特高壓直流輸電具有傳輸距離遠(yuǎn)、輸送功率大、啟動(dòng)和調(diào)節(jié)速度快、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的重要部分。特高壓直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)規(guī)模龐大、邏輯復(fù)雜，技術(shù)掌握難度大，控制與保護(hù)耦合緊密，相互影響，導(dǎo)致其故障過(guò)程及故障特征復(fù)雜，對(duì)運(yùn)維人員的專業(yè)技術(shù)水平提出了更高的要求。因此，亟需一套換流站反事故可視化推演系統(tǒng)，以更好地應(yīng)對(duì)故障的發(fā)生、制定故障預(yù)案和措施。

然而，目前換流站反事故可視化推演的相關(guān)技術(shù)和手段嚴(yán)重匱乏，且只能依賴實(shí)時(shí)數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統(tǒng)進(jìn)行直流輸電工程的建模和故障模擬，而RTDS造價(jià)昂貴、經(jīng)濟(jì)性較差。在此背景下，迫切需要開(kāi)發(fā)一個(gè)換流站控制保護(hù)仿真平臺(tái)，可以進(jìn)行虛擬操作和故障設(shè)置，查看操作后或故障后系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行故障錄波回放、故障重現(xiàn)和自動(dòng)定位分析，幫助運(yùn)維人員更好地理解特高壓直流控制保護(hù)邏輯和原理，提高現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)水平。

本文通過(guò)交互數(shù)據(jù)的共享和分類整理、數(shù)據(jù)順序傳遞關(guān)系的建立，實(shí)現(xiàn)變電站仿真系統(tǒng)與PSCAD特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型引擎的同步運(yùn)行，從而開(kāi)發(fā)基于PSCAD模型引擎和變電站仿真系統(tǒng)的特高壓直流換流站反事故推演系統(tǒng)。該系統(tǒng)能進(jìn)一步開(kāi)展特高壓直流輸電系統(tǒng)的故障錄波回放、故障重現(xiàn)和自動(dòng)分析、定位，提高特高壓直流輸電工程的運(yùn)維技術(shù)水平。

1 PSCAD仿真工具擴(kuò)展模型

直流系統(tǒng)仿真采用EMTDC模型，使用PSCAD仿真工具。PSCAD本身只是一個(gè)離線仿真工具，不具備對(duì)外通信功能，需要使用Fortran語(yǔ)言或C語(yǔ)言作為PSCAD開(kāi)發(fā)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展出訪問(wèn)共享內(nèi)存功能，實(shí)現(xiàn)模型引擎“在線化”應(yīng)用。

1.1 模型引擎接口

PSCAD/EMTDC 4.0以上版本在GNU編譯器下支持直接調(diào)用C程序，該方法比較容易理解。圖1給出了在PSCAD/EMTDC中直接調(diào)用C函數(shù)時(shí)，自定義模塊與C函數(shù)及C文件的關(guān)系。

圖1 兩種自定義模塊、C函數(shù)及C文件之間的關(guān)系

從圖1改進(jìn)前可以看出，一個(gè)自定義模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)C函數(shù)，這些C函數(shù)又分布在一個(gè)或多個(gè)C文件中，由此可知，要調(diào)用多少個(gè)C函數(shù)就要建立多少個(gè)自定義模塊，這些函數(shù)分布在多少個(gè)C文件中就要在PSCAD/EMTDC中引用多少個(gè)C文件。

一般而言，大型工程都需要調(diào)用大量的C函數(shù)，即需要建立大量的自定義模塊，多個(gè)模塊的調(diào)用很繁瑣，大大影響工作效率。因此對(duì)于大型工程而言，這種方法很不實(shí)用，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，如圖1改進(jìn)后所示，可以編寫一個(gè)主函數(shù)，在這個(gè)主函數(shù)中可以調(diào)用其他C函數(shù)，然后在自定義模塊里調(diào)用該主函數(shù)，從而達(dá)到建立一個(gè)自定義模塊就可以調(diào)用多個(gè)C函數(shù)的目的。

1.2 直流控制保護(hù)模型總體結(jié)構(gòu)及功能定制

建立模型引擎需要搭建和定制特高壓直流控制保護(hù)模型及其功能，特高壓直流控制保護(hù)模型完全基于實(shí)際工程的控制保護(hù)系統(tǒng)，其邏輯結(jié)構(gòu)與實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全一致，如圖2所示（以單個(gè)換流站為例）。

圖2 直流控制保護(hù)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)在PSCAD中采用自定義模塊實(shí)現(xiàn)，其分層結(jié)構(gòu)在PSCAD中的映射如圖3所示（單個(gè)換流站），控制保護(hù)自定義模塊與工程控制保護(hù)裝置一一對(duì)應(yīng)，即每個(gè)實(shí)際控制保護(hù)裝置對(duì)應(yīng)PSCAD/EMTDC中一個(gè)“虛擬裝置”。

圖3中，HMI Controls_SA為整流側(cè)運(yùn)行人員工作站（operator work station, OWS）模擬頁(yè)面，采用PSCAD自帶模塊搭建的模擬工程運(yùn)行人員工作站向控制保護(hù)仿真模型下發(fā)控制命令。站控制層JN_SA_DCSC為整流側(cè)直流站控仿真模塊。極控制保護(hù)層JN_SA_P1_HPM為整流側(cè)極1控制測(cè)量仿真模塊（同時(shí)模擬本極極控制測(cè)量裝置和兩個(gè)換流器控制測(cè)量裝置）；JJN_SA_P1_PM為整流側(cè)極1保護(hù)測(cè)量仿真模塊；JN_SA_P1_PPR為極1保護(hù)測(cè)量模塊。換流器層JN_SA_P1_GC1為整流側(cè)極1高端閥組控制仿真模塊；JN_SA_P1_CPR_HG為整流側(cè)極1高端保護(hù)仿真模塊；JN_SA_ P1_CPR_LG為整流側(cè)極1低端保護(hù)仿真模塊。

圖3 PSCAD中控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制保護(hù)邏輯建模及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 控制保護(hù)邏輯建模

本文采用可視化編程軟件建模的方法，該方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的控制保護(hù)程序的源碼級(jí)移植，構(gòu)建不依賴實(shí)際工程核心控制保護(hù)裝置和I/O接口設(shè)備的可單機(jī)離線運(yùn)行的特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)仿真模型，從而提高仿真結(jié)果的真實(shí)性和控制保護(hù)模型搭建的效率。

控制保護(hù)裝置向PSCAD控制保護(hù)仿真模塊無(wú)縫轉(zhuǎn)換前，首先要梳理控制保護(hù)機(jī)箱裝置與測(cè)量裝置之間、控制裝置與保護(hù)裝置之間、直流極控裝置與直流站控裝置之間的物理連接方式和信號(hào)傳輸所用載體的通信規(guī)約，整理各個(gè)裝置之間需要傳輸?shù)哪M量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，確定所需信號(hào)的類型、長(zhǎng)度、單位，分析硬件底層程序的處理方法。其次，通過(guò)結(jié)合模型引擎復(fù)雜程度分析控制保護(hù)冗余裝置在直流工程中對(duì)PSCAD/EMTDC仿真軟件運(yùn)行速度的影響，對(duì)冗余系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)牟眉籼幚?，整理控制保護(hù)程序中與時(shí)間定值相關(guān)的功能塊，優(yōu)化時(shí)間定值，實(shí)現(xiàn)可靠銜接。

通過(guò)對(duì)單臺(tái)裝置對(duì)應(yīng)的入口函數(shù)的調(diào)用，完成仿真系統(tǒng)可識(shí)別代碼向控制保護(hù)自定義仿真模塊的轉(zhuǎn)換，并根據(jù)實(shí)際工程控制保護(hù)裝置的通信連接關(guān)系將各個(gè)控制保護(hù)模塊組合成一個(gè)完整的直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制保護(hù)功能的精準(zhǔn)模擬?？刂票Ｗo(hù)裝置模型無(wú)縫轉(zhuǎn)換流程示意圖如圖4所示。

圖4 控制保護(hù)裝置模型無(wú)縫轉(zhuǎn)換流程示意圖

2.2 控制保護(hù)仿真系統(tǒng)模型現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

建立控制保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)模型后，需要與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行結(jié)合，OWS系統(tǒng)和PSCAD/EMTDC模型使其可利用PSCAD/EMTDC優(yōu)點(diǎn)滿足控制保護(hù)系統(tǒng)的仿真需求，通過(guò)以太網(wǎng)與實(shí)際控制保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員控制裝置可以給控制保護(hù)裝置下發(fā)指令，同時(shí)接收控制保護(hù)系統(tǒng)狀態(tài)。

本文采用共享內(nèi)存機(jī)制代替實(shí)際工程中控制保護(hù)與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員監(jiān)控平臺(tái)之間的以太網(wǎng)通信方式，對(duì)原有通信規(guī)約進(jìn)行改造，從而使現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員控制系統(tǒng)可以通過(guò)一塊共享內(nèi)存向控制保護(hù)PSCAD/EMTDC模型下發(fā)控制命令，控制保護(hù)PSCAD/EMTDC模型可以通過(guò)另一塊共享內(nèi)存向現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員控制系統(tǒng)返回直流系統(tǒng)狀態(tài)信息，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)二次系統(tǒng)的全景可視化模擬。圖5為仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)示意圖，圖6為系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)示意圖

圖6 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)示意圖

PSCAD/EMTDC仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互如圖7所示：基于PSCAD/EMTDC的特高壓直流輸電系統(tǒng)可視化平臺(tái)由直流系統(tǒng)仿真工作站和OWS組成，直流系統(tǒng)仿真工作站運(yùn)行EMTDC模型計(jì)算引擎和運(yùn)行人員控制系統(tǒng)前置接口程序，OWS的運(yùn)行人員控制系統(tǒng)后臺(tái)客戶端程序。

其中EMTDC模型計(jì)算引擎通過(guò)自定義接口模塊將共享內(nèi)存映射到本進(jìn)程的內(nèi)存空間中，運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的前置接口程序也將同一共享內(nèi)存映射到本進(jìn)程的內(nèi)存空間中，從而仿真模型和前置接口程序可對(duì)同一共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，并需遵循首次運(yùn)行者開(kāi)辟共享內(nèi)存原則和基于信號(hào)量的讀寫互斥原則。

同時(shí)，運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的前置通信程序和后臺(tái)客戶端程序通過(guò)TCP/IP通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最終實(shí)現(xiàn)PSCAD/EMTDC直流控制保護(hù)仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通和無(wú)縫聯(lián)動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方法的有益效果是：可以直接使用人機(jī)接口裝置控制直流輸電工程EMTDC仿真裝置，不需要人為在EMTDC仿真裝置上搭建控制后臺(tái)，從而大大節(jié)約了人力成本，降低了仿真誤差，提高了仿真速度。

圖7 PSCAD/EMTDC仿真模型與運(yùn)行人員控制系統(tǒng)的交互

3 反事故推演系統(tǒng)故障模擬及錄波分析

3.1 反事故推演系統(tǒng)故障模擬

相關(guān)模型建立后可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，故障模擬功能包含一次系統(tǒng)故障、二次系統(tǒng)故障及設(shè)備異常故障模擬等，本文以極1直流線路首端發(fā)生1000ms金屬接地故障模擬為例，如圖8所示。

3.2 反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析

故障后需要對(duì)相關(guān)的波形進(jìn)行分析、判斷故障類型及位置，因此通過(guò)讀取現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)置或外置故障錄波文件，直流控制保護(hù)仿真模型可復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況，并保證保護(hù)輸出事件信息的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與順序事件記錄（sequence event record, SER）一致，可實(shí)現(xiàn)仿真事件與現(xiàn)場(chǎng)波形的同步展示，從而為故障分析、保護(hù)策略調(diào)整和優(yōu)化提供仿真驗(yàn)證。

圖8 反事故推演系統(tǒng)模擬極1直流線路首端發(fā)生1000ms金屬接地故障

歸納總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)故障發(fā)生后的保護(hù)區(qū)域及該區(qū)域故障后保護(hù)動(dòng)作情況對(duì)應(yīng)關(guān)系，劃分出不同區(qū)域的保護(hù)配置分布情況，以及故障點(diǎn)與保護(hù)動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并建立故障定位分析庫(kù)。根據(jù)故障定位分析庫(kù)規(guī)則，篩選定位出一次故障發(fā)生后，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的大概區(qū)域，為用戶定位出故障范圍，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)明故障點(diǎn)，該故障點(diǎn)包含故障區(qū)域、故障位置等屬性，以此輔助用戶快速分析出故障原因，排查出正確的故障點(diǎn)，圖9為反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析界面。

圖9 反事故推演系統(tǒng)故障錄波分析界面

4 結(jié)論

1）實(shí)現(xiàn)了模型引擎與換流站仿真系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互，通過(guò)交互數(shù)據(jù)的共享和分類整理、數(shù)據(jù)順序傳遞關(guān)系的建立，實(shí)現(xiàn)了變電站仿真系統(tǒng)與PSCAD特高壓直流輸電系統(tǒng)仿真模型引擎的同步運(yùn)行功能。

2）實(shí)現(xiàn)了PSCAD模型與外部程序的數(shù)據(jù)交換功能，將離線仿真工具“在線化”，首次實(shí)現(xiàn)PSCAD模型與運(yùn)行人員監(jiān)控后臺(tái)的全數(shù)據(jù)交換功能，運(yùn)行人員監(jiān)控后臺(tái)能直接采用工程現(xiàn)場(chǎng)平臺(tái)，既能減少配置工作，又能完成工程現(xiàn)場(chǎng)全部的監(jiān)視與控制保護(hù)功能。

3）通過(guò)反事故推演系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)置或外置故障錄波文件的讀取，直流控制保護(hù)仿真模型可復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況，并保證保護(hù)輸出事件信息的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)SER一致，實(shí)現(xiàn)了特高壓換流站的故障模擬、故障重現(xiàn)及自動(dòng)分析等功能，從而提高現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員技能水平。

4）下一步研究方向：將反事故推演系統(tǒng)與換流站設(shè)備發(fā)生的各種類型故障進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步快速準(zhǔn)確判定故障的類型、控制保護(hù)動(dòng)作情況及事故處置情況。

本文編自2022年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于PSCAD模型的特高壓直流換流站反事故可視化推演系統(tǒng)研究”，作者為趙慶杰、史磊 等。