特高壓直流輸電具有傳輸距離遠、輸送功率大、啟動和調節速度快、可控性強等優點，已成為我國電網建設的重要部分。特高壓直流輸電工程控制保護系統規模龐大、邏輯復雜，技術掌握難度大，控制與保護耦合緊密，相互影響，導致其故障過程及故障特征復雜，對運維人員的專業技術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，以更好地應對故障的發生、制定故障預案和措施。

然而，目前換流站反事故可視化推演的相關技術和手段嚴重匱乏，且只能依賴實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統進行直流輸電工程的建模和故障模擬，而RTDS造價昂貴、經濟性較差。在此背景下，迫切需要開發一個換流站控制保護仿真平臺，可以進行虛擬操作和故障設置，查看操作后或故障后系統的運行狀況，進行故障錄波回放、故障重現和自動定位分析，幫助運維人員更好地理解特高壓直流控制保護邏輯和原理，提高現場運維技術水平。

本文通過交互數據的共享和分類整理、數據順序傳遞關系的建立，實現變電站仿真系統與PSCAD特高壓直流輸電系統仿真模型引擎的同步運行，從而開發基于PSCAD模型引擎和變電站仿真系統的特高壓直流換流站反事故推演系統。該系統能進一步開展特高壓直流輸電系統的故障錄波回放、故障重現和自動分析、定位，提高特高壓直流輸電工程的運維技術水平。

1 PSCAD仿真工具擴展模型

直流系統仿真采用EMTDC模型，使用PSCAD仿真工具。PSCAD本身只是一個離線仿真工具，不具備對外通信功能，需要使用Fortran語言或C語言作為PSCAD開發擴展模塊，擴展出訪問共享內存功能，實現模型引擎“在線化”應用。

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中直接調用C函數時，自定義模塊與C函數及C文件的關系。

圖1 兩種自定義模塊、C函數及C文件之間的關系

從圖1改進前可以看出，一個自定義模塊對應一個C函數，這些C函數又分布在一個或多個C文件中，由此可知，要調用多少個C函數就要建立多少個自定義模塊，這些函數分布在多少個C文件中就要在PSCAD/EMTDC中引用多少個C文件。

一般而言，大型工程都需要調用大量的C函數，即需要建立大量的自定義模塊，多個模塊的調用很繁瑣，大大影響工作效率。因此對于大型工程而言，這種方法很不實用，需要對其進行改進，如圖1改進后所示，可以編寫一個主函數，在這個主函數中可以調用其他C函數，然后在自定義模塊里調用該主函數，從而達到建立一個自定義模塊就可以調用多個C函數的目的。

1.2 直流控制保護模型總體結構及功能定制

建立模型引擎需要搭建和定制特高壓直流控制保護模型及其功能，特高壓直流控制保護模型完全基于實際工程的控制保護系統，其邏輯結構與實際控制保護系統結構完全一致，如圖2所示（以單個換流站為例）。

圖2 直流控制保護系統邏輯結構

特高壓直流控制保護系統在PSCAD中采用自定義模塊實現，其分層結構在PSCAD中的映射如圖3所示（單個換流站），控制保護自定義模塊與工程控制保護裝置一一對應，即每個實際控制保護裝置對應PSCAD/EMTDC中一個“虛擬裝置”。

圖3中，HMI Controls_SA為整流側運行人員工作站（operator work station, OWS）模擬頁面，采用PSCAD自帶模塊搭建的模擬工程運行人員工作站向控制保護仿真模型下發控制命令。站控制層JN_SA_DCSC為整流側直流站控仿真模塊。極控制保護層JN_SA_P1_HPM為整流側極1控制測量仿真模塊（同時模擬本極極控制測量裝置和兩個換流器控制測量裝置）；JJN_SA_P1_PM為整流側極1保護測量仿真模塊；JN_SA_P1_PPR為極1保護測量模塊。換流器層JN_SA_P1_GC1為整流側極1高端閥組控制仿真模塊；JN_SA_P1_CPR_HG為整流側極1高端保護仿真模塊；JN_SA_ P1_CPR_LG為整流側極1低端保護仿真模塊。

圖3 PSCAD中控制保護系統結構

2 控制保護邏輯建模及現場應用

2.1 控制保護邏輯建模

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現對現場運行的控制保護程序的源碼級移植，構建不依賴實際工程核心控制保護裝置和I/O接口設備的可單機離線運行的特高壓直流控制保護系統仿真模型，從而提高仿真結果的真實性和控制保護模型搭建的效率。

控制保護裝置向PSCAD控制保護仿真模塊無縫轉換前，首先要梳理控制保護機箱裝置與測量裝置之間、控制裝置與保護裝置之間、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傳輸所用載體的通信規約，整理各個裝置之間需要傳輸的模擬量信號和數字量信號，確定所需信號的類型、長度、單位，分析硬件底層程序的處理方法。其次，通過結合模型引擎復雜程度分析控制保護冗余裝置在直流工程中對PSCAD/EMTDC仿真軟件運行速度的影響，對冗余系統做適當的裁剪處理，整理控制保護程序中與時間定值相關的功能塊，優化時間定值，實現可靠銜接。

通過對單臺裝置對應的入口函數的調用，完成仿真系統可識別代碼向控制保護自定義仿真模塊的轉換，并根據實際工程控制保護裝置的通信連接關系將各個控制保護模塊組合成一個完整的直流輸電控制保護系統，最終實現對現場控制保護功能的精準模擬。控制保護裝置模型無縫轉換流程示意圖如圖4所示。

圖4 控制保護裝置模型無縫轉換流程示意圖

2.2 控制保護仿真系統模型現場應用

建立控制保護系統相關模型后，需要與現場進行結合，OWS系統和PSCAD/EMTDC模型使其可利用PSCAD/EMTDC優點滿足控制保護系統的仿真需求，通過以太網與實際控制保護裝置進行數據交互，現場運行人員控制裝置可以給控制保護裝置下發指令，同時接收控制保護系統狀態。

本文采用共享內存機制代替實際工程中控制保護與現場運行人員監控平臺之間的以太網通信方式，對原有通信規約進行改造，從而使現場運行人員控制系統可以通過一塊共享內存向控制保護PSCAD/EMTDC模型下發控制命令，控制保護PSCAD/EMTDC模型可以通過另一塊共享內存向現場運行人員控制系統返回直流系統狀態信息，最終實現對工程現場二次系統的全景可視化模擬。圖5為仿真模型與運行人員控制系統聯動示意圖，圖6為系統通信結構示意圖。

圖5 仿真模型與運行人員控制系統聯動示意圖

圖6 系統通信結構示意圖

PSCAD/EMTDC仿真模型與運行人員控制系統的數據交互如圖7所示：基于PSCAD/EMTDC的特高壓直流輸電系統可視化平臺由直流系統仿真工作站和OWS組成，直流系統仿真工作站運行EMTDC模型計算引擎和運行人員控制系統前置接口程序，OWS的運行人員控制系統后臺客戶端程序。

其中EMTDC模型計算引擎通過自定義接口模塊將共享內存映射到本進程的內存空間中，運行人員控制系統的前置接口程序也將同一共享內存映射到本進程的內存空間中，從而仿真模型和前置接口程序可對同一共享內存進行數據讀寫，并需遵循首次運行者開辟共享內存原則和基于信號量的讀寫互斥原則。

同時，運行人員控制系統的前置通信程序和后臺客戶端程序通過TCP/IP通信進行數據交互，最終實現PSCAD/EMTDC直流控制保護仿真模型與運行人員控制系統的互聯互通和無縫聯動。

與現有技術相比，本技術方法的有益效果是：可以直接使用人機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，從而大大節約了人力成本，降低了仿真誤差，提高了仿真速度。

圖7 PSCAD/EMTDC仿真模型與運行人員控制系統的交互

3 反事故推演系統故障模擬及錄波分析

3.1 反事故推演系統故障模擬

相關模型建立后可以對現場進行模擬分析，故障模擬功能包含一次系統故障、二次系統故障及設備異常故障模擬等，本文以極1直流線路首端發生1000ms金屬接地故障模擬為例，如圖8所示。

3.2 反事故推演系統故障錄波分析

故障后需要對相關的波形進行分析、判斷故障類型及位置，因此通過讀取現場內置或外置故障錄波文件，直流控制保護仿真模型可復現現場工況，并保證保護輸出事件信息的時間節點與順序事件記錄（sequence event record, SER）一致，可實現仿真事件與現場波形的同步展示，從而為故障分析、保護策略調整和優化提供仿真驗證。

圖8 反事故推演系統模擬極1直流線路首端發生1000ms金屬接地故障

歸納總結現場故障發生后的保護區域及該區域故障后保護動作情況對應關系，劃分出不同區域的保護配置分布情況，以及故障點與保護動作的對應關系，并建立故障定位分析庫。根據故障定位分析庫規則，篩選定位出一次故障發生后，系統出現故障的大概區域，為用戶定位出故障范圍，在系統結構圖中標明故障點，該故障點包含故障區域、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，圖9為反事故推演系統故障錄波分析界面。

圖9 反事故推演系統故障錄波分析界面

4 結論

1）實現了模型引擎與換流站仿真系統之間數據交互，通過交互數據的共享和分類整理、數據順序傳遞關系的建立，實現了變電站仿真系統與PSCAD特高壓直流輸電系統仿真模型引擎的同步運行功能。

2）實現了PSCAD模型與外部程序的數據交換功能，將離線仿真工具“在線化”，首次實現PSCAD模型與運行人員監控后臺的全數據交換功能，運行人員監控后臺能直接采用工程現場平臺，既能減少配置工作，又能完成工程現場全部的監視與控制保護功能。

3）通過反事故推演系統對現場內置或外置故障錄波文件的讀取，直流控制保護仿真模型可復現現場工況，并保證保護輸出事件信息的時間節點與現場SER一致，實現了特高壓換流站的故障模擬、故障重現及自動分析等功能，從而提高現場運維人員技能水平。

4）下一步研究方向：將反事故推演系統與換流站設備發生的各種類型故障進行對比，進一步快速準確判定故障的類型、控制保護動作情況及事故處置情況。

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