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1、(10)申请公布号 CN 104007667 A (43)申请公布日 2014.08.27 C N 1 0 4 0 0 7 6 6 7 A (21)申请号 201410270656.5 (22)申请日 2014.06.18 G05B 17/02(2006.01) G05B 23/02(2006.01) (71)申请人中国南方电网有限责任公司电网技 术研究中心 地址 510080 广东省广州市越秀区东风东路 水均岗6号粤电大厦西塔 (72)发明人李伟 郭琦 韩伟强 黄立滨 李书勇 关红兵 袁艺 (74)专利代理机构北京科亿知识产权代理事务 所(普通合伙) 11350 代理人赵蕊红 (54) 发明。
2、名称 直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备及检 测方法 (57) 摘要 一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备 及检测方法，设备设置有电站监控系统、励磁控制 系统、调速器电气调节系统、调速器执行机构系 统、特高压直流控制保护系统、实时仿真系统、接 口交互系统和功率放大器；电站监控系统、励磁 控制系统、调速器电气调节系统通过接口交互系 统和功率放大器采集所述实时仿真系统的控制观 测量并将控制信息输入至实时仿真系统，特高压 直流控制保护系统进行直流输电系统控制操作。 检测方法通过上述设备进行。本发明能够对大容 量直流孤岛系统频率稳定性、电压稳定性、机网协 调控制特性进行检测，缩短现场试验的周期，规避。
3、 现场试验的风险，提高电力系统运行的安全稳定 性，具有运行控制灵活、仿真结果精度高等特点。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书6页 附图4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6页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104007667 A CN 104007667 A 1/2页 2 1.一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，其特征在于： 设置有电站监控系统、励磁控制系统、调速器电气调节系统、调速器执行机构系统、特 高压直流控制保护系统、实时仿真系统、接口交互系统和功率放大器； 所述实时仿真系统的第一输出端与所述接口交互系统的第四输。
4、入端连接，所述接口交 互系统的第三输出端与所述实时仿真系统的第一输入端连接，所述接口交互系统的第一输 出端与所述功率放大器的第一输入端连接，所述功率放大器的第一输出端与所述电站监控 系统的第一输入端连接，所述功率放大器的第二输出端与所述励磁控制系统的第二输入端 连接，所述功率放大器的第三输出端与所述调速器电气调节系统的第二输入端连接，所述 电站监控系统的第一输出端与所述调速器电气调节系统的第一输入端连接，所述电站监控 系统的第二输出端与所述励磁控制系统的第一输入端连接，所述调速器电气调节系统的第 一输出端与所述调速器执行机构系统的第一输入端连接，所述励磁控制系统的第一输出端 与所述接口交互系统。
5、的第一输入端连接，所述调速器执行机构系统的第一输出端与所述接 口交互系统的第二输入端连接，所述特高压直流控制保护系统的第一输出端与所述接口交 互系统的第三输入端连接，所述接口交互系统的第二输出端与所述特高压直流控制保护系 统的第一输入端连接； 所述电站监控系统、励磁控制系统、调速器电气调节系统通过接口交互系统和功率放 大器采集所述实时仿真系统的控制观测量并将控制信息输入至所述实时仿真系统，所述特 高压直流控制保护系统进行直流输电系统控制操作。 2.根据权利要求1所述的直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，其特征在于：所述 电站监控系统、励磁控制系统和调速器电气调节系统进行系统级频率、电压稳定控制。
6、；所述 调速器电气调节系统与调速器执行机构系统联合对发电机组的有功功率进行控制和对发 电机组的频率进行调节；所述电站监控系统、励磁控制系统、调速器电气调节系统、调速器 执行机构系统整体对直流孤岛运行系统的发电机组进行控制；所述特高压直流控制保护系 统实现对直流孤岛运行系统的控制。 3.根据权利要求2所述的直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，其特征在于：所述 实时仿真系统为RTDS仿真器。 4.根据权利要求3所述的直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，其特征在于：所述 实时仿真系统对大型水轮发电机组、直流输电系统以及相应交流输电线路进行实时仿真计 算。 5.根据权利要求1或2所述的直流孤岛运行稳定。
7、性闭环仿真检测设备，其特征在于： 所述接口交互系统设置有用于DA信号送出的GTAO板卡、用于AD信号送入的GTAI板卡、用 于开关量送出的GTDO板卡以及用于开关量送入的GTDI板卡。 6.根据权利要求1或2所述的直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，其特征在于： 所述功率放大器的型号为PA30B数字仿真功率放大器。 7.一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测方法，其特征在于：采用如权利要求1至6 任意一项所述的直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备进行， 将实时仿真系统通过接口交互系统、功率放大器大型水轮发电机组实际的控制装置连 接，将实时仿真系统通过接口交互系统与大容量特高压直流控制保护系统相连； 。
8、采用所述实时仿真系统对大型水轮发电机组、直流输电系统以及相应交流输电线路进 权 利 要 求 书CN 104007667 A 2/2页 3 行实时仿真计算，所述控制装置采集所述实时仿真系统的工况信号并进行计算处理获得控 制信息，所述控制装置将相应的控制信息返回输送至所述实时仿真系统； 所述特高压直流控制保护系统实现对大容量特高压直流输电系统的控制操作。 8.根据权利要求7所述的直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测方法，其特征在于： 所述大型水轮发电机组实际的控制装置包括电站监控系统、励磁控制系统、调速器电 气调节系统和调速器执行机构系统； 电站监控系统实现对包含多台大型水轮发电机组并列运行的发电厂进行。
9、自动发电控 制以及自动电压控制，电站监控系统的控制指令通过现场总线下发至励磁控制系统和调速 器电气调节系统； 励磁控制系统实现对大型水轮发电机组的励磁控制、电压调节； 调速器电气调节系统与调速器执行机构系统联合实现对大型水轮发电机组调速控 制； 调速器电气调节系统实现机端电压量测、机组转速换算、调速器电气调节控制模拟，并 输出调门开度指令； 调速器执行机构系统实现对电站引水系统、水轮机、液压系统模拟，并输出发电机组的 原动转矩。 权 利 要 求 书CN 104007667 A 1/6页 4 直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备及检测方法 技术领域 0001 本发明涉及电力系统稳定性技术领域，特别。
10、是涉及一种直流孤岛运行稳定性闭环 仿真检测设备及其检测方法。 背景技术 0002 随着大容量特高压直流输电系统的建成投产，其巨大的输电容量显著提高了电力 系统的电力输送能力。特高压直流输电系统是指800kV量级标准。然而，大容量特高压 直流系统与交流系统并联运行时，直流部分将对交流电网主网架的稳定性带来较大影响， 直流闭锁将导致交流系统线路越极限运行，出现系统阻尼水平低、系统暂态失稳等问题。为 减少大容量特高压直流闭锁故障对电网安全稳定性方面的影响，大容量直流输电系统需要 采用孤岛运行方式，即直流整流站与送端电源自成系统。 0003 为了确保实际输电系统的稳定性，需要针对直流孤岛系统准确研究发。
11、电机组的控 制特性、直流控制保护特性，尤其是需要能详细反映发电机组从负载到停机宽阔运行工况 的调速控制特性。由于直流孤岛系统本身是个精密的小系统，和大系统相比，直流孤岛系统 对仿真参数和模型偏差的容错性较弱。而现有技术中的仿真检测设备及检测方法不适用于 直流孤岛系统。 0004 因此，针对现有技术不足，提供一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备及其 检测方法以克服现有技术不足甚为必要。 发明内容 0005 本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种直流孤岛运行稳定性闭 环仿真检测设备及其检测方法，能够对大容量直流孤岛系统的控制特性进行研究，精确分 析孤岛系统的稳定性。 0006 本发明的。
12、上述目的通过如下技术手段实现。 一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，设置有电站监控系统、励磁控制系统、调 速器电气调节系统、调速器执行机构系统、特高压直流控制保护系统、实时仿真系统、接口 交互系统和功率放大器； 所述实时仿真系统的第一输出端与所述接口交互系统的第四输入端连接，所述接口交 互系统的第三输出端与所述实时仿真系统的第一输入端连接，所述接口交互系统的第一输 出端与所述功率放大器的第一输入端连接，所述功率放大器的第一输出端与所述电站监控 系统的第一输入端连接，所述功率放大器的第二输出端与所述励磁控制系统的第二输入端 连接，所述功率放大器的第三输出端与所述调速器电气调节系统的第二输入端。
13、连接，所述 电站监控系统的第一输出端与所述调速器电气调节系统的第一输入端连接，所述电站监控 系统的第二输出端与所述励磁控制系统的第一输入端连接，所述调速器电气调节系统的第 一输出端与所述调速器执行机构系统的第一输入端连接，所述励磁控制系统的第一输出端 与所述接口交互系统的第一输入端连接，所述调速器执行机构系统的第一输出端与所述接 说 明 书CN 104007667 A 2/6页 5 口交互系统的第二输入端连接，所述特高压直流控制保护系统的第一输出端与所述接口交 互系统的第三输入端连接，所述接口交互系统的第二输出端与所述特高压直流控制保护系 统的第一输入端连接； 所述电站监控系统、励磁控制系统、。
14、调速器电气调节系统通过接口交互系统和功率放 大器采集所述实时仿真系统的母线ABC三相电压瞬时值、定子ABC三相电流瞬时值、机组机 端断路器合闸位置控制观测量并将控制信息输入至所述实时仿真系统，所述特高压直流控 制保护系统进行直流输电系统控制操作。 0007 上述电站监控系统、励磁控制系统和调速器电气调节系统进行系统级频率、电压 稳定控制；所述调速器电气调节系统与调速器执行机构系统联合对发电机组的有功功率进 行控制和对发电机组的频率进行调节；所述电站监控系统、励磁控制系统、调速器电气调节 系统、调速器执行机构系统整体对直流孤岛运行系统的发电机组进行控制；所述特高压直 流控制保护系统实现对直流孤岛。
15、运行系统的控制。 0008 上述实时仿真系统为RTDS仿真器。 0009 上述实时仿真系统对大型水轮发电机组、直流输电系统以及相应交流输电线路进 行实时仿真计算。 0010 上述接口交互系统设置有用于DA信号送出的GTAO板卡、用于AD信号送入的GTAI 板卡、用于开关量送出的GTDO板卡以及用于开关量送入的GTDI板卡。 0011 上述功率放大器的型号为PA30B数字仿真功率放大器。 0012 一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测方法，采用如上述的直流孤岛运行稳定性 闭环仿真检测设备进行， 将实时仿真系统通过接口交互系统、功率放大器大型水轮发电机组实际的控制装置连 接，将实时仿真系统通过接口交。
16、互系统与大容量特高压直流控制保护系统相连； 采用所述实时仿真系统对大型水轮发电机组、直流输电系统以及相应交流输电线路进 行实时仿真计算，所述控制装置采集所述实时仿真系统的工况信号并进行计算处理获得控 制信息，所述控制装置将相应的控制信息返回输送至所述实时仿真系统； 所述特高压直流控制保护系统实现对大容量特高压直流输电系统的控制操作。 0013 上述大型水轮发电机组实际的控制装置包括电站监控系统、励磁控制系统、调速 器电气调节系统和调速器执行机构系统； 电站监控系统实现对包含多台大型水轮发电机组并列运行的发电厂进行自动发电控 制以及自动电压控制，电站监控系统的控制指令通过现场总线下发至励磁控制系。
17、统和调速 器电气调节系统； 励磁控制系统实现对大型水轮发电机组的励磁控制、电压调节； 调速器电气调节系统与调速器执行机构系统联合实现对大型水轮发电机组调速控 制； 调速器电气调节系统实现机端电压量测、机组转速换算、调速器电气调节控制模拟，并 输出调门开度指令； 调速器执行机构系统实现对电站引水系统、水轮机、液压系统模拟，并输出发电机组的 原动转矩。 0014 本发明的直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，设置有电站监控系统、励磁控 说 明 书CN 104007667 A 3/6页 6 制系统、调速器电气调节系统、调速器执行机构系统、特高压直流控制保护系统、实时仿真 系统、接口交互系统和功率放大器。
18、；所述电站监控系统、励磁控制系统、调速器电气调节系 统通过接口交互系统和功率放大器采集所述实时仿真系统的母线ABC三相电压瞬时值、定 子ABC三相电流瞬时值、机组机端断路器合闸位置控制观测量并将控制信息输入至所述实 时仿真系统，所述特高压直流控制保护系统进行直流输电系统控制操作。能够对大容量直 流孤岛系统的控制特性进行研究，精确分析孤岛系统的稳定性。 0015 本发明的直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测方法，采用如上述的直流孤岛运行稳 定性闭环仿真检测设备进行，将实时仿真系统通过接口交互系统、功率放大器大型水轮发 电机组实际的控制装置连接，将实时仿真系统通过接口交互系统与大容量特高压直流控制 保护。
19、系统相连；采用所述实时仿真系统对大型水轮发电机组、直流输电系统以及相应交流 输电线路进行实时仿真计算，所述控制装置采集所述实时仿真系统的工况信号并进行计算 处理获得控制信息，所述控制装置将相应的控制信息返回输送至所述实时仿真系统；所述 特高压直流控制保护系统实现对大容量特高压直流输电系统的控制操作。能够对大容量直 流孤岛系统的控制特性进行研究，精确分析孤岛系统的稳定性。 附图说明 0016 利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限 制。 0017 图1为本发明一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备的结构示意图。 0018 图2为本发明电站监控系统的结构示意图。 00。
20、19 图3为本发明发电机静止励磁控制系统的结构示意图。 0020 图4为本发明发电机调速控制的结构示意图。 0021 图5为本发明发电机调速器执行机构的结构示意图。 0022 图6为本发明直流孤岛系统的结构示意图。 具体实施方式 0023 结合以下实施例对本发明作进一步描述。 0024 实施例1。 0025 一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，如图1所示，设置有电站监控系统 100、励磁控制系统200、调速器电气调节系统300、调速器执行机构系统400、特高压直流控 制保护系统500、实时仿真系统600、接口交互系统700和功率放大器800。 0026 实时仿真系统600的第一输出端611。
21、与接口交互系统700的第四输入端724连接， 接口交互系统700的第三输出端713与所述实时仿真系统600的第一输入端621连接，所 述接口交互系统700的第一输出端711与所述功率放大器800的第一输入端821连接，所 述功率放大器800的第一输出端811与所述电站监控系统100的第一输入端121连接，所 述功率放大器800的第二输出端与812所述励磁控制系统200的第二输入端222连接，所 述功率放大器800的第三输出端813与所述调速器电气调节系统300的第二输入端322连 接，所述电站监控系统100的第一输出端111与所述调速器电气调节系统300的第一输入 端321连接，所述电站监控系。
22、统的第二输出端112与所述励磁控制系统200的第一输入端 说 明 书CN 104007667 A 4/6页 7 221连接，所述调速器电气调节系统300的第一输出端311与所述调速器执行机构系统400 的第一输入端421连接，所述励磁控制系统200的第一输出端211与所述接口交互系统700 的第一输入端721连接，所述调速器执行机构系统400的第一输出端411与所述接口交互 系统700的第二输入端722连接，所述特高压直流控制保护系统500的第一输出端511与 所述接口交互系统700的第三输入端723连接，所述接口交互系统700的第二输出端712 与所述特高压直流控制保护系统500的第一输入端。
23、521连接。 0027 电站监控系统100、励磁控制系统200、调速器电气调节系统300通过接口交互系 统700和功率放大器800采集所述实时仿真系统600的控制观测量并将控制信息输入至所 述实时仿真系统600，所述特高压直流控制保护系统500进行直流输电系统控制操作。 0028 具体的，电站监控系统100、励磁控制系统200和调速器电气调节系统300进行系 统级频率、电压稳定控制；调速器电气调节系统300与调速器执行机构系统400联合对发电 机组的有功功率进行控制和对发电机组的频率进行调节；电站监控系统100、励磁控制系 统200、调速器电气调节系统300、调速器执行机构系统400整体对直流。
24、孤岛运行系统的发 电机组进行控制；特高压直流控制保护系统500实现对直流孤岛运行系统的控制。 0029 该直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备包含了发电机组的励磁、调速控制以及 全站的有功、无功调节控制、直流输电系统的控制保护，能够准确反映直流孤岛系统机组与 直流系统间的相互作用、机组间的相互作用，能准确反映机组控制逻辑、直流控制保护逻辑 动作的过程。故能够对大容量直流孤岛系统的控制特性进行研究，精确分析孤岛系统的稳 定性。 0030 实施例2。 0031 一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备，其它结构与实施例1相同，不同之 处在于,还具有如下技术特征： 实时仿真系统600为RTDS（Real。
25、 Time Digital Simulation）仿真器。RTDS电力系统 实时仿真设备，由加拿大RTDS技术公司研制。全数字式实时仿真器由计算芯片RSCAD、计算 处理器等硬件设备Rack等组成，包括配套的工作站或微机，可以连续和实时地进行电力系 统的电磁暂态仿真研究。 0032 实时仿真系统600对大型水轮发电机组、直流输电系统以及相应交流输电线路进 行实时仿真计算。具体是对直流孤岛系统电源部分包括大型水轮发电机组六阶电路模型电 磁暂态仿真计算、直流输电系统12脉动阀模型及直流线路电磁暂态仿真计算、交流输电线 路行波模型电磁暂态仿真计算。 0033 接口交互系统700为实时仿真系统600与。
26、电网控制保护装置连接的通讯交互系 统，设置有用于DA信号送出的GTAO板卡、用于AD信号送入的GTAI板卡、用于开关量送出 的GTDO板卡以及用于开关量送入的GTDI板卡。大型水轮发电机组的电站监控系统100、励 磁控制系统200和调速器电气调节系统300采集发电机定子电流、机端电压、机端断路器分 合闸位置等信号进行控制计算获得控制信号，控制装置将相应控制信号返回给实时仿真系 统600。 0034 功率放大器800的型号为PA30B数字仿真功率放大器。 0035 电站监控系统100由两面控制屏柜组成，包括IO模件和CPU，实现 AGC、AVC功能， 按照一定算法完成对全站发电机组有功功率控制、。
27、频率调节，无功功率控制、电压调节。 说 明 书CN 104007667 A 5/6页 8 0036 其中，AGC按照与容量成比例原则控制，即公式（1）。 0037 式中，为参加AGC调频控制的发电机数量； 为参加AGC调频的第台机组在当前水头下最大出力； 为参加AGC调频的所有机组在当前水头出力之和； 为AGC分配到第台机组的有功功率指令。 0038 AVC按照自动电压控制原则控制机组无功，即如下公式（2）和（3）。 0039 按照调度给定全站总无功方式控制无功负荷分配： ； 式中，为全站无功设定值； 为不参加AVC控制机组所发无功之和； 按照调度给定的母线电压值，对全站无功进行分配： ； 式。
28、中，为母线实际电压与给定电压偏差； 为母线电压在正常值范围内的调压系数。 0040 大型水轮发电机组励磁控制系统200由一面屏柜组成，包括励磁调节与PSS，励磁 控制器包含电压环AVR和励磁电流环ECR功能。 0041 电压环AVR：控制目标量为发电机机端电压，运行时给定值可在允许范围内调整； 励磁电流环ECR：控制目标量为励磁电流，运行时的给定值可在10% 到110% 范围内调整（为发电机额定励磁电流，为发电机空载励磁电流）。 0042 调速器电气调节系统300真实反映发电机组调速器电气调节控制规律，由一面屏 柜组成，包括采集发电机组机端电压、定子电流按照一定算法转换为一次调频控制、控制模 。
29、式切换的发电机转速信号，换算为机组定功率控制的有功功率信号，作为调速器电气调节 的开度控制、功率控制模式的输入信号。调速器电气调节系统300最终输出调门指令作为 调速器执行机构的开度信号。 0043 调速器执行机构系统400模拟机组的执行机构的副环、液压系统、水轮机、引水系 统等环节，可以准确反映执行机构的死区、饱和、速度限制特性及分段关闭规律，可以实现 从满载到停机宽阔运行范围的水力过渡过程、机械过渡过程特性仿真。调速器执行机构系 说 明 书CN 104007667 A 6/6页 9 统400最终输出发电机组的原动转矩，驱动机组转子旋转。 0044 特高压直流控制保护系统500可以实现直流输。
30、电系统的正常启停控制、紧急停运 控制、功率调节，可以实现直流输电系统阀单元、直流线路、接地极线路的保护模拟。 0045 电站监控系统的结构示意图如图2所示，发电机静止励磁控制系统的结构示意图 如图3所示，发电机调速控制的结构示意图如图4所示，发电机调速器执行机构的结构示意 图如图5所示，直流孤岛系统的结构示意图如图6所示。 0046 直流孤岛运行稳定性分析的闭环控制仿真试验平台包含了发电机组的励磁、调速 控制以及全站的有功、无功调节控制、直流输电系统的控制保护，能够准确反映直流孤岛系 统机组与直流系统间的相互作用、机组间的相互作用，能准确反映机组控制逻辑、直流控制 保护逻辑动作的过程。能够对大。
31、容量直流孤岛系统的控制特性进行研究，精确分析孤岛系 统的稳定性。 0047 实施例3。 0048 一种直流孤岛运行稳定性闭环仿真检测方法，采用如上实施例1或2所述的直流 孤岛运行稳定性闭环仿真检测设备进行，将实时仿真系统600通过接口交互系统700、功率 放大器800大型水轮发电机组实际的控制装置连接，将实时仿真系统600通过接口交互系 统700与大容量特高压直流控制保护系统500相连； 采用所述实时仿真系统600对大型水轮发电机组、直流输电系统以及相应交流输电线 路进行实时仿真计算，控制装置采集实时仿真系统600的工况信号并进行计算处理获得控 制信息，控制装置将相应的控制信息返回输送至实时仿。
32、真系统600。 0049 特高压直流控制保护系统500实现对大容量特高压直流输电系统的控制操作。 0050 大型水轮发电机组实际的控制装置包括电站监控系统100、励磁控制系统200、调 速器电气调节系统300和调速器执行机构系统400。 0051 电站监控系统100实现对包含多台大型水轮发电机组并列运行的发电厂进行自 动发电控制以及自动电压控制，电站监控系统100的控制指令通过现场总线下发至励磁控 制系统200和调速器电气调节系统300。 0052 励磁控制系统200实现对大型水轮发电机组的励磁控制、电压调节，调速器电气 调节系统300与调速器执行机构系统400联合实现对大型水轮发电机组调速控。
33、制，调速器 电气调节系统300实现机端电压量测、机组转速换算、调速器电气调节控制模拟，并输出调 门开度指令，调速器执行机构系统400实现对电站引水系统、水轮机、液压系统模拟，并输 出发电机组的原动转矩。 0053 本发明可以实现对大容量直流孤岛系统频率稳定性、电压稳定性、机网协调控制 特性的检测研究，缩短现场试验的周期，规避现场试验的风险，提高电力系统运行的安全稳 定性。具有运行控制灵活、仿真结果精度高等特点。 0054 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本发明保 护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质 和范围。 说 明 书CN 104007667 A 1/4页 10 图1 说 明 书 附 图CN 104007667 A 10 2/4页 11 图2 图3 说 明 书 附 图CN 104007667 A 11 3/4页 12 图4 图5 说 明 书 附 图CN 104007667 A 12 4/4页 13 图6 说 明 书 附 图CN 104007667 A 13 。