廣域控制系統(tǒng)通信環(huán)節(jié)影響分析研究

時(shí)伯年，王玉亭，李 煒，孫 剛

(1.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平作為電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下能夠保持其運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)受到擾動(dòng)之后能夠恢復(fù)或者到達(dá)另一個(gè)平衡的運(yùn)行狀態(tài)的能力，一直以來(lái)是限制區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域之間輸電能力的重要影響因素.安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)則通過(guò)采取防止電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞、制止系統(tǒng)失步運(yùn)行、限制系統(tǒng)頻率過(guò)低/高、限制系統(tǒng)電壓過(guò)低/高、限制設(shè)備過(guò)負(fù)荷等措施有效地提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性、防范電網(wǎng)穩(wěn)定事故、防止發(fā)生大面積停電事故[1].

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)向著廣域化、復(fù)雜化的趨勢(shì)逐步演變[2～3].為了支持實(shí)時(shí)廣域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，需要建設(shè)與安全穩(wěn)定系統(tǒng)緊密耦合的通信基礎(chǔ)設(shè)施[4].然而，當(dāng)前已有的通信體系在支撐廣域?qū)崟r(shí)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)存在一定的不足，因此，迫切需要新的安全穩(wěn)定控制專(zhuān)網(wǎng)通信架構(gòu)來(lái)承載廣域安全穩(wěn)定控制的復(fù)雜功能.

本文首先介紹了當(dāng)前廣域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)配套通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及所面臨的挑戰(zhàn).接著分析了通信系統(tǒng)故障對(duì)廣域控制系統(tǒng)的影響，并結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)的的兩類(lèi)廣域控制功能論證了對(duì)高性能通信環(huán)節(jié)的需求.最后介紹了一種新的正在研究的安全穩(wěn)定控制專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)未來(lái)復(fù)雜互聯(lián)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制研究方向進(jìn)行了初步探索.

1 安全穩(wěn)定控制通信現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

能量管理系統(tǒng)(EMS)、廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS)和穩(wěn)控系統(tǒng)等各類(lèi)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與控制的系統(tǒng)構(gòu)成了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要保障措施.隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)高度耦合于電力系統(tǒng)通信的基礎(chǔ)設(shè)施，相互之間存在各種直接或間接的關(guān)聯(lián).由于通信系統(tǒng)方面的故障，往往會(huì)影響安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的連鎖故障反應(yīng).因此，構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)的具有高可靠性的安全穩(wěn)定控制通信網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)廣域安全穩(wěn)定控制的重要基礎(chǔ)和前提.

到目前為止，為了支撐EMS、WAMS、穩(wěn)定等各類(lèi)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)應(yīng)用功能，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)已經(jīng)建設(shè)了相對(duì)完善的通信網(wǎng)絡(luò)體系.以安穩(wěn)系統(tǒng)為例，該類(lèi)系統(tǒng)通常由一個(gè)控制主站、若干個(gè)控制子站和若干個(gè)執(zhí)行站組成，各站之間用通道相連，相互交換系統(tǒng)運(yùn)行信息，傳遞控制命令.通信通道應(yīng)優(yōu)先采用2 M帶寬，接口采用G.703 2 M接口.主站、子站和執(zhí)行站之間采用1條獨(dú)立專(zhuān)線(xiàn)通道，每條通道開(kāi)通SDH網(wǎng)絡(luò)自愈功能.此外，主站、子站和執(zhí)行站之間的全程專(zhuān)線(xiàn)通道的傳輸電路時(shí)延通常要求≤30 ms.

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)逐步發(fā)展為跨區(qū)域的聯(lián)合安全穩(wěn)定控制，面對(duì)復(fù)雜大電網(wǎng)對(duì)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和廣域性的要求，安全穩(wěn)定控制通信開(kāi)始面臨新的挑戰(zhàn).

(1)受限于安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)對(duì)信息傳輸?shù)母呖煽啃院透咚傩?，目前?guó)內(nèi)外的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)通信通道大部分都采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專(zhuān)用通道，用于穩(wěn)定控制的信息通信系統(tǒng)從未形成過(guò)網(wǎng)絡(luò)；

(2)現(xiàn)有PMU裝置與穩(wěn)控裝置各自相對(duì)獨(dú)立，彼此之間為信息孤島，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，也缺乏高速實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián).

綜上，新的電網(wǎng)發(fā)展形勢(shì)下實(shí)時(shí)廣域安全穩(wěn)定控制需要一套新的通信架構(gòu)，以適應(yīng)信息共享、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的未來(lái)復(fù)雜互聯(lián)大電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制通信需求.

2 通信對(duì)廣域控制保護(hù)系統(tǒng)性能影響的理論分析

通信系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響的異常行為主要包括通信中斷、通信誤碼和通信延時(shí)3種情況[5].如圖1所示，通信中斷可能造成裝置(如繼電保護(hù)裝置)退出運(yùn)行而導(dǎo)致電力一次設(shè)備的陪停，而通信的中斷、誤碼和延時(shí)均有可能造成電力二次系統(tǒng)的裝置(如繼電保護(hù)裝置或穩(wěn)定控制裝置)發(fā)生拒動(dòng)、控制策略錯(cuò)誤、延時(shí)動(dòng)作和策略偏差等異常行為.電力二次系統(tǒng)的裝置拒動(dòng)或延時(shí)動(dòng)作會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生相當(dāng)于欠控的影響，而控制策略錯(cuò)誤和偏策略差對(duì)電力一次系統(tǒng)的影響則可能是誤控，也可能是過(guò)控或欠控.

圖1 電網(wǎng)一次設(shè)備、二次設(shè)備與通信系統(tǒng)的交互影響

由于電力二次設(shè)備通常會(huì)對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)接收的數(shù)據(jù)有誤碼時(shí)，會(huì)將整個(gè)接收的數(shù)據(jù)包丟棄，因此通信誤碼也可以等效為通信的延時(shí)；而通信中斷可以看作無(wú)窮大的延時(shí).因而，通信中斷、誤碼和延時(shí)等通信故障都可以等效為時(shí)間不等的通信延時(shí)[6].下面通過(guò)圖2簡(jiǎn)單分析通信延時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的影響.

如圖2所示，通信系統(tǒng)異常行為引起的延時(shí)一方面會(huì)造成上送主站的電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息對(duì)應(yīng)的斷面數(shù)據(jù)的時(shí)刻不一致，另一方面會(huì)造成在線(xiàn)控制策略下發(fā)到各執(zhí)行站的延時(shí)，引起對(duì)電力系統(tǒng)采取相關(guān)措施的延誤，這兩方面都會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成極大的影響.

3 示例分析

3.1 示例電網(wǎng)情況簡(jiǎn)介

以某通過(guò)多條直流線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)大容量功率輸送的實(shí)際電網(wǎng)為例，該電網(wǎng)包含4條實(shí)現(xiàn)區(qū)域間送電的主要直流線(xiàn)路，其中直流A為±500 kV的雙回四極常規(guī)直流，額定有功功率4*1 600 MW=6 400 MW；直流B為±800 kV的雙極常規(guī)直流，額定有功功率2*2 500 MW=5 000 MW；直流C為±800 kV的雙極常規(guī)直流，額定有功功率2*2 500 MW=5 000 MW；直流D為柔性直流與常規(guī)直流各一回，額定電壓320 kV，額定有功功率2 000 MW；四條直流在整流側(cè)都具有了直流頻率限制器和功率提升/回降功能，直流頻率限制器死區(qū)為0.1 Hz.直流A配套機(jī)組A1水電廠(chǎng)9臺(tái)機(jī)，裝機(jī)容量為9*770=6 930 MW；直流B配套機(jī)組B1水電廠(chǎng)4臺(tái)機(jī)，裝機(jī)容量為4*600=2 400 MW，B2水電廠(chǎng)6臺(tái)機(jī)，裝機(jī)容量為6*700=4 200 MW；直流C配套機(jī)組C1水電廠(chǎng)9臺(tái)機(jī)，裝機(jī)容量為9*650 MW=5 850 MW；送端電網(wǎng)側(cè)火電機(jī)組模型，總裝機(jī)容量為12*600 MW=7 200 MW.火電機(jī)組和水電機(jī)組的頻率死區(qū)設(shè)置為0.15 Hz.

3.2 通道中斷對(duì)針對(duì)直流閉鎖故障的緊急協(xié)調(diào)控制的影響

由于直流系統(tǒng)具有快速性及可控性，并具有短時(shí)或持續(xù)的過(guò)負(fù)荷能力，當(dāng)示例電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，若發(fā)生直流閉鎖故障，可通過(guò)發(fā)揮其他非故障直流的過(guò)負(fù)荷能力，通過(guò)直流功率提升的方式將送端多余功率送至受端功率缺額地區(qū)，可緩解送端及受端系統(tǒng)功率不平衡，對(duì)解決系統(tǒng)的頻率及電壓?jiǎn)栴}將起到積極作用.根據(jù)送端電網(wǎng)出現(xiàn)的功率不平衡嚴(yán)重情況，需要使用直流協(xié)調(diào)控制手段與現(xiàn)有穩(wěn)控措施的配合策略.

圖3 針對(duì)直流閉鎖故障的緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)直流閉鎖故障的緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示.包括控制主站、控制子站以及由2 M專(zhuān)用通道組成的通信系統(tǒng).控制子站包括同步相量測(cè)量單元PMU和安全穩(wěn)定控制裝置，分布于各直流換流站及直流配套電廠(chǎng)，進(jìn)行同步相量測(cè)量和執(zhí)行控制命令.控制主站通過(guò)2 M專(zhuān)用通道獲取各控制子站上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障判斷和協(xié)調(diào)控制的決策，并通過(guò)2 M專(zhuān)用通道對(duì)需要控制的子站下發(fā)控制命令.

圖4 全部通道正常與出現(xiàn)單條通道異 常中斷下的控制效果對(duì)比

當(dāng)直流A發(fā)生單極閉鎖故障時(shí)的控制措施，此時(shí)對(duì)應(yīng)送端過(guò)剩功率為25 00 MW，需采取的控制措施為直流A非故障極提升500 MW+直流B提升1 280 MW+直流C提升420 MW+直流D提升300 MW，電網(wǎng)最高頻率為50.05 Hz，最終穩(wěn)態(tài)頻率為50.01 Hz，此時(shí)電網(wǎng)頻率如圖4中的紅色曲線(xiàn)所示.

相同運(yùn)行方式下，當(dāng)直流A發(fā)生單極閉鎖故障，且控制主站與直流B之間的通信通道發(fā)生異常中斷，此時(shí)需采取的控制措施為直流A非故障極提升500 MW+直流C提升500 MW+直流D提升500 MW+切除小灣1臺(tái)機(jī)組700 MW，電網(wǎng)最高頻率為50.15 Hz，最終穩(wěn)態(tài)頻率為50.03 Hz，此時(shí)電網(wǎng)頻率如圖4中的藍(lán)色曲線(xiàn)所示.

對(duì)比上述通道正常與出現(xiàn)單條通道異常中斷下的控制結(jié)果，由于控制量決策合理，最終頻率基本都得到了很好的恢復(fù)，但在單條通道異常中斷情況，直流B的功率提升能力不能得到發(fā)揮，從而增加了切機(jī)控制量，相較通道正常時(shí)只需直流功率緊急提升的控制措施而言，增加了控制代價(jià).

3.3 通道延時(shí)對(duì)廣域阻尼控制的影響

區(qū)域間低頻振蕩風(fēng)險(xiǎn)常常成為制約區(qū)域輸電能力的瓶頸.區(qū)域間振蕩模式參與的機(jī)組多、涉及的范圍廣，影響面大，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定有很大威脅，特別是對(duì)多組耦合緊密的發(fā)電機(jī)群通過(guò)弱聯(lián)絡(luò)線(xiàn)相連的交直流混聯(lián)系統(tǒng)，區(qū)間振蕩發(fā)生的可能性大大增強(qiáng).示例電網(wǎng)在與主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)中曾多次出現(xiàn)低頻振蕩事件.對(duì)于電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中局部地區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身存在的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，并隨著主網(wǎng)交直流運(yùn)行和西電東送規(guī)模的逐步加大，低頻振蕩對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行潛在的危險(xiǎn)更為突出.因此在運(yùn)行中對(duì)低頻振蕩的產(chǎn)生進(jìn)行廣域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制具有十分重要的意義.

圖5 廣域低頻振蕩協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

廣域低頻振蕩阻尼控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖5所示.包括控制主站、控制子站、測(cè)量子站以及由2M專(zhuān)用通道組成的通信系統(tǒng).控制子站包括同步相量測(cè)量單元PMU和安全穩(wěn)定控制裝置，分布于各直流換流站，進(jìn)行同步相量測(cè)量和執(zhí)行控制命令.測(cè)量子站包括同步相量測(cè)量單元PMU，分布于能夠反映區(qū)間振蕩模式的關(guān)鍵廠(chǎng)站，進(jìn)行同步相量測(cè)量.控制主站通過(guò)2 M專(zhuān)用通道獲取各子站上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行振蕩檢測(cè)判斷和協(xié)調(diào)控制的決策，并通過(guò)2 M專(zhuān)用通道對(duì)需要控制的子站下發(fā)控制命令.

如第2節(jié)所分析，通信系統(tǒng)異常行為引起的延時(shí)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成極大的影響，在廣域閉環(huán)控制中同樣存在不可忽略的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，這里對(duì)其影響進(jìn)行仿真分析.

延時(shí)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：對(duì)阻尼效果的影響、延時(shí)引起的高頻振蕩和延時(shí)不均勻引起的輸出波形畸變[7].具體來(lái)說(shuō)：(1)延時(shí)會(huì)在低頻振蕩的頻率范圍內(nèi)導(dǎo)致不同的相移，該相移會(huì)附加到控制回路的頻率響應(yīng)中，因此會(huì)影響到直流調(diào)制的阻尼效果；(2)具有一定相位裕度的閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，由于延時(shí)的存在，有可能在幅值穿越頻率上延時(shí)引起的相位滯后要大于系統(tǒng)本身的相位裕度，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，導(dǎo)致高頻振蕩現(xiàn)象的發(fā)生；(3)延時(shí)的不均勻會(huì)使控制輸出量之間的間隔不均勻，從而導(dǎo)致輸出波形的微小畸變.

以時(shí)延產(chǎn)生的高頻振蕩現(xiàn)象為例，如圖6所示.當(dāng)控制器的增益加大時(shí)，系統(tǒng)的相位裕度變小，當(dāng)在幅值穿越頻率延時(shí)引起的相位滯后要大于系統(tǒng)本身的相位裕度時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)高頻振蕩，振蕩頻率約為5 Hz.通過(guò)在控制器中增加濾波環(huán)節(jié)可以適當(dāng)削弱高頻振蕩成分，濾波器的效果在圖6中也有所體現(xiàn).

4 新一代電力系統(tǒng)控制保護(hù)專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在如圖3和圖5所示的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的兩類(lèi)相對(duì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)中，由于組成廣域控制系統(tǒng)的裝置之間均通過(guò)2 M專(zhuān)用通道進(jìn)行信息傳遞，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重電網(wǎng)故障時(shí)，若關(guān)鍵通信元件故障，可能會(huì)使安控系統(tǒng)無(wú)法獲取電網(wǎng)運(yùn)行信息或無(wú)法及時(shí)、可靠地下達(dá)控制措施命令，從而導(dǎo)致電網(wǎng)失去可觀測(cè)性和可控性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害電網(wǎng)的穩(wěn)定性，甚至引發(fā)大停電事故.由此需要研究新一代電力系統(tǒng)控制保護(hù)專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)，既能實(shí)現(xiàn)在各類(lèi)控制系統(tǒng)中電網(wǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的共享，同時(shí)能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的可靠性和實(shí)時(shí)性[8].

為滿(mǎn)足適應(yīng)復(fù)雜互聯(lián)大電網(wǎng)運(yùn)行的廣域控制系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)廣域、快速性、同步性、可靠性的要求，迫切需要研究一種新的廣域安全穩(wěn)定控制專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示.

圖7 新型安控系統(tǒng)專(zhuān)用通信框架結(jié)構(gòu)

在如圖7所示的扁平化結(jié)構(gòu)中，可以將實(shí)時(shí)廣域穩(wěn)定控制的通信網(wǎng)劃分為主站域網(wǎng)絡(luò)、同級(jí)區(qū)域間的互連網(wǎng)絡(luò)和級(jí)間的互連網(wǎng)絡(luò)三部分，即：(1)主站域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)；(2)同級(jí)區(qū)域間互連網(wǎng)絡(luò)；(3)級(jí)間的互連網(wǎng)絡(luò).其中在主站域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中，終端和主站之間的通信在主站/協(xié)控站進(jìn)行一次隔離，以保證數(shù)據(jù)的安全性，同時(shí)該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能支持大量的終端接入，以適應(yīng)實(shí)際電網(wǎng)控制技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生的控制功能需求.針對(duì)上述新型專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)科研單位已開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室半實(shí)物仿真研究，未來(lái)有望逐步驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)性能并推廣到實(shí)際廣域控制系統(tǒng)，并為未來(lái)研究電力信息物理系統(tǒng)提供相應(yīng)的通信基礎(chǔ)設(shè)施.

5 結(jié) 論

本文首先分析了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化對(duì)現(xiàn)代廣域控制系統(tǒng)以及配套通信系統(tǒng)所帶來(lái)的挑戰(zhàn).接著研究了通信系統(tǒng)通道中斷等故障對(duì)廣域控制系統(tǒng)的影響，并結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)的廣域直流閉鎖故障緊急控制和廣域低頻振蕩阻尼控制等功能實(shí)現(xiàn)論證了對(duì)高性能通信環(huán)節(jié)的需求.最后介紹了目前正在研究的安全穩(wěn)定控制專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，努力為未來(lái)復(fù)雜互聯(lián)大電網(wǎng)的各類(lèi)安全穩(wěn)定控制應(yīng)用提供信息共享、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高的通信系統(tǒng).