RTDS在电力系统稳定控制研究中的应用

RTDS在电力系统稳定控制研究中的应用王超1，高鹏2，曹玉胜3，黄志岭2（1.浙江大学电气学院，浙江省杭州市310027；2.南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市211100）（3.武汉大学电气工程学院，湖北省武汉市430072）摘要：加拿大开发的实时数字仿真器（RTDS，Real-TimeDigitalSimulator）是优秀的数字仿真系统，本文对其进行了简单的介绍，简述了基于RTDS的系统模型搭建，并举例进行了模型搭建的说明。特别介绍了RTDS仿真器在电力系统稳定控制研究中的应用，认为RTDS可用于实现对目前各类稳定控制分析的有效模拟。这种稳定控制系统的仿真，相当于利用RTDS仿真模拟了电力工程中的稳定控制装置和系统，非常有利于教学和实现对稳定控制装置算法的模拟、精细仿真研究和算法性能验证。最后，基于一个失步解列和低频减载的例子对基于RTDS仿真及其有效性进行了必要的说明。关键词：仿真分析；RTDS；稳定控制；失步；低频减载0引言电力系统计算机仿真是用数学模型代替实际电力系统，在计算机上用数值方法对系统的运行特性进行试验和研究的过程。在电力系统的规划、设计和运行中要进行大量的计算和仿真研究，最多的是电力系统稳态潮流、暂态稳定和电磁过程计算。通过这些计算和仿真来确定规划设计方案、拟定运行方式、进行事故分析、开发保护和自动控制装置等。现代电力系统的规模不断扩大，线路、发电机等元件数以万计，运行方式复杂多变，许多新的动态现象的出现，新的调节和控制设备在电力系统中的应用，这些都对仿真软件的功能、精度、规模和速度提出了更高的要求，需要充分利用计算机硬件和软件技术的最新成就，开发和改进相应的计算方法和软件，来进行仿真和研究[1]。与其他数字仿真程序一样，实时数字仿真器也是基于数学模型来实现的，但在计算速度上却有很大的优势。实时数字仿真器通常采用多处理器并行计算，计算速度可以达到实时的要求，而数字仿真程序则采用串行计算，计算速度较慢。与物理动模仿真相比，基于计算机和运算处理器的数字实时仿真器具有便于准确输入已知电力元件的参数和模拟故障等有力优势。正是由于本身具有的这些优势，实时数字仿真器将在电力系统的规划、设计和运行中得到更加广泛深入的应用。目前我国很多电力设计院、电网公司、各电力科学院/中试所、电力设备生产厂家和高校等单位部门都购买了加拿大研制的RTDS实时数字仿真器，以增强其科研的硬件水准和创新能力。本文在简介了RTDS的基础上，介绍了基于RTDS的综合负荷的模拟、各类控制模块的搭建。并在此基础上特别介绍了该仿真器在电力系统稳定控制系统中的应用，认为目前研究的各类稳定控制问题皆可以基于RTDS进行模拟。基于RTDS的稳定控制仿真模拟非常有利于稳定控制的教学、系统分析和实现对稳定控制装置算法的模拟和精细仿真分析。最后，基于一个简单的例子进一步进行了必要的仿真说明。1RTDS仿真器简介加拿大开发的实时数字仿真器（RTDS，Real-TimeDigitalSimulator）是优秀的数字仿真系统之一。RTDS采用并行处理的硬件结构和高速DSP芯片，利用数学上可分隔子系统的概念在各运算芯片或芯片组间分担计算任务，各子系统之间的联结使用传输线模型或变压器模型。RTDS是计算机并行处理技术和数字仿真技术发展的产物，是一套专门用来对电力系统电磁暂态过程进行全数字模拟的仿真装置。RTDS仿真能够经D/A转换后通过高性能的电压、电流放大器实时地输出，可用于进行自动控制和保护等设备的闭环试验，完成系统分析研究，设备研发以及各种培训。图1所示是南京南瑞继保公司基于自主研发制造的世界首台±800kV特高压直流控制与保护系统样机和RTDS仿真器搭建的闭环控制与仿真分析系统。该仿真系统的建立使得我国具备了全面分析±800kV特高压直流输电工程的能力,并已经成功运用于对我国特高压直流工程的前期系统分析。2图1典型的基于RTDS的闭环控制仿真分析案例与BPA、Simpow和PSS/E等机电暂态程序相比，RTDS仿真器提供的暂态仿真结果要深刻得多，能够详细地模拟出一些在机电暂态程序中没有的现象，且RTDS仿真得到的系统特性包含了一个很大的频率范围(直流达几千赫兹),在这个频率范围内，RTDS仿真系统是精确分析电力系统现象的理想工具[2]。因此，国内一些学者提出“未来柔性交流输电技术FACTS的各种电力电子装置的样机试验将首先考虑在实时仿真器上进行”[3]。与PSASP、BPA等机电暂态仿真分析软件相比，RTDS仿真仪器不仅模型齐全且具有出色的自定义功能。譬如，在BPA等软件中可以模拟的发电机、变压器、各类综合负荷等模型以及切机、减载、解列和系统恢复等判据及其策略在RTDS仿真器中皆可实现。在交直流混联系统的仿真计算中，直流输电系统的模拟对计算结果有较大的影响。采用RTDS模拟直流系统可以较充分地反映直流系统的固有特性，如直流系统的换相失败等。而BPA等机电暂态仿真程序没有用户自定义功能，采用程序固有的直流系统模型，相对比较粗略，例如不能直接反映直流系统的换相失败等特征，通常是用直流电压或者交流电压的大小来间接反映直流系统的换相失败特征。机电暂态采用的准稳态直流模型成立的一个假设条件是换流变母线的三相交流电压是对称、平衡的正弦波。显然，该模型不能适应在交流系统不对称故障、换流站交流母线的电压不再对称时的系统特征。所以，目前电力系统中普遍使用的机电暂态仿真程序，对交直流系统不对称故障期间的仿真计算是不严格和不精确的。而在RTDS的电磁暂态模式中，系统通过微分方程进行完整描述，三相系统参数可以分相输入，各相元件可独立修改。仿真采用瞬时值方式进行计算，可以精确地模拟含有HVDC和FACTS装置的复杂系统的各种元件，譬如晶闸管、GTO和IGBT等[4]。2基于RTDS的系统模型搭建目前RTDS已经基本具备了各类电力元件的模型[5]，但是，新近研究发现一些元件的特性还需要进一步改进，例如六脉动阀组换流变等电气元件没有计及饱和特性的模拟。但是，基于RTDS的模型库其他元件一般仍可以变通去实现仿真模拟，且由于在数学上描述具有一致性而效果较好。图2基于RTDS控制模块搭建的IEEEST1A型励磁模型RTDS目前基本可实现与PSS/E仿真数据的互相转换，但是一些特殊的非国际标准的发电机组等元件的控制模型和可控负荷需要仿真人员自己搭建。这里将对此进行介绍，以期对读者有所启迪。图2所示是基于RTDS控制模块元件搭建的IEEEST1A型励磁模型，其中，IS1A、IS1B、IS1C分别代表机组出口的三相电流大小。类似，其他的可用数学描述的控制保护系统一般都可以利用RTDS的控制模块搭建。3图3基于RTDS搭建的静态负荷模型Fig.3ThestaticloadmodelbasedonRTDS在电力系统的仿真分析中，负荷模型的准确模拟对系统仿真的可靠准确性具有重要的意义。图3所示是基于RTDSDynamicLoad模型搭建的NETOMAC仿真程序应用说明书中描述的同时考虑电压和频率变化的静特性负荷模型。其中，N1A、N1B和N1C分别是负荷所连接母线的三相电压；PLL-T2控制模型用于频率测量。该静态负荷模型的表达式为：2012300[()()](1)(1)pfVVPPpppKfVV2012300[()()](1)(2)qfVVQQqqqKfVV其中，V为节点电压；V0为节点额定电压；P0、Q0为节点负荷初值；ppp123,,为恒定阻抗、恒定电流、恒定功率有功负荷各占的百分数，且有：ppp1231＋＋＝；qqq123,,为恒定阻抗、恒定电流、恒定功率无功负荷各占的百分数，且有：1231qqq＋＋＝；f为实际频率与额定频率之差：0fff；Kpf为有功负荷的频率静特性在稳态运行点的斜率；Kqf为无功负荷的频率静特性在稳态运行点的斜率。需要说明的是，可用数学描述的一些动态负荷及其其他特殊电气元件模型同样也可基于RTDS实现仿真模拟。3基于RTDS的稳定控制分析在电力系统的稳定控制分析中，最重要的仿真研究莫过于对切机、减载、解列和子系统恢复同步等方面的分析。切机可以通过控制开断和闭合机组出线断路器去实现。减载可基于RTDS的DynamicLoad模型，通过基于频率等电气量的控制逻辑，去实现控制负荷的Pset和Qset（如图3所示）的大小改变，从而实现减载策略的模拟。解列的实现也很容易。一般通过基于频率、电压或者机组功角差大小的逻辑控制相关断面的控制字即可轻易实现。图4一种机组同步于电网的控制逻辑图4所示是工程中常用的一种机组同步于电网的控制逻辑，该逻辑用于控制即将实现同步的机组出口线路中的断路器的闭合。其中，N2A、N2B和N2C，N3A、N3B和N3C分别代表断路器两侧节点的三相电压。D-U是断路器两侧母线电压标么值差；W1是预同步的机组的速度，该速度在同步前一般要比电网同步速度略大；BRKANG是断路器两侧节点的相位角差。4典型稳控仿真案例图5所示是基于RTDS的研究用仿真模型，该模型由机组G1、G2、G3和无穷大系统和一些恒阻抗和DynamicLoad负荷组成。总体方式是三台机组和无穷大系统送电挂在G1和G2母线上的负荷。图6所示是其中DynamicLoad的控制模块。图5研究用仿真模型4图6DynamicLoad的控制模块图7计算振荡周期次数的逻辑框图Fig.7Logicdiagramforcalculatingsystemout-of-steptimes基于此仿真模型，模拟线路TL2发生三相永久故障，主保护100ms后切除该线路，系统发生失步振荡，比较两侧G1和G3的功角，当系统失步次数三次后，解列失步断面，即跳开线路TL1。图7所示是用于计算振荡周期次数的逻辑框图。其中，DIFG1G3是机组G1与G3的功角差。系统解列后，受端将出现严重的功率不平衡，频率严重降低。通过低频减载措施去按频率减负荷。图8所示是仿真所用的低频减载逻辑图，该模型考虑了首轮的按频率滑差连切及其系统频率长时间低于额定值的减载恢复模拟。减载策略中，基本级三轮分别减载量分别为DynamicLoad的10％、10％和20％；减载恢复级减载为DynamicLoad的10％。图8低频减载逻辑图本仿真模拟旨在介绍基于RTDS的稳定控制分析，没有必要考虑仿真与实际系统情况的一致性。为了更易于模拟系统失步和各轮减载情况，设置很大的恒阻抗负荷和DynamicLoad。当系统发生故障断开线路后，潮流转移量较大，系统失步。当失步三个周期后，系统解列。图9所示是机组G3和G1功角差轨迹图。图10所示是系统失步振荡周期次数计数值。图9机组G3和G1功角差轨迹图图10系统失步振荡周期次数计数值为验证控制模块的有效性，本文为让系统易于失步和各轮减载皆动作，设置了很大的负荷，以检验搭建各控制模型的有效性。首先设置按频率连切的频率变化门槛为每系统频率100ms变化1.5Hz,图11所示是此时系统的频率（FPLL）、每100ms的频率变化量（DFDT）和相对DynamicLoad的减载量百分数等轨迹图。如图11所示，系统各轮皆正确动作，共减载DynamicLoad的40%的大小。由于连切门槛设置较高，三轮逐级动作，首轮没有连切动作，分别为10％、10％和20％。5图11系统按频率减载的动作情况（1）继续验证所建各控制模块的有效性。图11所示为设置按频率变化率连切的频率变化门槛为系统频率每100ms变化0.15Hz时，系统的频率（FPLL）、每100ms的频率变化量（DFDT）和相对DynamicLoad的减载量百分数等轨迹图。如图12所示，系统各轮皆正确动作，共减载DynamicLoad的40%的大小。由于连切门槛设置较低，1轮连切2轮，减载20％，接着3轮动作减载20％。该图还可看出，连切的效果非常显著，直接导致了频率降低的减速，又经历了短暂时间后，第三轮减载才动作。图12系统按频率减载的动作情况（2）Fig12thesimulationoftheUFLS（2）5结论加拿大开发的实时数字仿真