一种级联多端特高压直流仿真系统及其控制保护方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102790388 A (43)申请公布日 2012.11.21 C N 1 0 2 7 9 0 3 8 8 A *CN102790388A* (21)申请号 201210240625.6 (22)申请日 2012.07.11 H02J 1/00(2006.01) (71)申请人中国电力科学研究院 地址 100192 北京市海淀区清河小营东路 15号 申请人国家电网公司 (72)发明人谢国平 (74)专利代理机构北京安博达知识产权代理有 限公司 11271 代理人徐国文 (54) 发明名称 一种级联多端特高压直流仿真系统及其控制 保护方法 (57) 摘要 本发明涉及电。

2、力系统领域的一种仿真系统及 其控制保护方法，具体涉及一种级联多端特高压 直流仿真系统及其控制保护方法。该仿真系统包 括：采用数模混合仿真设备形成级联多端特高压 直流的一次仿真平台；基于双端特高压直流输电 控制保护形成级联多端特高压直流输电的控制保 护系统；一次仿真平台通过模拟量及数字量接口 与控制保护系统连接；一次仿真平台包括依次连 接的交流系统和直流系统。本发明提供的方案其 仿真结果具有良好的可信度及可靠性。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/2页 2。

3、 1.一种级联多端特高压直流仿真系统，其特征在于，所述仿真系统包括： 采用数模混合仿真设备形成级联多端特高压直流的一次仿真平台； 基于双端特高压直流输电控制保护形成级联多端特高压直流输电的控制保护系统； 所述一次仿真平台通过模拟量及数字量接口与控制保护系统连接； 所述一次仿真平台包括依次连接的交流系统和直流系统。 2.如权利要求1所述的级联多端特高压直流仿真系统，其特征在于，所述交流系统包 括数字仿真平台与放大器；所述数字仿真平台与放大器通过电缆连接。 3.如权利要求1所述的级联多端特高压直流仿真系统，其特征在于，所述直流系统包 括换流变压器、换流阀、交流滤波器、直流滤波器、直流输电线路和接地。

4、极线路； 所述交流滤波器、换流变压器和换流阀通过电缆依次连接； 所述换流阀通过电缆分别与直流输电线路和接地极线路连接； 所述直流输电线路、直流滤波器和接地极线路依次连接。 4.如权利要求3所述的级联多端特高压直流仿真系统，其特征在于，采用按比例缩小 的变压器物理模型模拟所述换流变压器；以CMOS元件为核心的阀板模拟所述换流阀；采用 电感、电阻、电容元件的组合模拟交流滤波器、直流滤波器、直流输电线路及接地极线路。 5.如权利要求1所述的级联多端特高压直流仿真系统，其特征在于，所述控制保护系 统包括主机和板卡，所述主机和板卡之间通过光纤连接。 6.如权利要求5所述的级联多端特高压直流仿真系统，其特。

5、征在于，所述主机包括电 压调节器、电流调节器、直流电流控制器、过电压限制器、计算环节和ALPHAMAX功能模块。 7.如权利要求5所述的级联多端特高压直流仿真系统，其特征在于，所述控制保护系 统包括两种控制方式：直流电流控制和直流电压控制。 8.如权利要求7所述的级联多端特高压直流仿真系统，其特征在于，在所述直流电流 控制中，所述ALPHAMAX功能模块分别与电压调节器和电流调节器连接；所述电压调节器和 电流调节器连接；所述计算环节分别与过电压限制器和电压调节器连接；所述直流电流控 制器与电流调节器连接； 所述直流电流控制包括：直流电流控制器将直流系统的实测电流与直流电流指令值的 差值通过比例。

6、积分环节后得出触发角的指令值，电压调节器输出作为电流调节器下限的限 制值，而ALPHAMAX功能模块输出作为电流调节器上限值。 9.如权利要求6所述的级联多端特高压直流仿真系统，其特征在于，在所述直流电压 控制中，所述ALPHAMAX功能模块与电压调节器连接；所述计算环节分别与电压调节器、过 电压限制器和电流调节器连接；所述直流电流控制器与电流调节器连接； 所述直流电压控制包括：直压电流控制器将直流系统的实测电压与计算电压参考值的 差值通过比例积分环节后得出触发角的指令值，电压调节器输出作为电流调节器上限的限 制值，而ALPHAMAX功能模块输出作为电压调节器上限值。 10.一种级联多端特高压。

7、直流仿真系统的控制保护方法，其特征在于，所述方法包括下 述步骤： （1）建立直流系统稳态工况，改变一次仿真平台直流系统的电流定值实现级联多端特 高压直流系统在不同功率水平下稳定运行； （2）改变与直流系统相连的一次仿真平台交流系统的交流电压参数，通过试验得出级 权 利 要 求 书CN 102790388 A 2/2页 3 联多端特高压直流系统的稳态特性； （3）在一次仿真平台交流系统中进行接地故障试验，验证级联多端特高压直流系统的 响应特性及恢复特性； （4）在级联多端特高压直流系统中进行直流线路的故障试验，验证级联多端特高压直 流系统的响应特性及恢复特性； （5）针对控制保护系统进行阶跃响应。

8、试验，验证级联多端特高压输电控制保护系统参 数的响应特性；所述控制保护系统参数包括积分常数、增益和比例系数； （6）在级联多端特高压直流系统中进行故障试验，验证保护动作的正确性、灵敏性、及 可靠性。 权 利 要 求 书CN 102790388 A 1/5页 4 一种级联多端特高压直流仿真系统及其控制保护方法 技术领域 0001 本发明涉及电力系统领域的一种仿真系统及其控制保护方法，具体涉及一种级联 多端特高压直流仿真系统及其控制保护方法。 背景技术 0002 目前多端直流系统包括两种方式，一种是并联型多端直流输电系统，一种是串联 型多端直流输电系统；并联型多端直流系统的特点是直流电压为一个等级。

9、，各端直流电流 可以不一致，正常运行时只有一端控制直流电压，其余各端均控制直流电流；串联型多端直 流系统的特点是各端直流电流均相等，各端直流电压可以不一致，正常运行时只有一端控 制直流电流，其余各端均控制直流电压；且并联型及串联性多端直流输电系统控制保护研 究手段均采用数字仿真软件进行。级联多端特高压直流输电系统作为一个新的概念，是多 端直流系统研究的一个趋势。 发明内容 0003 针对现有技术的不足，本发明提供一种级联多端特高压直流仿真系统及其控制保 护方法，该方法采用数模混合仿真设备形成级联多端特高压直流一次仿真平台；利用双端 特高压直流输电的控制保护系统开发出级联多端特高压直流输电控制保。

10、护系统，并利用混 合仿真平台进行级联多端特高压直流输电控制保护系统稳态特性及动态性能研究。 0004 本发明的目的是采用下述技术方案实现的： 0005 一种级联多端特高压直流仿真系统，其改进之处在于，所述仿真系统包括： 0006 采用数模混合仿真设备形成级联多端特高压直流的一次仿真平台； 0007 基于双端特高压直流输电控制保护形成级联多端特高压直流输电的控制保护系 统； 0008 所述一次仿真平台通过模拟量及数字量接口与控制保护系统连接； 0009 所述一次仿真平台包括依次连接的交流系统和直流系统。 0010 其中，所述交流系统包括数字仿真平台与放大器；所述数字仿真平台与放大器通 过电缆连接。

11、。 0011 其中，所述直流系统包括换流变压器、换流阀、交流滤波器、直流滤波器、直流输电 线路和接地极线路； 0012 所述交流滤波器、换流变压器和换流阀通过电缆依次连接； 0013 所述换流阀通过电缆分别与直流输电线路和接地极线路连接； 0014 所述直流输电线路、直流滤波器和接地极线路依次连接。 0015 其中，采用按比例缩小的变压器物理模型模拟所述换流变压器；以CMOS元件为核 心的阀板模拟所述换流阀；采用电感、电阻、电容元件的组合模拟交流滤波器、直流滤波器、 直流输电线路及接地极线路。 0016 其中，所述控制保护系统包括主机和板卡，所述主机和板卡之间通过光纤连接。 说 明 书CN 1。

12、02790388 A 2/5页 5 0017 其中，所述主机包括电压调节器、电流调节器、直流电流控制器、过电压限制器、计 算环节和ALPHAMAX功能模块。 0018 其中，所述控制保护系统包括两种控制方式：直流电流控制和直流电压控制。 0019 其中，在所述直流电流控制中，所述ALPHAMAX功能模块分别与电压调节器和电流 调节器连接；所述电压调节器和电流调节器连接；所述计算环节分别与过电压限制器和电 压调节器连接；所述直流电流控制器与电流调节器连接； 0020 所述直流电流控制包括：直流电流控制器将直流系统的实测电流与直流电流指令 值的差值通过比例积分环节后得出触发角的指令值，电压调节器输。

13、出作为电流调节器下限 的限制值，而ALPHAMAX功能模块输出作为电流调节器上限值。 0021 其中，在所述直流电压控制中，所述ALPHAMAX功能模块与电压调节器连接；所述 计算环节分别与电压调节器、过电压限制器和电流调节器连接；所述直流电流控制器与电 流调节器连接； 0022 所述直流电压控制包括：直压电流控制器将直流系统的实测电压与计算电压参考 值的差值通过比例积分环节后得出触发角的指令值，电压调节器输出作为电流调节器上限 的限制值，而ALPHAMAX功能模块输出作为电压调节器上限值。 0023 本发明基于另一目的提供的一种级联多端特高压直流仿真系统的控制保护方法， 其改进之处在于，所述。

14、方法包括下述步骤： 0024 （1）建立直流系统稳态工况，改变一次仿真平台直流系统的电流定值实现级联多 端特高压直流系统在不同功率水平下稳定运行； 0025 （2）改变与直流系统相连的一次仿真平台交流系统的交流电压参数，通过试验得 出级联多端特高压直流系统的稳态特性； 0026 （3）在一次仿真平台交流系统中进行接地故障试验，验证级联多端特高压直流系 统的响应特性及恢复特性； 0027 （4）在级联多端特高压直流系统中进行直流线路的故障试验，验证级联多端特高 压直流系统的响应特性及恢复特性； 0028 （5）针对控制保护系统进行阶跃响应试验，验证级联多端特高压输电控制保护系 统参数的响应特性；。

15、所述控制保护系统参数包括积分常数、增益和比例系数； 0029 （6）在级联多端特高压直流系统中进行故障试验，验证保护动作的正确性、灵敏 性、及可靠性。 0030 与现有技术比，本发明达到的有益效果是： 0031 1、本发明提供的级联多端特高压直流仿真系统及其控制保护方法，一次系统仿真 平台的交流系统采用成熟的数字仿真系统，直流系统包括换流变压器及换流阀等采用仿真 准确度很高的物理模型，仿真结果具有良好的可信度及可靠性。 0032 2、二次系统即控制保护系统采用实际工程应用的硬件及软件平台，其控制特性及 保护原理均通过实际直流工程的验证，在此硬件及软件平台上实现的多端特高压直流控制 保护系统的运。

16、行特性具有实际的应用价值。 0033 3、一次系统仿真平台与二次系统之间的接口介质与实际工程所用的接口板卡特 性一致。 0034 4、级联多端特高压直流输电仿真方法是现有直流输电体系的有益补充，丰富了现 说 明 书CN 102790388 A 3/5页 6 有的直流输电体系。 0035 5、弥补了双端特高压直流输电系统的不足，扩大了直流输电系统的应用范围，对 于同一区域内不同地点需要大量电力能源提供了一种新的解决方法。 0036 6、与现有并联及串联型多端特高压直流输电系统相比，其可以利用现有的双端特 高压直流输电系统的技术，在经济上具有明显的优势。 0037 7、与双端特高压直流输电系统相比。

17、，对受端交流电网的要求低，交流电网不需要 进一步加强即适用于级联多端特高压直流输电系统。 附图说明 0038 图1是本发明提供的交流系统组成部分及连接示意图； 0039 图2是本发明提供的直流系统组成部分及连接示意图； 0040 图3是本发明提供的控制保护系统组成部分及连接示意图； 0041 图4是本发明提供的级联多端特高压直流输电仿真系统示意图； 0042 图5是本发明提供的级联多端特高压直流电流控制原理图； 0043 图6是本发明提供的级联多端特高压直流电压控制原理图； 0044 图7是本发明提供的直流电流控制流程图； 0045 图8是本发明提供的直流电压控制流程图。 具体实施方式 004。

18、6 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。 0047 本发明提供的级联多端特高压直流输电仿真系统示意图如图4所示，该仿真系统 包括：以国家电网仿真中心数模混合仿真设备为基础，采用数模混合仿真设备形成级联多 端特高压直流的一次仿真平台；基于双端特高压直流输电控制保护形成级联多端特高压直 流输电的控制保护系统；一次仿真平台通过模拟量及数字量接口与控制保护系统连接；一 次仿真平台包括依次连接的交流系统和直流系统。 0048 交流系统包括数字仿真平台与放大器；数字仿真平台与放大器通过电缆连接。交 流系统组成部分及连接如图1所示。换流变压器、换流阀、直流输电线路、接地极线路、交 流滤波器。

19、和直流滤波器组成了直流系统，交流滤波器、换流变压器和换流阀通过电缆依次 连接；换流阀通过电缆分别与直流输电线路和接地极线路连接；直流输电线路、直流滤波 器和接地极线路依次连接。其中，按比例缩小的变压器物理模型模拟换流变压器，以CMOS 元件为核心的阀板模拟直流输电中的换流阀，以电感、电阻、电容元件的组合模拟交流滤波 器、直流滤波器、直流输电线路及接地极线路。直流系统组成部分及连接如图2所示。 0049 基于双端特高压直流控制保护二次系统，结合级联多端特高压直流输电系统的 特点，形成了级联多端特高压直流输电的控制保护系统，控制保护系统在硬件上由控制保 护主机及相应的板卡组成，在软件上由相关控制保。

20、护逻辑模块组成，通过相关软件编译后 下载至控制保护主机中，控制保护系统功能均布置在控制保护主机中，主机包括电压调 节器、电流调节器、直流电流控制器（也叫做低压限流控制器）、过电压限制器、计算环节和 ALPHAMAX功能模块。板卡与主机之间采用光纤进行连接，控制保护系统的组成及连接如图 3所示。 说 明 书CN 102790388 A 4/5页 7 0050 通过模拟量及数字量接口端子，将级联多端特高压直流输电系统的一次仿真平台 与级联多端特高压直流输电的控制保护系统连接形成一套完整的级联多端特高压直流输 电仿真系统，级联特高压直流输电系统仿真示意图如图4所示。基于此仿真系统进行了级 联多端特高。

21、压直流控制保护系统的稳态特性及动态特性仿真研究。 0051 控制保护系统核心是两种不同的控制方式，即直流电流控制及直流电压控制，其 控制原理图如图5及图6所示。 0052 在直流电流控制中，ALPHAMAX功能模块分别与电压调节器和电流调节器连接；电 压调节器和电流调节器连接；计算环节分别与过电压限制器和电压调节器连接；直流电流 控制器与电流调节器连接； 0053 直流电流控制包括：直流电流控制器将直流系统的实测电流与直流电流指令值的 差值通过比例积分环节后得出触发角的指令值，电压调节器输出作为其下限的限制值，而 ALPHAMAX功能块输出作为其上限值，其流程图如图7所示。 0054 在直流电。

22、压控制中，ALPHAMAX功能模块与电压调节器连接；计算环节分别与电压 调节器、过电压限制器和电流调节器连接；直流电流控制器与电流调节器连接； 0055 直流电压控制包括：直压电流控制器将直流系统的实测电压与计算电压参考值的 差值通过比例积分环节后得出触发角的指令值，电压调节器输出作为电流调节器上限的限 制值，而ALPHAMAX功能块输出作为电压调节器上限值，其流程图如图8所示。 0056 基于本发明提供的级联多端特高压直流输电仿真系统，进行了级联多端特高压直 流控制保护系统的稳态特性及动态特性仿真研究，以及相关的控制保护仿真研究；控制保 护仿真研究包括以下步骤： 0057 （1）建立直流系统。

23、稳态工况，改变一次仿真平台直流系统的电流定值实现级联多 端特高压直流系统在不同功率水平下稳定运行； 0058 （2）改变与直流系统相连的一次仿真平台交流系统的交流电压参数，通过试验得 出级联多端特高压直流系统的稳态特性； 0059 （3）在一次仿真平台交流系统中进行接地故障试验，验证级联多端特高压直流系 统的响应特性及恢复特性； 0060 （4）在级联多端特高压直流系统中进行直流线路的故障试验，验证级联多端特高 压直流系统的响应特性及恢复特性； 0061 （5）针对控制保护系统进行阶跃响应试验，验证级联多端特高压输电控制保护系 统参数的响应特性；所述控制保护系统参数包括积分常数、增益和比例系数。

24、； 0062 （6）在级联多端特高压直流系统中进行故障试验，验证保护动作的正确性、灵敏 性、及可靠性。 0063 本发明提供的级联多端特高压直流输电仿真系统及其控制保护方法，以国家电网 仿真中心数模混合仿真设备为基础，采用数字发电机模拟交流系统，按比例缩小的变压器 物理模型模拟换流变压器，以CMOS元件为核心的阀板模拟直流输电中的换流阀，以电感、 电阻、电容元件的组合模拟直流输电线路及接地极线路，研究形成了一次部分仿真系统；基 于双端特高压直流控制保护二次系统，结合级联多端特高压直流输电系统的特点，形成了 级联多端特高压直流输电的控制保护系统，基于级联多端特高压直流输电仿真系统，进行 了级联多。

25、端特高压直流控制保护系统的稳态特性及动态特性仿真研究，仿真系统的仿真结 说 明 书CN 102790388 A 5/5页 8 果具有良好的可信度及可靠性。 0064 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽 管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然 可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何 修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 说 明 书CN 102790388 A 1/3页 9 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102790388 A 2/3页 10 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102790388 A 10 3/3页 11 图6 图7 图8 说 明 书 附 图CN 102790388 A 11 。