緊急切負荷網(wǎng)荷互動終端設(shè)計與實現(xiàn)

陸玉軍, 李 澄, 陳 顥, 王 寧, 葛永高

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

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緊急切負荷網(wǎng)荷互動終端設(shè)計與實現(xiàn)

陸玉軍, 李 澄, 陳 顥, 王 寧, 葛永高

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

鑒于調(diào)控切負荷和營銷負控切負荷控制手段都無法同時滿足特高壓直流線路閉鎖故障時負荷緊急控制和保障大型用戶重要負荷供電的需要，文中提出了通過改進專變用戶終端實現(xiàn)負荷快速控制的方法，設(shè)計了一種可滿足用戶可切負荷精細化采集、實時通訊、多主站安全快速控制的通用型緊急切負荷網(wǎng)荷互動終端，并針對現(xiàn)場的負荷接入、功率計算、跳閘出口設(shè)計了一種可靈活配置的解決方案，最終實現(xiàn)終端在用戶現(xiàn)場應(yīng)用，通過實際切負荷測試驗證了終端完全滿足精準切負荷系統(tǒng)的要求。

緊急切負荷；用電信息采集；可中斷負荷；切負荷控制；

0 引言

目前應(yīng)對電網(wǎng)故障和緊急狀態(tài)的重要技術(shù)措施是緊急切負荷，包括安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、低頻低壓減載裝置、事故拉限電等控制手段[1-4]。特高壓直流工程投運后發(fā)生雙極閉鎖等嚴重功率輸送故障將造成受端電網(wǎng)功率缺額，引起頻率跌落、系統(tǒng)穩(wěn)定等緊急情況出現(xiàn)，針對這一問題，國內(nèi)外開展了深入的研究，主要從電網(wǎng)調(diào)控層面對負荷的權(quán)重進行分類，以減少事故停電對用戶造成的損失，確保重要用戶得到供電[5-8]。采取調(diào)控集中切負荷手段可力保主網(wǎng)穩(wěn)定運行，但卻無法避免局部地區(qū)用戶受大面積停電的影響。

江蘇地區(qū)用電信息采集系統(tǒng)經(jīng)過多年的建設(shè)，已實現(xiàn)了全省用戶用電信息采集的覆蓋，在大型用戶安裝的專變采集終端不僅可以實現(xiàn)負荷采集監(jiān)測，還可實現(xiàn)負荷中斷控制。通過錯峰、避峰、負控限電等一系列有序用電措施，緩解了供用電的矛盾，發(fā)揮了負荷調(diào)控和保障關(guān)鍵負荷用電的重要作用[9-13]。雖然營銷用采系統(tǒng)實現(xiàn)了切負荷控制管理，但由于終端、通訊及負控主站的限制，此類切負荷系統(tǒng)的控制時間達分鐘級，難以滿足特高壓直流故障時緊急切負荷的時間要求。

前述2種切負荷控制方式在特高壓電網(wǎng)故障時都無法同時滿足緊急切負荷和保重要用戶供電的要求。為改進切負荷策略，利用大型用戶的可控負荷，文獻[14]提出的“事故類型查表快速操作法”實現(xiàn)用戶可中斷負荷控制與調(diào)度拉限電對接，提高了負控的處置響應(yīng)時間；文獻[15]提出了一種基于用戶互動特高壓受端電網(wǎng)負荷綜合控制法，實現(xiàn)負控系統(tǒng)與調(diào)控系統(tǒng)的負荷監(jiān)測與控制對接。文獻[16]提出了精準負荷控制系統(tǒng)，通過在大用戶側(cè)安裝互動終端實現(xiàn)緊急切負荷控制，可以確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行和功率平衡，同時避免大面積停電對用戶重要設(shè)備供電的影響，彌補了調(diào)控切負荷手段的不足。本文通過開展緊急切負荷和專變用戶現(xiàn)場需求分析，提出了可切負荷快速精準控制的解決方案，開發(fā)了一種支持用戶負荷精細采集、快速通訊、實時控制的網(wǎng)荷終端。

1 網(wǎng)荷互動終端需求分析

1.1 緊急切負荷控制需求

安裝于大型用戶的專變終端主要用于電能表采集，采用無線公網(wǎng)或230 M專網(wǎng)與主站通訊，ESAM芯片加密方案，可控負荷線路少[10，11]。負荷數(shù)據(jù)采集、通訊的實時性和安全性、控制快速性方面達不到緊急切負荷控制快速響應(yīng)的控制要求。精準切負荷系統(tǒng)對終端提出的新要求有[16]：

(1) 可切負荷精細化采集。支持根據(jù)用戶負荷性質(zhì)、重要程度進行細分，實現(xiàn)用戶多路負荷的電壓、電流、功率等多個參數(shù)的實時采集，并通過通訊快速上傳主站，為主站提供全面的用戶實時負荷信息及分輪次可切負荷。

(2) 負荷快速控制。支持當大電網(wǎng)故障或擾動時，響應(yīng)電網(wǎng)的緊急切負荷控制命令，快速切除用戶可切負荷，確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定；電網(wǎng)故障或擾動發(fā)生后，相關(guān)通道潮流超穩(wěn)定限額，響應(yīng)次緊急的負荷分區(qū)控制，切除相應(yīng)用戶的部分負荷；在故障處理后，響應(yīng)主站的需求，重新恢復(fù)部分負荷，完成發(fā)用電平衡調(diào)控。

(3) 實時快速安全通訊。支持將采集的用戶負荷數(shù)據(jù)通過高速光纖通道上傳負控主站或精準切負荷系統(tǒng)，接收主站控制命令。支持數(shù)據(jù)的安全傳輸，加密方案符合《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護規(guī)定》。

除此之外還需要實現(xiàn)用戶電能和負控數(shù)據(jù)的采集，針對有序用電、需求響應(yīng)、電費收繳等業(yè)務(wù)進行功率控制。

圖1 終端功能設(shè)計Fig.1 Function design of the terminal

1.2 專變用戶負荷現(xiàn)場需求

1.2.1 用戶負荷需求

根據(jù)入戶電壓等級和變配電房布置，分2類用戶：一類是負荷規(guī)模大、出線較多的35 kV及以上等級“降壓變電所+配電房”的用戶；另一類是負荷規(guī)模中等、出線略少的35 kV及以下只有配電房的用戶。用戶可切負荷一般是不影響直接生產(chǎn)的負荷：包括次要生產(chǎn)負荷，或輔助生產(chǎn)、生活負荷等；這些負荷位于中壓側(cè)和低壓側(cè)，前者一般直接負荷出線，后者接配電房低壓出線，因此，用戶可切負荷在廠區(qū)內(nèi)分布一般較分散。

用戶負荷接入要求，終端至少能實現(xiàn)8路或以上各種電壓等級負荷的采集與控制。

1.2.2 用戶設(shè)備接入控制需求

根據(jù)可切負荷線路接入控制需要，需采集用戶負荷線路的交流電流、電壓并實現(xiàn)開關(guān)跳閘控制。

(1) 交采信號：線路TA二次輸出有5 A/1 A 2種定額，電流采集應(yīng)能滿足2種額定接入。母線電壓有TV二次電壓(57.7 V/100 V)和低壓母線電壓(220 V/380 V)2種額定，Y/V 2種接線形式，電壓采集也需適應(yīng)這2種方式。

(2) 開關(guān)控制：負荷線路開關(guān)機構(gòu)一般具有常開或常閉冗余輔助觸點，為空接點形式，接入開關(guān)位置時需要2種都支持或具備。開關(guān)跳閘控制一般以跳閘空接點接入開關(guān)跳閘回路，考慮具備相關(guān)負荷恢復(fù)功能，應(yīng)具備合閘輸出或相關(guān)提示、告警。

由于現(xiàn)場用戶開關(guān)設(shè)備廠家不一，設(shè)備輸出定額和配置往往不同，要求終端設(shè)計應(yīng)能自適應(yīng)滿足各種場合的應(yīng)用需求。

2 網(wǎng)荷互動終端設(shè)計

網(wǎng)荷互動終端是一種新型專變終端，其不僅要求能滿足精細化采集、實時通訊、分輪次快速切負荷的要求；同時滿足用電信息采集系統(tǒng)對用戶電能數(shù)據(jù)采集、有序用電控制等要求，還應(yīng)能適應(yīng)各種行業(yè)的用戶安裝使用要求，可完全替代現(xiàn)有專變終端，因此要求終端的接口豐富、通訊強大、負荷控制迅速、安全可靠，具備可配置或擴展功能。

2.1 網(wǎng)荷終端功能設(shè)計

網(wǎng)荷終端由三大功能模塊組成,如圖1所示。

2.1.1 實時負荷采集計算模塊

實時采集進線電流、母線電壓、開關(guān)位置；采集中壓出線電流、母線電壓、開關(guān)位置，低壓出線電流、母線電壓、開關(guān)位置。

通過采樣計算電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率；根據(jù)總加組線路配置，計算出對應(yīng)總加組的功率，作為可切負荷功率。

2.1.2 實時功率控制模塊

(1) 電網(wǎng)穩(wěn)控模塊。依據(jù)特高壓電網(wǎng)故障類型的不同時效性，接受來自精準切負荷系統(tǒng)和營銷主站的控制指令，實現(xiàn)緊急/次緊急切負荷的穩(wěn)定控制。

(2) 遠方功控/需求響應(yīng)模塊。根據(jù)主站對用戶的限電需求，發(fā)出控制指令，完成負荷需求響應(yīng)控制。

(3) 電費控制模塊。根據(jù)用戶購電方式，終端上傳用戶電能數(shù)據(jù)，主站根據(jù)用戶用電和電費余額判斷是否需要對預(yù)購電用戶采取相應(yīng)限電措施，實現(xiàn)預(yù)購電/電費控制。

(4) 就地功率控制模塊。根據(jù)預(yù)置的功率控制模式，像負控終端一樣工作在功率下浮控、營業(yè)報?？亍⑾赂】?、時段控等多種模式[10]。

2.1.3 實時通訊控制模塊

(1) 安全加密模塊。實現(xiàn)調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸要求的安全加密方案，支持數(shù)字簽名和報文加密的組合應(yīng)用。

(2) 主站通訊。支持與營銷主站的快速通訊，上傳負荷數(shù)據(jù)、總加組功率，接收主站切負荷控制命令、主站下發(fā)的控制參數(shù)。

(3) 快速切負荷通訊。支持與精準切負荷系統(tǒng)等設(shè)備快速通訊，上傳精準急切負荷量和接收緊急切負荷指令，實現(xiàn)精準負荷控制。

(4) 其他通訊。電能表數(shù)據(jù)采集通訊，同時為考慮400 V分散負荷的接入，預(yù)留相應(yīng)的底層設(shè)備接入通訊(如網(wǎng)絡(luò)或串口設(shè)備通訊)。

除上述主要功能模塊外，終端還有控制出口模塊?？舍槍η胸摵苫蚬β士刂品绞剑O(shè)定相應(yīng)總加組和控制矩陣，根據(jù)預(yù)設(shè)可切負荷的配置，分批次分輪次切除用戶可切線路負荷。

2.2 多任務(wù)環(huán)境設(shè)計

根據(jù)前述的功能模塊，基于嵌入式系統(tǒng)環(huán)境，設(shè)計了如圖2所示的4層軟件控制架構(gòu)。

(1) 最底層為硬件接口層，提供對DSP及其外設(shè)硬件的控制操作。

(2) 第二層為操作系統(tǒng)環(huán)境和應(yīng)用接口，為上一層多任務(wù)環(huán)境提供任務(wù)控制、中斷處理、訪問控制。

圖2 多任務(wù)環(huán)境設(shè)計Fig.2 Multitask environment scheme

(3) 第三層為多個實時任務(wù)組成的軟件環(huán)境，其中主站通訊、精準切負荷通訊任務(wù)由中斷觸發(fā)執(zhí)行，500 μs/10 ms/100 ms任務(wù)由定時中斷觸發(fā)，各任務(wù)根據(jù)需要實現(xiàn)子任務(wù)劃分，其中采樣數(shù)據(jù)的計算放在較慢速的100 ms任務(wù)中，而常規(guī)功率控制而放在10 ms級任務(wù)中，為確保電網(wǎng)穩(wěn)控切負荷響應(yīng)被快速執(zhí)行，將緊急/次緊急切負荷放在500 μs級任務(wù)中執(zhí)行，可確?？焖偾胸摵芍噶钅艿玫阶羁靾?zhí)行。

(4) 第四層為各種用戶接口提供處理任務(wù)，主要用于人機接口、信息輸出、事件存儲、設(shè)備調(diào)試等與用戶交互的任務(wù)處理。

2.3 終端硬件設(shè)計

根據(jù)前述要求，終端不僅具有常規(guī)測控終端或配電終端的接口，同時還要支持多路通訊接口以適應(yīng)現(xiàn)場應(yīng)用的需要。

2.3.1 終端板件設(shè)計

考慮終端需同時與營銷控制主站、精準切負荷系統(tǒng)、用電信息采集主站電能表采集通訊，以及控制安全隔離和數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)男枰?，終端設(shè)計由負荷主控和電能采集2個部分組成，如圖3所示。為減少體積，2部分板件集成在1個機箱內(nèi)，2者共用1塊電源。

圖3 終端板件結(jié)構(gòu)Fig.3 Terminal plate struture

(1) 負荷主控部分由主CPU板、進線負荷模擬量輸入AI板、出線負荷模擬量AI板、開入DI板、開出DO板、人機接口UI板、總線背板組成。

(2) 電能采集部分有1塊通訊采集SER板。

2.3.2 負荷主控設(shè)計

(1) 通訊接口。為考慮與營銷主站、精準切負荷系統(tǒng)及其他設(shè)備通訊，終端設(shè)計有3個以太網(wǎng)接口，同時預(yù)留3至5個串口，以便于與其他智能設(shè)備通訊或?qū)崿F(xiàn)擴展。

(2) 模擬量輸入接口。配備36個交流采樣通道，電流電壓采樣通道的調(diào)整可通過更換插件或修改配置進行調(diào)整，以適應(yīng)現(xiàn)場的電壓Y/V接線、電流的全相、非全相、或單相接入。

(3) 開關(guān)量輸入接口。配備32路，支持可擴展開關(guān)量輸入到48路，空接點輸入。

(4) 開關(guān)量輸出接口。配備24路開關(guān)量輸出，支持可擴展開出到30路，空接點輸出。

2.3.3 電能采集設(shè)計

電能采集部分支持4路獨立RS485串口采集，支持各種接口的配置和對各種電表進行采集，通過以太網(wǎng)接口上傳主站。

2.3.4 人機接口設(shè)計

采用大屏點陣液晶設(shè)計，配備多達18個指示燈，12個專用按鍵，采用樹狀中文菜單設(shè)計，單屏菜單顯示信息豐富，提示詳細準確，菜單層級少、操作簡便，人機接口友好。

3 快速切負荷終端實現(xiàn)

3.1 終端的靈活配置

3.1.1 負荷線路

終端軟件設(shè)計共36個交流采樣通道，每個通道可配置電壓U或電流I，最大可采集16條可切負荷線路。典型配置是24I+12U輸入，按8條全電流線路(8×3I+4×3U)或12條非全電流線路(12×2I+4×3U)設(shè)計。考慮一段母線上的線路共用一組電壓，4組電壓最多可采4段母線電壓。

當接入負荷線路為3I時可選擇三表法或兩表法計算，而當接入2I時只可選兩表法計算。程序內(nèi)支持第m(m=1～4)組電壓靈活配置到n(n=1…16)條線路，通過正確配置可確保線路功率計算準確，該配置可滿足目前絕大多數(shù)用戶的可中斷負荷接入需求。當接入線路超過12條時可通過調(diào)整電壓電流通道的數(shù)量滿足，針對個別用戶可切負荷超過16路時，可通過擴展終端滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

3.1.2 總加功率處理

采集線路的功率一般為實際用電功率，但由于電流回路極性接反(或按流出母線方向為正設(shè)計)等原因，將導(dǎo)致采集的負荷功率為負，采集功率方向與實際相反。這不僅導(dǎo)致主站也難以識別正確的功率方向，也影響負荷功率總加計算，易產(chǎn)生計算錯誤。為確保每一條線路的采集功率與實際一致，需要根據(jù)現(xiàn)場情況進行功率方向的矯正。終端在設(shè)計時中充分考慮了現(xiàn)場的這一情況，設(shè)計了可修改線路名稱、TA/TV變比、功率方向的配置，如圖4所示。在總加組的配置中，通過選中線路、設(shè)置正確的功率方向，可有效解決上述問題。

圖4 總加功率處理Fig.4 Total active power process

3.1.3 可配置跳閘矩陣

用戶接入的可切負荷線路可能隨生產(chǎn)變化做出相應(yīng)調(diào)整，使得被切負荷或切負荷的輪次發(fā)生改變，因此為負荷的靈活控制設(shè)計了一種可配置出口的線路跳閘矩陣，可根據(jù)用戶負荷線路控制需要進行調(diào)整。對每一種切負荷方式(功率控制)對應(yīng)一個跳閘矩陣，跳閘矩陣中每一路負荷可獨立選擇，選中的線路(用X表示)為可切負荷線路。如表1所示。

表1 線路跳閘出口矩陣Table 1 Line trip output matrix

3.2 終端的廠內(nèi)測試

根據(jù)快速切負荷系統(tǒng)的要求，于2016年3月在廠內(nèi)搭建了如圖5所示的模擬主站—終端測試系統(tǒng)，由模擬營銷主站、模擬精準切負荷系統(tǒng)分別與2個終端通訊，終端接4條負荷進行切負荷實測。廠內(nèi)模擬切負荷測試如表2所示。

圖5 模擬測試Fig.5 Emulation test

營銷切線路/精準切線路接收跳閘命令時間開關(guān)分位接點動作時間間隔/ms線路1110:21:46.34610:21:46.37832線路1n10:21:46.32510:21:46.36237線路2110:21:46.31410:21:46.34834線路2n10:21:46.33310:21:46.36633線路1110:35:23.81010:35:23.84535線路1n10:35:23.79810:35:23.83032線路2110:35:23.80310:35:23.83734線路2n10:35:23.79010:35:23.82636

從表2看出，終端在接收到主站命令切模擬負荷的平均時間為34 ms，模擬器動作時間約25～30 ms。經(jīng)測算終端在2種控制方式下，接收到跳閘命令到出口的時間均不到10 ms，測試結(jié)果顯示終端具有快速的響應(yīng)能力。

4 現(xiàn)場快速切負荷實測

根據(jù)前述設(shè)計的終端已于2016年成功安裝于江蘇境內(nèi)1500家用戶，根據(jù)營銷主站2016年7月統(tǒng)計，全省接入的可切負荷最高達3500 MW。現(xiàn)場選擇部分用戶開展了切負荷試驗。

(1) 營銷主站切負荷試驗。2016年5月底對全省34戶開展了營銷主站集中切負荷試驗，蘇州地區(qū)10戶的動作情況如表3所示。

通過表3可見終端接收主站命令切負荷平均時間不到53 ms，實測終端接收報文到出口最大時間90 ms(含開關(guān)動作時間30～70 ms不等)，表3中的最短時間僅36 ms，通過試驗測算終端接收命令到跳閘出口時間不超過10 ms。

表3 營銷主站切負荷時間Table 3 Load shedding time of marketing master station

(2) 精準切負荷系統(tǒng)切負荷試驗。2016年6月開展了蘇州地區(qū)用戶精準切負荷系統(tǒng)切負荷試驗，記錄的4戶動作時間如表4所示。

表4 緊急切負荷時間Table 4 Emergency load shedding time

通過表4可見終端接收到主站命令切負荷平均時間為68 ms，終端的最大出口時間為78 ms，由于用戶開關(guān)動作時間的離散性，每一戶動作時間會有所差異。

5 結(jié)語

本文針對特高壓直流故障時電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的需要，設(shè)計了一種可精細控制用戶負荷的網(wǎng)荷終端設(shè)備，它支持與大規(guī)?？焖偾胸摵上到y(tǒng)快速通訊，接受快速切負荷命令，實現(xiàn)對用戶可切負荷的快速控制，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明終端在接收命令到出口時間非常迅速，可完全滿足系統(tǒng)對用戶負荷快速控制的要求。

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師，從事電力自動化二次系統(tǒng)相關(guān)的研究開發(fā)與應(yīng)用工作；

王 寧(1981—)，男，河北保定人，工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)相關(guān)研究與技術(shù)開發(fā)工作；

葛永高(1978—)，男，江蘇興化人，工程師，從事電力自動化二次系統(tǒng)相關(guān)的研究開發(fā)與應(yīng)用工作。

(編輯 徐林菊)

Design and Implementation of User Terminal Unit for Emergency Load Shedding

LU Yujun, LI Cheng, CHEN Hao, WANG Ning, GE Yonggao

(Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co., Ltd, Nanjing 211102, China)

Due to the dispatching and marketing load control method cannot satisfy the load emergency control and the power supply needs of large users and important loads when UHVDC block fault occur, a method is proposed to realize swift load control by improving specialty transformer user terminals in this paper. A common emergency load shedding control terminal is designed to meet the precise acquisition of interruptible load, real-time communication, and multi-master security fast control. A flexible configuration solution is designed for field load access, power calculation and tripping output. Finally, the terminal is applied at the user site. Actual load shedding test verified that the terminal fully meet the requirements of the precision load shedding system.

emergency load shedding; electric energy data acquire system; interruptible load; load shedding control

2016-12-29；

2017-02-23

國家電網(wǎng)公司總部科技項目(用戶負荷群快速響應(yīng)及調(diào)控技術(shù)研究)

TM762

A

2096-3203(2017)03-0082-07

陸玉軍

陸玉軍(1972—)，男，江蘇句容人，高級工程師，從事電力自動化二次系統(tǒng)相關(guān)的研究開發(fā)與應(yīng)用工作；

李 澄(1970—)，男，江蘇無錫人，研究員級高工，從事繼電保護、變電綜合自動化系統(tǒng)、配網(wǎng)自動化系統(tǒng)等研究與項目開發(fā)工作；

陳 顥(1987—)，男，湖北鐘祥人，工程