一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统，包括实时数字仿真器、数模转换电路、信号功率放大器和模数转换电路，实时数字仿真器中数字仿真的数字变量信号通过数模转换电路转换为模拟变量信号并输出到信号功率放大器，此信号经功率放大为实际互感器二次侧的电气变量并输出到实际输配电设备（自动控制装置或保护装置），实际输配电设备在电气变量作用下的输出反馈输入信号经模数转换电路输入进实时数字仿真器并作用于数字仿真模型，这样实现了数字模型与物理实物的连接，形成数字-物理闭环仿真实验系统，从而能够解决解决输配电设备缺乏有效检测手段和数字仿真模型与设备测试模型统一的问题。
【专利说明】一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统
【技术领域】
[0001]本申请涉及电力系统仿真【技术领域】，更具体地说，涉及一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统。
【背景技术】
[0002]交直流并联电网运行状态与换流站邻近区域交流电网相关，当交、直流系统中任何一方的工况发生变化时，都会通过换相母线相互作用。尤其是对于特高压直流输电的受电端交流电网，直流传输的有功功率和换流站消耗的无功功率均在电网中占有相当大的比例，在复杂的交、直流交织过程中，换流站交流电网电压的稳定性是分析大型直流输电系统接入后受电区域交流电网安全稳定的重要参考依据。
[0003]目前，我国“西电东送”直流输电工程建设基本全部为±800kV电压等级，而东部受电交流电网(主干网)则全部为500kV电压等级，即采用交直流并联输电系统。在将自动控制装置或保护装置等输配电设备接入交直流输电系统前，需评估该输配电设备对交直流电网的影响，避免导致设备接入后电网安全稳定性降低。目前，针对交直流并联电网电压稳定性分析评估是基于频域法并采用相应的机电暂态数字离线仿真软件，这种仿真的基础是建立系统及其设备元件的频域模型(工频等效模型)，其优点是仿真规模大，可适用于交直流输电系统中任何区域电网的全部节点电压工频稳态或准稳态分析；但缺点在于，所得出的分析结果属于数学理论范畴，无法进行物理层面的实效性验证，因而在应用于实际工程方面存在一定的置信度风险；至于输配电设备对交直流并联电网电压稳定性影响的入网在线测试尚无有效技术手段和实验工具。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本申请提供一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统，用于交直流输电系统的电网电压稳定性时域仿真，并解决输配电稳控设备缺乏有效检测手段和数字仿真模型与设备测试模型统一的问题。
[0005]为了实现上述目的，现提出的方案如下:
[0006]一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统，包括实时数字仿真器、数模转换电路、模数转换电路和信号功率放大器，其中:
[0007]所述实时数字仿真器中建有数字仿真模型，用于仿真交直流并联电网动态工况变化过程，并且根据实际输配电设备的反馈输入信号向所述实际输配电设备输出数字变量信号;
[0008]所述数模转换电路用于将所述数字变量信号转换为模拟电信号；
[0009]所述信号功率放大器用于将所述模拟电信号放大为交直流并联电网实际互感器的二次侧电气变量，并将所述电气变量输出到所述输配电设备；
[0010]所述模数转换电路用于将所述实际输配电设备在所述电气变量作用下的响应信号转换为所述反馈输入信号并输出到所述实时数字仿真器。[0011 ] 优选的，所述实际输配电设备为自动控制装置或保护装置。
[0012]优选的，所述电信号为电压信号和/或电流信号。
[0013]优选的，所述反馈信号为电压和/或电流的数字信号。
[0014]优选的，所述交直流并联电网的数字仿真模型包括直流输电仿真模型、受电端交流电网仿真模型和换流站控制仿真模型。
[0015]优选的，所述直流输电仿真模型为±SOOkV直流输电系统仿真模型。
[0016]优选的，所述受电端交流电网仿真模型为换流站邻近区域的500kV交流电网仿真模型。
[0017]优选的，所述换流站控制仿真模型包括整流站控制仿真模型、逆变站控制仿真模型或站间协调控制仿真模型。
[0018]从上述技术方案可以看出，本实施例提供的交直流并网电压稳定性测试的实验系统包括实时数字仿真器、数模转换电路、信号功率放大器和模数转换电路，实时数字仿真器中数字仿真的数字变量信号通过数模转换电路转换为模拟变量信号并输出到信号功率放大器，此信号经功率放大为实际互感器二次侧的电气变量并输出到实际输配电设备(自动控制装置或保护装置)，实际输配电设备在电气变量作用下的输出反馈输入信号经模数转换电路输入进实时数字仿真器并作用于数字仿真模型，这样实现了数字模型与物理实物的连接，形成数字-物理闭环仿真实验系统，从而能够解决解决输配电设备缺乏有效检测手段和数字仿真模型与设备测试模型统一的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的具体方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为本申请实施例的实时数字仿真器及其模型的示意图；
[0021]图2为本申请实施例的交直流并联电网一次主接线电路模型的结构图；
[0022]图3为本申请实施例的测试实验效果示意图；
[0023]图4为本申请实施例提供的一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统的结构图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0025]图1为本申请实施例的实时数字仿真器及其模型的示意图。
[0026]如图1所示，本实施例的实时数字仿真器(RTDS)IO是通过全数字仿真方法测试直流输电系统不同运行工况下交流换相母线电压的波动状况。
[0027]上述实时数字仿真器10中建有交直流并联电网一次主接线电路模型11和二次控制系统模型12。
[0028]上述交直流并联电网一次主接线电路模型的详细结构如图2所示，交直流并联电网一次主接线电路模型包含±800kV特高压直流输电系统和受端换流站邻近区域500kV交流电网模型。
[0029]上述±800kV特高压直流输电系统模型由送端整流站、受端逆变站和直流输电线路等三个部分组成。由于本实施例针对的是受端换流站交流换相母线电压稳定性测试，故送端交流电网可简化为一个容量无穷大的三相交流恒压源等效模型；而送端整流站和受端逆变站的正、负极各包括四个6脉动换流桥、四个三相双绕组换流变压器、一组分装式平波电抗器和一组直流滤波器的设备元件模型；受端逆变站还包括一组可投切控制的交流滤波器元件模型接于换相母线；直流输电线路模型采用6分裂导线的分布参数长线模型。
[0030]上述受端换流站邻近区域500kV交流电网模型依据典型的三馈线结构设计。其中包括三座与换流站直接相连的500kV交流变电站戴维南等效电路模型及三条同塔双回4分裂导线500kV交流馈电线路模型；还包括交流变电站之间的一条单回4分裂导线500kV交流联络线路模型。
[0031]上述二次控制系统模型包括整流站和逆变站的极控模型及站间协调控制模型，具有极功率控制、换流阀点火角控制、换流变压器抽头档位控制、换流站交流滤波器投切控制等主要仿真功能。其中极功率控制包含单极/双极运行模式切换、功率/电流控制模式切换和传输功率定值步进调节等仿真功能；换流阀点火角控制包含整流阀电流偏差调节、逆变阀最大点火角控制及换相失败预防控制等仿真功能；换流变压器抽头档位控制包含理想空载直流电压调节、直流电压偏差调节和点火角辅助调节等仿真功能以及各功能之间的闭锁控制仿真；换流站交流滤波器投切控制包含无功功率控制和交流电压控制模式选择以及交流滤波器自动投切逻辑等仿真模型。
[0032]图3为本申请实施例的测试实验效果示意图。
[0033]此次实验的实时数字仿真器的模型仿真工况为:直流输电系统的传输功率从额定功率PN降低0.9PN。在运行工况动态变化过程中，先后有两台交流滤波器自动切除，换流站交流换相母线电压有效值的全程监测波形。该测试结果表明:500kV交流电网电压在±800kV直流输电系统降容前后的稳态值维持不变，降容过程中也不会产生严重的暂态过电压。
[0034]图4为本申请实施例提供的一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统的结构图。
[0035]如图4所示，本实施例的实验系统包括实时数字仿真器10、数模转换电路20、信号功率放大器30和模数转换电路40。
[0036]实时数字仿真器10用于仿真交直流并联电网动态工况变化过程，并且根据实际输配电设备的反馈输入信号输出数字变量信号。
[0037]数模转换电路用于将实时数字仿真器10输出的数字变量信号转换为模拟电信号。
[0038]信号功率放大器30接收数模转换电路20输出的模拟电信号后进行放大,放大为交直流并联电网实际互感器的二次侧的电气变量，并输出到实际输配电设备。实际输配电设备包括自动控制装置或保护装置。[0039]模数转换电路40用于将实际输配电设备在信号功率放大器30电气变量作用下的响应信号转换为反馈输入信号并输出到所述实时数字仿真器10。
[0040]本实施例中,数字变量信号、模拟电信号和电气变量包括电流信号和电压信号。[0041 ] 实时数字仿真模型包括直流输电仿真模型、受电端交流电网仿真模型和换流站控制仿真模型。其中直流输电仿真模型为±800kV直流输电系统仿真模型；受电端交流电网仿真模型为换流站邻近区域的500kV交流电网仿真模型；换流站控制仿真模型为整流站控制、逆变站控制或站间协调控制仿真模型。
[0042]从上述技术方案可以看出，本实施例提供的交直流并网电压稳定性测试的实验系统包括实时数字仿真器、数模转换电路、信号功率放大器和模数转换电路，实时数字仿真器中数字仿真的数字变量信号通过数模转换电路转换为模拟变量信号并输出到信号功率放大器，此信号经功率放大为实际互感器二次侧的电气变量并输出到实际输配电设备(自动控制装置或保护装置)，实际输配电设备在电气变量作用下的输出反馈输入信号经模数转换电路输入进实时数字仿真器并作用于数字仿真模型，这样实现了数字模型与物理实物的连接，形成数字-物理闭环仿真实验系统，从而能够解决解决输配电设备缺乏有效检测手段和数字仿真模型与设备测试模型统一的问题。
[0043]在数字-物理闭环实验中，实时数字仿真器10中输配电控制模型12的部分元件仿真模型由与该部分元件功能相同的输配电控制设备实物50所取代。实时数字仿真器10与输配电设备50通过数模转换电路20、信号功率放大器30和模数转换电路40组成的接口装置相连形成数字模型-物理设备之间的闭环电路。其连接方式和运行机理为:实时数字仿真器10中数字仿真模型的运行电压和/或电流状态变量通过数模转换电路20输出到信号功率放大器30的信号输入端，此信号经功率放大为实际互感器二次侧的电压和/或电流变量并输出到实际输配电设备50实物，实际输配电设备50在该电压和/或电流作用下的动态响应再通过模数转换电路40反馈输入到RTDS实时数字仿真器10并作用于数字仿真模型的仿真运行。
[0044]上述实时数字仿真器10中交直流并联电网一次主接线电路模型11包含±800kV特高压直流输电系统仿真模型、受端换流站邻近区域500kV交流电网仿真模型和换流站仿真控制模型。其中±800kV特高压直流输电系统仿真模型分为送端整流站、受端逆变站和直流输电线路等三个部分，由于本申请针对的是受端交流电网电压稳定性测试，故送端交流电网可简化为一个容量无穷大的三相交流恒压源等效模型，而送端整流站和受端逆变站的正、负极各包括四个6脉动整流桥、四个三相双绕组换流变压器、一组分装式平波电抗器和一组直流滤波器的设备元件模型，受端逆变站还包括一组可投切控制的交流滤波器元件模型接于换相母线，直流输电线路模型采用6分裂导线的分布参数长线模型。受端逆变站邻近区域500kV交流电网仿真模型结构设计取决于实际电网结构和实时数字仿真器的硬件资源限制，理论上只要实时数字仿真器的硬件资源足够充裕，交流电网模型可包括全部500kV节点，但这样建模的硬件成本过于昂贵，为了在有限的硬件资源条件下获得最佳仿真效果，本申请提出一个500kV交流电网模型结构的简化设计原则:模型中仅含与换流站换相母线节点有输电线路直接相连的交流变电站母线节点，包括换流站与交流变电站之间的输电线路模型和交流变电站之间的联络线模型，交流变电站500kV母线节点则以戴维南电路模型等效，即戴维南电压源的幅值/相位及其阻抗根据实际运行方式的潮流分布和节点短路容量确定。换流站仿真控制模型包括整流站和逆变站的极控模型及站间协调控制模型，具有极功率控制、换流阀点火角控制、换流变压器抽头档位控制、换流站交流滤波器投切控制模型等主要功能模块，其中极功率控制模块包含单极/双极运行模式切换、功率/电流控制模式切换和传输功率定值步进调节功能；换流阀点火角控制模块包含整流阀电流偏差调节、逆变阀最大点火角控制及换相失败预防控制等功能；换流变压器抽头档位控制模块包含理想空载直流电压调节、直流电压偏差调节和点火角辅助调节等功能以及各功能之间的闭锁控制；换流站交流滤波器投切控制模块包含无功功率控制和交流电压控制模式选择以及交流滤波器自动投切逻辑模型。
[0045]上述实验系统的人机交互操作界面置于实时数字仿真器10的软件平台中，设有传输功率指令滑竿、运行模式切换开关、控制模式选择开关等在线操作装置模型以及各种录波器、仪表等在线监测元件模型，界面风格与实际电网的SCADA系统(SupervisoryControl And Data Acquisition,即数据采集与监视控制系统)相仿,体现出电力系统动态模拟实验鲜明的数字化特征。
[0046]上述实验系统的数模转换电路20、模数转换电路40以及信号功率放大器30等接口装置的配置连接方式充分考虑了数字-物理闭环仿真对实际工程的适用性，即:数模转换电路20与信号功率放大器30 —起组成实时数字仿真器的数字仿真模型在物理层面的电压互感器和电流互感器，通过适当调节数-模转换比并结合信号功率放大器30增益，可灵活地构建不同变比的互感器，信号功率放大器30的输出端即为互感器二次侧等效物理变量并作用于实际设备50使设备如同接入实际电网；受试设备在此作用下的状态响应变化又通过模数转换电路输入实时数字仿真器并作用于数字仿真模型，使模型运行状态发生相应变化。
[0047]从上述技术方案可以看出，本申请提供的实验系统具有如下优点和有益效果:
1.采用的数字-物理模型闭环技术将数字仿真的高效性、安全性、准确性和物理模拟的实时性、直观性、可靠性有机融为一体，使交直流并联电网电压稳定性分析评估与稳压控制装置入网检测统一于一个仿真实验模型中；2.实时数字仿真器中建有±800kV特高压直流输电系统详细的一次主回路结构模型和二次控制模型，能够灵活地模拟直流系统各种稳态运行工况及暂态变化过程，用实时仿真方法准确评估直流系统动态运行中电网交、直流侧彼此之间的相互影响；3.使输配电控制设备的闭环在线测试与将其接入实际电网具有同等物理效应。
[0048]最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0049]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0050]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种交直流并联电网电压稳定性测试的实验系统，其特征在于，包括实时数字仿真器、数模转换电路、模数转换电路和信号功率放大器，其中: 所述实时数字仿真器中建有数字仿真模型，用于仿真交直流并联电网动态工况变化过程，并且根据实际输配电设备的反馈输入信号向所述实际输配电设备输出数字变量信号；所述数模转换电路用于将所述数字变量信号转换为模拟电信号； 所述信号功率放大器用于将所述模拟电信号放大为交直流并联电网实际互感器的二次侧电气变量，并将所述电气变量输出到所述输配电设备； 所述模数转换电路用于将所述实际输配电设备在所述电气变量作用下的响应信号转换为所述反馈输入信号并输出到所述实时数字仿真器。
2.如权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述实际输配电设备为自动控制装置或保护装置。
3.如权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述电信号为电压信号和/或电流信号。
4.如权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述反馈信号为电压和/或电流的数字信号。
5.如权利要求1?4任一项所述的实验系统，其特征在于，所述交直流并联电网的数字仿真模型包括直流输电仿真模型、受电端交流电网仿真模型和换流站控制仿真模型。
6.如权利要求5所述的实验系统，其特征在于，所述直流输电仿真模型为±800kV直流输电系统仿真模型。
7.如权利要求5所述的实验系统，其特征在于，所述受电端交流电网仿真模型为换流站邻近区域的500kV交流电网仿真模型。
8.如权利要求5所述的实验系统，其特征在于，所述换流站控制仿真模型包括整流站控制仿真模型、逆变站控制仿真模型或站间协调控制仿真模型。
【文档编号】G01R31/00GK103837776SQ201410099408
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2014年3月17日
【发明者】陈涛, 朱小军, 文一宇, 钱珞江, 庄凯, 丁涛, 黄淼, 方苇, 赵科, 董光德 申请人:国家电网公司, 国网重庆市电力公司电力科学研究院, 武汉大学