智能電網(wǎng)環(huán)境下電力系統穩定控制裝置的設計與測試

作為現代社會(huì )的主要能源，電力與國民經(jīng)濟建設和人民生活有著(zhù)極為密切的關(guān)系。供電不穩定，特別是大面積停電事故所造成的經(jīng)濟損失和社會(huì )影響是十分嚴重的。自20世紀20年代開(kāi)始，電力工作者就已認識到電力系統穩定問(wèn)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(wǎng)安全的第二道防線(xiàn)，目前電網(wǎng)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(shí)時(shí)測量電網(wǎng)的實(shí)際運行參數并通過(guò)計算分析判斷系統的運行狀態(tài)是否符合電網(wǎng)運行的安全準則，如果電網(wǎng)失穩，則及時(shí)作出控制命令，通過(guò)切機、切負荷等控制措施使電網(wǎng)恢復安全運行狀態(tài)?？刂撇呗钥梢灶A先生成，也可以根據實(shí)際運行狀態(tài)通過(guò)計算在線(xiàn)搜索最優(yōu)的控制策略。在線(xiàn)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(shí)現閉環(huán)控制。由于電力系統是一個(gè)巨大的人造系統，其參數測量點(diǎn)分布廣泛且距離很遠，難以對整個(gè)系統實(shí)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(guān)鍵發(fā)電廠(chǎng)和變電站配置穩控裝置，各個(gè)點(diǎn)的測量數據通過(guò)光纖通訊實(shí)現共享，控制命令也可以進(jìn)行遠傳，從而能在整體上對系統進(jìn)行最優(yōu)控制，使損失的負荷最小。

隨著(zhù)我國特高壓和智能電網(wǎng)的建設，基本形成了全國聯(lián)網(wǎng)的戰略格局，其能夠有效地進(jìn)行資源配置、提高電網(wǎng)的經(jīng)濟運行水平。但同時(shí)發(fā)生電網(wǎng)穩定事故所波及的范圍也將被擴大，電網(wǎng)安全穩定運行的重要性不言而喻。隨著(zhù)各種計算方法和在線(xiàn)暫態(tài)穩定分析理論的發(fā)展，安全穩定控制裝置的設計有了新的思路和實(shí)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(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，使得安全穩定控制裝置由原來(lái)的基于8位單片機的獨立裝置逐漸發(fā)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(shí)現了標準化、模塊化和拼裝式結構。應用在特高壓電網(wǎng)中的穩定控制裝置，運行時(shí)將面對更為復雜的電磁環(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(wǎng)規劃情況和穩定控制裝置的發(fā)展趨勢，提出了一種利用ARM處理器、FPGA和嵌入式Linux系統設計電力系統安全穩定控制裝置的新方法，對系統需求進(jìn)行詳細的分析、說(shuō)明，給出了系統總體的設計方案和測試步驟，動(dòng)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(wǎng)對安全穩定控制技術(shù)的影響

智能電網(wǎng)是現代電力工業(yè)節能降耗、合理配置能源結構的必然選擇。[1]各國發(fā)展智能電網(wǎng)動(dòng)因各不相同，美國主要關(guān)注電力網(wǎng)絡(luò )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(fēng)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(wǎng)迫切需要解決的問(wèn)題。因此，國家電網(wǎng)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(wǎng)”的戰略方針，其內涵為：堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、靈活互動(dòng)、友好開(kāi)放。[3]智能電網(wǎng)的建設，對電網(wǎng)安全穩定控制技術(shù)提出了更高的要求，同時(shí)也是其實(shí)現跨越式發(fā)展的機遇。

1.特高壓電網(wǎng)互聯(lián)對穩定控制技術(shù)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(wǎng)的基本特征是特高壓、長(cháng)距離、大容量輸電。大區電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)而建設特高壓全國互聯(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)的穩定問(wèn)題并不是小系統穩定問(wèn)題的簡(jiǎn)單疊加，弱聯(lián)絡(luò )線(xiàn)的互聯(lián)電網(wǎng)很容易在故障中失去穩定。大規?；ヂ?lián)電網(wǎng)的區域和區間振蕩模式發(fā)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(fā)生持續的功率振蕩進(jìn)而造成系統解列。對于現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)的安全穩定運行一直存在爭議，[4]掌握大電網(wǎng)安全穩定特性及發(fā)展變化規律，深入研究特高壓互聯(lián)電網(wǎng)的振蕩機理，提出有效的抑制措施，進(jìn)而完善適應特高壓交直流混合大電網(wǎng)發(fā)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(lián)大電網(wǎng)的運行方式更為復雜，基于離線(xiàn)分析生成穩定控制策略表的方式已不能滿(mǎn)足現代電網(wǎng)安全穩定控制的要求。電網(wǎng)安全穩定控制的在線(xiàn)應用是當前的研究熱點(diǎn)，傳統的EMS并不能對電網(wǎng)進(jìn)行全面安全預警和決策支持，而智能電網(wǎng)環(huán)境下，電網(wǎng)運行將更逼近其穩定極限，故電網(wǎng)量化安全穩定評估和智能預警對保證電網(wǎng)安全至關(guān)重要。在智能電網(wǎng)環(huán)境和復雜電網(wǎng)動(dòng)態(tài)下，如何對安全穩定運行的綜合安全指標進(jìn)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(wǎng)運行的靜態(tài)安全、暫態(tài)穩定、電壓穩定、低頻振蕩等各類(lèi)穩定問(wèn)題進(jìn)行在線(xiàn)分析、精確預警和有效控制，是電網(wǎng)穩定控制技術(shù)的應用重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.智能變電站對安全穩定控制裝置的要求

隨著(zhù)中國智能電網(wǎng)建設的推進(jìn)，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(fā)展起來(lái)的采用智能化一次側設備，以全站信息數字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò )化、信息共享標準化為基本要求，自動(dòng)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(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調節、在線(xiàn)分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級功能，實(shí)現與相鄰變電站、電網(wǎng)調度等互動(dòng)的變電站。[6]智能化變電站將實(shí)現一次設備的智能化，其二次設備系統結構也將發(fā)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(wǎng)絡(luò )化以及信息化等方面滿(mǎn)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(kāi)關(guān)、刀閘等位置信號以及保護跳閘信號，并且為實(shí)現協(xié)調控制，還需采集異地的線(xiàn)路、元件、裝置等的運行信息。智能變電站內實(shí)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(shí)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(wèn)題、多路通信的協(xié)調及海量信息的提取和處理，都需要進(jìn)一步的研究。同時(shí)，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(dòng)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(shí)需考慮的問(wèn)題之一。

二、特高壓智能電網(wǎng)環(huán)境下穩定控制裝置的設計

1.系統需求

電網(wǎng)的安全穩定控制系統和裝置是提高電網(wǎng)穩定性的有效措施，運行中若安穩裝置誤動(dòng)，則可能導致電網(wǎng)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(dòng)，則可能導致電網(wǎng)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(shí)需要綜合考慮硬件和軟件的運行穩定性問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，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(dòng)復位和計算效率等?？紤]到電力系統對可靠性的嚴格要求，穩定控制裝置應滿(mǎn)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(shí)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(shí)現對穩控裝置的24小時(shí)不間斷供電，依靠自動(dòng)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)現與量測單元的信息交互和數據計算，獲取元件的實(shí)時(shí)運行信息。

(3)決策判斷模塊：作為裝置的神經(jīng)中樞負責收集采用信息并進(jìn)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(fā)控制指令。

(4)控制信號接口模塊：負責轉發(fā)接收到的決策判斷模塊和上傳開(kāi)關(guān)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(wǎng)運行情況，實(shí)時(shí)傳輸遠方切機切負荷指令。

(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(chǎng)FPGA的高速同步串行通信方式交互信息，FPGA同時(shí)實(shí)現采集量的快速傅里葉變換(FFT)，能夠在30微秒內完成單個(gè)元件采集量的計算。硬件平臺的基本架構如圖1所示。

3.軟件系統結構

電網(wǎng)安全穩定控制裝置需要在電網(wǎng)發(fā)生異常時(shí)即刻采取措施以保證電網(wǎng)穩定，因此對系統軟件的實(shí)時(shí)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(mǎn)足IEC61850等特定協(xié)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(kāi)放，軟件人員可以跟蹤修改系統以保證系統的實(shí)時(shí)性;傳統安穩裝置軟件系統中占用大量CPU資源進(jìn)行FFT計算，需要多CPU的配置，本系統由于采用FPGA硬件實(shí)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(jìn)行系統協(xié)調和控制完全能滿(mǎn)足系統需求。系統的軟件結構如圖2所示。

三、軟硬件平臺的綜合測試方法

對特高壓電網(wǎng)安全穩定裝置進(jìn)行充分的可靠性測試是保證電網(wǎng)安全穩定運行的重要保障。[7]特高壓互聯(lián)電網(wǎng)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(kāi)發(fā)研制的全過(guò)程，在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、工程現場(chǎng)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、系統聯(lián)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。

特高壓安全穩定裝置測試流程包括以下步驟。[8]

(1)研發(fā)階段實(shí)驗室環(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(kāi)發(fā)和測試，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

(2)中期或成型綜合測試：采用靜態(tài)模擬、數字仿真、動(dòng)態(tài)模擬等進(jìn)行系統測試，模擬系統運行環(huán)境，測試系統策略表的正確性，查找設計缺陷并及時(shí)改進(jìn)。

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

(4)掛網(wǎng)試運行：將安穩裝置投入實(shí)際系統進(jìn)行在線(xiàn)運行測試，及時(shí)發(fā)現系統安全隱患并改進(jìn)。

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

特高壓電力系統穩定控制裝置測試的難點(diǎn)還在于其分布式配置特性，造成了系統測試時(shí)協(xié)調和場(chǎng)景模擬等的困難。尤其是大電網(wǎng)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(gè)系統的全面測試較難實(shí)現。[8]傳統測試需要搭建物理仿真平臺進(jìn)行動(dòng)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(jìn)行閉環(huán)試驗的有力工具，目前成功應用于多個(gè)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(jìn)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(mǎn)足《電網(wǎng)安全穩定自動(dòng)裝置技術(shù)規范》的要求，抗電磁干擾能力符合行業(yè)標準，并利用實(shí)時(shí)數字仿真系統進(jìn)行閉環(huán)動(dòng)態(tài)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(yǔ)

特高壓和智能電網(wǎng)環(huán)境對電網(wǎng)安全穩定控制技術(shù)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(mǎn)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)境的穩定控制裝置的設計與測試方法?；贏(yíng)RM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(jìn)行總結，測試結果表明本文方法的正確性和有效性。

參考文獻：

[1] 林宇鋒, 鐘金, 吳復立. 智能電網(wǎng)技術(shù)體系探討 [J]. 電網(wǎng)技術(shù),2009,(12).

[2] 李晨光, 王蕓波, 劉太學(xué). 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在智能配電網(wǎng)中的應用研究[J]. 中國電力教育,2010,(27).

[3] 萬(wàn)秋蘭. 大電網(wǎng)實(shí)現自愈的理論研究方向[J]. 電力系統自動(dòng)化,2009,(17).

[4] 蒙定中. 建議直流遠送/ 穩控互聯(lián)各大區強化的同步網(wǎng), 避免全國1000kV 聯(lián)網(wǎng)[J]. 電力自動(dòng)化設備,2007,(5).

[5] 宋錦海, 宣筱青, 朱開(kāi)陽(yáng), 等. 基于IEC 61850 的安全穩定控制裝置方案設計[J]. 電力系統自動(dòng)化,2010,(12).

[6] 關(guān)杰, 白鳳香. 淺談智能電網(wǎng)與智能變電站[J]. 中國電力教育,2010,(21).

[7] 邵俊松, 李雪明, 方勇杰. 安全穩定控制裝置通用測試儀器[J]. 電力系統自動(dòng)化,2007,(17).

[8] 王亮, 王新寶, 高亮, 等. 基于故障場(chǎng)景的區域電網(wǎng)安全穩定控制系統測試方法[J]. 電力系統自動(dòng)化,2007,(18).

[9] 郭琦, 韓偉強, 賈旭東, 等. 云廣直流輸電工程安穩裝置的RTDS 試驗方法研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù),2010,(2).