智能電網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置的設(shè)計與測試

作為現(xiàn)代社會的主要能源，電力與國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生活有著極為密切的關(guān)系。供電不穩(wěn)定，特別是大面積停電事故所造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響是十分嚴(yán)重的。自20世紀(jì)20年代開始，電力工作者就已認(rèn)識到電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題并將其作為系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要方面加以研究。電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制裝置是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行最重要、最直接的手段，構(gòu)成了電網(wǎng)安全的第二道防線，目前電網(wǎng)規(guī)劃中普遍要求裝設(shè)穩(wěn)定控制裝置。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置是一種智能化儀器，實(shí)時測量電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)并通過計算分析判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是否符合電網(wǎng)運(yùn)行的安全準(zhǔn)則，如果電網(wǎng)失穩(wěn)，則及時作出控制命令，通過切機(jī)、切負(fù)荷等控制措施使電網(wǎng)恢復(fù)安全運(yùn)行狀態(tài)?？刂撇呗钥梢灶A(yù)先生成，也可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)通過計算在線搜索最優(yōu)的控制策略。在線生成控制策略的人工智能型穩(wěn)定控制裝置目前已有應(yīng)用，但仍以輔助決策和預(yù)警功能為主，尚未真正實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于電力系統(tǒng)是一個巨大的人造系統(tǒng)，其參數(shù)測量點(diǎn)分布廣泛且距離很遠(yuǎn)，難以對整個系統(tǒng)實(shí)施完全的有效控制。通常穩(wěn)定控制裝置采用分布式配置，在關(guān)鍵發(fā)電廠和變電站配置穩(wěn)控裝置，各個點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)通過光纖通訊實(shí)現(xiàn)共享，控制命令也可以進(jìn)行遠(yuǎn)傳，從而能在整體上對系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)控制，使損失的負(fù)荷最小。

隨著我國特高壓和智能電網(wǎng)的建設(shè)，基本形成了全國聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略格局，其能夠有效地進(jìn)行資源配置、提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。但同時發(fā)生電網(wǎng)穩(wěn)定事故所波及的范圍也將被擴(kuò)大，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性不言而喻。隨著各種計算方法和在線暫態(tài)穩(wěn)定分析理論的發(fā)展，安全穩(wěn)定控制裝置的設(shè)計有了新的思路和實(shí)現(xiàn)途徑。高速數(shù)據(jù)處理芯片、大容量存儲器和高速光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使得安全穩(wěn)定控制裝置由原來的基于8位單片機(jī)的獨(dú)立裝置逐漸發(fā)展為以32位單片機(jī)為主的分布式穩(wěn)定控制裝置，硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和拼裝式結(jié)構(gòu)。應(yīng)用在特高壓電網(wǎng)中的穩(wěn)定控制裝置，運(yùn)行時將面對更為復(fù)雜的電磁環(huán)境，電網(wǎng)的信息量也大大增加，并且更加注重廣域量測信息的應(yīng)用，對通信系統(tǒng)的處理能力提出了更高的要求。

本文根據(jù)特高壓電網(wǎng)規(guī)劃情況和穩(wěn)定控制裝置的發(fā)展趨勢，提出了一種利用ARM處理器、FPGA和嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制裝置的新方法，對系統(tǒng)需求進(jìn)行詳細(xì)的分析、說明，給出了系統(tǒng)總體的設(shè)計方案和測試步驟，動模試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

一、特高壓智能電網(wǎng)對安全穩(wěn)定控制技術(shù)的影響

智能電網(wǎng)是現(xiàn)代電力工業(yè)節(jié)能降耗、合理配置能源結(jié)構(gòu)的必然選擇。[1]各國發(fā)展智能電網(wǎng)動因各不相同，美國主要關(guān)注電力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)合理規(guī)劃和信息系統(tǒng)的升級改造，而歐洲則更側(cè)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(fēng)電資源多集中在西北，而負(fù)荷中心卻集中在東南沿海地區(qū)，大規(guī)模能源外送是中國電網(wǎng)迫切需要解決的問題。因此，國家電網(wǎng)公司在合理規(guī)劃、多方論證的基礎(chǔ)上提出建設(shè)“統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)”的戰(zhàn)略方針，其內(nèi)涵為：堅強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、靈活互動、友好開放。[3]智能電網(wǎng)的建設(shè)，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)提出了更高的要求，同時也是其實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的機(jī)遇。

1.特高壓電網(wǎng)互聯(lián)對穩(wěn)定控制技術(shù)的影響

我國能源分布與電力消費(fèi)之間的不平衡決定了我國電網(wǎng)的基本特征是特高壓、長距離、大容量輸電。大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)而建設(shè)特高壓全國互聯(lián)電網(wǎng)是我國電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。特高壓互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定問題并不是小系統(tǒng)穩(wěn)定問題的簡單疊加，弱聯(lián)絡(luò)線的互聯(lián)電網(wǎng)很容易在故障中失去穩(wěn)定。大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)的區(qū)域和區(qū)間振蕩模式發(fā)生的機(jī)理更為復(fù)雜，系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大、PSS等快速控制裝置的引入可能使系統(tǒng)的阻尼減少，發(fā)生持續(xù)的功率振蕩進(jìn)而造成系統(tǒng)解列。對于現(xiàn)有的控制理論和技術(shù)能否保證特高壓互聯(lián)同步電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行一直存在爭議，[4]掌握大電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性及發(fā)展變化規(guī)律，深入研究特高壓互聯(lián)電網(wǎng)的振蕩機(jī)理，提出有效的抑制措施，進(jìn)而完善適應(yīng)特高壓交直流混合大電網(wǎng)發(fā)展的安全穩(wěn)定運(yùn)行控制基礎(chǔ)理論仍是亟待解決的課題。

互聯(lián)大電網(wǎng)的運(yùn)行方式更為復(fù)雜，基于離線分析生成穩(wěn)定控制策略表的方式已不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的要求。電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的在線應(yīng)用是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的EMS并不能對電網(wǎng)進(jìn)行全面安全預(yù)警和決策支持，而智能電網(wǎng)環(huán)境下，電網(wǎng)運(yùn)行將更逼近其穩(wěn)定極限，故電網(wǎng)量化安全穩(wěn)定評估和智能預(yù)警對保證電網(wǎng)安全至關(guān)重要。在智能電網(wǎng)環(huán)境和復(fù)雜電網(wǎng)動態(tài)下，如何對安全穩(wěn)定運(yùn)行的綜合安全指標(biāo)進(jìn)行定量描述，對考慮可再生能源接入和復(fù)雜控制策略下電網(wǎng)運(yùn)行的靜態(tài)安全、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、低頻振蕩等各類穩(wěn)定問題進(jìn)行在線分析、精確預(yù)警和有效控制，是電網(wǎng)穩(wěn)定控制技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.智能變電站對安全穩(wěn)定控制裝置的要求

隨著中國智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，智能變電站將逐漸替代數(shù)字化變電站。[5]智能變電站是在數(shù)字化變電站基礎(chǔ)上發(fā)展起來的采用智能化一次側(cè)設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動的變電站。[6]智能化變電站將實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化，其二次設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也將發(fā)生巨大的變化。因此，新一代安全穩(wěn)定控制裝置的構(gòu)架、控制方式必須在智能化一次設(shè)備接口、裝置網(wǎng)絡(luò)化以及信息化等方面滿足智能化變電站的要求。

安全穩(wěn)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(guān)、刀閘等位置信號以及保護(hù)跳閘信號，并且為實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，還需采集異地的線路、元件、裝置等的運(yùn)行信息。智能變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)了采集轉(zhuǎn)換設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和智能化，數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制等實(shí)現(xiàn)了全程數(shù)字化，對于數(shù)字化信息的斷面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)合法性問題、多路通信的協(xié)調(diào)及海量信息的提取和處理，都需要進(jìn)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(diào)度中心間具備較強(qiáng)的互動能力，如何充分利用智能化變電站的高級應(yīng)用功能，是下一代分布式穩(wěn)定控制裝置設(shè)計時需考慮的問題之一。

二、特高壓智能電網(wǎng)環(huán)境下穩(wěn)定控制裝置的設(shè)計

1.系統(tǒng)需求

電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)和裝置是提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的有效措施，運(yùn)行中若安穩(wěn)裝置誤動，則可能導(dǎo)致電網(wǎng)誤解列或切除大量的機(jī)組及負(fù)荷，造成不必要的停電損失;而如果裝置拒動，則可能導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定破壞，使原本可以避免的事故擴(kuò)大化。因此，電力系統(tǒng)對安穩(wěn)裝置的安全性和可靠性的要求極高，在系統(tǒng)設(shè)計時需要綜合考慮硬件和軟件的運(yùn)行穩(wěn)定性問題。具體來說，硬件平臺的設(shè)計需要考慮各應(yīng)用功能的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，供電系統(tǒng)的不間斷供電，抗干擾能力和電磁兼容性，人機(jī)接口界面的友好性等;軟件系統(tǒng)需要考慮軟件運(yùn)行的可靠性、自動復(fù)位和計算效率等。考慮到電力系統(tǒng)對可靠性的嚴(yán)格要求，穩(wěn)定控制裝置應(yīng)滿足雙重化原則，即兩套裝置完全獨(dú)立。

2.硬件平臺基本架構(gòu)

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定裝置的硬件采用模塊化設(shè)計方式，各模塊功能獨(dú)立并實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)的主要模塊和作用如下。

(1)電源模塊：用于對系統(tǒng)的不間斷供電，使用雙路直流電源實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)控裝置的24小時不間斷供電，依靠自動切換裝置進(jìn)行電源間的切換。

(2)采樣值接收處理模塊：實(shí)現(xiàn)與量測單元的信息交互和數(shù)據(jù)計算，獲取元件的實(shí)時運(yùn)行信息。

(3)決策判斷模塊：作為裝置的神經(jīng)中樞負(fù)責(zé)收集采用信息并進(jìn)行綜合計算，根據(jù)預(yù)定控制策略作出相應(yīng)的判斷決策，并下發(fā)控制指令。

(4)控制信號接口模塊：負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)接收到的決策判斷模塊和上傳開關(guān)量信息。

(5)通信模塊：負(fù)責(zé)與異地安全穩(wěn)定控制裝置交互信息，獲取異地電網(wǎng)運(yùn)行情況，實(shí)時傳輸遠(yuǎn)方切機(jī)切負(fù)荷指令。

(6)人機(jī)界面綜合信息管理模塊用于文件解析、人機(jī)接口、參數(shù)配置等功能。

各模塊之間采用基于現(xiàn)場FPGA的高速同步串行通信方式交互信息，F(xiàn)PGA同時實(shí)現(xiàn)采集量的快速傅里葉變換(FFT)，能夠在30微秒內(nèi)完成單個元件采集量的計算。硬件平臺的基本架構(gòu)如圖1所示。

3.軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置需要在電網(wǎng)發(fā)生異常時即刻采取措施以保證電網(wǎng)穩(wěn)定，因此對系統(tǒng)軟件的實(shí)時性、穩(wěn)定性和計算效率要求很高。對于智能化變電站，不僅一次側(cè)設(shè)備均提供量測信息的數(shù)字化通信接口，二次信息也均為滿足IEC61850等特定協(xié)議的數(shù)字化信息，這些海量信息的傳輸?shù)陌踩?、可靠性對軟件提出了更高的要求。采用操作系統(tǒng)可大大降低軟件的復(fù)雜程度，提高軟件的可靠性、復(fù)用性和管理水平。對于目前廣泛應(yīng)用的操嵌入式Linux作系統(tǒng)，其源代碼完全開放，軟件人員可以跟蹤修改系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的實(shí)時性;傳統(tǒng)安穩(wěn)裝置軟件系統(tǒng)中占用大量CPU資源進(jìn)行FFT計算，需要多CPU的配置，本系統(tǒng)由于采用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)快速FFT計算，CPU僅完成FFT轉(zhuǎn)換的控制和結(jié)果讀取，采用單臺ARM核心的處理器進(jìn)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)和控制完全能滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

三、軟硬件平臺的綜合測試方法

對特高壓電網(wǎng)安全穩(wěn)定裝置進(jìn)行充分的可靠性測試是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。[7]特高壓互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制需要強(qiáng)大的信息處理能力和高速的信息交互能力，以及良好的穩(wěn)定性。因此，穩(wěn)控裝置需要測試的內(nèi)容有很多，測試將貫徹于系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)研制的全過程，在開發(fā)、生產(chǎn)、工程現(xiàn)場及定檢等各階段都需要進(jìn)行硬件模塊測試、軟件單元測試、系統(tǒng)聯(lián)合測試、控制邏輯測試、故障判據(jù)測試、策略表合理性測試和執(zhí)行結(jié)果測試等。

特高壓安全穩(wěn)定裝置測試流程包括以下步驟。[8]

(1)研發(fā)階段實(shí)驗(yàn)室環(huán)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(fā)和測試，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

(2)中期或成型綜合測試：采用靜態(tài)模擬、數(shù)字仿真、動態(tài)模擬等進(jìn)行系統(tǒng)測試，模擬系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，測試系統(tǒng)策略表的正確性，查找設(shè)計缺陷并及時改進(jìn)。

(3)運(yùn)行前的外界環(huán)境測試：主要進(jìn)行系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力、自然環(huán)境條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平，特高壓電網(wǎng)中電磁干擾尤為嚴(yán)重，需要對裝置的電磁兼容能力進(jìn)行詳細(xì)測試。

(4)掛網(wǎng)試運(yùn)行：將安穩(wěn)裝置投入實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行在線運(yùn)行測試，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)安全隱患并改進(jìn)。

(5)投運(yùn)后的異常測試：產(chǎn)品具備投運(yùn)后的自診斷能力，記錄系統(tǒng)異常情況并改進(jìn)設(shè)計。

特高壓電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制裝置測試的難點(diǎn)還在于其分布式配置特性，造成了系統(tǒng)測試時協(xié)調(diào)和場景模擬等的困難。尤其是大電網(wǎng)的穩(wěn)定控制策略一般比較復(fù)雜，一般采用分層、分級局部測試的方法，整個系統(tǒng)的全面測試較難實(shí)現(xiàn)。[8]傳統(tǒng)測試需要搭建物理仿真平臺進(jìn)行動模試驗(yàn)，系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度均受到限制。大規(guī)模的RTDS仿真系統(tǒng)是對安穩(wěn)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)的有力工具，目前成功應(yīng)用于多個大型安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的測試工作中。[9]

采用上述測試步驟對所設(shè)計的安全穩(wěn)定裝置進(jìn)行嚴(yán)格測試，結(jié)果表明計算模塊測量的有效值和頻率精度均滿足《電網(wǎng)安全穩(wěn)定自動裝置技術(shù)規(guī)范》的要求，抗電磁干擾能力符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并利用實(shí)時數(shù)字仿真系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)動態(tài)模擬試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性均可得到保證。

四、結(jié)語

特高壓和智能電網(wǎng)環(huán)境對電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)提出了新要求和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的穩(wěn)定控制裝置設(shè)計與測試方法已不能滿足切實(shí)需求。本文提出了一種適用于特高壓和智能電網(wǎng)環(huán)境的穩(wěn)定控制裝置的設(shè)計與測試方法?；贏RM高速處理器和FPGA搭建硬件平臺，利用嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)軟件的安全穩(wěn)定裝置，并對系統(tǒng)測試的方法和步驟進(jìn)行總結(jié)，測試結(jié)果表明本文方法的正確性和有效性。

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