許繼電氣公司技術團隊提出一種特高壓直流全數字仿真模組化方法

許繼電氣股份有限公司的申帥華、李泰、肖龍、荊雪記、杜少林在《電氣技術》上撰文，介紹一種基于RT-LAB的特高壓直流全數字仿真模組化方法，通過在Simulink中建立自定義元件，調用實際工程程式代碼，實作全數字模型的精确仿真；通過分核運作和多步長分時傳資料的方法，實作實時運作。與實際物模仿真試驗結果的對比驗證了全數字模型的準确性，表明模型既可在Simulink中離線（非實時）運作，也可在RT-LAB上實時運作，應用場景廣泛。

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随着大陸新能源發電的蓬勃發展，越來越多新能源場站接入高壓/特高壓直流輸電系統的送端交流電網，為研究其穩定性，必須對新能源場站及直流輸電系統進行電磁暫态模組化，其中直流輸電系統模型的準确性尤為重要。本文介紹一種基于RT-LAB仿真器的特高壓直流仿真模組化方法，所模組化型基于實際工程程式開發，準确性高。

在直流輸電仿真模組化中，常用的電磁暫态仿真軟體主要有實時數字仿真器（real time digital simulator, RTDS）、全數字電力系統仿真器（advanced digital power system simulator, ADPSS）、PSCAD（power system computer aided design）、HYPERSIM、RT-LAB等。基于上述仿真軟體，配置實際的控制保護裝置，可以實作直流輸電系統的精确仿真，但是受限于實際控制保護裝置系統複雜、搭建周期長、占地面積大等多種不利因素，該模式一般用于控制保護廠家試驗測試。

文獻在上述仿真軟體中設計内部控制系統，但邏輯比較簡單，與實際工程程式邏輯相差甚大，不能準确反映實際工程特性。文獻介紹了基于PSCAD的特高壓直流實際控制保護模組化方法，并與運作人員作業系統互聯，但模型無法實時運作。是以，為了完整地實作控制保護系統的全部功能、準确反映實際工程的特性、有效降低仿真成本，基于實際工程控制保護程式開發電磁暫态全數字仿真模型就變得極為重要。

RT-LAB是由加拿大Opal-RT公司基于Matlab/ Simulink開發的實時仿真器。與RTDS等仿真軟體相比，使用者在RT-LAB中可以直接将Simulink模型轉換成可識别的模型，且模型既可在Simulink中離線運作，也可在RT-LAB下位機上實時運作，具有使用便捷、應用場景廣泛等優點。

本文以錫盟—泰州特高壓直流輸電工程為例，在Simulink中搭建一次電路模型，利用Simulink中自定義子產品S-function調用轉化後的工程程式，實作基于實際工程控制保護程式的全數字仿真模型的建立。通過與實際物模仿真波形進行對比，驗證所搭建仿真模型的準确性。

1 仿真模組化簡介

1.1 仿真模組化方案

本文介紹的仿真模組化方案基于許繼公司自主開發的HCM3000直流控制保護平台，将控制保護平台配套的ViGET程式進行改造、裁剪、轉化生成可調用的C代碼；分别在Matlab/Simulink和RT-LAB下位機中将轉化後的工程程式C代碼封裝成庫檔案；通過建立接口函數，利用Simulink中自定義子產品S-function來調用封裝後的庫檔案，最終實作實際工程控制保護程式在RT-LAB中的仿真模組化。RT-LAB模組化流程如圖1所示。

1.2 程式接口改造

控制保護子產品之間涉及的通信方式主要有時分複用（time division multiplexing, TDM）通信、高速控制總線內建閃存控制器（integrated flash controller, IFC）通信、區域網路（local area network, LAN）通信、現場總線等。在搭建全數字仿真模型之前需要對這些通信的接口子產品進行修改。

1）TDM通信

工程程式中涉及TDM通信功能塊的配置資訊基本無需修改，但當整個機箱中2塊能耗調控單元（energy processing unit, EPU）闆卡産生脈沖時，需要修改TDM通信功能塊的引腳，此時該EPU的任務排程變為定時器模式。

2）IFC通信

IFC通信主要用于機箱之間的通信，使用該通信協定的功能塊的設定無須改變，僅需對這些功能塊的ACD/PTR引腳手動設定不同的數值，以代表不同的資料目的地或源頭。

3）LAN通信

LAN通信的信号大都是控制系統與背景之間、控制保護系統之間、站間互動的慢速信号。在全數字仿真模型中，不考慮控制保護系統上傳給背景的信号；運作方式、各種參考值指令和開關指令等信号通過輸入引腳直接讀入控制保護系統。

4）現場總線通信

在一次系統模型中，不需要分合指令，僅需要開關的分合狀态。DCSIM裝置是許繼公司自主開發的開關模拟裝置，在實際工程中，DCSIM裝置接收控制保護的分合指令，将開關的分合狀态送給RT-LAB。為了減少對程式的修改，仿真模型仍使用DCSIM裝置對開關進行模拟。在實際閥控系統中，旁路開關的分合指令通過現場總線和硬接線兩種方式送給DCSIM裝置。保護系統隻通過開關量直接輸入/輸出控制開關。

2 仿真模型建立

2.1 仿真模型結構

錫盟—泰州特高壓直流輸電工程起于内蒙古錫盟換流站，止于江蘇省泰州換流站，直流線路長度1 618km，雙極直流線路1回，每極2個12脈動換流器串聯，額定電壓±800kV，直流輸電容量10 000MW，直流額定電流6 250A。以此實際工程為例，基于RT-LAB平台搭建如圖2所示的控制保護仿真模型。

圖2展示了錫泰直流控制保護全數字仿真模型結構，模型分為一次主電路模型和二次控制保護系統。

一次主電路模型使用Simulink元件庫中的元件及Opal-RT公司開發的适用于RT-LAB的元件庫中的元件搭建而成。

二次控制保護系統包括測量系統、交直流站控、極控、極保護、閥控、閥保護，整流站和逆變站的控制保護系統完全對稱。

一次主電路模型需要進行分核處理，在RT-LAB中通過ARTEMIS求解器來實作[19]；一次主電路模型和二次控制保護系統之間需要互動資料，在RT-LAB中通過OpComm子產品來實作。

2.2 自定義功能塊

通過編寫接口程式，可以在Simulink中實作利用自定義子產品S-function調用轉化後的工程程式。自定義功能塊分為主函數子產品和通用子產品，其中主函數子產品調用的是工程程式，在一個仿真模型中，一個控制保護程式的主函數子產品隻能出現一次；通用子產品是為了實作主函數子產品間跨核資料通信而開發的，在一個仿真模型中可出現多次。

圖3為錫盟站極控程式自定義功能塊，該子產品是一個主函數子產品，通過調用極控程式編譯生成的庫檔案，可以實作極控的全部功能。該子產品左側為輸入信号，右側兩個分别為輸出信号和調試信号，其中調試信号用于監視功能塊内部某些變量值，僅在調試期間使用。

圖4為兩個通用功能塊，其中XT_Adr2Arr用在控制保護子產品後，使用該子產品将位址轉換為數組（double型），然後将數組中的資料進行跨核傳輸；XT_Arr2Adr用在控制保護子產品前，接收到跨核傳輸的資料後，使用該子產品将數組轉換為位址，然後作為控制保護子產品的輸入。

使用圖4所示兩個功能塊是因為主函數功能塊的輸入和輸出都是指針的首位址，資料存儲在開辟的指針空間中；而RT-LAB實時運作時必須對模型進行分核處理，核間通信的資料必須是double型。鑒于此，不同的主函數之間互動資料時，需要進行資料轉化。

資料跨核傳輸方式如圖5所示，極控主函數的輸出信号，在極控所在的核1裡，先由指針首位址轉化成一個double型數組，然後對資料進行跨核傳輸，到閥控所在的核2後，再由double型數組轉化成指針首位址，作為閥控主函數的輸入信号。

2.3 實時運作方案

電磁暫态仿真模型典型仿真步長為50s，當模型在1個仿真步長内處理不完全部程式時，就會出現逾時問題。為了實作實時運作，需要對模型進行拆分，使用2台OP5600機箱和2台OP5607機箱進行仿真。聯合仿真模型拆分方案如圖6所示。

OP5600機箱總共32核，主頻2.3GHz，OP5607機箱主要用于在2台OP5600機箱聯合仿真中傳輸資料。進行聯合仿真時，兩台OP5607機箱之間需要兩根光纖連接配接，一根用于同步，一根用于互動資料；OP5600機箱和OP5607機箱之間需要用PCIe（peripheral component interconnect express）線連接配接。

2.4 分時資料傳輸

由于RT-LAB的運作機制為多核處理器并行處理，這就要求資料傳輸必須在一個仿真步長裡完成。當傳輸的資料長度很大時，可能在一個仿真步長裡無法完成全部的資料傳輸。在RT-LAB的運作機制中，為了完成仿真，實際的仿真步長會變長，進而出現非實時運作，即步長溢出問題。

考慮到工程實際中控制保護程式通信所用時間遠大于50s，為了提高全數字模型的仿真速度，降低單個步長的通信負荷，提出一種多步長分時傳資料方法。首先根據不同的通信方式确定資料長度（size），然後根據主函數的實際執行周期和模型的仿真步長确定完成資料發送所需的仿真步長個數（nSeg），最後根據資料長度和仿真步長個數确定單個仿真步長需要傳輸的資料個數，即OpComm子產品傳遞的數組維數。

當nSeg為1時，不采用多步長分時傳資料方法，此時的信号傳遞過程如圖7所示。

當nSeg大于1時，采用多步長分時傳資料方法，此時的信号傳遞過程如圖8所示。

RT-LAB和HYPERSIM皆由加拿大Opal-RT公司開發，但運作機制有所不同。在HYPERSIM中，可以使用共享記憶體來分發資料，降低了資料傳輸占用的資源，無需進行模型拆分和分時資料傳輸等操作；而在RT-LAB中，為了實作實時運作，需要進行模型拆分和分時資料傳輸等操作。是以，在搭建全數字仿真模型時，RT-LAB模型需要占用更多的硬體資源。

3 仿真試驗驗證

全數字仿真模型模組化完成後，為了驗證其功能的完整性，參考實際工程中的仿真試驗出廠試驗報告，進行穩态參數校核試驗、解閉鎖試驗、功率升降試驗、階躍試驗、無功控制試驗、交流系統故障試驗、直流線路故障試驗等。

同時，為了驗證仿真結果的準确性，與基于HYPERSIM的實際控制保護裝置的物模仿真平台試驗波形進行對比，分别進行解鎖、階躍響應、閥組投退、交流系統單相接地等試驗。在試驗波形中，從上到下分别是直流電壓（kV）、直流電流（A）、觸發角（°），詳述如下。

1）解鎖試驗

功率正送極Ⅱ低端換流器運作，解鎖試驗。極Ⅱ低端換流器解鎖試驗波形如圖9所示。

圖9中深色線為物模仿真試驗波形，淺色線為本文搭建的全數字仿真模型的波形。在物模試驗中，直流電流最高值到1 515A，在全數字仿真試驗中，直流電流最高值到1 495A。全數字仿真試驗波形中的直流電壓、直流電流和觸發角調節與物模波形基本一緻。

2）階躍響應試驗

功率正送極Ⅰ低端換流器運作，電流階躍試驗。極Ⅰ電流階躍試驗波形如圖10所示。

圖10中深色線為物模仿真試驗波形，淺色線為本文搭建的全數字仿真模型的波形。試驗工況為功率正送，極Ⅰ電流階躍，階躍量為500A，階躍時間為500ms。

在物模試驗中，上階躍響應超調量為4.32%，響應時間為180ms；恢複響應超調量為14.13%，響應時間為127.5ms。在全數字仿真試驗中，上階躍響應超調量為4.82%，響應時間為190ms；恢複響應超調量為17.5%，響應時間為136ms。全數字仿真試驗波形中的直流電壓、直流電流和觸發角調節與物模波形基本一緻。

3）閥組退出試驗

功率正送極Ⅰ雙換流器運作，低端閥組退出試驗。極Ⅰ低端閥組退出試驗波形如圖11所示。

圖11中深色線為物模仿真試驗波形，淺色線為本文搭建的全數字仿真模型的波形。在物模試驗中，錫盟站直流電流最大值為1 345A，直流電壓最低值為348kV。在全數字仿真試驗中，錫盟站直流電流最大值為1 219A，直流電壓最低值為366kV。全數字仿真試驗波形中的直流電壓、直流電流和觸發角調節與物模波形基本一緻。

4）交流系統單相接地試驗

功率反送極Ⅱ高端換流器運作，錫盟換流站極Ⅱ交流系統單相接地試驗。交流系統單相接地試驗波形如圖12所示。

圖12中深色線為物模仿真試驗波形，淺色線為本文搭建的全數字仿真模型的波形。根據波形分析，功率反送，錫盟站交流系統發生單相接地故障時，全數字仿真試驗波形中的直流電壓、直流電流和觸發角調節與物模波形保持較高的一緻性。

綜上所述，在上述幾種試驗工況下，全數字仿真模型與物模系統仿真試驗結果保持較高的一緻性，證明了全數字仿真模型的準确性。

4 結論

本文提出了一種在RT-LAB仿真器中搭建特高壓直流工程全數字仿真模型的方法，由于采用實際工程程式轉代碼，繼而在RT-LAB平台上生成動态連結庫的形式，是以在保護了控制保護廠家知識産權的同時，實作了與實際工程高度一緻的全數字仿真模型開發，仿真準确性大大提高。

本文解決了特高壓直流工程全數字仿真模型在RT-LAB仿真器中實時化運作的問題。模型既可在Simulink中離線（非實時）運作，也可在RT-LAB上實時運作，因而其應用範圍廣泛。

本工作成果發表在《電氣技術》，論文标題為“基于RT-LAB的錫泰工程控制保護系統全數字模組化與仿真”，作者為申帥華、李泰、肖龍、荊雪記、杜少林