毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)設(shè)計與工程應(yīng)用

任建鋒, 顏云松, 羅劍波, 司慶華, 陶 翔, 郭 勛, 萬芳茹

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

特高壓直流密集接入，輸送容量占受端系統(tǒng)規(guī)模的比重不斷增大，對常規(guī)機組替換效應(yīng)持續(xù)增強，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力持續(xù)降低。多直流饋入電網(wǎng)發(fā)生多直流連續(xù)換相失敗和故障導致直流閉鎖時將造成受端電網(wǎng)有功大幅缺額，會導致電網(wǎng)頻率急劇下降[1]。為避免頻率下降給電網(wǎng)運行帶來的巨大風險，一般在直流落點近區(qū)配備頻率緊急協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，根據(jù)直流損失功率的大小通過緊急提升相鄰直流輸送功率、切除抽水機組和受端電網(wǎng)相應(yīng)負荷來保持受端電網(wǎng)的功率平衡，抑制頻率下降[2-3]。但如果網(wǎng)內(nèi)其他直流緊急提升量不足，抽蓄電站正處于發(fā)電狀態(tài)，就只能大量切除負荷線路，易達到電力安全事故等級劃分標準。如若切除負荷線路安排不足，甚至可能造成低頻減載裝置無序動作，對生產(chǎn)生活影響較大。常規(guī)的控制措施幾乎已經(jīng)用盡，因此需挖掘利用新的控制資源與手段，將分散性海量電力用戶可中斷負荷單元集中起來進行毫秒級精準控制，實施靈活調(diào)節(jié)，從電源調(diào)控轉(zhuǎn)變?yōu)樨摵烧{(diào)控與電源調(diào)控兼顧，實現(xiàn)電網(wǎng)與電源、負荷友好互動，達到電力供需瞬時平衡，支撐能源大范圍優(yōu)化配置，可避免大面積停電的發(fā)生，將區(qū)外來電大幅波動對企業(yè)和居民用電的影響降至最低。

可中斷負荷是在緊急情況下能給電網(wǎng)提供的可控資源，在滿足“可中斷”的基礎(chǔ)上應(yīng)具備一定的負荷量、負荷曲線較平穩(wěn)、控制接入方便等特征。有較大日常負荷量的普通工業(yè)用戶、大型商業(yè)用戶、電動汽車集中充電站、翻水站的抽水泵、大型儲能電站(充電時)、燃煤電廠可中斷輔機負荷都可作為精準負荷控制系統(tǒng)的主要可控資源。這些可中斷的大用戶負荷，每個負荷量不大，用戶數(shù)多，分布分散且地理范圍廣。如何把這些用戶的可中斷負荷接入穩(wěn)定控制系統(tǒng)，同時滿足整個系統(tǒng)實時性、安全性、可靠性和經(jīng)濟性的需求，是當前毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)亟需解決的問題。

2016年，江蘇電網(wǎng)結(jié)合源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)的實施率先完成了毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)的試點工作，將切負荷控制方式從傳統(tǒng)的集中切變電站負荷線路方式轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖倬珳士刂朴脩艨芍袛喾种ж摵删€路，取得了良好的應(yīng)用效果，在國內(nèi)外起到了示范作用[4]。文中以江蘇電網(wǎng)毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)為例，詳細介紹了整個系統(tǒng)的設(shè)計以及工程化應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)把控制對象由傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)的變電站負荷線路變?yōu)橐陨a(chǎn)企業(yè)為最小節(jié)點，精準控制企業(yè)內(nèi)部可中斷的380 V分支回路，這就意味著接入的控制對象將會非常龐大；其用于解決電網(wǎng)的穩(wěn)定問題(例如頻率穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定問題等)則要求整套控制系統(tǒng)的控制時間必需在數(shù)百毫秒以內(nèi)。

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)選擇

用戶負荷控制終端(以下簡稱負控終端)通信接入技術(shù)[5-6]大體上分為有線和無線接入方式，有線接入主要有基于同步數(shù)字體系 (synchronous digital hierarchy，SDH)的2M專線接入、專用光纖接入[7-8]和電力線載波方式；無線接入主要有GPRS和4G專網(wǎng)方式。其中2M專線基于SDH光纖通信系統(tǒng)實現(xiàn)，可以滿足電力系統(tǒng)傳輸繼電保護信號傳輸損傷和時間延遲的要求，是繼電保護信號可靠的傳輸通道[9]。專用光纖接入采用端對端單模光纖傳輸，具有通信容量大，抗電磁干擾能力強，穩(wěn)定性高的特點[10]?；贕PRS的無線通信方式由于其固有的GSM技術(shù)局限，目前在用的通信速率為9600 b/s，實時響應(yīng)能力不能達到毫秒級精準負荷控制的快速性要求。4G專網(wǎng)方式[11]提供基于IP的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，終端帶寬理論上可達到10 Mb/s級，但在用于高可靠性的電力系統(tǒng)控制通信時一般采用傳輸控制協(xié)議 (transmission control protocol，TCP)協(xié)議，限制了同一個關(guān)聯(lián)點的終端接入個數(shù)。同時，由于無線通信受物理遮擋、空間電磁場、天氣等因素的影響較大，在終端大規(guī)模掛網(wǎng)時，實時在線率暫無數(shù)據(jù)支撐，可靠性無法得到保證，目前還不具備大規(guī)模應(yīng)用的條件，個別光纖通道很難覆蓋的用戶可以考慮使用4G專網(wǎng)方式試點接入。綜上，采用2M專線和專用光纖通信技術(shù)是實時性最強、可靠性最高的首選方案。

1.2 總體架構(gòu)

毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)總體上分成3層，即控制主站層、控制子站層、終端用戶接入層。圖中的協(xié)控總站作為毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)的上級控制中樞，不計入架構(gòu)層數(shù)統(tǒng)計。在省調(diào)設(shè)置調(diào)度主站和營銷主站。三層架構(gòu)中，控制主站接收上級穩(wěn)控系統(tǒng)切負荷控制指令，進行負荷分配，下達控制任務(wù)；控制子站匯集本地區(qū)可切負荷量，上傳至控制主站，并執(zhí)行控制主站的切負荷控制指令；負控終端采集用戶可切負荷量并實時上送，同時接收控制子站的指令，快速切除部分可中斷負荷。

圖1 毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Schema diagram of the millisecond-level precision load control system

控制主站一般設(shè)在直流落點換流站近區(qū)通道條件好的500 kV交流匯集站，裝置采用雙套配置?？刂谱诱疽话阍O(shè)在負荷集中區(qū)域的500 kV或220 kV交流站，裝置采用雙套配置。用于一般企業(yè)用戶的負控終端按單套配置，每個終端和子站雙套都有交互?？刂谱诱狙b置至接入變電站光電轉(zhuǎn)換設(shè)備之間是2M通道，光電轉(zhuǎn)換設(shè)備至負控終端之間是專用光纖通道，8個專用光纖通道共享一個2M通道。對于布光纖通道有困難，同時又有無線4G專網(wǎng)覆蓋的大用戶，可以采用無線4G接入方案。所有2M通道在SDH設(shè)備上匯聚成155M通道接入子站控制裝置。

調(diào)度主站總體上分為數(shù)據(jù)采集、集中監(jiān)視、運行管理、在線預(yù)警和決策支持5個部分。其中數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)裝置各類信息的實時采集；集中監(jiān)視實現(xiàn)對裝置實時采集的電氣量、開關(guān)量、壓板投退狀態(tài)、異常信號及動作報告等實時信息和人工設(shè)定的定值及策略表等控制信息的集中監(jiān)視；運行管理實現(xiàn)對裝置的控制策略等信息的在線查詢及維護管理、定值核對和歷史數(shù)據(jù)管理；在線預(yù)警實現(xiàn)對裝置的當值策略識別以及可實施性評估(判斷控制措施是否可以足量執(zhí)行)；決策支持實現(xiàn)在當值策略控制量不足時，給出基于可控措施空間的決策支持建議。

營銷主站可實現(xiàn)遠程對負控終端中的分支線路進行定值管理、維護和修改，遠方監(jiān)控跳閘出口壓板投退狀況、運行控制軟壓板的投退、跳閘出口矩陣的調(diào)整等功能，實時掌控負控終端的運行狀態(tài)，有利于對負控終端的故障診斷定位和精準維護，降低到用戶上門維護次數(shù)，減少對用戶的干擾。

2 控制策略

通過大量的分析計算發(fā)現(xiàn)特高壓直流故障后，優(yōu)先切除直流落點近區(qū)的負荷控制效果最優(yōu)，因此分層分級制定毫秒級精準負荷控制策略，根據(jù)直流落點位置以及負荷切除層級確定切負荷站點次序，在同一層級內(nèi)優(yōu)先切除直流落點近區(qū)的負荷。

可中斷負荷依照高耗能優(yōu)先的原則分為X個層級，層級數(shù)量可參照本地區(qū)低頻減載輪次數(shù)量。為了確?？煽啃?，收到上級切負荷指令時，需進行連續(xù)三幀確認及本地低頻確認，并采取“二取二”的原則才能最終切負荷。不同負荷層級按照優(yōu)先級先后順序切除，同一層級按照故障直流落點遠近順序切除。

以江蘇電網(wǎng)3個控制子站(木瀆、鳳城、上河地區(qū))，每個子站各分為6個層級的分層分區(qū)切負荷策略為例，制定如下措施：

(1) 錦蘇直流故障，錦蘇閉鎖損失功率≥P(某定值)，先切木瀆站負荷(6個層級全切光)，再均衡切，順序為上河、鳳城；錦蘇閉鎖損失功率

(2) 錫泰直流故障，三站均衡切，層級細到每個分區(qū)，順序為鳳城、上河、木瀆。

(3) 雁淮直流故障，三站均衡切，層級細到每個分區(qū)，順序為上河、鳳城、木瀆。

(4) 省外直流故障，三站均衡切，層級細到每個分區(qū)，順序為上河、鳳城、木瀆。

(5) 組合直流故障，若包含錦蘇直流故障，則按照錦蘇直流故障切負荷順序執(zhí)行。組合直流故障，若未包含錦蘇直流故障，按照上河、鳳城、木瀆順序，均衡切。

(6) 從經(jīng)濟性角度出發(fā)，切除負荷采取欠切原則，最多只會欠切某個層級上的一個用戶。

以上分層分級策略的實施，不僅能依據(jù)故障損失量精準切除滿足控制要求的負荷，還可避免負控措施引起潮流竄動，保證了毫秒級精準負荷控制的安全性和經(jīng)濟性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 STM-1接口技術(shù)

由于每套控制子站裝置需要接入數(shù)百個負控終端，傳統(tǒng)的穩(wěn)控系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)無法滿足這種要求。因此開發(fā)了STM-1接口技術(shù)，采用現(xiàn)場可編程門陣列 (field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)硬件編碼技術(shù)，將63路高級數(shù)據(jù)鏈路控制 (high-level data link control，HDLC)模塊整合進一個符合ITU-TG.703標準的STM-1接口模塊。對SDH主干網(wǎng)，基于HDLC協(xié)議實現(xiàn)155M光纖通信，每個STM-1接口模塊內(nèi)含63路2M數(shù)據(jù)。FPGA和ARM芯片分工協(xié)作，并行高效處理數(shù)據(jù)收發(fā)和HDLC與COM_STC之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。STM-1接口FPGA實現(xiàn)邏輯如圖2所示。

圖2 STM-1接口FPGA實現(xiàn)邏輯Fig.2 Logic diagram of STM-1 interface realized by FPGA

3.2 多用戶共享2M通道接入技術(shù)

毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)需要確保實時性，因此負控終端與控制子站通信是基于2M專網(wǎng)的?？紤]到負控終端上送功率等信息與接收控制子站命令的實時性要求有所區(qū)別，開發(fā)了多用戶共享2M通道接入技術(shù)。即在大用戶接入裝置上將8個負控終端的光纖數(shù)據(jù)以時分復用的方式經(jīng)兩路2M通道輪詢上送至對應(yīng)負荷控制子站雙套裝置。同時接收雙套控制子站裝置的切負荷命令，并通過光纖通道同時轉(zhuǎn)發(fā)至8個負控終端。將傳統(tǒng)穩(wěn)控架構(gòu)每個2M通道接1個終端擴展為可接入8個終端，但所有終端都能同時快速響應(yīng)命令。

圖3 多用戶共享2M通道接入示意圖Fig.3 Schema diagram of multi-user shared 2M channel

3.3 模擬大規(guī)?？芍袛嘭摵膳壳谐坝行蚧謴偷脑囼灱夹g(shù)

現(xiàn)場進行聯(lián)調(diào)試驗時，由于負控終端出口軟壓板退出后，控制子站會將負控終端的可切負荷總量清零處理，無法實現(xiàn)切負荷的目的。調(diào)試過程中需確保負控終端不會真正跳閘出口，保證聯(lián)調(diào)的安全性，因此研發(fā)了模擬大規(guī)模可中斷負荷批量切除及有序恢復的試驗技術(shù)。實現(xiàn)流程如圖4所示。具體步驟介紹如下：(1) 主站、子站均通過投入傳動試驗壓板、退出總功能壓板，進入傳動模式；(2) 在主站設(shè)置傳動菜單，可選擇需要模擬的選項，點擊確認后即可向子站發(fā)送帶有測試位的切負荷命令；(3) 子站在接收到主站發(fā)送的帶有測試位的命令后，經(jīng)本地頻率確認，向負控終端發(fā)送帶有測試位的命令；(4) 負控終端收到遙控選擇后，檢測出口回路，然后返回出口回路檢測結(jié)果。(5) 負控終端反饋信息至切負荷子站，子站顯示負控終端動作結(jié)果。

圖4 大規(guī)模可中斷負荷批量切除及有序恢復模擬試驗流程Fig.4 Flow chart of simulation test large-scale interruptible load batch shedding and orderly recovery

在控制主站模擬測試命令，控制子站接收到命令后向負控終端發(fā)送測試命令，負控終端收到命令后給出相應(yīng)的報文提示，但負控終端并不實際跳閘出口。該方法可達到驗證系統(tǒng)整組動作完整通路、保證負控終端能夠接收實際指令的效果，解決了多負控終端調(diào)試困難的問題。本功能僅用于聯(lián)調(diào)試驗或預(yù)跳試驗，在試驗時可以模擬驗證系統(tǒng)控制策略和通信狀態(tài)的正確性和可靠性，而不會使得負控終端真正跳閘出口，確保試驗過程的安全性。

4 工程驗證

2016年，江蘇省電力有限公司啟動了江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)電網(wǎng)毫秒級精準負荷控制建設(shè)工程，一期工程已于2016年6月投入試運行，實現(xiàn)蘇南地區(qū)1000 MW毫秒級可中斷負荷的毫秒級精準控制，并與華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)緊密對接，成為構(gòu)建大電網(wǎng)安全綜合防御體系的重要支柱，為頻率緊急控制提供了除按頻率分輪次低周減載外，可快速、精確控制的新資源。江蘇毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)依據(jù)上文所述的通信架構(gòu)建設(shè)，除電網(wǎng)側(cè)接入變電站和用戶負控終端之間采用專用光纖通信之外，其他各層級均采用基于E1接口的2M專用通道實現(xiàn)。江蘇省電力有限公司于2017年5月24日進行錦蘇特高壓直流閉鎖系統(tǒng)沖擊試驗，人工觸發(fā)特高壓錦蘇直流雙極閉鎖，直流功率損失 3000 MW，華東電網(wǎng)頻率由50.02 Hz跌落至49.97 Hz，采取緊急提升其他直流切除抽蓄電站水泵并切除蘇州地區(qū)可中斷負荷255 MW后，系統(tǒng)頻率恢復至50.03 Hz。試驗中精準切負荷系統(tǒng)依據(jù)預(yù)定策略正確動作，滿足設(shè)計要求。江蘇電網(wǎng)毫秒級精準負荷控制系統(tǒng)一期工程實測整組控制時間情況(見圖5)： 4G專網(wǎng)用戶為245 ms，光纖用戶1為196 ms，光纖用戶2為211 ms。該系統(tǒng)整組控制時間涵蓋從故障發(fā)生到負控終端出口的所有延時。

圖5 整組控制時間Fig.5 Diagram of operation time

5 結(jié)語

系統(tǒng)介紹了一種可以應(yīng)用于毫秒級精準負荷控制的完整解決方案，包含主站、通信、策略、控制裝置等方面，該技術(shù)方案已應(yīng)用于江蘇電網(wǎng)精準切負荷一期、二期工程中?，F(xiàn)場實切試驗表明，各項設(shè)計均符合預(yù)期。一套控制子站裝置能同時承載300路以上的2M通信控制接口，同時300 ms內(nèi)緊急切除300個以上可中斷用戶負荷。

文中提出的通信組網(wǎng)方案是基于當前的電力系統(tǒng)SDH骨干傳輸專網(wǎng)實現(xiàn)，在接入層主要采用專用光纖直接/間接接入方式，優(yōu)點是通信延時確定、可靠性高，缺點是需要進行光纖鋪設(shè)。接入層大規(guī)模采用無線接入方式(如4G無線專網(wǎng))是今后的一個研究方向，但是就目前來說，無線接入方式用于強實時系統(tǒng)的實時性、安全性及可靠性研究仍處于摸索階段，需要進行更加深入的理論分析、實驗測試和工程試點驗證。

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