基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計

宋 軍，詹 偉，苗 田，張 中，孔 龍

（甘肅電通電力工程設(shè)計咨詢有限公司，蘭州 730050）

0 引言

特高壓和超高壓直流的優(yōu)點較多，具體包括傳輸能力強、輸送距離遠、輸送的電量較高、產(chǎn)生的能耗較低等，在自動化送端電網(wǎng)中優(yōu)化配置能力較好。隨著遠距離輸送規(guī)模的加大，自動化送端電網(wǎng)在運行過程中出現(xiàn)了強直弱交問題，特高壓和超高壓直流故障使電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，造成送端電網(wǎng)有功功率分配能力下降，與此同時，特高壓和超高壓直流輸送的無功功率較高，故障擾動較強，超高壓直流使送端電網(wǎng)換相失敗，弱交流斷面被特高壓和超高壓直流沖擊，造成送端電網(wǎng)發(fā)生了暫態(tài)失步，使電網(wǎng)中風(fēng)電機組的風(fēng)速變化趨勢極不固定，降低了送端電網(wǎng)的調(diào)頻能力，減小了自動化送端電網(wǎng)的規(guī)模，特高壓和超高壓直流密集饋入送端電網(wǎng)后，交直流耦合控制偏差增大，自動化送端電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定[1]。

為了解決以上問題，國內(nèi)的研究學(xué)者對此展開了研究，其中基于實際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)，由于構(gòu)建了多目標控制防御體系，有效減小了故障擾動，避免了送端電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)失步，但對于送端電網(wǎng)的有功功率分配能力、風(fēng)速變化趨勢以及控制偏差問題，卻沒有有效的解決。

基于此，本文設(shè)計了基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)設(shè)計了硬軟件環(huán)境，并進行了相關(guān)的實驗研究。

1 基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件由單片機、存儲模塊和控制模塊三部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電路模塊

控制系統(tǒng)的電路模塊包括控制電路、通信接口電路和數(shù)據(jù)采集電路[2]?？刂齐娐分邪?個輸入緩沖器、2個超高電壓互感器、1個A/D轉(zhuǎn)換器、多個電路控制開關(guān)以及2個電流互感器。由于控制系統(tǒng)屬于特高壓和超高壓直流互聯(lián)，因此控制電路的直流電壓為220V，直流電壓經(jīng)過超高壓互感器的轉(zhuǎn)換變成0～10V的交流電壓，經(jīng)過電路控制開關(guān)把電壓信號輸送至電流互感器中進行A/D轉(zhuǎn)換[3]。電路模塊如圖2所示。

圖2 電路模塊

觀察圖2可知，通信接口電路中包括光電耦合器和采樣保持器，在采集自動化送端電網(wǎng)的有功功率和無功功率時，由于功率較高，傳輸功率能力較好，通信方式采用全雙工異步通信方式，光電耦合器可實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換為電能，采樣保持器負責(zé)將電壓信號經(jīng)過采樣保持電路進行采樣保持。數(shù)據(jù)采集電路中，由超高壓電壓互感器傳輸過來的直流信號經(jīng)過采樣分壓加到電流互感器的輸入端，當(dāng)輸入端的控制邏輯電平低于輸出電壓時，保持電容放電，從而完成電壓信號采樣與保持[4]。

因此，電路模塊能夠完成電壓控制、信號的采樣和信號傳輸。

1.2 單片機模塊

控制系統(tǒng)的單片機是整個自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心，單片機選用美國TI公司生產(chǎn)的AT89C51，該款單片機電壓較低、性能較好，對特高壓直流換流器可進行有效的控制，其內(nèi)部含有只讀程序存儲器和電壓信號存儲器，兩款存儲器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)，該單片機的指令系統(tǒng)可與其他規(guī)格的單片機進行兼容，片內(nèi)的中央處理器為6位，功能強大，對自動化送端電網(wǎng)的電壓可進行很好的控制，片內(nèi)設(shè)置的存儲單元可實時存儲采集完的電壓、電流信號，采用10V～20V雙極性模擬量輸入，存儲的電壓信號通過片內(nèi)的只讀程序存儲器進行控制接通，可將多路電壓、電流信號進行輪流采集，通過單片機可實現(xiàn)特高壓直流換流器的控制[5]。單片機電路圖如圖3所示。

圖3 單片機電路圖

1.3 存儲模塊

為了記錄自動化送端電網(wǎng)中的電壓、電流、有功功功率、無功功率、電容等變量參數(shù)，在可擦可編程只讀存儲器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了大容量的存儲模塊，存儲容量為320GB，該存儲模塊的核心器件是新型鐵電存儲器，該鐵電存儲器的寫入速度較快、擦除次數(shù)無限制且寫數(shù)據(jù)無延時，存儲芯片價格較低，可以保存2周的電壓信號、電流信號采樣數(shù)據(jù)，以及故障信息數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)維護及數(shù)據(jù)查詢提供便利，在計量自動化送端電網(wǎng)的電量時，可以提升計量的精度，降低計量過程中產(chǎn)生的誤差。通過存儲模塊，可實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的存儲[6]。存儲模塊圖如圖4所示。

圖4 存儲模塊圖

1.4 控制模塊

控制系統(tǒng)的控制模塊主要實現(xiàn)對自動化送端電網(wǎng)中特高壓直流換流器、低壓饋線電路的電壓電流的控制，控制模塊的核心器件是混合信號微控制器，是由三星公司生產(chǎn)，該款微控制器采用高速、流水線結(jié)構(gòu)完成有功功率補償以及中斷系統(tǒng)的控制功能，有功功率補償方式為循環(huán)投切方式，先投入控制系統(tǒng)中的有功功率，后投的后切除，降低特高壓直流換流器的運行速度，增加投切開關(guān)的動作頻率，延長微控制器的使用壽命，通過逐級投切方式，可提升特高壓直流換流器的控制精度與控制速度。通過控制模塊，可實現(xiàn)對自動化送端電網(wǎng)中電壓、電流等的控制?？刂颇K圖如圖5所示。

圖5 控制模塊圖

2 基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的軟件流程如下：

首先，進行協(xié)調(diào)控制。為了使自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的換流器保持承壓平衡，需要對觸發(fā)角和換流變分接頭進行協(xié)調(diào)控制?？刂葡到y(tǒng)向換流器的控制主機下發(fā)相同的控制指令，控制主機接收控制指令后，計算觸發(fā)角指令，使主控換流器和從控換流器串聯(lián)運行，通過控制主機的光纖直連通道，換流變分接頭添加協(xié)調(diào)控制偏移量，由此產(chǎn)生的控制偏差可通過調(diào)節(jié)器進行修正，觸發(fā)角與換流變分接頭進行快速協(xié)調(diào)，采用直接協(xié)調(diào)控制，提升控制系統(tǒng)運行的平衡度。協(xié)調(diào)控制需要上傳的功率為P，計算公式為：

圖6 基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件流程

其中，P表示需要上傳的功率；E1表示系統(tǒng)電壓；E2表示等值電壓；X表示并聯(lián)電抗。

然后，進行投退控制。換流器的投退控制是特高壓和超高壓直流互聯(lián)的主要功能特征，也是特高壓和超高壓直流控制的關(guān)鍵，在換流器控制主機中，設(shè)置了專門的電流調(diào)節(jié)器，通過改變換流器的電壓值對電流調(diào)節(jié)器進行投入控制，當(dāng)換流器在線投入時，接收來自換流器控制主機的電流指令，將觸發(fā)角進行投入控制，使其變化至60度左右，當(dāng)換流器中的電流與電流調(diào)節(jié)器中的電流相等時，切換電流器中的電流指令，在觸發(fā)角與換流變分接頭完成協(xié)調(diào)控制功能后，進行換流器的投入操作，投入控制完成后進行換流器的在線退出控制。換流器的在線退出控制需要將觸發(fā)角移至60度，并增加直流電流，旁通開關(guān)合位后，將主控換流器進行閉鎖，當(dāng)主控換流器和從控換流器產(chǎn)生通信故障時，從控換流器故障退出，當(dāng)測量的電壓值為0.25～0.75之間時，從控換流器延時退出。協(xié)調(diào)控制計算公式如下：

其中，W表示電網(wǎng)信號功率；V表示協(xié)調(diào)控制結(jié)果。

最后，采用閉鎖方式完成閉鎖過程。為了降低通信故障帶來的影響，采用閉鎖方式對換流器進行保護閉鎖，主控換流器和從控換流器采用相同的閉鎖策略，執(zhí)行閉鎖操作完成閉鎖過程。閉鎖過程如式(3)所示：

其中，S表示閉鎖后的速度；t表示閉鎖時間；θ表示主控換流器和從控換流器之間的角度。

3 實驗研究

本文針對基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的有功功率分配能力、風(fēng)速變化趨勢以及控制偏差，將基于實際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)與本文設(shè)計的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)進行了實驗對比。通過預(yù)測超短周期功率信息，得到實時運動狀態(tài)，對機群組進行分組，得到5類不同的機群：

觀察圖7可知，有功功率分配能力會受到控制目標與控制模式的影響。分配有功功率需要結(jié)合換流器的投退信息，根據(jù)換流器主控機下發(fā)的調(diào)度指令、協(xié)調(diào)控制模式與自動化送端電網(wǎng)基站的有功功率參考值，預(yù)測電站內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)備的運行狀態(tài)，按照協(xié)調(diào)控制分配策略，自動化送端電網(wǎng)中的各類設(shè)備根據(jù)分配策略進行調(diào)控。特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)中控制目標包括：光電耦合器、旁通開關(guān)、風(fēng)電機組等設(shè)備，這些控制目標通過采用一定的控制模式發(fā)揮它們的有功功率分配能力，通常情況下，光電耦合器采用的控制模式為定值控制模式，通過定值控制模式，光電耦合器可將自動化送端電網(wǎng)的有功功率控制在標準范圍內(nèi)，旁通開關(guān)采用差值控制模式使自動化送端電網(wǎng)在低于可發(fā)功率標準值的情況下運行，由此產(chǎn)生的功率差值通過換流器主機下發(fā)，風(fēng)電機組采用調(diào)頻控制模式根據(jù)有功功率與可發(fā)功率的偏差值調(diào)整自動化送端電網(wǎng)的有功功率，控制目標與控制模式匹配完畢后，采用基于分群的有功控制方法分析有功功率分配能力。

圖7 有功功率分配實驗分析結(jié)果

在特高壓和超高壓直流互聯(lián)的條件下，需要考慮自動化送端電網(wǎng)的控制目標是否可控，利用特高壓交直流耦合信息與自動化送端電網(wǎng)的關(guān)聯(lián)匹配關(guān)系對電網(wǎng)的控制目標進行動態(tài)分群，與此同時，為了使有功功率變化量與送端電網(wǎng)的調(diào)節(jié)需求保持一致，根據(jù)有功功率波動范圍確定各個控制目標的控制原則及有功功率暫穩(wěn)狀態(tài)，根據(jù)自動化送端電網(wǎng)中各個控制目標的有功功率分群分配情況，分辨自動化送端電網(wǎng)的有功功率分配能力，本文設(shè)計的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的風(fēng)速變化趨勢與基于實際工程的送端電網(wǎng)的風(fēng)速變化趨勢，對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 風(fēng)速變化趨勢分配結(jié)果

觀察圖8可知，上升階段為可增有功功率值，下降階段為可減有功功率值。根據(jù)當(dāng)前送端電網(wǎng)的實際運行狀態(tài)，計算可增有功功率值和可減有功功率值，再將可增有功功率值與可減有功功率值進行相加，與最大有功功率值進行比較，根據(jù)對比情況可知，在本文設(shè)計的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)中，可增和可減有功功率總和大于最大有功功率值，證明有功功率分配能力更強，基于實際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)中，可增和可減有功功率總和小于最大的有功功率值，證明有功功率分配能力小，因此本文系統(tǒng)的有功功率分配能力強于基于實際工程的控制系統(tǒng)的有功功率分配能力。

根據(jù)以上給出的最大有功功率值和可增、可減有功功率總和值，得出自動化送端電網(wǎng)中不同風(fēng)電機組的風(fēng)速變化趨勢：

觀察圖9可知，與基于實際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的風(fēng)速變化趨勢進行對比可知，由于風(fēng)速的差異性以及分配控制策略的不同，本文系統(tǒng)與基于實際工程控制系統(tǒng)的風(fēng)速變化在最開始均出現(xiàn)了較大的波動，但隨著輸出有功功率值的增大，本文系統(tǒng)的風(fēng)速變化逐漸趨于穩(wěn)定，而基于實際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的風(fēng)速變化沒有隨著輸出有功功率值的增大而發(fā)生變化，波動范圍依然較大。

圖9 有功功率控制偏差實驗結(jié)果

4 結(jié)語

選擇某個控制周期的送端電網(wǎng)的功率運行數(shù)據(jù)，獲得不同控制目標下的不同控制模式的控制偏差，控制偏差包括最大控制偏差、最小控制偏差以及平均控制偏差，根據(jù)對比結(jié)果可知，本文系統(tǒng)的最大、最小、平均控制偏差均小于基于實際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)，證明送端系統(tǒng)面臨的沖擊較小。綜上所述，本文設(shè)計的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的有功功率分配能力更高，風(fēng)速變化趨勢更穩(wěn)定，控制偏差更小。