特高壓和智能電網環境下電力系統穩定控制裝置的設計與測試

2014-01-02 14:36:22 電力信息化　點擊量：評論 (0)

　　作為現代社會的主要能源，電力與國民經濟建設和人民生活有著極為密切的關系。供電不穩定，特別是大面積停電事故所造成的經濟損失和社會影響是十分嚴重的。自20世紀20年代開始，電力工作者就已認識到電力系統

　　作為現代社會的主要能源，電力與國民經濟建設和人民生活有著極為密切的關系。供電不穩定，特別是大面積停電事故所造成的經濟損失和社會影響是十分嚴重的。自20世紀20年代開始，電力工作者就已認識到電力系統穩定問題并將其作為系統安全運行的重要方面加以研究。電力系統安全穩定控制裝置是保證電力系統安全穩定運行最重要、最直接的手段，構成了電網安全的第二道防線，目前電網規劃中普遍要求裝設穩定控制裝置。

　　電力系統穩定控制裝置是一種智能化儀器，實時測量電網的實際運行參數并通過計算分析判斷系統的運行狀態是否符合電網運行的安全準則，如果電網失穩，則及時作出控制命令，通過切機、切負荷等控制措施使電網恢復安全運行狀態。控制策略可以預先生成，也可以根據實際運行狀態通過計算在線搜索最優的控制策略。在線生成控制策略的人工智能型穩定控制裝置目前已有應用，但仍以輔助決策和預警功能為主，尚未真正實現閉環控制。由于電力系統是一個巨大的人造系統，其參數測量點分布廣泛且距離很遠，難以對整個系統實施完全的有效控制。通常穩定控制裝置采用分布式配置，在關鍵發電廠和變電站配置穩控裝置，各個點的測量數據通過光纖通訊實現共享，控制命令也可以進行遠傳，從而能在整體上對系統進行最優控制，使損失的負荷最小。

　　隨著我國特高壓和智能電網的建設，基本形成了全國聯網的戰略格局，其能夠有效地進行資源配置、提高電網的經濟運行水平。但同時發生電網穩定事故所波及的范圍也將被擴大，電網安全穩定運行的重要性不言而喻。隨著各種計算方法和在線暫態穩定分析理論的發展，安全穩定控制裝置的設計有了新的思路和實現途徑。高速數據處理芯片、大容量存儲器和高速光纖通信網絡的發展，使得安全穩定控制裝置由原來的基于8位單片機的獨立裝置逐漸發展為以32位單片機為主的分布式穩定控制裝置，硬件和軟件實現了標準化、模塊化和拼裝式結構。應用在特高壓電網中的穩定控制裝置，運行時將面對更為復雜的電磁環境，電網的信息量也大大增加，并且更加注重廣域量測信息的應用，對通信系統的處理能力提出了更高的要求。

　　本文根據特高壓電網規劃情況和穩定控制裝置的發展趨勢，提出了一種利用ARM處理器、FPGA和嵌入式Linux系統設計電力系統安全穩定控制裝置的新方法，對系統需求進行詳細的分析、說明，給出了系統總體的設計方案和測試步驟，動模試驗驗證了系統運行的穩定性和可靠性。

　　一、特高壓智能電網對安全穩定控制技術的影響

　　智能電網是現代電力工業節能降耗、合理配置能源結構的必然選擇。[1]各國發展智能電網動因各不相同，美國主要關注電力網絡基礎架構合理規劃和信息系統的升級改造，而歐洲則更側重于可再生能源和分布式能源的大量接入。[2]中國的大部分水電資源集中在西南，火電、風電資源多集中在西北，而負荷中心卻集中在東南沿海地區，大規模能源外送是中國電網迫切需要解決的問題。因此，國家電網公司在合理規劃、多方論證的基礎上提出建設

　　“統一堅強智能電網”的戰略方針，其內涵為：堅強可靠、經濟高效、清潔環保、靈活互動、友好開放。[3]智能電網的建設，對電網安全穩定控制技術提出了更高的要求，同時也是其實現跨越式發展的機遇。

　　1.特高壓電網互聯對穩定控制技術的影響

　　我國能源分布與電力消費之間的不平衡決定了我國電網的基本特征是特高壓、長距離、大容量輸電。大區電網互聯進而建設特高壓全國互聯電網是我國電網發展的趨勢。特高壓互聯電網的穩定問題并不是小系統穩定問題的簡單疊加，弱聯絡線的互聯電網很容易在故障中失去穩定。大規模互聯電網的區域和區間振蕩模式發生的機理更為復雜，系統規模的擴大、PSS等快速控制裝置的引入可能使系統的阻尼減少，發生持續的功率振蕩進而造成系統解列。對于現有的控制理論和技術能否保證特高壓互聯同步電網的安全穩定運行一直存在爭議，[4]掌握大電網安全穩定特性及發展變化規律，深入研究特高壓互聯電網的振蕩機理，提出有效的抑制措施，進而完善適應特高壓交直流混合大電網發展的安全穩定運行控制基礎理論仍是亟待解決的課題。

　　互聯大電網的運行方式更為復雜，基于離線分析生成穩定控制策略表的方式已不能滿足現代電網安全穩定控制的要求。電網安全穩定控制的在線應用是當前的研究熱點，傳統的EMS并不能對電網進行全面安全預警和決策支持，而智能電網環境下，電網運行將更逼近其穩定極限，故電網量化安全穩定評估和智能預警對保證電網安全至關重要。在智能電網環境和復雜電網動態下，如何對安全穩定運行的綜合安全指標進行定量描述，對考慮可再生能源接入和復雜控制策略下電網運行的靜態安全、暫態穩定、電壓穩定、低頻振蕩等各類穩定問題進行在線分析、精確預警和有效控制，是電網穩定控制技術的應用重點和難點。

　　2.智能變電站對安全穩定控制裝置的要求

　　隨著中國智能電網建設的推進，智能變電站將逐漸替代數字化變電站。[5]智能變電站是在數字化變電站基礎上發展起來的采用智能化一次側設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能，實現與相鄰變電站、電網調度等互動的變電站。[6]智能化變電站將實現一次設備的智能化，其二次設備系統結構也將發生巨大的變化。因此，新一代安全穩定控制裝置的構架、控制方式必須在智能化一次設備接口、裝置網絡化以及信息化等方面滿足智能化變電站的要求。

　　安全穩定控制裝置需要采集交流電流、交流電壓等模擬量信息和開關、刀閘等位置信號以及保護跳閘信號，并且為實現協調控制，還需采集異地的線路、元件、裝置等的運行信息。智能變電站內實現了采集轉換設備的標準化、模塊化和智能化，數據采集、傳輸、控制等實現了全程數字化，對于數字化信息的斷面統一、數據同步和數據合法性問題、多路通信的協調及海量信息的提取和處理，都需要進一步的研究。同時，智能化變電站具備分布式智能決策的高級功能，與調度中心間具備較強的互動能力，如何充分利用智能化變電站的高級應用功能，是下一代分布式穩定控制裝置設計時需考慮的問題之一。

　　二、特高壓智能電網環境下穩定控制裝置的設計

　　1.系統需求

　　電網的安全穩定控制系統和裝置是提高電網穩定性的有效措施，運行中若安穩裝置誤動，則可能導致電網誤解列或切除大量的機組及負荷，造成不必要的停電損失;而如果裝置拒動，則可能導致電網穩定破壞，使原本可以避免的事故擴大化。因此，電力系統對安穩裝置的安全性和可靠性的要求極高，在系統設計時需要綜合考慮硬件和軟件的運行穩定性問題。具體來說，硬件平臺的設計需要考慮各應用功能的模塊化、標準化，供電系統的不間斷供電，抗干擾能力和電磁兼容性，人機接口界面的友好性等;軟件系統需要考慮軟件運行的可靠性、自動復位和計算效率等。考慮到電力系統對可靠性的嚴格要求，穩定控制裝置應滿足雙重化原則，即兩套裝置完全獨立。

　　2.硬件平臺基本架構

　　電力系統安全穩定裝置的硬件采用模塊化設計方式，各模塊功能獨立并實現標準化。系統的主要模塊和作用如下。

　　(1)電源模塊：用于對系統的不間斷供電，使用雙路直流電源實現對穩控裝置的24小時不間斷供電，依靠自動切換裝置進行電源間的切換。

　　(2)采樣值接收處理模塊：實現與量測單元的信息交互和數據計算，獲取元件的實時運行信息。

　　(3)決策判斷模塊：作為裝置的神經中樞負責收集采用信息并進行綜合計算，根據預定控制策略作出相應的判斷決策，并下發控制指令。

　　(4)控制信號接口模塊：負責轉發接收到的決策判斷模塊和上傳開關量信息。

　　(5)通信模塊：負責與異地安全穩定控制裝置交互信息，獲取異地電網運行情況，實時傳輸遠方切機切負荷指令。

　　3.軟件系統結構

　　電網安全穩定控制裝置需要在電網發生異常時即刻采取措施以保證電網穩定，因此對系統軟件的實時性、穩定性和計算效率要求很高。對于智能化變電站，不僅一次側設備均提供量測信息的數字化通信接口，二次信息也均為滿足IEC61850等特定協議的數字化信息，這些海量信息的傳輸的安全性、可靠性對軟件提出了更高的要求。采用操作系統可大大降低軟件的復雜程度，提高軟件的可靠性、復用性和管理水平。對于目前廣泛應用的操嵌入式Linux作系統，其源代碼完全開放，軟件人員可以跟蹤修改系統以保證系統的實時性;傳統安穩裝置軟件系統中占用大量CPU資源進行FFT計算，需要多CPU的配置，本系統由于采用FPGA硬件實現快速FFT計算，CPU僅完成FFT轉換的控制和結果讀取，采用單臺ARM核心的處理器進行系統協調和控制完全能滿足系統需求。

　　三、軟硬件平臺的綜合測試方法

　　對特高壓電網安全穩定裝置進行充分的可靠性測試是保證電網安全穩定運行的重要保障。[7]特高壓互聯電網的安全穩定控制需要強大的信息處理能力和高速的信息交互能力，以及良好的穩定性。因此，穩控裝置需要測試的內容有很多，測試將貫徹于系統設計和開發研制的全過程，在開發、生產、工程現場及定檢等各階段都需要進行硬件模塊測試、軟件單元測試、系統聯合測試、控制邏輯測試、故障判據測試、策略表合理性測試和執行結果測試等。

　　(6)人機界面綜合信息管理模塊用于文件解析、人機接口、參數配置等功能。

　　各模塊之間采用基于現場FPGA的高速同步串行通信方式交互信息，FPGA同時實現采集量的快速傅里葉變換(FFT)，能夠在30微秒內完成單個元件采集量的計算。

　　特高壓安全穩定裝置測試流程包括以下步驟。[8]

　　(1)研發階段實驗室環境下的初期測試：以單元測試和模塊測試為主的測試，目的是各硬件模塊和程序單元功能的完整性，可以采用并行開發和測試，縮短產品開發周期。

　　(2)中期或成型綜合測試：采用靜態模擬、數字仿真、動態模擬等進行系統測試，模擬系統運行環境，測試系統策略表的正確性，查找設計缺陷并及時改進。

　　(3)運行前的外界環境測試：主要進行系統在復雜電磁環境下的抗干擾能力、自然環境條件下系統的穩定運行水平，特高壓電網中電磁干擾尤為嚴重，需要對裝置的電磁兼容能力進行詳細測試。

　　(4)掛網試運行：將安穩裝置投入實際系統進行在線運行測試，及時發現系統安全隱患并改進。

　　(5)投運后的異常測試：產品具備投運后的自診斷能力，記錄系統異常情況并改進設計。

　　特高壓電力系統穩定控制裝置測試的難點還在于其分布式配置特性，造成了系統測試時協調和場景模擬等的困難。尤其是大電網的穩定控制策略一般比較復雜，一般采用分層、分級局部測試的方法，整個系統的全面測試較難實現。[8]傳統測試需要搭建物理仿真平臺進行動模試驗，系統規模和復雜程度均受到限制。大規模的RTDS仿真系統是對安穩系統進行閉環試驗的有力工具，目前成功應用于多個大型安全穩定控制系統的測試工作中。[9]

　　采用上述測試步驟對所設計的安全穩定裝置進行嚴格測試，結果表明計算模塊測量的有效值和頻率精度均滿足《電網安全穩定自動裝置技術規范》的要求，抗電磁干擾能力符合行業標準，并利用實時數字仿真系統進行閉環動態模擬試驗，系統運行的安全性和可靠性均可得到保證。

　　四、結語

　　特高壓和智能電網環境對電網安全穩定控制技術提出了新要求和挑戰，傳統的穩定控制裝置設計與測試方法已不能滿足切實需求。本文提出了一種適用于特高壓和智能電網環境的穩定控制裝置的設計與測試方法。基于ARM高速處理器和FPGA搭建硬件平臺，利用嵌入式Linux系統設計系統軟件的安全穩定裝置，并對系統測試的方法和步驟進行總結，測試結果表明本文方法的正確性和有效性。