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1、在直流输电控制保护、静态无功补偿SVC等系统前期设计、控制系统参数优化、保护定值整定等过程中常常利用仿真工具进行辅助设计，目前采用的仿真工具一般是PSCAD/EMTDC。本章主要以直流输电工程为例介绍其仿真。与直流输电系统物理仿真相比较，直流输电系统数字仿真具有很多独特的优点，本章提出基于PSCAD软件建立直流输电系统模型应该遵循的一般原则和要求，分析基于直流输电的数字仿真系统的主要特点。 本章分为两节，在第一节主要介绍直流输电系统的工程建模，第二节介绍信号传递模式探讨以及通信模块的开发。第一节 工程仿真模型框架搭建直流输电系统仿真按仿真模型可分为物理仿真和数字仿真。人们很早就采用直流计算台、

2、动态模拟和模拟计算机等物理仿真方法研究直流输电系统。这种数模混合式仿真虽然可以实时仿真直流输电系统的运行过程，也能得出与现场完全一致的物理现象，但由于数模混合式仿真中的直流系统物理模拟仿真器通常由数十个庞大的机柜组成，占地面积大，造价昂贵，不利于维护推广。目前中国电力科学研究院直流研究采用物理仿真和数字仿真两套体系。一、HVDC 整体构架安排对灵宝直流输电工程进行仿真建模，如图9-1。从系统结构上说，每个站的结构配置 大致相同，用大系统仿真代表交流电网，用滤波器子模块进行谐波滤除和无功补偿，控制程序放在了每个站的pole 子页中，每个站单独设立一个子页作为控制面板，单独设立一个子页进行变量波形

3、记录和分析。图9-1 一次设备部分换流变压器以及晶闸管模型二、 交流滤波器模型位于Station A Filter子模块中，每个站采用十四组交流滤波进行无功补偿以及谐波滤除，参数设置由实际工程的系统研究后给出，经过串并联等值计算后填写入PSCAD 模块，在控制部分的RPC 功能包中几乎所有逻辑以及计算是为了计算投入的滤波器组数以及型号，开出分合分组滤波器命令。三、 控制保护策略 仿真模型的核心部分，在整个直流输电的控制保护中，核心控制程序均放在了这几个程序包中，为了使程序结构层次鲜明突出便于更改和阅读，按照不同功能将其分成不同的程序包，在不同程序包需要信号的交换时，使用了Radiolink模块

4、进行中继收发。1 极控制中电压限流VDCOL环节。控制保护程序的架构太大，为了保证逻辑清晰，采用了分层结 构，按照大的功能对逻辑进行分区，在模块中又按照具体功能进行嵌套，形成子模块之间的多层嵌套，图9-1是在电流指令输出前的最后环节的电压限流部分。2 模拟量Udc 的处理，包含计算滤波，迟滞 ，标幺化图9-2 部分控制程序逻辑图9-3 点火时间计算图9-4 Curve监视功能第二节 工程数字仿真建模难点介绍数字仿真有什么优势呢？直流输电系统数字仿真具有不受原模型系统规模和结构复杂性的限制，能保证系统的安全性和良好的经济型方便性等诸多优点。简单的从直流输电数字仿真发展的技术可能性看，数字计算机和

5、数值计算技术已经得到了飞速的发展，面向对象技术、现代数字仿真算法、高性能的可视化数值计算工具软件等与系统仿真有着密切关系的新技术发展也很快，为直流输电数字仿真的研究提供了有利条件。以PSCAD/EMTDC程序为软件平台的直流输电数字仿真系统是分析和研究直流输电和交直流互相影响等问题的主要工具，进行的研究对象主要包含： 直流输电控制保护系统参数优化的研究功能、故障暂态工况的离线分析功能、在负荷变化电压或电流整定值改变等情况下的系统动态特性研究功能、直流输电系统不同控制方式或运行方式间的相互转换时的动态特性研究功能。此外，还应用于交直流联网系统的相互作用，非理想条件下的直流输电系统的谐波特性研究。

6、基于PSCAD/EMTDC 软件建立直流输电系统模型的一般原则和要求：直流输电系统中的控制保护系统比较复杂，它对直流输电系统的性能起着决定性的作用，所以，建立在PSCAD/EMTDC软件上的直流输电系统控制保护模型应该与实际的控制保护相一致。在直流控制保护的仿真模型中，控制系统的功能跟实际的功能块应该在物理连接上十分相似，他们执行的算法和逻辑应该相同，运行的时间步长也应该一样，运行的时间步长也应该一样，这对于研究直流直流系统的动态性能十分重要。但对于与硬件相关的功能，如运行人员控制、远动控制、开关场连锁等，由于它们对于控制的动态性能来说是非关键因素，所以在模型中一般不予表达。除此之外，直流输电

7、控制系统为了保证控制的可靠性采用了冗余，在仿真系统中一般也不考虑。如果对直流系统相连接的交流系统规模很大，没有必要也不可能对交流系统中的所有机组和节点进行完全模拟，必须对系统进行等值简化。对于一次系统的要求主要分为以下几点：1、等值简化网与原网的潮流分布及动态特性保持一致，所以如果系统有多种不同的典型运行方式，为满足该要求，应采用不同的交流系统等值简化网。2、交流系统等值简化应适用于PSCAD/EMTDC建立系统模型。如图9-5。图9-5 简化交流系统模型一、周期和插值PSCAD/EMTDC中提供了一次系统和用于搭建控制系统的基本模型，但是由于以下原因并不能完全适用。（1） 与物理仿真相比，数

8、字仿真时计算机不可能连续的模拟暂态现象，只能在离散的时间点（步长t）求解。t可以根据需要进行选择，为了使仿真具有较高的精度并避免仿真时间过长，步长t一般选择在2550us。（2） PSCAD/EMTDC的元件模型库（Library）提供了很多常用的电力系统元件模型，但在实际的直流输电系统中，有很多元件具有特殊的功能和特性，为准确的在仿真模型中表达这些元件，需要用户自定义元件模型。如图9-6。搭建的控制系统中所有的模块都在同一计算步长（一般为50us）下进行计算，即每50us把所有的模块全部计算一次，没有时间中断的功能。而实际工程中，具有同样功能的模块具有不同的时间中断功能，所以在使用PSCAD

9、/EMTDC自带模块搭建的控制保护模型进行工程相关研究时将会带来很大的误差，并且在PSCAD/EMTDC中的模型和工程实际的应用软件也不能一致，因此需要一套与实际工程一致的PSCAD/EMTDC开发平台用于实际工程的控制系统的相关研究。图9-6 自定义的模型库图9-7 定义时间与中断（3） 在所建立的仿真系统中，交流系统中的发电机、交流线路、负荷、变压器等可根据需要采用不同的模型。在天广交直流混合输电系统数字仿真模型中，其交流系统的发电机采用派克方程模式，包括水轮机和汽轮机模型以及发电机励磁调节器模型、调速器模型、原动机模型和电力系统稳定器模型；交流线路采用了Bergeron模型和等值模型；负

10、荷采用恒阻抗负荷模型；变压器采用理想变压器模型。图9-8 直流塔杆及线路模型在完成建模后当需要修改或者填入系统中的某个元件参数，可简单的通过其弹起菜单进行。在运行环境Runtime中可以显示曲线（Curve）随着程序的运行可以观察到曲线的变化情况，也可以把滑块（Slider）、按钮（Push-button）、刻度表（Dial）和仪表（Meter）等加在Runtime 中，以便交互的控制程序，输出可以通过曲线（Curve）来显示，也可以通过仪表（Meter）进行模拟数字显示。基于以上第二个原因，在协助实际工程进行仿真研究时，或者实际工程应用软件依托于仿真程序进行开发时，更专业的元件模型显得尤为重

11、要。此外，PSCAD的计算周期比较短，对大多数电力系统元件最佳周期是50us，而在实际的应用平台如直流输电领域ABB公司的MACH2平台中分为多个计算周期，这样对于核心计算以及通讯部分采用小采样周期，而对于一些开关量状态不需要迅速响应的部分则采用较大的采样周期，这样能降低CPU的负荷保证在不同周期内分时完成任务。因此，在设计元件时就需要进行任务和调度方面的安排。在某工业平台上调度周期分别是T1=1ms,T2=2ms,T3=4ms,T4=16ms,T5=320ms,如何进行分时执行呢？这就需要我们在系统运行时获取仿真运行过程中的时间信息，用于元件的实时控制，在EMTDC中存在一个全局变量time, 它所指示的就是系统时间，可以直接在脚本中使用。在一些特别情况下要进行任务中断，而中断的时刻恰巧又不是PSCAD步长的整数倍，这个在实际仿真中也是会碰到的，解决的方法一般是进行插值计算，通过插值估算出处于两个采样时刻之间的值，进行输出。对于插值有多种方法，但考虑PSCAD的步长本来就很小，在50us之间插值，通过拉格朗日插值或者其他方法差别都微乎其微。使用者可根据自己工程实际需要自行掌握。继续阅读