考慮負(fù)荷特性的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)設(shè)計

高虹霞，高 劍，宋 燁，朱 童，吳佳芳

（1.四川省電力公司資陽供電公司，四川 資陽 641300；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041）

一旦電力系統(tǒng)存在較大的故障因素，內(nèi)部的功率缺額也會隨之變大，很難尋找有效的調(diào)頻控制方法。為了更好地滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求，使系統(tǒng)能夠達(dá)到功率平衡，需要技術(shù)層面將系統(tǒng)的部分負(fù)荷去除，從而保證系統(tǒng)的功率能夠達(dá)到平衡狀態(tài)，防止系統(tǒng)的頻率發(fā)生崩潰，進(jìn)而確保電力系統(tǒng)能夠以穩(wěn)定的狀態(tài)運行[1-2]。目前，有大量學(xué)者對低頻減載系統(tǒng)進(jìn)行了研究，吳云亮等[3]提出了基于減載貢獻(xiàn)因子的低頻減載動態(tài)優(yōu)化方法，分析減載貢獻(xiàn)因子對不貢獻(xiàn)功率造成的影響，從而計算功率精度，通過動態(tài)方式實現(xiàn)逐次遞減優(yōu)化，從而減少負(fù)荷切除量，使電力系統(tǒng)能夠具備頻率調(diào)節(jié)的能力。錢敏慧等[3]提出了基于自適應(yīng)慣性權(quán)重混沌粒子群算法的多機系統(tǒng)低頻減載整定算法，確定電力系統(tǒng)頻率降低閾值，通過多輪減載的方式保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運行。目前的方法都很難在實際運行時，既保證系統(tǒng)頻率得到快速恢復(fù)，又能夠減少負(fù)荷切除量。

綜上所述，該文在分析負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)，首先確定負(fù)荷狀態(tài)，然后從硬件和軟件兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)低頻減載。

1 硬件設(shè)計

該文設(shè)計的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)硬件主要采用模塊化的思想[4]，通過多模塊設(shè)計實現(xiàn)低頻減載設(shè)計。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

在電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)中，CPU 模塊占據(jù)著主導(dǎo)作用，其是系統(tǒng)的核心模塊，當(dāng)采集模塊得到母線電壓信號和頻率信號后，會傳遞給CPU 模塊，由CPU 模塊完成處理，將電源模塊安裝在電源插件上，并將模擬量輸出在裝置面板上，從而更好地傳遞信息[5-6]。

1.1 雙處理模塊設(shè)計

傳統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)采用的DSP 處理器是一般的DSP 處理器，處理能力和通信能力都難以滿足用戶要求，因此該文使用雙CPU 結(jié)構(gòu)，即DSP+單片機的模式設(shè)置硬件，通過DSP 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作和處理工作，利用單片機完成信息控制和通信，確保設(shè)計的系統(tǒng)硬件功能。雖然雙CPU 結(jié)構(gòu)能夠提高系統(tǒng)的功能，但是也加大了硬件的復(fù)雜度，降低可靠性，因此文中通過精簡指令集計算機來彌補這一缺陷，借助精簡指令集計算機極高的運算能力提高系統(tǒng)硬件的集成精度，滿足低頻減載需求[7]。

該文選用的處理器為ColdFire 微控制器，微控制器為四核控制器，能夠在不同的場合中發(fā)揮不同的作用，如果使用環(huán)境為32 位入門級環(huán)境，則使用V1 內(nèi)核；如果使用環(huán)境為工業(yè)環(huán)境和家庭環(huán)境，則使用V2 內(nèi)核；如果使用環(huán)境為工業(yè)測控環(huán)境，則需要使用V3；如果使用環(huán)境為多媒體環(huán)境，則使用V4內(nèi)核[8]。微處理器選擇的是MCF52235 微處理器，該微處理器為系統(tǒng)的核心裝置，內(nèi)部為V2 內(nèi)核，存儲器內(nèi)部的FLASH 內(nèi)存為128 kB，SRAM 內(nèi)存為32 kB，系統(tǒng)時鐘頻率為60 MHz，采用的封裝為80LQFP 封裝[9-10]。ColdFire 微控制器與MCF52235 微處理器形成的雙CPU 結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 雙CPU結(jié)構(gòu)

該文研究的雙CPU 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的控制器為嵌入式微控制器，能夠同時滿足以太網(wǎng)控制器的要求，并將物理層的內(nèi)核整合到一起，確保系統(tǒng)內(nèi)部的性能[11]。微控制器內(nèi)部設(shè)置的乘法器為增強型乘法器，EMAC 和CAU 彼此配合，為DSP 的操作和安全運行提供良好的保障。ColdFire 微控制器與MCF52235微處理器形成的雙CPU 結(jié)構(gòu)支持7 級終端管理，系統(tǒng)能夠自動完成中斷控制，供電電壓為3.3V，與軟件連接，使內(nèi)部集成鎖形成看門狗。當(dāng)雙CPU 運行頻率能夠達(dá)到60 MHz 后，系統(tǒng)的運行速度可以提高到80 MIPS，不同端口用戶可以同時使用系統(tǒng)[12]。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)采集電壓信號和頻率信號，得到的外部信號在經(jīng)過互感器后會轉(zhuǎn)變成強電信號，而電力系統(tǒng)僅能接收0～3.3V電壓，因此必須要將信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，使CPU 模塊能夠更好地完成信息處理[13]。

數(shù)據(jù)采集模塊通過DMA 定時器來實現(xiàn)，該裝置具備輸入捕捉功能，內(nèi)部擁有多種寄存器。DMA 定時器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 DMA定時器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，如果系統(tǒng)捕捉到信號，定時器內(nèi)部的DTCRn 會自動鎖存，并記錄得到的數(shù)值，同時DMA 定時器會自動產(chǎn)生中斷請求和傳輸請求。采集模塊方波生成電路如圖4 所示。

圖4 采集模塊方波生成電路

根據(jù)圖4 可知，系統(tǒng)的微信電壓互感器會向采集模塊傳遞交流信號，信號進(jìn)入采集模塊后，會經(jīng)過雙向限幅操作和濾波處理，在過零比較器LM393中完成通信輸入，如果信號以正弦的模式輸出，且輸出電壓不超過3.3V，則證明得到的信號為有效信號。

1.3 通信模塊

該文利用CAN 總線設(shè)計低頻減載系統(tǒng)通信模塊，外部的CAN 控制器和接口芯片能夠很好地降低系統(tǒng)在開發(fā)過程的難度，通信模塊如圖5 所示。

圖5 通信模塊

根據(jù)圖5 可知，該文使用的通信模塊支持集成規(guī)則，能夠很好地完成CAN2.0 協(xié)議，內(nèi)部的FlexCAN模塊可以在外圍接口上添加驅(qū)動器，通過驅(qū)動器使系統(tǒng)的CAN 通信能力更強。通信模塊中的收發(fā)器由飛利浦公司生產(chǎn)，能夠完成差動發(fā)送功能和接收功能，從而減少CPU 對外部環(huán)境的干擾，通過光電隔離措施使接口電路能夠得到更好地隔離，除了光電隔離，還采用了電源隔離能夠很好地與FEC 兼容[14]。

2 軟件設(shè)計

將電力負(fù)荷特性分為常規(guī)負(fù)荷模型和調(diào)頻中斷負(fù)荷模型，通過負(fù)荷特性分析，實現(xiàn)合理分配。電力系統(tǒng)中包括發(fā)電電源、電源母線節(jié)點、復(fù)合單元和控制單元，將電源模塊與電源母線節(jié)點連接，母線節(jié)點會通過變壓器與輸電線路的其他節(jié)點連接，完成不同單元的控制[15]。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，計算控制時間，通過匹配結(jié)果實現(xiàn)優(yōu)化控制，從而確保電網(wǎng)能夠在正常的頻率下穩(wěn)定運行。

匹配過程如式（1）所示：

其中，P表示電網(wǎng)在運行過程中的整體負(fù)荷；PL表示以常規(guī)狀態(tài)運行的負(fù)荷；PF表示運行過程中產(chǎn)生的中斷負(fù)荷。

確定電力系統(tǒng)負(fù)荷的目標(biāo)函數(shù)，如式（2）所示：

其中，ΔP表示電力系統(tǒng)在多種模式下得到的負(fù)荷總量；Kr表示可調(diào)節(jié)中斷負(fù)荷節(jié)點；Pi表示負(fù)荷量。

在得到目標(biāo)函數(shù)之后，計算控制代價，計算公式如下所示：

其中，M表示代價模型；B表示在中斷負(fù)荷補償差價；S(p,t)表示增長差價；C表示出現(xiàn)不確定問題時產(chǎn)生的補償系數(shù)。

系統(tǒng)軟件在工作過程中，具有實時檢測能力，能夠確定不同節(jié)點的頻率值[16]，并進(jìn)行實時分析，通過多負(fù)荷組合方式，使系統(tǒng)具備最優(yōu)頻率響應(yīng)性能，從而更好地完成低頻減載控制操作。

3 實驗研究

為了更好地檢測該文設(shè)計的考慮負(fù)荷特性的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)的有效性，設(shè)計對比實驗，監(jiān)測對象為遼寧電網(wǎng)，檢測共有5 輪，前3 輪為基礎(chǔ)檢測，后2 輪為特殊檢測。在第一輪檢測時，動作頻率為50.0 Hz，當(dāng)完成全部檢測時，動作頻率為48.9 Hz。

在實驗之前，同時分析電網(wǎng)內(nèi)部不同母線節(jié)點的輸出頻率，在確定節(jié)點的輸出頻率后，利用監(jiān)測模塊提取電網(wǎng)內(nèi)部的頻率信息，并將提取的頻率信息再次調(diào)度，傳輸給監(jiān)控中心，利用實時分析判斷電力系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)點頻率，檢測閾值為49.5 Hz，如果檢測的頻率低于這一閾值，則證明電力系統(tǒng)出現(xiàn)了低頻問題。一旦證明系統(tǒng)存在電平故障，低頻減載系統(tǒng)會自動啟動。提取電力區(qū)域負(fù)荷，按照負(fù)荷特征將負(fù)荷分為常規(guī)負(fù)荷和頻率中斷負(fù)荷，分析信息匹配，得到代價模型。

該文設(shè)定的初始負(fù)荷特性共有四種，負(fù)荷量分別為3 000 MW、2 500 MW、3 200 MW、2 900 MW。采用該文設(shè)計的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并對比傳統(tǒng)的基于減載貢獻(xiàn)因子的低頻減載動態(tài)優(yōu)化方法、基于自適應(yīng)慣性權(quán)重混沌粒子群算法的多機系統(tǒng)低頻減載整定算法，實驗結(jié)果如表1-3 所示。

表1 減載貢獻(xiàn)因子切負(fù)荷實驗結(jié)果

表2 自適應(yīng)慣性權(quán)重混沌粒子群算法切負(fù)荷實驗結(jié)果

表3 該文系統(tǒng)切負(fù)荷實驗結(jié)果

根據(jù)表1-3 可知，相比于傳統(tǒng)的方法，該文設(shè)計的系統(tǒng)優(yōu)化的負(fù)荷更少，總體切除的電力負(fù)荷更少，少切比例高達(dá)8.25%，對于保證系統(tǒng)的靈敏性有很好的意義。原因是該文設(shè)計的系統(tǒng)在CPU 上進(jìn)行了優(yōu)化，能夠更好地得到各種不同的權(quán)重系數(shù)。雖然傳統(tǒng)方法和該文系統(tǒng)都考慮了不同級別的重要負(fù)荷，但是該文設(shè)計的系統(tǒng)增加了更多符合切除對頻率恢復(fù)靈敏的考慮，確保在對不同級別負(fù)荷進(jìn)行切除的時候能夠得到更好的頻率恢復(fù)曲線。該文設(shè)計的系統(tǒng)既能夠確保切除量較少，同時也能夠更好地保證頻率恢復(fù)，該文設(shè)計的系統(tǒng)具有很強的實用性。

4 結(jié)束語

低頻減載在恢復(fù)電力系統(tǒng)的靈敏性，確保電力系統(tǒng)正常運行發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。該文在充分考慮電力系統(tǒng)負(fù)荷特性后，設(shè)置了低頻減載系統(tǒng)，以模塊的方式設(shè)定硬件，在軟件上對各項參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立目標(biāo)函數(shù)，確定代價模型，實驗結(jié)果表明，設(shè)計的系統(tǒng)具有很好的實際應(yīng)用效果，可以在相關(guān)工程中發(fā)揮重要作用。