廣域電力系統(tǒng)穩(wěn)定器閉環(huán)控制通信實(shí)現(xiàn)技術(shù)

趙維興，林　成，孫　斌，康　鵬，孫元章，張　放

（1.貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，貴陽 550002；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084）

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廣域電力系統(tǒng)穩(wěn)定器閉環(huán)控制通信實(shí)現(xiàn)技術(shù)

趙維興1，林成1，孫斌1，康鵬1，孫元章2，張放2

（1.貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，貴陽 550002；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084）

摘要：該文從如何減小通信網(wǎng)絡(luò)的影響角度，提出了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)廣域PSS閉環(huán)控制架構(gòu)，具有與數(shù)據(jù)上行通道結(jié)合的控制下行通道，控制終端可同步授時(shí)以實(shí)現(xiàn)同步控制及閉環(huán)時(shí)延補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方信號反饋及廣域協(xié)調(diào)控制。在此基礎(chǔ)上結(jié)合應(yīng)用環(huán)境實(shí)現(xiàn)了貴州電網(wǎng)的廣域電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS（power system stabilizer）閉環(huán)控制系統(tǒng)。并闡述了廣域阻尼閉環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了控制下行通道的通信規(guī)約。該文最后對該架構(gòu)進(jìn)行了RTDS硬件閉環(huán)測試，測試結(jié)果表明，該架構(gòu)可有效實(shí)現(xiàn)廣域PSS閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞：閉環(huán)控制；廣域電力系統(tǒng)穩(wěn)定器；通信；架構(gòu)；工程應(yīng)用

從1984年7月至今，國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)發(fā)生10多起電網(wǎng)低頻振蕩事件，貴州電網(wǎng)近年來也出現(xiàn)多次低頻振蕩和強(qiáng)迫振蕩事件。抑制低頻振蕩不僅是理論研究熱點(diǎn)，同時(shí)成為實(shí)際電網(wǎng)面對的熱點(diǎn)問題。目前抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施仍然是加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。隨著相量測量單元PMU（phasor measurement unit）和廣域測量系統(tǒng)WAMS（wide area measurement system）的發(fā)展，基于PMU/WAMS的廣域阻尼控制器的研究成為熱點(diǎn)，特別是一些學(xué)者提出的廣域電力系統(tǒng)穩(wěn)定器WPSS（wide power system stabilizer）［1-5］，通過引入遠(yuǎn)方信號，能夠有效地抑制區(qū)間低頻振蕩。

PMU以測量數(shù)據(jù)更新間隔短且?guī)綍r(shí)標(biāo)，能提供大量實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，大量用于電力系統(tǒng)廣域動態(tài)監(jiān)測。目前已有廣域的附加勵磁控制及直流輸電調(diào)制［4-6］控制器理論設(shè)計(jì)的相關(guān)成果，但實(shí)現(xiàn)基于WAMS的實(shí)時(shí)廣域閉環(huán)控制依然存在困難。廣域閉環(huán)控制中的測量與控制信息經(jīng)由高速通信網(wǎng)絡(luò)在調(diào)度控制中心與各觀測及控制節(jié)點(diǎn)間雙向傳輸實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制，其中考慮通信網(wǎng)絡(luò)影響的廣域閉環(huán)控制架構(gòu)是首要解決的問題。

本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的思想闡述了電力系統(tǒng)廣域PSS閉環(huán)控制架構(gòu)，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了貴州電網(wǎng)的廣域PSS閉環(huán)控制系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括系統(tǒng)中各設(shè)備的功能；通信協(xié)議的選擇；閉環(huán)時(shí)延測試與估計(jì)；設(shè)計(jì)了一種適用于閉環(huán)控制下行通道的通信量穩(wěn)定的通信規(guī)約，最后搭建了實(shí)時(shí)數(shù)字仿真RTDS（real time digital simula?tor）硬件測試平臺，對貴州電網(wǎng)的廣域PSS閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了其有效性。

1　廣域PSS閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

1.1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS（networked control systems）起源于工業(yè)控制，是使用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制回路閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，其本質(zhì)特征在于控制系統(tǒng)元件間的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞，是集計(jì)算、通信、控制于一體的現(xiàn)代工業(yè)及通信系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。典型的NCS及其信息流如圖1所示［7］，傳感器及執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)接口成為實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，傳感器的上行測量數(shù)據(jù)及控制器的下行控制指令均由控制網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制；其他控制則共享整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)采用同樣方式實(shí)現(xiàn)其功能。NCS重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)通信對控制的影響，可概括為三大主要影響因素：網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)時(shí)延、信道可靠性、數(shù)據(jù)包傳輸，三方面均會引起網(wǎng)絡(luò)控制特性的變化。NCS解決網(wǎng)絡(luò)對控制的影響問題主要有兩種途徑［8-10］：一種是在已知網(wǎng)絡(luò)特性的條件下，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)控制策略以減小影響；另一種是不改變控制策略，通過更合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（包括架構(gòu)及通信規(guī)約［10］等）減少數(shù)據(jù)延遲或丟失的發(fā)生。

圖1　典型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及信息流Fig.1　Typical NCS setup and information flows

以上對NCS特點(diǎn)分析可見，電力系統(tǒng)集中式廣域控制系統(tǒng)屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，可將NCS的思想引入廣域控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。目前廣域閉環(huán)控制設(shè)計(jì)中通常將通信網(wǎng)絡(luò)的影響簡化為閉環(huán)時(shí)延，其補(bǔ)償方法多以上述第一種途徑為主，具體包括利用線性矩陣不等式LMI（linear matrix inequality）理論方法［8，11］，采用Padé逼近法近似時(shí)延的設(shè)計(jì)方法［11］，使用相位超前/滯后環(huán)節(jié)補(bǔ)償時(shí)延［17］實(shí)現(xiàn)時(shí)延魯棒性的設(shè)計(jì)方法等，而對第二種途徑研究較少。考慮第二種途徑，即通過合理設(shè)計(jì)控制架構(gòu)減小通信系統(tǒng)的影響，廣域閉環(huán)控制架構(gòu)應(yīng)注重設(shè)備的選擇、接口的設(shè)計(jì)、以及通信量穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約等。

除此以外，廣域閉環(huán)控制架構(gòu)還應(yīng)滿足：功能方面，首先要廣域信號反饋及廣域協(xié)調(diào)控制，然后需要同步授時(shí)以實(shí)現(xiàn)同步控制及閉環(huán)時(shí)延補(bǔ)償；實(shí)現(xiàn)方面，應(yīng)有效減小通信數(shù)據(jù)丟失，增加信道可靠性以及減小閉環(huán)時(shí)延的分布性。

1.2廣域PSS閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

考慮實(shí)際系統(tǒng)時(shí)延特性及目前電網(wǎng)運(yùn)行控制信息構(gòu)成形式，本文所闡述電力系統(tǒng)廣域PSS閉環(huán)控制架構(gòu)，為集中式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其中主要設(shè)備有PMU、廣域網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器WNCS（wide-area network control server）和網(wǎng)絡(luò)控制單元，分別對應(yīng)NCS中的傳感器、控制器和執(zhí)行器，除此以外還有高速通信網(wǎng)絡(luò)。

1）相量測量單元

WAMS構(gòu)成單元PMU裝置安裝于電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)，并通過衛(wèi)星對時(shí)同步測量其電氣量，測量間隔通常為10 ms或20 ms。PMU測量數(shù)據(jù)包括母線三相電壓、電流相量，以及由此計(jì)算得到的零序、正序、負(fù)序電壓、電流相量，各單相及三相有功功率、無功功率以及頻率和頻率變化率；機(jī)組側(cè)PMU裝置除了上述量測外，還有通過轉(zhuǎn)子間相脈沖計(jì)算所得發(fā)電機(jī)的機(jī)械功角、利用發(fā)電機(jī)的參數(shù)及機(jī)端電壓、電流相量計(jì)算的電氣功角。

2）廣域網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器

廣域網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器安裝于調(diào)度控制中心，經(jīng)數(shù)據(jù)上行通道獲取觀測點(diǎn)和控制點(diǎn)的PMU測量數(shù)據(jù)并根據(jù)控制策略進(jìn)行分析計(jì)算，得到控制輸出量，最后經(jīng)控制下行通道發(fā)送至控制電廠NCU。廣域PSS閉環(huán)控制架構(gòu)同樣適用于廣域電壓穩(wěn)定控制等其他廣域控制策略的實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)據(jù)交換均經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)，故廣域網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器僅需要普通以太網(wǎng)的RJ45接口，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)服務(wù)器即滿足需求。

3）網(wǎng)絡(luò)控制單元

網(wǎng)絡(luò)控制單元NCU（networked control unit）首先接收來自廣域網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)包并根據(jù)控制下行的通信規(guī)約解析得到控制指令，然后根據(jù)授時(shí)信息選取控制指令，然后將其轉(zhuǎn)換為與控制器對應(yīng)接口信號（模擬信號或串口信號），實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化閉環(huán)控制。NCU對應(yīng)的電力系統(tǒng)控制器通常為發(fā)電機(jī)調(diào)速器、發(fā)電機(jī)勵磁器、柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS（flexible alternative current transmission systems）、負(fù)荷調(diào)節(jié)器等。為提高抗干擾能力，NCU需要就近與控制器安裝在同一屏柜中，故其硬件平臺需要便于安裝且具備RJ45以太網(wǎng)口及1路D/A輸出，其D/A輸出線性度應(yīng)可準(zhǔn)確還原控制信號。

4）高速通信網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星授時(shí)

PMU至廣域網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器的數(shù)據(jù)上行通道和廣域網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器經(jīng)NCU至電力系統(tǒng)控制器的下行通道均使用電力調(diào)度數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，數(shù)據(jù)上行通道即為已有的WAMS，控制下行通道則需通信網(wǎng)絡(luò)將其作為新的任務(wù)開通相應(yīng)服務(wù)。PMU及NCU由衛(wèi)星定位系統(tǒng)授時(shí)，以保證廣域網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制的同步性，且可根據(jù)時(shí)標(biāo)信息對閉環(huán)時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償。

1.3貴州電網(wǎng)WPSS閉環(huán)控制實(shí)例

貴州電網(wǎng)的WPSS閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。利用模式能觀性能控性理論［18］對貴州電網(wǎng)BPA模型進(jìn)行仿真分析，選擇烏江新廠#1機(jī)組作為廣域PSS閉環(huán)控制的觀測點(diǎn)，思林電廠作為控制點(diǎn)，以烏江新廠#1機(jī)組與思林電廠#1機(jī)組的功角差為反饋輸入信號。廣域PSS輸出與本地PSS輸出疊加后，作為附加勵磁控制實(shí)現(xiàn)了貴州電網(wǎng)的廣域閉環(huán)控制。

圖2　貴州電網(wǎng)的廣域PSS閉環(huán)控制Fig.2　Wide-area PSS control system of Guizhou power grid

2　廣域PSS閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

電力系統(tǒng)廣域PSS閉環(huán)控制對實(shí)時(shí)性要求極高，控制架構(gòu)設(shè)計(jì)需要從各方面綜合考慮以減小閉環(huán)時(shí)延的分布性，首先廣域網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器及NCU需要采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其次通信網(wǎng)絡(luò)需要采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP（user datagram protocol）通信，同時(shí)還需要具體估測整個(gè)閉環(huán)時(shí)延的分布特性。另外，NCU與控制器的接口設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1通信協(xié)議選擇

目前電力系統(tǒng)中的PMU及WAMS主要以傳輸控制協(xié)議TCP（transmission control protocol）協(xié)議進(jìn)行通信?；谶B接的TCP協(xié)議為保證通信可靠性而犧牲了快速性，無連接方式的UDP協(xié)議不會為保證通信可靠性而產(chǎn)生額外時(shí)延，但對網(wǎng)絡(luò)的性能要求更高。電力系統(tǒng)通信由于使用專用信道而沒有帶寬競爭，因此TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)重傳等保證通信可靠性的措施不十分必要。對電力系統(tǒng)廣域閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，個(gè)別數(shù)據(jù)的錯序或丟失可以通過上層應(yīng)用協(xié)議（如絕對時(shí)標(biāo)、累加和校驗(yàn)等）檢出，然后以預(yù)測或插值等方法解決。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院瓦B續(xù)性更為重要，UDP協(xié)議更適合作為廣域閉環(huán)控制系統(tǒng)的通訊協(xié)議。

2.2廣域網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)時(shí)延

閉環(huán)時(shí)延對廣域控制性能的影響很大。廣域網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)時(shí)延主要產(chǎn)生在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上行、控制下行3個(gè)環(huán)節(jié)，3個(gè)環(huán)節(jié)中時(shí)延產(chǎn)生原因及大小如表1所示，其中時(shí)延大小為貴州電網(wǎng)廣域PSS閉環(huán)控制系統(tǒng)在RTDS硬件測試平臺及貴州電網(wǎng)中的實(shí)測值。閉環(huán)時(shí)延主要產(chǎn)生于網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)節(jié)，其中PMU在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要協(xié)調(diào)發(fā)送任務(wù)以致時(shí)延很大，且不同型號PMU的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)延分布性差別很大。實(shí)測中（如表1所示），采用2 Mb/s專用通信信道時(shí)，從PMU數(shù)據(jù)發(fā)送，上行通道延時(shí)及數(shù)據(jù)解析時(shí)間為30 ms，WPSS裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及策略計(jì)算需10 ms，策略指令下發(fā)及下行通道延時(shí)需10 ms，控制器轉(zhuǎn)換及勵磁響應(yīng)時(shí)延約5 ms，整個(gè)閉環(huán)控制時(shí)延分布在60 ms而不會出現(xiàn)突變的情況。

表1廣域網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)時(shí)延Table 1 Wide-area network closed-loop time delay

廣域網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制算法需要對時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償處理，時(shí)延的分布性越大則越難達(dá)到很好的補(bǔ)償效果。為此在硬件架構(gòu)層面，除使用同步控制方法外，應(yīng)選擇時(shí)延分布性小的設(shè)備，同時(shí)在條件允許的情況下盡可能使用專用通信信道。

2.3執(zhí)行器與控制器的接口

廣域控制系統(tǒng)需要將控制信號傳送至電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的控制器。對于沒有網(wǎng)絡(luò)接口的電力系統(tǒng)控制器（如勵磁控制器等），需要NCU將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為接口信號。以貴州電網(wǎng)廣域PSS系統(tǒng)為例，廣域PSS的輸出與本地PSS輸出疊加后作為附加勵磁控制信號?？刂泣c(diǎn)思林電廠使用的EXC9000型勵磁控制器具有的白噪聲測試輸入端口，且該測試端口的信號疊加點(diǎn)與廣域PSS相同，輸入信號為-5～+5V的弱電模擬信號，故可選擇其作為NCU輸出至勵磁控制器的控制信號。其傳遞函數(shù)框圖及輸入信號疊加點(diǎn)如圖3所示。圖中LPSS及WPSS分別代表本地和廣域PSS。

圖3　勵磁器傳遞函數(shù)框圖及輸入信號疊加點(diǎn)Fig.3　Transfer function block diagram for excitation and superimposed point for the input signal of WPSS

思林電廠NCU安裝方案如圖4所示。思林電廠共有4臺機(jī)組，廣域PSS安裝于1號和2號機(jī)組。因PMU和NCU及電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)相距較遠(yuǎn)并經(jīng)過電廠的強(qiáng)電橋架，選擇使用光纖實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。另外，由于現(xiàn)場條件限制，NCU使用接收PMU授時(shí)信息的對時(shí)方法，因此NCU和PMU之間也需要光纖網(wǎng)絡(luò)連接。

圖4思林電廠NCU連接方案Fig.4　Implement of NCUs in Silin power plant

3　控制命令通道通信設(shè)計(jì)

貴州電網(wǎng)的廣域PSS閉環(huán)控制的數(shù)據(jù)上行通道為已有的WAMS通信網(wǎng)絡(luò)，廣域PSS服務(wù)器與PMU之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)PMU通信協(xié)議，廣域PSS在通信開始時(shí)獲取PMU的配置信息，然后開始接收PMU的數(shù)據(jù)包并解析出有效數(shù)據(jù)。為保證通信異常狀態(tài)下廣域PSS能正常工作，需要通信容錯處理。

控制下行通道為廣域PSS服務(wù)器和NCU之間傳輸控制命令的通信通道，由于目前尚沒有廣域閉環(huán)控制下行的通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了一種適用于廣域PSS閉環(huán)控制中控制下行通信規(guī)約?？紤]到閉環(huán)控制系統(tǒng)對通信的實(shí)時(shí)性要求，需要盡量減輕通信網(wǎng)的負(fù)荷，幀長度盡可能小，參考已有的PMU通信規(guī)約，控制下行的規(guī)約設(shè)計(jì)需依據(jù)以下原則：

（1）使用UDP協(xié)議；

（2）采用固定幀長，防止通信數(shù)據(jù)量突變；

（3）使用心跳幀機(jī)制，信道建立后，NCU每隔一段時(shí)間主動向廣域PSS服務(wù)器發(fā)送心跳幀，服務(wù)器收到心跳幀后返回心跳幀，如果服務(wù)器沒有收到心跳幀，則認(rèn)為此信道NCU已掉線，停止向此NCU發(fā)送數(shù)據(jù)；

（4）雙向通信，服務(wù)器可以向NCU發(fā)控制指令和控制數(shù)據(jù)，NCU也可以向服務(wù)器反饋信息；

（5）擴(kuò)展性，通信協(xié)議要考慮業(yè)務(wù)擴(kuò)展。

基于上述原則及下行通道功能需求，廣域閉環(huán)下行協(xié)議主要包括：廣域PSS服務(wù)器向NCU發(fā)送的控制數(shù)據(jù)幀和配置幀，NCU向廣域PSS服務(wù)器發(fā)送的反饋消息幀，以及確認(rèn)通信狀態(tài)的心跳幀。所有類型的幀均采用固定幀長，均包含標(biāo)記各幀類型的起始碼、協(xié)議版本號、保留字節(jié)及CRC（cyclic redun?dancy check）校驗(yàn)碼。廣域PSS服務(wù)器向NCU發(fā)送的控制數(shù)據(jù)幀是協(xié)議的關(guān)鍵，其幀格式如表2所示，額外包括：采用世紀(jì)秒SOC（second of century）格式的協(xié)調(diào)世界時(shí)間UTC（coordinated universal time）時(shí)間；控制數(shù)據(jù)序列，其中控制數(shù)據(jù)為整數(shù)，代表輸出的標(biāo)幺值，例如范圍為（-5 000～+5 000）時(shí)代表標(biāo)幺值（-0.05～0.05），每個(gè)數(shù)據(jù)占2個(gè)字節(jié)。其他類型幀依據(jù)功能而數(shù)據(jù)格式略不同。

表2　控制數(shù)據(jù)幀格式Tab.2　Control data frame format

4　硬件閉環(huán)測試

為了校核貴州電網(wǎng)廣域PSS閉環(huán)控制系統(tǒng)的有效性，以2012年貴州電網(wǎng)豐大方式BPA（bonnev?ille power administration）等值數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過RTDS實(shí)時(shí)仿真建模，對貴州電網(wǎng)廣域PSS閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了RTDS硬件閉環(huán)測試。本系統(tǒng)共使用8個(gè)Rack資源。測試平臺如圖5所示，其中兩路功率放大器分別為PMU和勵磁控制器提供信號，NCU轉(zhuǎn)發(fā)的廣域PSS輸出分別輸入到勵磁控制器及RTDS的 GTAI（gigabit transceiver anglogue input card）模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，同時(shí)勵磁調(diào)節(jié)器輸出信號也輸入到GTAI板卡。測試故障為福泉變500 kV母線持續(xù)時(shí)間為0.1 s的三相短路。

圖5RTDS硬件測試平臺Fig.5　Hardware in-the-loop test with RTDS

故障發(fā)生后，PMU監(jiān)測到烏江新廠及思林電廠的同步功角變化如圖6所示。進(jìn)而計(jì)算得到烏江新廠與思林電廠的功角差即為廣域PSS閉環(huán)控制器輸入量，由此計(jì)算控制指令。

圖6PMU監(jiān)測到的烏江新廠及思林電廠的功角Fig.6　Power angles of new Wujiang and Silin from PMU

圖7廣域PSS輸出Fig.7　Wide-area PSS output

對比圖6和圖7可以看出：在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，廣域PSS為輸出，在兩個(gè)電廠功角差最大峰值與圖7廣域PSS輸出調(diào)節(jié)量峰值時(shí)刻基本對應(yīng)。根據(jù)控制規(guī)律計(jì)算得到的廣域PSS輸出并經(jīng)由NCU的D/A板卡輸出的弱電電壓信號如左側(cè)坐標(biāo)所示，RTDS采集后轉(zhuǎn)換的標(biāo)幺值如右側(cè)縱坐標(biāo)所示。

為檢驗(yàn)經(jīng)過實(shí)際設(shè)備的廣域PSS輸出與RTDS內(nèi)部理論計(jì)算值吻合程度，投入RTDS內(nèi)部廣域PSS，與外部真實(shí)廣域PSS設(shè)備輸出信號開環(huán)的對比。如圖8所示，其中理論值為RTDS內(nèi)部計(jì)算結(jié)果，實(shí)測值為由NCU輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換得到的廣域PSS輸出標(biāo)幺值（未加閉環(huán)補(bǔ)償），可見實(shí)測值與理論值趨勢高度吻合，表明廣域PSS閉環(huán)控制架構(gòu)能正確計(jì)算控制規(guī)律。通過對曲線放大對比后，實(shí)測值由于未施加補(bǔ)償閉環(huán)時(shí)延，相對理論值滯后約60 ms，且均勻穩(wěn)定。使用網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制方法補(bǔ)償閉環(huán)時(shí)延［8］，圖8中可見得到的廣域PSS預(yù)測補(bǔ)償值與理論值吻合，本文在廣域閉環(huán)控制架構(gòu)下，提出一種閉環(huán)時(shí)延補(bǔ)償方法，解決廣域閉環(huán)控制中通信時(shí)延問題，實(shí)現(xiàn)了廣域閉環(huán)控制。

圖8　廣域PSS輸出理論值與實(shí)測值對比Fig.8　Comparison between theoretical value and measured value of wide-area PSS output

5　結(jié)語

本文將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的思想引入電力系統(tǒng)廣域PSS閉環(huán)控制架構(gòu)的設(shè)計(jì)中，從廣域閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面減小網(wǎng)絡(luò)通信對控制性能的影響，該架構(gòu)的控制下行通道與數(shù)據(jù)上行通道共用通信網(wǎng)絡(luò)，控制終端可同步授時(shí)以實(shí)現(xiàn)同步控制及閉環(huán)時(shí)延補(bǔ)償，廣域信號反饋及廣域協(xié)調(diào)控制。在此基礎(chǔ)上本文具體實(shí)現(xiàn)了貴州電網(wǎng)的廣域PSS系統(tǒng)，完成了對設(shè)備的選型并對其中的具體實(shí)施細(xì)節(jié)進(jìn)行了測試。目前已完成的針對該系統(tǒng)的RTDS硬件閉環(huán)試驗(yàn)表明，該架構(gòu)可完全實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)廣域閉環(huán)控制的初衷，適合于電力系統(tǒng)廣域閉環(huán)實(shí)時(shí)控制。貴州電網(wǎng)廣域PSS系統(tǒng)目前已投運(yùn)并開環(huán)運(yùn)行，將擇機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行，屆時(shí)將是首次廣域PSS閉環(huán)控制應(yīng)用于實(shí)際電力系統(tǒng)的工程實(shí)例。

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中圖分類號：TM712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-8930（2016）06-0097-06

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.06.017

作者簡介：

趙維興（1979—），男，通信作者，博士，高工，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)優(yōu)化調(diào)度與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、穩(wěn)定計(jì)算分析與控制。Email：zwx182@163.com

林成（1975—），男，碩士，高工，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行及管理。Email：gzdw_lc@163.com

孫斌（1965—），男，碩士，高工，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行、控制及管理。Email：stongxy@vip.sina.com

收稿日期：2014-06-20；修回日期：2015-10-19

Communication Technology for Wide-area PSS Closed-loop Control Realization

ZHAO Weixing1，LIN Cheng，SUN Bin1，KANG Peng1，SUN Yuanzhang2，ZHANG Fang2
（1.Guizhou Electric Power Grid Dispatching and Control Center，Guiyang 550002，China；2.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Abstract：This paper introduces a wide area damping closed-loop controlling framework for power systems，which is characterized by the following aspects：network combining the control order downstream channel with the data uplink channel，synchronized networked terminal achieving the synchronized controlling and the closed-loop time delay com?pensation，a centralized controller compatible with multi-channel wide-area feedback signals and coordination of multichannel controlling.As an application of the framework，wide-area PSS of Guizhou Power Grid which is modified by considering the applied conditions，is achieved by this paper.Then several key technologies for implement of wide area damping closed-loop control system are described，and the communication protocol of downstream channel is designed. An RTDS hardware in the loop test is carried out at last，and the results show that this framework can achieve the net?worked wide-area control effectively.

Key Words：closed-loop control；wide-area power system stabilizer；communication；framework；application