一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台的制作方法
【专利摘要】本发明是一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台。该平台包括发电机励磁调节控制系统（1）、发电机调速控制系统（2），电厂监控系统（3），发电机水轮机实时仿真装置（4），RTDS建模工作站（5），RTDS处理器板卡GPC\PB5（6），RTDS模拟量输出板卡GTAO（7），RTDS模拟量输入板卡GTAI（8），RTDS数字量输出板卡GTDO（9），RTDS数字量输入板卡GTDI（10），功率放大器（11）。该平台可以准确真实地模拟直流孤岛运行机网协调控制特性，提高仿真精度。
【专利说明】一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台
【技术领域】
[0001]本发明是一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，是一种分析直流孤岛运行机网协调特性的电力系统实时仿真平台的创新技术。
[0002]
【背景技术】
为了满足日益增长的电力需求，同时节约输电走廊资源、提高输电资源的利用率，直流输电工程以其独特的优势得到迅猛发展，实现了远距离、大容量的电力输送。但是，随着直流输电功率的提升，直流一旦发生单极、双极闭锁故障，功率潮流将大幅度转移到交流输电系统，必然会给电网带来巨大冲击。因此，工程设计中一般将孤岛方式作为直流常规运行方式。
[0003]当直流孤岛运行时，由于送端系统较弱、有效短路比低，孤岛系统将面临严重的过电压和频率失稳问题。且送端机组励磁调速控制特性与直流控制保护特性配合是否合理，将直接关系到系统的安全稳定运行。目前，我国对于直流孤岛运行缺乏经验，对直流孤岛运行机网协调特性的研究亦缺乏有效手段。传统BPA建模机组励磁调速的建模过于简化，不能满足直流孤岛运行方式下机网协调特性研究的需求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是考虑上述问题而提供一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，基于该平台，可以真实地模拟直流孤岛运行时机网协调控制特性，为机组励磁调速控制装置的改进与研究提供仿真相应仿真结果，研究直流孤岛运行方式下机网协调控制的稳定性。
[0005]本发明考虑上述问题采用的技术方案为:本发明为一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，用于研究直流孤岛运行系统的稳定特性。包括发电机励磁调节控制系统、发电机调速控制系统，电厂监控系统，发电机水轮机实时仿真装置，RTDS建模工作站，RTDS处理器板卡GPC\PB5，RTDS模拟量输出板卡GTAO，RTDS模拟量输入板卡GTAI，RTDS数字量输出板卡GTD0，RTDS数字量输入板卡GTDI，功率放大器。发电机励磁调节控制系统与电厂监控系统连接，发电机调速控制系统与电厂监控系统连接，发电机水轮机实时仿真装置与发电机调速控制系统连接，RTDS建模工作站与RTDS处理器板卡GPC\PB5连接，RTDS处理器板卡GPC\PB5通过RTDS模拟量输出板卡GTA0、功率放大器将相关电压电流等控制信号送至发电机励磁调节控制系统、发电机调速控制系统、电厂监控系统、发电机水轮机实时仿真装置，RTDS处理器板卡GPC\PB5通过RTDS数字量输出板卡GTDO将相关数字量信号送至发电机励磁调节控制系统、发电机调速控制系统、电厂监控系统、发电机水轮机实时仿真装置，发电机励磁调节控制系统、发电机调速控制系统、电厂监控系统、发电机水轮机实时仿真装置通过RTDS模拟量输入板卡GTAI将相关控制信号送至RTDS处理器板卡GPC\PB5，发电机励磁调节控制系统、电厂监控系统通过RTDS数字量输入板卡GTDI将相关控制信号送至RTDS处理器板卡GPC\PB5。
[0006]上述电厂监控系统向发电机励磁调节控制系统发送增减磁信号，发电机励磁调节控制系统向电厂监控系统反馈励磁调节器状态信号。
[0007]上述电厂监控系统向发电机调速控制系统发送增减有功指令，发电机调速控制系统向电厂监控系统反馈调速器相关状态量。
[0008]上述RTDS处理器板卡GPC\PB5通过RTDS模拟量输出板卡GTAO向发电机水轮机实时仿真装置发送机组频率信号，发电机调速控制系统向发电机水轮机实时仿真装置发送控制开度信号，发电机水轮机实时仿真装置通过RTDS模拟量输入板卡GTAI向RTDS处理器板卡GPC\PB5发送发电机转矩信号。
[0009]上述RTDS处理器板卡GPC\PB5通过RTDS模拟量输出板卡GTA0、功率放大器向发电机励磁调节控制系统发送发电机机端电压、定子电流、同步电压信号、励磁电压电流信号；RTDS处理器板卡GPC\PB5通过RTDS数字量输出板卡GTDO向发电机励磁调节控制系统发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；发电机励磁调节控制系统通过RTDS模拟量输入板卡GTAI向RTDS处理器板卡GPC\PB5送入励磁控制电压；发电机励磁调节控制系统通过RTDS数字量输入板卡GTDI向RTDS处理器板卡GPC\PB5送入整流桥触发脉冲信号。
[0010]上述RTDS处理器板卡GPC\PB5通过RTDS模拟量输出板卡GTA0、功率放大器向发电机调速控制系统发送发电机机端电压、定子电流、电站母线电压、导叶行程信号；RTDS处理器板卡GPC\PB5通过RTDS数字量输出板卡GTDO向发电机调速控制系统发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；发电机调速控制系统通过模拟量输入板卡GTAI向RTDS处理器板卡GPC\PB5送入控制开度信号。
[0011]上述RTDS处理器板卡GPC\PB5通过RTDS数字量输出板卡GTDO向电厂监控系统发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；电厂监控系统通过RTDS数字量输入板卡GTD1、RTDS模拟量输入板卡GTAI向RTDS处理器板卡GPC\PB5发送发电机有功、无功增减指令。
[0012]上述直流孤岛系统包含孤岛运行电站的全部发变组单元、RTDS纯数字励磁调节系统、RTDS纯数字调速系统、机端断路器、电站母线、电站交流出线、相关直流输电系统，发变组单元通过机端断路器与电站母线相连，电站母线通过电站交流出线与直流输电系统相连。
[0013]上述RTDS纯数字励磁调节系统按照实际发电机励磁调节控制系统搭建，通过RTDS与真实发电机励磁调节控制系统的闭环测试，对真实发电机励磁调节控制系统的逻辑与参数进行辨识与验证，最终建立的RTDS纯数字励磁调节系统能真实反映发电机励磁调节控制系统控制特性。
[0014]上述RTDS纯数字调速系统按照发电机调速控制系统搭建，通过RTDS与真实发电机调速控制系统的闭环测试，对真实发电机调速控制系统的逻辑与参数进行辨识与验证，建立的RTDS纯数字调速系统能真实反映发电机调速控制系统控制特性。
[0015]本发明为一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，利用机组的励磁调速监控与RTDS形成闭环的仿真测试平台。所述的发变组单元、机端断路器、电站母线、电站交流出线、相关直流输电系统在RTDS中搭建纯数字模型，所述的励磁调速监控采用实际物理装置，采用该方式，可以真实准确模拟实际励磁调速对机组的控制特性。当励磁调速控制设备的数量少于发变组数量时，多余发电机的励磁调速控制采用RTDS纯数字励磁调节系统、RTDS纯数字调速系统控制。基于该平台，可以研究直流孤岛运行时，发生送端交流故障、直流相关故障下，发变组侧励磁调速的控制特性以及其与直流控制保护的相互影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台的结构示意图；
图2为本发明直流孤岛运行机网协调特性研究仿真系统模型结构。
【具体实施方式】
实施例
[0017]本发明为一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其结构示意图如图1所示。包括发电机励磁调节控制系统I以ABB生产的UNITR0L6800励磁调节器为例、发电机调速控制系统2武汉能事达公司生产的MGC5000可编程微机调速器为例，电厂监控系统3以北京中水科水电科技公司生产的H9000监控系统为例，发电机水轮机实时仿真装置4具体为南网科研院与武汉大学联合开发的HRTS装置，RTDS建模工作站5本实施例使用的为装有windows7系统的DELL台式计算机，RTDS处理器板卡GPC\PB5 6，RTDS模拟量输出板卡GTAO 7，RTDS模拟量输入板卡GTAI 8，RTDS数字量输出板卡GTDO 9，RTDS数字量输入板卡GTDI 10，功率放大器11本实施例中使用的为北京博电公司生产的PA30B数字仿真功率放大器；发电机励磁调节控制系统I与电厂监控系统3连接，两者之间相互传递的相关信号通过继电器将电信号转化成为开关信号后，通过硬接线实现连接。发电机调速控制系统2与电厂监控系统3连接，其连接方式为电信号转换成开关信号后硬接线连接。发电机水轮机实时仿真装置4与发电机调速控制系统2连接，两者之间通过DA/AD转换模块以及硬接线实现连接。RTDS建模工作站5与RTDS处理器板卡GPC\PB5 6连接，RTDS建模工作站5通过网线、RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过GTWIF卡直接连接至公共的交换机，实现两者之间的连接。RTDS处理器板卡GPC\PB5 6与RTDS模拟量输出板卡GTAO 7、RTDS模拟量输入板卡GTAI 8、RTDS数字量输出板卡GTDO 9、RTDS数字量输入板卡GTDI 10之间通过光纤进行连接。
[0018]RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS模拟量输出板卡GTAO 7、功率放大器11将孤岛运行的电站的发电机电压电流以及电站母线电压、励磁变二次侧电压等控制信号送至发电机励磁调节控制系统1、发电机调速控制系统2、电厂监控系统3、发电机水轮机实时仿真装置4，RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS数字量输出板卡GTDO 9将相关数字量信号送至发电机励磁调节控制系统1、发电机调速控制系统2、电厂监控系统3、发电机水轮机实时仿真装置4，发电机励磁调节控制系统1、发电机调速控制系统2、电厂监控系统3、发电机水轮机实时仿真装置4通过RTDS模拟量输入板卡GTAI 8将相关控制信号送至RTDS处理器板卡GPC\PB5 6，发电机励磁调节控制系统1、电厂监控系统3通过RTDS数字量输入板卡GTDI 10将相关控制信号送至RTDS处理器板卡GPC\PB5 6。
[0019]上述电厂监控系统3向发电机励磁调节控制系统I发送增减磁、开停机、PSS投退指令，发电机励磁调节控制系统I向电厂监控系统3反馈励磁调节器各限制环节动作等状态信号。
[0020]上述电厂监控系统3向发电机调速控制系统2发送增减有功、开停机指令，发电机调速控制系统2向电厂监控系统3反馈调速器相关状态量。
[0021 ] 上述RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS模拟量输出板卡GTAO 7向发电机水轮机实时仿真装置4发送孤岛运行机组频率信号，发电机调速控制系统2向发电机水轮机实时仿真装置4发送控制开度信号，发电机水轮机实时仿真装置4通过RTDS模拟量输入板卡GTAI 8向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6发送发电机转矩信号。
[0022]上述RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS模拟量输出板卡GTAO 7、功率放大器11向发电机励磁调节控制系统I发送发电机机端三相电压、定子三相电流、三相同步电压信号、励磁电压电流信号；RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS数字量输出板卡GTDO 9向发电机励磁调节控制系统I发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；发电机励磁调节控制系统I通过RTDS模拟量输入板卡GTAI 8向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6送入励磁控制电压；发电机励磁调节控制系统I通过RTDS数字量输入板卡GTDI 10向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6送入自并励励磁系统整流桥触发脉冲信号。
[0023]上述RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS模拟量输出板卡GTAO 7、功率放大器11向发电机调速控制系统2发送发电机机端三相电压、定子三相电流、电站母线电压、执行机构导叶行程信号；RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS数字量输出板卡GTDO 9向发电机调速控制系统2发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；发电机调速控制系统2通过模拟量输入板卡GTAI 8向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6送入控制开度信号。
[0024]上述RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS数字量输出板卡GTDO 9向电厂监控系统3发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；电厂监控系统3通过RTDS数字量输入板卡GTDI 10、RTDS模拟量输入板卡GTAI 8向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6发送发电机有功、无功增减指令。
[0025]本实施例中，在RTDS建模工作站5上建立直流孤岛系统数字模型。直流孤岛数字模型包括孤岛运行电站的全部发变组单元12、RTDS纯数字励磁调节系统13、RTDS纯数字调速系统14、机端断路器15、电站母线16、电站交流出线17、相关直流输电系统18，发变组单元12通过机端断路器15与电站母线16相连，电站母线16通过电站交流出线17与直流输电系统18相连，见附图2
本实施例中，上述直流孤岛系统在RTDS建模工作站5建模后，由RTDS处理器板卡GPC\PB5 6进行实施仿真计算。
[0026]本实施例中，上述RTDS纯数字励磁调节系统13按照发电机励磁调节控制系统I搭建，能真实反映发电机励磁调节控制系统I控制特性。能准确模拟励磁AVR控制，包含调差、伏赫兹限制、过励、欠励、定子电流限制、PSS相关模块。
[0027]本实施例中，上述RTDS纯数字调速系统14按照发电机调速控制系统2搭建，能真实反映发电机调速控制系统2控制特性。能准确模拟调速器开度功率模式下一次调频死区、孤网、空载等工况的切换。
[0028]本发明的一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真方法，包含以下步骤:
I)在RTDS建模工作站5建立直流孤岛系统仿真模型。
[0029]2 )将RTDS建模工作站5与RTDS处理器板卡GPC\PB5 6连接。模型的数据将传递到RTDS处理器板卡GPC\PB56后进行实时仿真计算。
[0030]3)将RTDS处理器板卡GPC\PB5 6与RTDS模拟量输出板卡GTAO 7连接后经功率放大器11向发电机励磁调节控制系统I发送发电机机端三相电压、定子三相电流、三相同步电压信号、励磁电压电流信号；RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS数字量输出板卡GTDO9向发电机励磁调节控制系统I发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；发电机励磁调节控制系统I通过RTDS模拟量输入板卡GTAI 8向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6送入励磁控制电压；发电机励磁调节控制系统I通过RTDS数字量输入板卡GTDI 10向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6送入自并励励磁系统整流桥触发脉冲信号。
[0031]4)将RTDS处理器板卡GPC\PB5 6与RTDS模拟量输出板卡GTAO 7连接后经功率放大器11向发电机调速控制系统2发送发电机机端三相电压、定子三相电流、电站母线电压、执行机构导叶行程信号；RTDS处理器板卡GPC\PB5 6通过RTDS数字量输出板卡GTDO 9向发电机调速控制系统2发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；发电机调速控制系统2通过模拟量输入板卡GTAI 8向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6送入控制开度信号。
[0032]5)将RTDS处理器板卡GPC\PB5 6与RTDS数字量输出板卡GTDO 9连接后向电厂监控系统3发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；电厂监控系统3通过RTDS数字量输入板卡GTDI 10、RTDS模拟量输入板卡GTAI 8向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6发送发电机有功、无功增减指令。
[0033]6)将RTDS处理器板卡GPC\PB5 6与RTDS模拟量输出板卡GTAO 7连接后向发电机水轮机实时仿真装置4发送机组频率信号，发电机调速控制系统2向发电机水轮机实时仿真装置4发送控制开度信号，发电机水轮机实时仿真装置4通过RTDS模拟量输入板卡GTAI8向RTDS处理器板卡GPC\PB5 6发送发电机转矩信号。
[0034]7)将电厂监控系统3与发电机励磁调节控制系统I连接，实现两者之间控制量的传递。
[0035]8)将电厂监控系统3与发电机调速控制系统2连接，实现两者之间控制量的传递。
[0036]9)将所有装置上电后，在RTDS建模工作站5上利用RSCAD软件编译并运行模型，即可在孤岛运行的一次系统中设置相关故障(例如直流阀组短路故障导致的直流闭锁)并对该故障进行仿真分析。
【权利要求】
1.一种直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:该平台包括发电机励磁调节控制系统(I)、发电机调速控制系统(2)，电厂监控系统(3)，发电机水轮机实时仿真装置(4)，RTDS建模工作站(5)，RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)，RTDS模拟量输出板卡GTAO (7)，RTDS模拟量输入板卡GTAI (8)，RTDS数字量输出板卡GTDO (9)，RTDS数字量输入板卡GTDI (10)，功率放大器(11);发电机励磁调节控制系统(I)与电厂监控系统(3)连接，发电机调速控制系统(2 )与电厂监控系统(3 )连接，发电机水轮机实时仿真装置(4 )与发电机调速控制系统(2)连接，RTDS建模工作站(5)与RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)连接，RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)通过RTDS模拟量输出板卡GTAO (7)、功率放大器(11)将相关电压电流等控制信号送至发电机励磁调节控制系统(I)、发电机调速控制系统(2)、电厂监控系统(3)、发电机水轮机实时仿真装置(4)，RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)通过RTDS数字量输出板卡GTDO (9)将相关数字量信号送至发电机励磁调节控制系统(I)、发电机调速控制系统(2)、电厂监控系统(3)、发电机水轮机实时仿真装置(4)，发电机励磁调节控制系统(I)、发电机调速控制系统(2)、电厂监控系统(3)、发电机水轮机实时仿真装置(4)通过RTDS模拟量输入板卡GTAI (8)将相关控制信号送至RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)，发电机励磁调节控制系统(I )、电厂监控系统(3)通过RTDS数字量输入板卡GTDI (10)将相关控制信号送至RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)。
2.根据权利要求1所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:电厂监控系统(3)向发电机励磁调节控制系统(I)发送增减磁信号，发电机励磁调节控制系统(I)向电厂监控系统(3 )反馈励磁调节器状态信号。
3.根据权利要求1所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:电厂监控系统(3)向发电机调速控制系统(2)发送增减有功指令，发电机调速控制系统(2)向电厂监控系统(3)反馈调速器相关状态量。
4.根据权利要求1所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)通过RTDS模拟量输出板卡GTAO (7)向发电机水轮机实时仿真装置(4)发送机组频率信号，发电机调速控制系统(2)向发电机水轮机实时仿真装置(4)发送控制开度信号，发电机水轮机实时仿真装置(4)通过RTDS模拟量输入板卡GTAI(8)向RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)发送发电机转矩信号。
5.根据权利要求1所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)通过RTDS模拟量输出板卡GTAO (7)、功率放大器(11)向发电机励磁调节控制系统(I)发送发电机机端电压、定子电流、同步电压信号、励磁电压电流信号；RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)通过RTDS数字量输出板卡GTDO (9)向发电机励磁调节控制系统(I)发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；发电机励磁调节控制系统(I)通过RTDS模拟量输入板卡GTAI (8)向RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)送入励磁控制电压；发电机励磁调节控制系统(I)通过RTDS数字量输入板卡GTDI (10)向RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)送入整流桥触发脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)通过RTDS模拟量输出板卡GTAO (7)、功率放大器(11)向发电机调速控制系统(2)发送发电机机端电压、定子电流、电站母线电压、导叶行程信号；RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)通过RTDS数字量输出板卡GTDO (9)向发电机调速控制系统(2)发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；发电机调速控制系统(2)通过模拟量输入板卡GTAI (8)向RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)送入控制开度信号。
7.根据权利要求1所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)通过RTDS数字量输出板卡GTDO (9)向电厂监控系统(3)发送机端断路器状态、孤岛、联网、直流停运等信号；电厂监控系统(3)通过RTDS数字量输入板卡GTDI (10)、RTDS模拟量输入板卡GTAI (8)向RTDS处理器板卡GPC\PB5 (6)发送发电机有功、无功增减指令。
8.根据权利要求1-7任一项所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:上述直流孤岛系统包含孤岛运行电站的全部发变组单元(12)、RTDS纯数字励磁调节系统(13),RTDS纯数字调速系统(14)、机端断路器(15)、电站母线(16)、电站交流出线(17)、相关直流输电系统(18)，发变组单元(12)通过机端断路器(15)与电站母线(16)相连，电站母线(16 )通过电站交流出线(17 )与直流输电系统(18 )相连。
9.根据权利要求8所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:RTDS纯数字励磁调节系统(13)按照发电机励磁调节控制系统(I)搭建，能真实反映发电机励磁调节控制系统(I)控制特性。
10.根据权利要求8所述的直流孤岛运行机网协调特性研究实时仿真平台，其特征在于:RTDS纯数字调速系统(14)按照发电机调速控制系统(2)搭建，能真实反映发电机调速控制系统(2)控制特性。
【文档编号】G05B17/02GK104049543SQ201410291091
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】袁艺, 郭琦, 李伟, 李书勇, 关红兵, 黄立滨, 欧开健 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司