许继电气公司技术团队提出一种特高压直流全数字仿真建模方法

许继电气股份有限公司的申帅华、李泰、肖龙、荆雪记、杜少林在《电气技术》上撰文，介绍一种基于RT-LAB的特高压直流全数字仿真建模方法，通过在Simulink中创建自定义元件，调用实际工程程序代码，实现全数字模型的精确仿真；通过分核运行和多步长分时传数据的方法，实现实时运行。与实际物模仿真试验结果的对比验证了全数字模型的准确性，表明模型既可在Simulink中离线（非实时）运行，也可在RT-LAB上实时运行，应用场景广泛。

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随着大陆新能源发电的蓬勃发展，越来越多新能源场站接入高压/特高压直流输电系统的送端交流电网，为研究其稳定性，必须对新能源场站及直流输电系统进行电磁暂态建模，其中直流输电系统模型的准确性尤为重要。本文介绍一种基于RT-LAB仿真器的特高压直流仿真建模方法，所建模型基于实际工程程序开发，准确性高。

在直流输电仿真建模中，常用的电磁暂态仿真软件主要有实时数字仿真器（real time digital simulator, RTDS）、全数字电力系统仿真器（advanced digital power system simulator, ADPSS）、PSCAD（power system computer aided design）、HYPERSIM、RT-LAB等。基于上述仿真软件，配置实际的控制保护装置，可以实现直流输电系统的精确仿真，但是受限于实际控制保护装置系统复杂、搭建周期长、占地面积大等多种不利因素，该模式一般用于控制保护厂家试验测试。

文献在上述仿真软件中设计内部控制系统，但逻辑比较简单，与实际工程程序逻辑相差甚大，不能准确反映实际工程特性。文献介绍了基于PSCAD的特高压直流实际控制保护建模方法，并与运行人员操作系统互联，但模型无法实时运行。因此，为了完整地实现控制保护系统的全部功能、准确反映实际工程的特性、有效降低仿真成本，基于实际工程控制保护程序开发电磁暂态全数字仿真模型就变得极为重要。

RT-LAB是由加拿大Opal-RT公司基于Matlab/ Simulink开发的实时仿真器。与RTDS等仿真软件相比，用户在RT-LAB中可以直接将Simulink模型转换成可识别的模型，且模型既可在Simulink中离线运行，也可在RT-LAB下位机上实时运行，具有使用便捷、应用场景广泛等优点。

本文以锡盟—泰州特高压直流输电工程为例，在Simulink中搭建一次电路模型，利用Simulink中自定义模块S-function调用转化后的工程程序，实现基于实际工程控制保护程序的全数字仿真模型的建立。通过与实际物模仿真波形进行对比，验证所搭建仿真模型的准确性。

1 仿真建模简介

1.1 仿真建模方案

本文介绍的仿真建模方案基于许继公司自主开发的HCM3000直流控制保护平台，将控制保护平台配套的ViGET程序进行改造、裁剪、转化生成可调用的C代码；分别在Matlab/Simulink和RT-LAB下位机中将转化后的工程程序C代码封装成库文件；通过创建接口函数，利用Simulink中自定义模块S-function来调用封装后的库文件，最终实现实际工程控制保护程序在RT-LAB中的仿真建模。RT-LAB建模流程如图1所示。

1.2 程序接口改造

控制保护模块之间涉及的通信方式主要有时分复用（time division multiplexing, TDM）通信、高速控制总线集成闪存控制器（integrated flash controller, IFC）通信、局域网（local area network, LAN）通信、现场总线等。在搭建全数字仿真模型之前需要对这些通信的接口模块进行修改。

1）TDM通信

工程程序中涉及TDM通信功能块的配置信息基本无需修改，但当整个机箱中2块能耗调控单元（energy processing unit, EPU）板卡产生脉冲时，需要修改TDM通信功能块的引脚，此时该EPU的任务调度变为定时器模式。

2）IFC通信

IFC通信主要用于机箱之间的通信，使用该通信协议的功能块的设置无须改变，仅需对这些功能块的ACD/PTR引脚手动设置不同的数值，以代表不同的数据目的地或源头。

3）LAN通信

LAN通信的信号大都是控制系统与后台之间、控制保护系统之间、站间交互的慢速信号。在全数字仿真模型中，不考虑控制保护系统上传给后台的信号；运行方式、各种参考值指令和开关命令等信号通过输入引脚直接读入控制保护系统。

4）现场总线通信

在一次系统模型中，不需要分合命令，仅需要开关的分合状态。DCSIM装置是许继公司自主开发的开关模拟装置，在实际工程中，DCSIM装置接收控制保护的分合命令，将开关的分合状态送给RT-LAB。为了减少对程序的修改，仿真模型仍使用DCSIM装置对开关进行模拟。在实际阀控系统中，旁路开关的分合命令通过现场总线和硬接线两种方式送给DCSIM装置。保护系统只通过开关量直接输入/输出控制开关。

2 仿真模型建立

2.1 仿真模型结构

锡盟—泰州特高压直流输电工程起于内蒙古锡盟换流站，止于江苏省泰州换流站，直流线路长度1 618km，双极直流线路1回，每极2个12脉动换流器串联，额定电压±800kV，直流输电容量10 000MW，直流额定电流6 250A。以此实际工程为例，基于RT-LAB平台搭建如图2所示的控制保护仿真模型。

图2展示了锡泰直流控制保护全数字仿真模型结构，模型分为一次主电路模型和二次控制保护系统。

一次主电路模型使用Simulink元件库中的元件及Opal-RT公司开发的适用于RT-LAB的元件库中的元件搭建而成。

二次控制保护系统包括测量系统、交直流站控、极控、极保护、阀控、阀保护，整流站和逆变站的控制保护系统完全对称。

一次主电路模型需要进行分核处理，在RT-LAB中通过ARTEMIS求解器来实现[19]；一次主电路模型和二次控制保护系统之间需要交互数据，在RT-LAB中通过OpComm模块来实现。

2.2 自定义功能块

通过编写接口程序，可以在Simulink中实现利用自定义模块S-function调用转化后的工程程序。自定义功能块分为主函数模块和通用模块，其中主函数模块调用的是工程程序，在一个仿真模型中，一个控制保护程序的主函数模块只能出现一次；通用模块是为了实现主函数模块间跨核数据通信而开发的，在一个仿真模型中可出现多次。

图3为锡盟站极控程序自定义功能块，该模块是一个主函数模块，通过调用极控程序编译生成的库文件，可以实现极控的全部功能。该模块左侧为输入信号，右侧两个分别为输出信号和调试信号，其中调试信号用于监视功能块内部某些变量值，仅在调试期间使用。

图4为两个通用功能块，其中XT_Adr2Arr用在控制保护模块后，使用该模块将地址转换为数组（double型），然后将数组中的数据进行跨核传输；XT_Arr2Adr用在控制保护模块前，接收到跨核传输的数据后，使用该模块将数组转换为地址，然后作为控制保护模块的输入。

使用图4所示两个功能块是因为主函数功能块的输入和输出都是指针的首地址，数据存储在开辟的指针空间中；而RT-LAB实时运行时必须对模型进行分核处理，核间通信的数据必须是double型。鉴于此，不同的主函数之间交互数据时，需要进行数据转化。

数据跨核传输方式如图5所示，极控主函数的输出信号，在极控所在的核1里，先由指针首地址转化成一个double型数组，然后对数据进行跨核传输，到阀控所在的核2后，再由double型数组转化成指针首地址，作为阀控主函数的输入信号。

2.3 实时运行方案

电磁暂态仿真模型典型仿真步长为50s，当模型在1个仿真步长内处理不完全部程序时，就会出现超时问题。为了实现实时运行，需要对模型进行拆分，使用2台OP5600机箱和2台OP5607机箱进行仿真。联合仿真模型拆分方案如图6所示。

OP5600机箱总共32核，主频2.3GHz，OP5607机箱主要用于在2台OP5600机箱联合仿真中传输数据。进行联合仿真时，两台OP5607机箱之间需要两根光纤连接，一根用于同步，一根用于交互数据；OP5600机箱和OP5607机箱之间需要用PCIe（peripheral component interconnect express）线连接。

2.4 分时数据传输

由于RT-LAB的运行机制为多核处理器并行处理，这就要求数据传输必须在一个仿真步长里完成。当传输的数据长度很大时，可能在一个仿真步长里无法完成全部的数据传输。在RT-LAB的运行机制中，为了完成仿真，实际的仿真步长会变长，从而出现非实时运行，即步长溢出问题。

考虑到工程实际中控制保护程序通信所用时间远大于50s，为了提高全数字模型的仿真速度，降低单个步长的通信负荷，提出一种多步长分时传数据方法。首先根据不同的通信方式确定数据长度（size），然后根据主函数的实际执行周期和模型的仿真步长确定完成数据发送所需的仿真步长个数（nSeg），最后根据数据长度和仿真步长个数确定单个仿真步长需要传输的数据个数，即OpComm模块传递的数组维数。

当nSeg为1时，不采用多步长分时传数据方法，此时的信号传递过程如图7所示。

当nSeg大于1时，采用多步长分时传数据方法，此时的信号传递过程如图8所示。

RT-LAB和HYPERSIM皆由加拿大Opal-RT公司开发，但运行机制有所不同。在HYPERSIM中，可以使用共享内存来分发数据，降低了数据传输占用的资源，无需进行模型拆分和分时数据传输等操作；而在RT-LAB中，为了实现实时运行，需要进行模型拆分和分时数据传输等操作。因此，在搭建全数字仿真模型时，RT-LAB模型需要占用更多的硬件资源。

3 仿真试验验证

全数字仿真模型建模完成后，为了验证其功能的完整性，参考实际工程中的仿真试验出厂试验报告，进行稳态参数校核试验、解闭锁试验、功率升降试验、阶跃试验、无功控制试验、交流系统故障试验、直流线路故障试验等。

同时，为了验证仿真结果的准确性，与基于HYPERSIM的实际控制保护装置的物模仿真平台试验波形进行对比，分别进行解锁、阶跃响应、阀组投退、交流系统单相接地等试验。在试验波形中，从上到下分别是直流电压（kV）、直流电流（A）、触发角（°），详述如下。

1）解锁试验

功率正送极Ⅱ低端换流器运行，解锁试验。极Ⅱ低端换流器解锁试验波形如图9所示。

图9中深色线为物模仿真试验波形，浅色线为本文搭建的全数字仿真模型的波形。在物模试验中，直流电流最高值到1 515A，在全数字仿真试验中，直流电流最高值到1 495A。全数字仿真试验波形中的直流电压、直流电流和触发角调节与物模波形基本一致。

2）阶跃响应试验

功率正送极Ⅰ低端换流器运行，电流阶跃试验。极Ⅰ电流阶跃试验波形如图10所示。

图10中深色线为物模仿真试验波形，浅色线为本文搭建的全数字仿真模型的波形。试验工况为功率正送，极Ⅰ电流阶跃，阶跃量为500A，阶跃时间为500ms。

在物模试验中，上阶跃响应超调量为4.32%，响应时间为180ms；恢复响应超调量为14.13%，响应时间为127.5ms。在全数字仿真试验中，上阶跃响应超调量为4.82%，响应时间为190ms；恢复响应超调量为17.5%，响应时间为136ms。全数字仿真试验波形中的直流电压、直流电流和触发角调节与物模波形基本一致。

3）阀组退出试验

功率正送极Ⅰ双换流器运行，低端阀组退出试验。极Ⅰ低端阀组退出试验波形如图11所示。

图11中深色线为物模仿真试验波形，浅色线为本文搭建的全数字仿真模型的波形。在物模试验中，锡盟站直流电流最大值为1 345A，直流电压最低值为348kV。在全数字仿真试验中，锡盟站直流电流最大值为1 219A，直流电压最低值为366kV。全数字仿真试验波形中的直流电压、直流电流和触发角调节与物模波形基本一致。

4）交流系统单相接地试验

功率反送极Ⅱ高端换流器运行，锡盟换流站极Ⅱ交流系统单相接地试验。交流系统单相接地试验波形如图12所示。

图12中深色线为物模仿真试验波形，浅色线为本文搭建的全数字仿真模型的波形。根据波形分析，功率反送，锡盟站交流系统发生单相接地故障时，全数字仿真试验波形中的直流电压、直流电流和触发角调节与物模波形保持较高的一致性。

综上所述，在上述几种试验工况下，全数字仿真模型与物模系统仿真试验结果保持较高的一致性，证明了全数字仿真模型的准确性。

4 结论

本文提出了一种在RT-LAB仿真器中搭建特高压直流工程全数字仿真模型的方法，由于采用实际工程程序转代码，继而在RT-LAB平台上生成动态链接库的形式，因此在保护了控制保护厂家知识产权的同时，实现了与实际工程高度一致的全数字仿真模型开发，仿真准确性大大提高。

本文解决了特高压直流工程全数字仿真模型在RT-LAB仿真器中实时化运行的问题。模型既可在Simulink中离线（非实时）运行，也可在RT-LAB上实时运行，因而其应用范围广泛。

本工作成果发表在《电气技术》，论文标题为“基于RT-LAB的锡泰工程控制保护系统全数字建模与仿真”，作者为申帅华、李泰、肖龙、荆雪记、杜少林