直流輸電中自動功率控制的研究與實現(xiàn)

鄂士平，黃浩然

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.許繼電氣直流輸電系統(tǒng)部，河南 許昌 461000)

高壓直流輸電具有遠(yuǎn)距離、大容量、低損耗的優(yōu)點，是實現(xiàn)我國能源資源優(yōu)化配置的有效途徑，能夠取得良好的社會經(jīng)濟(jì)綜合效益［1］。目前我國運行和在建的直流工程都是按照有人值守的方式進(jìn)行設(shè)計的，運行人員需要按照調(diào)度的指令，在指定的時間點輸入功率的參考值，并手動計算功率的升降速率，且每天都是這樣的重復(fù)性勞動。已投入運行的直流工程也都具有直流自動功率控制功能，但都存在著數(shù)據(jù)輸入繁瑣、實際功率控制準(zhǔn)確度不高、沒有實現(xiàn)與控制保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動功能等缺點，故該功能基本沒有投入使用。本文在研究現(xiàn)有運行直流工程的基礎(chǔ)上，分析各大廠商直流工程自動功率控制的實施方法，并對各種方法進(jìn)行對比，提出一種比較完善的控制方法，該方法能大大減少運行人員的任務(wù)量，為整個直流系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行提供技術(shù)保障。

1 國外的經(jīng)驗

當(dāng)前外方的控制保護(hù)系統(tǒng)主流廠商為西門子和ABB，以下將介紹它們對于自動功率控制的實現(xiàn)方式和方法。

1.1 西門子技術(shù)的自動功率控制

西門子自動功率控制功能融合在站SCADA系統(tǒng)中，包含日計劃和周計劃表，如圖1所示。

當(dāng)前編輯的自動功率計劃值保存在本地計算機中。西門子自動功率控制有效的必要條件:

a.本站為主導(dǎo)站;

b.雙極工作在自動功率模式。

西門子自動功率控制的實現(xiàn)，是簡單的模擬運行人員發(fā)令的功能。其中Time為發(fā)令時刻，Power為功率參考值，Ramp為功率升降速率。西門子控制保護(hù)實現(xiàn)的方式為在某一時刻下發(fā)一個功率參考值，功率在當(dāng)前值按照設(shè)定的升降速率進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，在一段時間之后，功率才能達(dá)到功率參考值，這樣的控制模式將導(dǎo)致實際的功率值滯后于計劃值。同時，該功率計劃值只保留在1臺工作站中，沒有對功率計劃值進(jìn)行工作站的全部分發(fā)，如果該工作站沒有直流控制位置或者出現(xiàn)故障，自動功率將無法執(zhí)行。

圖1 西門子自動功率控制界面

1.2 ABB技術(shù)的自動功率控制

ABB對于自動功率控制的實現(xiàn)和站SCADA系統(tǒng)完全分離，采用單獨的一個程序進(jìn)行編輯、啟動和運行，如圖2所示。

圖2 ABB自動功率控制界面

當(dāng)需要增加1個新的數(shù)據(jù)點時，文本框中的時間和功率初始值是列表視窗中所選擇的點與其之前的1個點的平均值。使用者可以改變?nèi)掌?(對周或月曲線)、時間、變化速率和功率。其它文本框的內(nèi)容將由程序自動計算得出。當(dāng)曲線中插入1個點，主窗口中的列表視窗和圖形都將自動更新，如圖3所示。

圖3 ABB自動功率控制編輯界面

2 問題分析

ABB和西門子都在SCADA系統(tǒng)中實現(xiàn)了自動功率控制功能。兩廠商對于自動功率實現(xiàn)的方法也基本一致，西門子將自動功率控制功能在SCADA系統(tǒng)中實現(xiàn)，而ABB則采用了單獨的控制程序。兩種實現(xiàn)方法都需要運行人員手動計算發(fā)令時間和斜率。能否直接通過輸入調(diào)度下發(fā)的功率曲線值自動計算發(fā)令時間和斜率，兩廠商都對“自動功率”與“手動功率”間的切換未作任何處理，對直流系統(tǒng)的異常也都沒有任何的告警和處理，這樣不利于直流工程的穩(wěn)定運行。同時，兩種方法的實現(xiàn)都只是在單機實施，沒有任何冗余措施，這不符合高壓直流輸電系統(tǒng)的基本要求。

3 自動功率控制的新方法

本文結(jié)合寧東—山東±660 kV直流輸電示范工程，詳細(xì)介紹該工程的自動功率控制的冗余策略和實現(xiàn)方法。

3.1 冗余策略

自動功率控制功能的實現(xiàn)和SCADA系統(tǒng)融為一體，以充分利用SCADA系統(tǒng)的冗余架構(gòu)和自檢原理，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。SCADA系統(tǒng)有冗余的2臺服務(wù)器設(shè)備，運行人員通過客戶端界面錄入自動功率的計劃值，自動功率的計劃值數(shù)據(jù)保存在2臺服務(wù)器的商用數(shù)據(jù)庫中，主實時處理程序從數(shù)據(jù)庫中取出計劃值數(shù)據(jù)，然后通過主服務(wù)器通信程序下發(fā)到冗余的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的原理圖如圖4所示。

圖4 自動功率計劃系統(tǒng)原理圖

3.2 實現(xiàn)原理

自動功率曲線的原理示意圖如圖5所示。圖中A、B、C、D、E……為調(diào)度發(fā)給換流站的功率曲線中功率設(shè)置點 (15 min 1個點)，描繪出的功率曲線如虛線所示。按照當(dāng)前設(shè)計的算法，允許運行人員整定1個提前量Δt(為了調(diào)度考核需要，允許功率提前一小段時間到達(dá))，實際功率曲線將會如實線所示，如果提前量整定為0，則將和調(diào)度設(shè)定曲線—紅線基本吻合。運行人員輸入的數(shù)據(jù)點只涉及功率存在變化的數(shù)據(jù)點，如圖5曲線顯示，運行人員僅須輸入點D、G、K點的參考值和時間戳;其它值會自動進(jìn)行計算。

3.3 實現(xiàn)方式

功率參考值下發(fā)時間的計算，參照調(diào)度中心考核要求，以當(dāng)前功率點向前15 min為功率參考值下發(fā)時間，完全利用此15 min為整個功率升降區(qū)間，使功率升降時間盡可能長，功率升降的速率盡可能低，以保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 自動功率原理圖

斜率的計算中，斜率值按照計算公式 (功率差×60/時間差 (s))計算所得，其中功率差為當(dāng)前功率點和前一功率點之間的差值［2］:

為了避免因計算功率升降差值 (P2－P1)過小導(dǎo)致計算得到的斜率值過小，在實際系統(tǒng)中V的最小值取10 MW/min，且在系統(tǒng)中計算采用進(jìn)一法 (有小數(shù)就加1)，避免因系統(tǒng)誤差導(dǎo)致功率升降滯后。

在功率參考值下發(fā)的前5 min(此時間可根據(jù)需要調(diào)整)，會提示將在5 min后發(fā)送的功率參考值和斜率值，便于運行人員監(jiān)視自動功率功能是否正常和檢查設(shè)置值的正確性，在功率參考值下發(fā)時會提示已經(jīng)發(fā)送的功率參考值和斜率值，便于運行人員掌握功率的變化情況，保證其可靠性。

考慮到調(diào)度中心今天和明天之間的曲線變化不大或完全沒有變化，提供可以把指定天的曲線直接復(fù)制到下一天的功能，便于操作。這樣可以減少整定的工作量，降低整定的錯誤風(fēng)險，其實現(xiàn)原理只為修改下發(fā)命令的時間，即把時間增加86 400 s(24×60×60)后保存。

3.4 設(shè)定方式

在實際使用過程中，只需要設(shè)定時間功率值即可，其它參數(shù)會自動計算，設(shè)定界面如圖6所示。并且功率發(fā)送時間和預(yù)計到達(dá)時間在設(shè)置時可以看到，保證實際運行工況在可控制范圍之內(nèi)。

圖6 自動功率計劃值設(shè)定界面

3.5 異常處理

當(dāng)控制系統(tǒng)條件不滿足時，如控制位置切換，或為手動控制模式，由于這些情況下控制系統(tǒng)不會執(zhí)行自動功率指令，因此自動功率不會下發(fā)命令，此時會在功率需要調(diào)節(jié)前5 min以事件方式提示運行人員，給手動控制預(yù)留一定時間。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合實際分析了目前國外直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)的自動功率控制的實現(xiàn)，在吸取國外技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過算法和實現(xiàn)的改進(jìn)，提出了一種新的且可行的實現(xiàn)方式，并對可能危害系統(tǒng)運行的工況進(jìn)行了改進(jìn)，可供新建或改造的直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)參考。

［1］劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2010.

［2］石 巖，韓 偉，張 民，等.特高壓直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)的初步方案［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(2):11－15.