一种等效高压直流输电直流保护数字仿真方法及系统

摘要

本发明为一种等效高压直流输电直流保护数字仿真方法及系统，该系统的电磁暂态离线等效仿真系统的高压直流保护功能覆盖高压直流的每站的换流器单元、直流母线(包括中性母线)、直流线路、接地线和交/直流滤波器区域。通过一系列关键技术，通过离线的仿真手段实现对实际高压直流工程的直流保护的等效仿真。本发明的电磁暂态离线等效仿真系统结构合理、整定方便，仿真结果可靠，仿真分析便捷灵活。本发明可以广泛应用在高压和特高压直流输电的规划、设计、研发、工程调试和运行等各个环节，为高压直流输电相关技术领域提供了一种有力的研究工具。

说明书

技术领域：

本发明涉及高压直流输电领域，具体涉及一种等效高压直流输电直流保护数字仿真方法 及系统。

背景技术：

按照国家直流工程建设规划，高压直流输电是我国直流输电发展的重要方向。直流保护 系统在直流输电系统中占有重要的地位。研究分析直流输电系统保护的结构配置、功能策略， 对于高压直流工程的科学规划、合理设计、高效研发、系统调试和安全稳定运行，以及对整 个电网的安全稳定至关重要。

高压直流输电直流保护系统仿真模型是否与实际的直流保护系统的性能一致，常常决定 了仿真结论是否能够正确地指导产品研发，是否能够直接应用于工程中的故障分析，是否能 够正确指导直流保护系统的优化和改进。完善的高压直流保护系统的仿真模型应该与实际工 程保护系统在保护功能、实现方法和动态性能上保持一致，计算方法和逻辑结构保持一致， 并能够在运算时间和运算步长上保持一致。

实际直流输电工程的直流保护系统立足于计算机、通讯和网络等硬件平台和不同软件开 发平台，直流保护保护原理和逻辑的实现会兼顾所采用的软硬件平台的水平，全面考虑和综 合处理多种因素(如测量精度、干扰、内存容量、通讯方法等)，以保证直流保护的选择性、 灵敏性、快速性、可靠性。因此，直流保护的性能和参数的配置也受到直流输电保护系统的 功能和执行时间的影响。上述这些处理方式对直流保护的准确分析至关重要，也是考核高压 直流输电直流保护系统仿真模型准确性的关键。

但是，目前常用的离线仿真分析程序中所采用的直流保护模型通常都是简单功能模拟的 通用模型，这种模型与实际工程使用的直流保护系统不完全一致，不能对实际工程的直流保 护功能进行详尽的表达和准确的模拟，不能对直流工程的直流保护的各个变量进行深入和准 确的再现和分析。

发明内容：

针对上述技术的不足，本发明提供一种等效高压直流输电直流保护数字仿真方法及系统， 可以广泛应用在高压直流输电的规划、设计、研发、工程调试和运行等各个环节，为直流输 电相关技术领域提供了一种有力的研究工具。

本发明提供的一种等效高压直流输电直流保护数字仿真方法，所述等效高压直流输电直 流保护数字仿真为高压直流输电直流保护电磁暂态离线等效数字仿真，其改进之处在于，所 述仿真方法包括如下步骤：

1)配置运行环境；

2)启动仿真系统；

3)判断主回路模型中运行状态是否达到稳定运行状态，是则进行步骤4)，否则进行中 断检查；

4)点击‘暂停仿真系统运行’按钮；

5)在交直流一次主回路模型中设置准备测试的故障；

6)启动‘继续仿真系统运行’；

7)检查保护动作情况和故障时的波形；

8)确定是否中断检查；

9)判断是否返回步骤4)或中断仿真系统。

本发明提供的第一优选方案的仿真方法，其改进之处在于，所述步骤3)中断检查包括 如下步骤：

①中断仿真系统运行；

②检查交直流一次主回路参数；

③检查控制系统参数；

④检查直流保护的整定值参数；

⑤检查保护的投退参数；

⑥确认是否返回所述步骤2)。

本发明基于另一目的提供的一种基于权利要求1所述仿真方法的仿真系统，其改进之处 在于，所述仿真系统包括依次连接的电磁暂态仿真部分、数据接口和直流工程保护功能数据 库；

所述电磁暂态仿真部分主要完成交直流一次主回路和控制系统等效模拟，包括交直流一 次主回路模型、控制系统等效模型、故障仿真模型、直流保护监控模型、保护投退参数设置 人机接口、系统状态控制人机接口、直流输电全局信号接口模块；

用户设置系统的运行状态和人工故障的信号和指令，通过所述系统状态控制人机接口， 传到系统的交直流一次主回路、控制系统等效模型和故障仿真模型；

用户设置的保护投退和保护参数设置的信号和指令通过所述保护投退参数设置人机接口 传到直流保护监控模型；

所述交直流一次主回路模型、控制系统等效模型和故障仿真模型中的系统运行状态的模 拟和数字信号传到直流保护监控模型；直流保护监控模型将直流保护的保护出口动作信号反 馈给所述交直流一次主回路模型、控制系统等效模型和故障仿真模型；直流保护监控部分将 所述保护投退参数设置人机接口接收的用户的直流保护投退控制命令和直流保护的整定值参 数送往直流输电全局信号接口模块；

所述交直流一次主回路模型、控制系统等效模型和故障仿真模型中的系统运行状态的模 拟和数字信号传到直流输电全局信号接口模块；

所述直流工程保护功能数据库包括阀保护模块、极保护模块、双极保护模块、直流线路 保护模块和交直流滤波器保护模块，所述阀保护模块、极保护模块、双极保护模块、直流线 路保护模块和交直流滤波器保护模块相互独立，独立完成对各自保护区内设备的多种保护功 能。

所述交直流一次主回路包括整流侧模型、直流线路及接地极模型9和逆变侧模型；

所述整流侧模型包括：交流系统模型1、交流母线18、无功补偿设备模型2、换流变压 器3、分接开关模型4、换流阀模型5、平波电抗器模型6和8、直流滤波器模型7、开关模 型、电压和电流传感器模型；

所述逆变侧模型包括：交流系统模型17、交流母线19、无功补偿设备模型1、换流变压 器14、分接开关模型15、换流阀模型13、平波电抗器模型11和12、直流滤波器模型10、 开关模型、电压和电流传感器模型；

所述直流线路及接地极模型9包括直流极线路；

所述开关模型两端分别连接连交流母线18和无功补偿设备模型2；所述交流母线18另 一端再通过开关模型连接换流变压器3原边；所述换流变压器3的副边与换流阀模型5交流 端相连；所述换流阀模型5的直流高压端与平波电抗器模型6、开关模型的一端依次连接； 所述开关模型的另一端再分别与直流滤波器模型7和直流线路及接地极模型9相连；所述换 流阀模型5直流低压端与平波电抗器模型8、开关模型依次相连；所述开关模型的另一端再 分别与直流滤波器模型7的另一端和直流线路及接地极模型9连接；

所述逆变侧模型的交流系统模型17通过与整流侧模型相同的方法连接；所述整流侧模 型、直流线路及接地极模型9和所述逆变侧模型依次连接；所述电压传感器并联接入各测试 位置，所述电流传感器串联接入各测试位置。

本发明提供的第一优选方案的仿真系统，其改进之处在于，所述控制系统等效模型是按 照实际高压直流输电系统参数及配置，在电磁暂态仿真中采用基础元件搭建完成；所述控制 系统等效模型的控制功能中包括高压直流系统的主要控制环节，控制规律满足高压直流输电 工程控制要求；

所述故障仿真模型用来提供模拟高压直流系统中实际故障的模型；

所述保护投退参数设置人机接口用来提供用户对直流保护参数设置和直流保护功能进行 投退进行控制的界面；

所述直流输电全局信号接口模块，实现所述电磁暂态仿真部分与所述直流工程保护功能 数据库之间交换的公用信号的汇集。

本发明提供的第二优选方案的仿真系统，其改进之处在于，所述直流工程保护功能数据 库的直流保护代码取自实际直流工程的直流保护系统，用来完成与实际工程原理和实现方法 完全一致的直流保护功能。

本发明提供的第三优选方案的仿真系统，其改进之处在于，所述数据接口为所述电磁暂 态仿真部分与保护功能数据库间的数据接口；所述电磁暂态仿真部分与保护功能数据库间的 接口包括电磁暂态仿真程序中的接口函数I和保护功能代码的接口函数II；

所述电磁暂态仿真程序中的接口函数I和所述保护功能代码的接口函数II实现电磁暂态 仿真程序中的电力网络和所述直流工程保护功能数据库保护功能代码之间的信息交换和数据 转换。

本发明提供的第四优选方案的仿真系统，其改进之处在于，所述阀保护、极保护、双极 保护、直流线路保护和交直流滤波器保护用于实现对所述交直流一次主回路模型的保护。

本发明提供的较优选方案的仿真系统，其改进之处在于，主要控制环节包括电流控制环 节、电压控制环节、关断角控制环节和低压限流环节。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明的高压直流输电工程保护系统的电磁暂态离线等效仿真系统的直流保护功能覆盖 高压每站换流器单元、直流母线(包括中性母线)、直流线路、接地线和交/直流滤波器区域。 通过对实际直流工程用的直流保护软件进行转换和处理而生成保护功能核心数据库等一系列 关键技术，从而用来完成与实际工程原理和实现方法完全一致的直流保护功能，从而达到与 实际设备一样的运行结果。高压直流输电工程保护系统的电磁暂态离线等效仿真系统结构合 理、整定方便，仿真结果可靠，仿真分析便捷灵活。本发明可以广泛应用在高压直流输电的 规划、设计、研发、工程调试和运行等各个环节，为直流输电相关技术领域提供了一种有力 的研究工具。

附图说明

图1为本发明提供的仿真系统结构图。

图2为本发明提供的一次主回路结构图。

图3为本发明提供的数据接口示意图。

图4为本发明提供的直流工程模块直流保护的任务调度机制示意图。

图5为本发明提供的仿真系统使用方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的仿真系统结构图。

仿真系统包括依次连接的电磁暂态仿真部分、数据接口(电磁暂态仿真部分与直流工程 保护功能数据库之间)和直流工程保护功能数据库；

电磁暂态仿真部分包括交直流一次主回路、控制系统等效模型、故障仿真模型、直流保 护监控部分、保护投退参数设置人机接口、系统状态控制人机接口、直流输电全局信号接口 模块；

所述直流工程保护功能数据库包括阀保护模块、极保护模块、双极保护模块、直流线路 保护模块和交直流滤波器保护模块。上述各保护功能模块相互独立，独立完成对各自保护区 内设备的多种保护功能。

所述部分的信号流程是：

(1)用户设置系统的运行状态和人工故障的信号和指令，通过系统状态控制人机接口， 传到系统的交直流一次主回路、控制系统等效模型和故障仿真模型；

(2)用户设置的保护投退和保护参数设置的信号和指令通过保护投退参数设置人机接口 传到直流保护监控模型；

(3)交直流一次主回路模型、控制系统等效模型和故障仿真模型中的系统运行状态的模 拟和数字信号传到直流保护监控模型；直流保护监控模型将直流保护的保护出口动作信号反 馈给交直流一次主回路模型、控制系统等效模型和故障仿真模型；直流保护监控部分将保护 投退参数设置人机接口接收的用户的直流保护投退控制命令和直流保护的整定值参数送往直 流输电全局信号接口模块；

(4)交直流一次主回路模型、控制系统等效模型和故障仿真模型中，系统运行状态的模 拟和数字信号传到直流输电全局信号接口模块；

其中，反映交直流一次主回路运行状态的数字和模拟量信号从电磁暂态仿真部分送往数 据接口，再送往直流工程保护功能数据库；通过数据接口，直流工程保护功能数据库将直流 系统运行过程中产生的直流保护的动作信号及其中间运算变量传到电磁暂态仿真部分。

电磁暂态仿真部分与保护功能数据库间的数据接口包括电磁暂态仿真程序中的接口函数 和保护功能代码的接口函数。

通过电磁暂态仿真部分与保护功能数据库间的数据接口，直流工程保护功能数据库将直 流系统运行过程中产生的直流保护的动作信号及其中间运算变量传送到电磁暂态仿真部分。

如图3所示。

下面具体介绍各部分的元件。

电磁暂态仿真模型：

如图2所示，交直流一次主回路包括整流侧模型、直流线路及接地极模型9和逆变侧模 型；整流侧模型包括：交流系统模型1、交流母线18、无功补偿设备模型2、换流变压器3、 分接开关模型4、换流阀模型5、平波电抗器模型6和8、直流滤波器模型7、开关模型、电 压和电流传感器模型；逆变侧模型包括：交流系统模型17、交流母线19、无功补偿设备模型 16、换流变压器14、分接开关模型15、换流阀模型13、平波电抗器模型11和12、直流滤波 器模型10、开关模型、电压和电流传感器模型；直流线路及接地极模型9包括直流极线路； 开关模型两端分别连接连交流母线18和无功补偿设备模型2；交流母线18另一端再通过开 关模型连接换流变压器3原边；所述换流变压器3的副边与换流阀模型5交流端相连；换流 阀模型5的直流高压端与平波电抗器模型6、开关模型的一端依次连接；开关模型的另一端 再分别与直流滤波器模型7和直流线路及接地极模型9相连；换流阀模型5直流低压端与平 波电抗器模型8、开关模型依次相连；开关模型的另一端再分别与直流滤波器模型7的另一 端和直流线路及接地极模型9连接。逆变侧模型的交流系统模型17通过与整流侧模型相同的 方法连接；整流侧模型、直流线路及接地极模型9和逆变侧模型依次连接；电压传感器并联 接入各测试位置，电流传感器串联接入各测试位置。

控制系统等效模型是按照实际高压直流输电系统参数及配置，在电磁暂态仿真软件中采 用基础元件搭建完成。控制功能中包括高压直流系统的主要控制环节(例如：电流控制、电 压控制、关断角控制、低压限流等环节)，控制规律满足高压直流输电工程控制要求。

故障仿真模型用来提供模拟高压直流系统中实际故障的模型；

直流保护监控部分是以各直流保护为单位，在电磁暂态仿真程序中利用自定义模块方式 搭建的若干直流保护功能监控模块。这些模块保留工程用直流保护的输入输出量，并汇集交 直流一次主回路及控制系统与各直流保护的监视和控制信息(如：保护的投退、保护参数、 系统运行状态和保护软件的运算中间变量等)；

保护投退参数设置人机接口用来提供用户对直流保护参数设置和直流保护功能进行投退 进行控制的界面；

直流输电全局信号接口模块，实现电磁暂态仿真部分与直流保护系统之间交换的公用信 号的汇集，即：汇集直流保护系统所需的一次主回路和控制系统状态信号，包括：电压、电 流、开关状态、分接开关位置及其它系统运行状态的信号；汇集保护系统的出口及中间信号 以便电磁暂态仿真的其他部分用于控制或显示之用。

数据接口为电磁暂态仿真部分与保护功能数据库间的数据接口；所述电磁暂态仿真部分 与保护功能数据库间的接口包括电磁暂态仿真程序中的接口函数I和保护功能代码的接口函 数II；

电磁暂态仿真程序中的接口函数I和所述保护功能代码的接口函数II实现电磁暂态仿真 程序中的电力网络和直流工程保护功能数据库保护功能代码之间的信息交换和数据转换。

直流工程保护功能数据库的直流保护代码取自实际直流工程的直流保护系统，保护特性 和实现方法与工程保持一致，用来完成与实际工程原理和实现方法完全一致的直流保护功能。

保护功能数据库是由大量函数文件组成，每个函数文件均完成直流保护系统功能的部分 特定环节的功能。直流保护的任务调度模块通过对上述的大量保护函数文件的有序的调度和 管理，形成有机的直流工程直流保护系统，从而完成众多的直流工程保护功能。直流保护的 任务调度机制示意图，如图4所示。其中：

阀保护模块的作用是用来进行：换流变交流过压保护；所有阀的直流差动保护；换相失 败保护；阀结温过热保护；换流变中性点偏移保护；阀的直流差动保护；电压应力保护；阀 短路保护和换相失败后备保护；

极保护模块的作用是用来进行：直流谐波保护；极母线差动保护；中性母线差动保护； 极差动保护；直流欠压保护；功率反向保护；中性线开关保护和交流欠压保护；

双极保护模块的作用是用来进行：双极中性线差动保护；站接地过流保护；中性线接地 开关保护；大地回线转换开关保护；金属回线转换断路器保护；金属回线横差保护；金属回 线纵差保护；金属回线接地电流保护；接地极线断线保护；接地极线过负荷保护和接地极线 不平衡报警；

直流线路保护模块的作用是用来进行：直流线路差动保护；直流线路低电压保护和交直 流碰线保护；

交直流滤波器保护模块的作用是用来进行：交流滤波器母线差动保护；交流滤波器母线 过压保护；电容器不平衡保护；差动保护；零序电流保护；电阻/电抗谐波过负荷保护；失谐 报警；过流保护；断路器失灵保护；直流滤波器过负荷保护和直流滤波器电容不平衡保护和 直流滤波器差动保护。

利用上述系统，本实施例提出一种高压直流输电直流保护电磁暂态离线等效数字仿真系 统使用方法，系统运行流程图如图5所示，具体步骤如下：

1)配置运行环境；例如：建立本实施例的系统模型，包括一次主回路模型和控制系统等 效模型。

2)启动仿真系统；

3)判断主回路运行状态是否达到稳定运行状态，是则进行步骤4)，否则进行中断检查；

4)点击‘暂停仿真系统运行’按钮；

5)在一次主回路模型中设置准备测试的故障；

6)启动‘继续仿真系统运行’；

7)检查保护动作情况和故障时的相关波形；其中，保护动作情况是查看保护是否正确启 动和出口，相关波形包括：保护的动作和跳闸信号的时序，相关电气量的波形，如电压、电 流，触发角的变化情况和重要中间变量(如：电流差值、电流制动量等)。

8)检查保护动作是否正确，是则进行步骤9)；否则进行所述中断检查；

9)判断是否继续进行测试，是则返回步骤4)；否则中断仿真系统。

本实施例中的中断检查包括如下步骤：

①中断仿真系统运行；

②输入并检查工程主回路参数；输入并检查主要电气元件(如：换流变、平波电抗器、 直流线路、交直流滤波器等)的电气参数及连接情况是否与所研究的直流工程相符。

③输入并检查控制系统参数；(输入并查看系统运行的状态和设置(如：直流电流、电压 和功率、交流系统的电压和系统容量、滤波器投入情况、换流变分接开关的的位置、及主要 控制环节的放大倍数和迟滞量的参数设定等)。

④输入并检查直流保护的整定值参数；输入并检查各直流保护的电压、电流、时间及各 种与整定值相关的参数的整定值；

⑤输入并检查保护的投退参数；输入并检查各直流保护是否按照研究要求和研究条件将 控制字投入或退出；

⑥如果步骤①-⑤都的仿真结果均正确，则返回所述步骤2)。

根据上述方法及系统，本发明可完成与实际工程直流保护原理和实现方法完全一致的直 流保护功能，实现对实际工程直流保护的真实模拟和仿真，从而达到与实际设备一样的运行 结果。本发明可可以广泛应用在高压直流输电的规划、设计、研发、工程调试和运行等各个 环节，为直流输电相关技术领域提供了一种有力的研究工具。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域 的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等 同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。