)備連接,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真。HYPERSIM中子任務(wù)在多個(gè)計(jì)算核中的自動(dòng)平均分配功能非常靈活,在自動(dòng)任務(wù)映射后,還可結(jié)合實(shí)際情況手動(dòng)調(diào)整單個(gè)任務(wù)預(yù)估執(zhí)行時(shí)間,也可手動(dòng)調(diào)整單個(gè)任務(wù)所在的計(jì)算核。HYPERSIM還提供了多個(gè)參數(shù)供用戶根據(jù)所仿真電網(wǎng)模型的具體情況進(jìn)行合理調(diào)整,確保仿真的實(shí)時(shí)性。例如處理器的負(fù)載率(CPU load level),可通過它調(diào)整分配到一個(gè)計(jì)算核中的任務(wù)量;處理器不平衡率(CPU imbalance ratio),可通過它調(diào)整每個(gè)計(jì)算核中所分配任務(wù)量的不平衡度;所需仿真總內(nèi)核數(shù)(requested number of CPUs),通過它可人工指定參與計(jì)算的總核數(shù)。通過對(duì)以上參數(shù)的綜合調(diào)整,能夠?qū)Χ鄠€(gè)任務(wù)進(jìn)行更合理的優(yōu)化分配,對(duì)于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真來說,實(shí)用性很強(qiáng)。

2.2 硬件平臺(tái)

電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的硬件平臺(tái)通常包括專用平臺(tái)、計(jì)算機(jī)群和商用超級(jí)并行計(jì)算機(jī)[9]。對(duì)于大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真來說,硬件平臺(tái)的關(guān)鍵因素并不是單處理器的計(jì)算能力,而是整個(gè)計(jì)算機(jī)的通信性能[10]。單處理器的計(jì)算能力限制了單個(gè)任務(wù)量的最大處理時(shí)間,而通信性能則限制了同時(shí)運(yùn)算的處理器最大數(shù)量。由于其仿真計(jì)算步長(zhǎng)通常在50 μs左右,這就要求各個(gè)處理器之間的通信能力要能做到在一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)完成全部通信任務(wù)(包括與數(shù)模接口的通信)。由于新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)需要與多種多套實(shí)際控制保護(hù)裝置連接,還需要實(shí)時(shí)仿真器能夠具備可便利地?cái)U(kuò)展連接多個(gè)接口裝置的能力。新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)的硬件平臺(tái)對(duì)并行處理器的規(guī)模、處理器之間的通信能力、數(shù)據(jù)帶寬等相關(guān)指標(biāo)提出較高要求,選擇采用超級(jí)并行計(jì)算機(jī)SGI UV300。

SGI UV系列為單一節(jié)點(diǎn)、單一操作系統(tǒng)超級(jí)計(jì)算服務(wù)器,具有靈活多變的資源劃分方式。UV300為SGI公司近年來新開發(fā)的商用產(chǎn)品,采用最先進(jìn)的分布式共享內(nèi)存Numa架構(gòu),能夠確保核心關(guān)鍵業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行,使機(jī)器具有持續(xù)穩(wěn)定的高性能和可靠性。為了確保大電網(wǎng)仿真實(shí)時(shí)性,硬件平臺(tái)選擇了單核主頻更高、緩存更大、速度更快、延遲更少的Intel Xeon E7-8800系列的處理器,更加適合高速計(jì)算分析任務(wù)。在多計(jì)算核互聯(lián)方式上,UV300采用的是基于最新的NUMAlink7高速互聯(lián)技術(shù)的性能更高的all-to-all連接方式,所有處理器之間均能直接對(duì)話,無需跳轉(zhuǎn)。與之前的基于NUMAlink6高速互聯(lián)技術(shù)的HyperCube的連接方式相比,大大提高了多處理器之間的通信速率[11]。UV300還采用了機(jī)箱內(nèi)置PCIE插槽的方式來保證系統(tǒng)的可靠性,大大提升了連接外部裝置的擴(kuò)展能力和可靠性。圖2為含32個(gè)處理器的SGI UV300 all-to-all 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖,其中A0至A15代表16個(gè)處理器機(jī)箱,每個(gè)機(jī)箱中有2個(gè)處理器。

圖2 SGI UV300 全互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of all-to-all topology based on SGI UV300

2.3 大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真建模

通用的電磁暫態(tài)仿真軟件均采用圖形界面,需要通過人機(jī)交互界面輸入每個(gè)元件各項(xiàng)參數(shù),并手工連接每個(gè)元件,結(jié)合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和個(gè)人習(xí)慣完成整個(gè)仿真電網(wǎng)模型的圖形布局。對(duì)于搭建工程級(jí)測(cè)試網(wǎng)模型來說,這樣的方式是可行的,但對(duì)于搭建大規(guī)模交直流互聯(lián)電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真模型來說,這樣的方式將帶來巨大工作量、極高出錯(cuò)率、超長(zhǎng)時(shí)間等問題,建模效率極低。新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)通過開發(fā)基于機(jī)電暫態(tài)—電磁暫態(tài)轉(zhuǎn)換的自動(dòng)化建模工具,極大地提升了電磁暫態(tài)仿真建模效率。

自動(dòng)化建模工具的主要功能包括:①電網(wǎng)元件模型參數(shù)轉(zhuǎn)換;②仿真電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)生成;③網(wǎng)絡(luò)輔助解耦及解耦方案自動(dòng)繼承;④仿真電網(wǎng)潮流結(jié)果自動(dòng)校核;⑤發(fā)電機(jī)控制器模型的智能轉(zhuǎn)換及賦初值;⑥故障仿真模型自動(dòng)構(gòu)建;⑦監(jiān)測(cè)量的自動(dòng)配置。

電網(wǎng)元件模型中發(fā)電機(jī)模型、變壓器模型、負(fù)荷模型等多數(shù)模型均可從機(jī)電暫態(tài)模型中讀取參數(shù)并通過轉(zhuǎn)換計(jì)算轉(zhuǎn)為電磁暫態(tài)模型所需參數(shù),發(fā)電機(jī)控制器模型與機(jī)電暫態(tài)模型保持一致,線路模型中按傳輸距離轉(zhuǎn)換為分布參數(shù)模型和集中參數(shù)模型。對(duì)于直流輸電線路等含電力電子設(shè)備的線路不在自動(dòng)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi),而是直接復(fù)用與工程實(shí)際參數(shù)保持一致的詳細(xì)模型。

對(duì)于大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真建模來說,網(wǎng)絡(luò)的合理化解耦方案是確保實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。HYPERSIM中對(duì)于帶有子系統(tǒng)的元件,子系統(tǒng)之間也是解耦的,即分成不同子任務(wù)進(jìn)行并行計(jì)算,在一個(gè)步長(zhǎng)結(jié)束前完成數(shù)據(jù)交互。例如發(fā)電機(jī)模型,其控制器為子系統(tǒng),發(fā)電機(jī)本體與控制器之間是解耦的。

對(duì)于電磁暫態(tài)仿真來說,利用分布參數(shù)的線路模型可以實(shí)現(xiàn)自然解耦[12]。以恒定參數(shù)單相線路為例,圖3為其等效電路示意圖。圖3中電流源的電流計(jì)算公式為:

(1)

(2)

(3)

式中:m為代表正負(fù)零序的變量;Zc為線路特征阻抗;τ為沿線傳輸延時(shí);RT為線路損耗;JmK為K端電流源電流m序分量;ImK為線路K端輸入電流m序分量;VmK為K端電壓m序分量。

M端電流源電流m序分量JmM的表達(dá)式與JmK相似,其中ImM為線路M端輸入電流m序分量;VmM為M端電壓m序分量。

據(jù)產(chǎn)品負(fù)責(zé)人介紹，該平臺(tái)包含設(shè)備管理、項(xiàng)目管理、分析統(tǒng)計(jì)、健康管理、配件銷售、服務(wù)管理、還款管理等多個(gè)功能模塊，適用于各類工程機(jī)械設(shè)備。該平臺(tái)突破性地解決了多個(gè)工程機(jī)械行業(yè)管理痛點(diǎn)的同時(shí)幫助中聯(lián)重科解決了“最后一公里”管理難題，并憑借其技術(shù)創(chuàng)新和模式創(chuàng)新跑在了行業(yè)前列，成為我國裝備制造業(yè)有效集合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)進(jìn)行智能管理的第一梯隊(duì)成員。

圖3 分布參數(shù)線路模型等效電路Fig.3 Equivalent circuit of distributed-parameter-based transmission line model

從圖3可看出,線路被簡(jiǎn)化成電流源和阻抗并聯(lián)的2個(gè)隔離電路,電流源的電流與過去的電壓、電流相關(guān),兩端電路分別在不同的計(jì)算內(nèi)核中進(jìn)行計(jì)算,通過交換節(jié)點(diǎn)電壓和線路電流以便在下一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)求解線路等效電路,從而實(shí)現(xiàn)解耦。對(duì)于頻率相關(guān)線路模型來說,原理一樣但等效電路更為復(fù)雜。然而,分布參數(shù)線路模型所能模擬的線路長(zhǎng)度與仿真步長(zhǎng)相關(guān),線路傳輸延時(shí)τ必須要大于一個(gè)仿真步長(zhǎng),如果電磁波傳輸速度按近似光傳播速度(3×108m/s)來計(jì)算,則當(dāng)仿真步長(zhǎng)為50 μs時(shí),對(duì)應(yīng)的能用分布參數(shù)模型模擬的最短線路長(zhǎng)度約為15 km,短于15 km的線路只能采用集中參數(shù)模型進(jìn)行模擬。

當(dāng)1個(gè)子網(wǎng)之間出現(xiàn)分布參數(shù)解耦與集中參數(shù)不解耦的矛盾時(shí),需要結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),判斷子網(wǎng)計(jì)算量確定解耦方案,通?？梢赃x擇改變解耦路徑。對(duì)于仍然需要解耦的短線路,可以采用強(qiáng)制解耦元件模擬該短線路。如果需要解耦的是變壓器,也可用強(qiáng)制變壓器解耦元件。強(qiáng)制解耦元件利用線路電抗或變壓器漏抗,將線路或變壓器簡(jiǎn)化為諾頓及戴維南等效電路實(shí)現(xiàn)解耦。強(qiáng)制解耦元件的原理也是采用線路貝瑞隆模型,按照式(4)計(jì)算出對(duì)應(yīng)電容值。

(4)

式中:d為仿真步長(zhǎng);L為線路電感值。

由于短線路的電感值較小,使用強(qiáng)制解耦元件會(huì)增加對(duì)地電容,因此可以通過外接對(duì)地電感來進(jìn)行一定的誤差補(bǔ)償,但采用強(qiáng)制解耦元件在暫態(tài)過程中仍會(huì)帶來一定的誤差。通常是在2個(gè)子網(wǎng)實(shí)際構(gòu)架無法由長(zhǎng)度滿足要求的分布參數(shù)線路模型解耦、而連在一起運(yùn)算又會(huì)造成子任務(wù)超時(shí)的情況下才采用強(qiáng)制解耦元件。

3 數(shù)模接口方案

新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)需要接入國家電網(wǎng)全部直流工程控制保護(hù)裝置以及其他電力電子設(shè)備的控制保護(hù)裝置,其數(shù)模接口量巨大[13]。經(jīng)過對(duì)比測(cè)試和分析,確定采用分布式光纖數(shù)字通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真裝置與控制保護(hù)裝置的連接,該技術(shù)將具有不同功能的多臺(tái)數(shù)模接口裝置通過通信網(wǎng)絡(luò)連接起來,在仿真服務(wù)器的統(tǒng)一管理控制下,協(xié)調(diào)地完成大規(guī)模信息處理任務(wù)。多臺(tái)接口裝置的時(shí)間同步采用軟同步技術(shù),通過PCIE串行通信線將所有接口裝置的時(shí)間源從仿真主機(jī)上獲取,采用同樣的PCIE光纖和通信技術(shù)保證同步信號(hào)的穩(wěn)定性和精確性。在后續(xù)文章中,將重點(diǎn)描述接入直流輸電工程控制保護(hù)裝置的數(shù)?；旌辖涌诩夹g(shù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)故障反演及波形對(duì)比

為驗(yàn)證大規(guī)模電磁暫態(tài)數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)在應(yīng)用于交直流相互影響研究時(shí)的準(zhǔn)確性,本文收集了華東電網(wǎng)近期的3個(gè)實(shí)際故障的信息和波形,以及故障發(fā)生時(shí)刻電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù),在數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)上搭建了對(duì)應(yīng)的華東電網(wǎng)仿真模型,模擬相同的故障,通過波形對(duì)比驗(yàn)證數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的一致性[14]。

4.1 “6·30” 故障反演

4.1.1電網(wǎng)模型

根據(jù)華東電網(wǎng)“6·30”故障時(shí)刻電網(wǎng)數(shù)據(jù)建立了交直流數(shù)?；旌戏抡婺Ｐ?并將仿真模型數(shù)據(jù)與實(shí)際電網(wǎng)在線數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。主要節(jié)點(diǎn)電壓及骨干線路功率對(duì)比見附錄A。結(jié)果證明仿真系統(tǒng)潮流與實(shí)際電網(wǎng)潮流一致。

4.1.2“6·30”第一次故障反演分析

“6·30”第一次故障發(fā)生時(shí)間為2017年6月30日19:58:17。故障地點(diǎn)為鳳巖線,故障現(xiàn)象是鳳巖線B相發(fā)生短路接地故障,保護(hù)正確動(dòng)作跳開B相開關(guān),400 ms后A相發(fā)生短路接地故障,A相、C相開關(guān)同時(shí)跳開。故障造成靈紹直流、賓金直流雙極換相失敗。圖4為賓金直流工程故障仿真波形與實(shí)際錄波波形,故障點(diǎn)波形比較圖見附錄A。從圖4中可以看出,故障期間賓金直流交流母線電壓受到擾動(dòng),直流電壓迅速下降,直流電流迅速上升,直流功率跌落至0,雙極發(fā)生換相失敗。

4.1.3“6·30” 第二次故障反演分析

“6·30”第二次故障發(fā)生時(shí)間為2017年6月30日20:40:31。故障地點(diǎn)是蘭儀線,故障現(xiàn)象為蘭儀線B相短路接地故障,保護(hù)正確動(dòng)作跳開B相開關(guān),重合閘不成功跳三相開關(guān)。故障造成靈紹直流、賓金直流發(fā)生換相失敗。圖5為靈紹直流工程故障仿真波形與實(shí)際錄波波形的對(duì)比圖,故障點(diǎn)及賓金直流波形對(duì)比圖見附錄A。在故障及重合閘過程中,靈紹直流和賓金直流均受到2次擾動(dòng),靈紹直流在2次擾動(dòng)中直流功率均跌落至0，即雙極發(fā)生換相失敗,賓金直流在故障期間受擾動(dòng)發(fā)生換相失敗,在重合閘期間受擾動(dòng)直流電壓和電流均有較大波動(dòng)但并未發(fā)生雙極換相失敗。

圖4 賓金直流工程A相和B相交流電壓,以及直流電壓、電流、功率Fig.4 Phase A and B voltage, as well as DC voltage, current and power of Binjin HVDC Link

圖5 靈紹直流工程交流側(cè)電壓,以及直流電壓、電流、功率Fig.5 AC voltage, DC voltage, current and power of Lingshao HVDC Link

4.2 “9·22”故障反演

4.2.1電網(wǎng)模型

根據(jù)華東電網(wǎng)“9·22”故障時(shí)刻電網(wǎng)數(shù)據(jù)建立了交直流數(shù)?；旌戏抡婺Ｐ?并將仿真模型數(shù)據(jù)與實(shí)際電網(wǎng)在線數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果證明仿真系統(tǒng)潮流與實(shí)際電網(wǎng)潮流一致。 主要節(jié)點(diǎn)電壓及骨干線路功率對(duì)比見附錄A。 在本次試驗(yàn)中,電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真規(guī)模突破了5 000個(gè)交流三相節(jié)點(diǎn),含8回接入實(shí)際控制保護(hù)裝置的直流輸電數(shù)?；旌戏抡婺Ｐ汀９收戏抡骐娋W(wǎng)規(guī)模如下：節(jié)點(diǎn)數(shù)(交流三相)為5 173(3 721)個(gè)；發(fā)電機(jī)總出力為135 097.22 MW；發(fā)電機(jī)總數(shù)325臺(tái)；直流模型8回。

4.2.2“9·22”故障反演分析

“9·22”故障發(fā)生時(shí)間為2017年9月22日00:01。故障地點(diǎn)是練塘站特高壓母線,故障現(xiàn)象為吳塘Ⅰ線B相保護(hù)跳閘,重合成功。故障造成復(fù)奉直流、賓金直流、葛南直流、宜華直流、林楓直流雙極同時(shí)發(fā)生換相失敗。 由圖6可見,故障期間,復(fù)奉直流直流電壓和電流波形為比較典型的換相失敗波形,故障清除后均恢復(fù)到故障前運(yùn)行狀態(tài)。故障點(diǎn)波形對(duì)比及賓金直流電壓和電流波形見附錄A。

圖6 復(fù)奉直流交流側(cè)電壓、直流電壓、直流電流、直流功率Fig.6 AC voltage, DC voltage, current and power of Fufeng HVDC Link

4.3 故障反演小結(jié)

“6·30”第一次、第二次故障反演以及“9·22”故障反演完整再現(xiàn)了故障所在地及全部落點(diǎn)華東地區(qū)直流工程的故障響應(yīng)特性,3次故障過程中各直流換相失敗發(fā)生情況的仿真結(jié)果與實(shí)際電網(wǎng)完全一致,直流電壓、電流的擾動(dòng)波形也與實(shí)際錄波一致。結(jié)果表明,新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)能夠準(zhǔn)確仿真多直流落點(diǎn)地區(qū)交直流相互影響問題,可以用于精細(xì)化研究大規(guī)模交直流電網(wǎng)運(yùn)行特性,為特高壓交直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠技術(shù)支撐[15]。

5 結(jié)語

新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)建成了世界上仿真規(guī)模最大的交直流混聯(lián)電網(wǎng)電磁暫態(tài)數(shù)模混合仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多回直流工程控制保護(hù)裝置與大規(guī)模數(shù)字電網(wǎng)聯(lián)合實(shí)時(shí)仿真,并在華東電網(wǎng)得到實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過多次與實(shí)際交直流電網(wǎng)故障的對(duì)比檢驗(yàn),仿真結(jié)果與實(shí)際電網(wǎng)特性保持一致。新一代數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)的建成,標(biāo)志著電力系統(tǒng)數(shù)模混合實(shí)時(shí)仿真進(jìn)入了新的時(shí)代,數(shù)?；旌戏抡婺芰Υ蠓嵘?從而能夠更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)特性,可以用于深入研究多直流饋入地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行特性,為特高壓交直流電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐,同時(shí)可以作為其他電力系統(tǒng)仿真軟件的“校準(zhǔn)鐘”。

后續(xù)文章中,將描述通過直流輸電工程數(shù)模混合仿真結(jié)果與工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證直流模型的準(zhǔn)確性。本文描述的是通過與實(shí)際電網(wǎng)故障的對(duì)比驗(yàn)證大規(guī)模交直流電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡婺Ｐ偷臏?zhǔn)確性。本階段主要側(cè)重于交流故障引起的多回直流工程換相失敗過程,今后數(shù)?；旌戏抡嫫脚_(tái)將繼續(xù)捕捉實(shí)際電網(wǎng)嚴(yán)重故障數(shù)據(jù),對(duì)嚴(yán)重故障后電網(wǎng)響應(yīng)特性進(jìn)行深入對(duì)比,從而進(jìn)一步提升仿真精度。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。