適應智能電網的SSP510頻率電壓緊急控制裝置的研制

司慶華，徐海波，李祝昆，顏云松

(1. 國電南瑞科技股份有限公司，南京　211106；2. 南京南瑞集團公司(國網電力科學研究院)，南京　211106)

適應智能電網的SSP510頻率電壓緊急控制裝置的研制

司慶華1,2，徐海波1,2，李祝昆1,2，顏云松1,2

(1. 國電南瑞科技股份有限公司，南京211106；2. 南京南瑞集團公司(國網電力科學研究院)，南京211106)

摘要：隨著特高壓電網和智能電網的建設，我國電網的結構和規(guī)模發(fā)生重大變化，對頻率電壓緊急控制裝置提出了新的需求。介紹了裝置的硬件架構和特點，闡述了裝置的智能化插件管理方法、基于重采樣的DFT前端修正算法、智能變電站下精確切負荷方法以及基于C/S模式實現標準化人機界面顯示和交互方法，最后介紹了裝置的工程應用情況。

關鍵詞：頻率電壓緊急控制；智能電網；DFT前端修正算法；精確切負荷；C/S模式

頻率電壓緊急控制裝置作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的最后一道防線，保證了電力系統(tǒng)承受大擾動時的安全要求，防止事故擴大，避免系統(tǒng)崩潰[1]。頻率電壓緊急控制裝置實時采集就地的頻率、電壓，計算電壓、頻率變化率等電氣量，當系統(tǒng)頻率或電壓下降時及時切除足夠數量的較次要的用戶負荷，同時向重要用戶不間斷供電，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，防止電力系統(tǒng)事故擴大[2]。

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，特高壓電網和智能電網建設給頻率電壓緊急控制提出了新的要求，已有的頻率電壓緊急控制裝置已不能完全適應用戶的需要，主要存在4個方面問題：①傳統(tǒng)頻率電壓緊急控制裝置不能滿足智能變電站的要求，適應性差；②在電網頻率偏離額定頻率較大時電壓計算誤差較大，造成電壓緊急控制功能不可用或裝置誤動[3-5]；③采用開環(huán)控制方法，不能實時掌握負荷的運行狀態(tài)，不能實現精確控制[6]；④人機界面定制開發(fā)、周期長，界面不美觀、操作繁瑣，體驗性差[7]。隨著智能電網的發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，運行方式和動態(tài)特性也越來越復雜，因此研制一個高可靠性，安全性，并具有一定前瞻性的頻率電壓緊急控制裝置就非常有必要。

1硬件架構

頻率電壓緊急控制裝置具有數據采集量大、采集精度高、計算密集、控制量多等特點，因此裝置硬件采用模塊化設計，包括決策判斷模件、采樣計算模件、開入模件、出口模件、通信模件、人機接口模件等。模件之間采用了基于現場可編程門陣列(FPGA)的高速同步串行通信技術，速率可達32 Mbit/s。模件之間通過機箱的背板總線(LVDS、RS485、CAN)以及光纖相連。裝置系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1　SSP510系統(tǒng)結構圖

決策判斷模件是裝置神經中樞，收集所有的采樣計算模件和開入模件的信息，綜合分析，作出最終的判斷，將決策結果下發(fā)到出口模件或通信模件。采樣計算模件分為傳統(tǒng)的模擬量采樣計算模件和支持IEC 61850的SV數字采樣計算模件，完成電壓、頻率等數據的采集、計算、故障判斷。開入模件分為傳統(tǒng)的開入模件和GOOSE訂閱模件，用于強弱電開入量的采集，采集的信息包括壓板投退信號、操作箱的位置信號、保護跳閘信號等。出口模件分為傳統(tǒng)的出口模件和GOOSE發(fā)布模件，收到決策判斷模件發(fā)出的控制信息后，硬接點方式跳閘出口或者將跳閘命令以GOOSE方式發(fā)送到GOOSE網上。通信模件負責與異地的安全自動裝置通信，獲取異地電網運行情況，實現遠方切機切負荷。人機接口模件提供人機接口以及負責與后臺管理系統(tǒng)的通信。

采用這種結構設計，為模件的智能化管理提供了硬件基礎；并且可以靈活配置模件種類和數量，以滿足不同工程的需求。

2裝置特點

裝置具有低頻低壓、過頻過壓保護的功能，能在頻率、電壓異常情況下，判斷低頻低壓或高頻高壓事故，快速采取就地低頻低壓減載或高頻高壓切機的控制措施。低頻、低壓分別設有5 個獨立的基本輪、3 個獨立的特殊輪、2個加速輪。當系統(tǒng)頻率下降較快時，裝置具有根據df/dt加速切負荷的功能，在切第一輪時可加速切第二輪或二、三兩輪，盡早制止頻率的下降。當電力系統(tǒng)電壓下降太快時，可根據du/dt加速切負荷，盡早制止系統(tǒng)電壓的下降，避免發(fā)生電壓崩潰事故，保證電壓穩(wěn)定。

裝置故障的判斷和決策采用多個不同的條件及多重閉鎖機制，有效防止了誤動和拒動。裝置還具有如下特點：實現了插件的智能化管理；采用基于重采樣的DFT前端修正算法；智能變電站下可實現精確切負荷；采用基于C/S模式實現標準化人機界面顯示和交互。

2.1插件的智能化管理方法

電力系統(tǒng)頻率電壓緊急控制裝置屬于實時控制類產品，在當前主流的產品中，機箱內部插件的功能配置與通信拓撲都是基本固定的，在智能變電站時代硬件實現上面臨以下諸多挑戰(zhàn)：裝置如何在傳統(tǒng)變電站、智能變電站、半智能變電站等不同定制化應用中快速實現工程化；傳統(tǒng)接口方式插件與數字化接口方式插件在電氣兼容、數據通信、配置管理等方面如何進行統(tǒng)一管理；復雜工程中多機箱、多插件間如何實現數據的高速實時交互等。

這些問題得到有效解決的一個重要基礎就是，更加標準化的機箱和智能化的插件。采用一種插件智能化管理的方法，該方法將機箱的標準化、模件的智能化管理從實現上抽象為物理層、鏈路層、網絡層三層[8]。物理層提供機箱內各智能模件的接插固定、EMC防護、多路供電、功率信號傳輸、信息通信等物理基礎；鏈路層以總線、星型等多種拓撲方式為每個模件提供多路基于BLVDS、LVDS、CAN等多種標準的通信連接；網絡層將各通信節(jié)點數據交換區(qū)映射到統(tǒng)一的內存空間，利用各插件內FPGA實現多節(jié)點、多路通信的自動數據交換，使得各CPU在應用層進行通信互訪時僅需對特定的內存進行讀寫操作[8]。

這三層軟硬件的設計方法實現了裝置在機箱和插件管理上的標準化和智能化：機箱內各插件位置兼容，提高了配置效率，增強了裝置可擴展性；傳統(tǒng)方式插件、數字化方式插件交互數據統(tǒng)一管理，使算法設計更加標準化，增加了裝置可靠性；各插件通過簡單配置文件可靈活分配通信帶寬，提高了通信效率，各插件和機箱在統(tǒng)一的地址空間上實現了更可靠的數據通信等。總之，插件的智能化即裝置的底層管理實現自動化，使裝置的軟件開發(fā)更簡單、可靠，提高了裝置對不同工程需求的適應性。

2.2基于重采樣的DFT前端修正算法

二次設備有效值計算的主流算法是均方根法與DFT(快速傅里葉變換)法，在頻率偏移的情況下，兩種算法都有比較大的計算誤差[3-5]。

目前對DFT算法誤差補償的研究多是在計算結果出來后對其進行補償的后端修正算法，但此類DFT修正算法都存在一個共同的問題：計算時隱含了一個假設，即在一個計算周期內計算頻率時假設有效值不變、計算有效值時假設頻率不變。DFT后端修正算法面臨迭代計算精度與計算所需時間二者的矛盾：要保證計算精度則迭代次數不固定，導致算法計算時間不確定；要保證算法計算時間，則計算精度不能確定[3-5]。而目前頻率電壓緊急控制裝置需要在一個固定時間內完成計算與邏輯判斷的整個過程，計算時間不確定則整個裝置運行的可靠性無法保證，計算精度不確定則導致判據的邊界條件放寬導致裝置性能下降。

表1　DFT前端修正算法與均方根算法比較

SSP510頻率電壓緊急控制裝置采用了一種基于重采樣的DFT前端修正算法，首先測頻，再根據測量的頻率對采樣值進行修正，再計算電氣量有效值，保證DFT計算的整周期，兼顧了計算精度與所需時間的平衡。該算法的計算流程圖如圖2所示。

圖2　基于重采樣的DFT前端修正算法流程圖

該算法與均方根算法的比較結果見表1。本方法計算時間確定，精度高，在35～75 Hz頻率期間，電壓電流有效值計算誤差小于千分之五的額定值。采用該算法，在電網頻率偏離額定頻率較大時，使得電壓緊急控制功能仍可用。

2.3智能變電站下精確切負荷

目前頻率電壓緊急控制裝置的切負荷控制策略，通常基于離線計算得到，事先計算出頻率電壓越限后的控制措施并存于裝置中，運行時裝置根據實時頻率電壓的越限情況按照策略表采取控制措施，此方法默認電網運行時負荷狀態(tài)保持和策略計算時的狀態(tài)一致。由于此方法切負荷出口回路仍采用開環(huán)控制，不采集負荷線路功率，無法實時掌握負荷的變化情況，因此不具備精確切負荷功能。當潮流波動或線路狀態(tài)改變時，可能造成切負荷量的不足或過度甚至導致電網故障擴大。

在傳統(tǒng)變電站中，一個站內負荷線路可能會多至幾十回，頻率電壓緊急控制裝置如需實現精確切負荷(根據允切負荷線路的運行情況及需切負荷總量來選擇切除的線路)的功能，要將所有負荷線路的電壓電流接入，但實際工程應用時受限于設計規(guī)模、經濟性等因素，裝置無法通過采樣來獲得站內全部負荷線的功率。而在智能變電站中，由于目前變電站內SV網帶寬以及裝置通信、計算處理速度的限制，通過SV網來獲得允切線路的功率在相當長的時間內也無法在工程上得以實現。

在智能變電站下，如果擴展GOOSE應用范圍，運用GOOSE網傳送負荷線路功率，則可在不增加投入的前提下實現精確切負荷的功能[6]。通過GOOSE網訂閱線路保護及相應智能終端信息，獲得線路相關狀態(tài)，智能選擇被切線路。將允切負荷線路功率添加進對應IED的GOOSE控制塊，裝置通過訂閱GOOSE獲得負荷線路功率信息，再根據需切負荷總量來選擇切除的線路，從而實現頻率電壓緊急控制裝置的精確切負荷功能。該方法的流程圖如圖3所示。

圖3　精確切負荷流程圖

SSP510頻率電壓緊急控制裝置通過訂閱GOOSE來使用站內已存在的信息流，用很小的經濟代價來升級裝置，滿足未來系統(tǒng)層面協調處理低頻低壓的減載控制對裝置技術升級的要求。

2.4基于C/S模式實現標準化人機界面顯示和交互

頻率電壓緊急控制裝置的輸入和輸出數據量龐大且復雜，如何方便友好地通過人機界面展示給用戶，是各裝置廠家研究的熱點問題。傳統(tǒng)的頻率電壓緊急控制裝置的人機界面的軟硬件設計與裝置平臺的開發(fā)結合非常緊密，通常是全定制化開發(fā)。由于開發(fā)難度等限制，在顯示的尺寸、豐富程度、人機交互友好性等方面存在諸多限制[7]。隨著智能電網和行業(yè)標準的發(fā)展，對人機界面的要求也在不斷提高，主要體現在：更直觀、豐富的顯示，更便捷的交互方式，更強大的數據管理等等[7]。

對裝置的人機界面的升級如果采用傳統(tǒng)的定制化方式，將在開發(fā)難度、周期、可靠性、可繼承性等方面帶來很大挑戰(zhàn)。采用一種基于C/S模式實現通用化安全自動裝置人機界面的方法，主要內容如下：將人機界面模塊與裝置主體在硬件結構上獨立，僅通過一根網線實現數據通信；提取出標準化的人機交互數據并分類映射到統(tǒng)一的MODBUS地址空間；裝置作為服務器端(Server)提供人機交換數據的訪問端口；人機界面模塊作為客戶端(Client)，通過以太網、RS-485鏈路，以MODBUS協議對人機交換數據進行訪問；人機界面模塊獨立實現對人機數據的解析、顯示、輸入等。該方法的實現流程圖如圖4所示。

圖4　標準化人機界面顯示和交互實現流程圖

本方法選用定制的的工業(yè)觸摸屏作為人機界面模塊，實現了顯示和鍵盤功能。硬件上使復雜的人機界面模塊與裝置主體充分解耦，降低了裝置的電磁兼容和結構設計的復雜度；軟件上使得裝置僅需要處理少量的數據層面的信息，復雜的圖形顯示過程移到了人機界面模塊內部實現；顯示效果和人機操作上能充分利用工業(yè)觸摸屏的較為先進的技術成果，如真彩顯示、高分辨率、大尺寸、觸摸控制。采用本方法開發(fā)的頻率電壓緊急控制裝置人機界面，達到了顯示直觀豐富、人機交互操作便利的效果，提高了裝置體驗性，縮短了開發(fā)周期，增強了可升級擴展性。

3試驗及工程應用情況

SSP510頻率電壓緊急控制裝置在國家繼電保護及自動化設備質量監(jiān)督檢驗中心，通過了電磁兼容試驗以及型式試驗，實驗結果表明SSP510頻率電壓緊急控制裝置具有高精度、高可靠性，能在電網頻率、電壓異常情況下，正確判斷低頻低壓或高頻高壓事故，快速采取就地低頻低壓減載或高頻高壓切機的控制措施，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。該裝置已經分別在湖南邵陽110 kV石川變和湖南懷化低莊110 kV智能變電站投運，以及在山西、山東等電網得到實際應用。多次對電力系統(tǒng)發(fā)生的故障做出正確判斷，未發(fā)生誤動與拒動，有效地起到了電力系統(tǒng)第三道防線在防止事故擴大中的作用，為電力的可靠送出發(fā)揮了積極的作用。

4結語

SSP510頻率電壓緊急控制裝置具有精度高、智能化的特點，滿足了現代電網對頻率電壓緊急控制裝置的要求，為現代電網的安全穩(wěn)定運行提供了堅強保障。裝置具有如下特點：插件智能化，提高了裝置對不同工程需求的適應性；采用基于重采樣的DFT前端修正算法，改善了頻率偏移情況下電氣量有效值計算精度；提出一種應用GOOSE網傳輸線路功率實現精確切負荷方法；采用基于C/S模式實現標準化人機界面顯示和交互的方法，縮短了開發(fā)周期、增強了可升級擴展能力。

通過在電力系統(tǒng)內合理地配備足夠數量的SSP510頻率電壓緊急控制裝置，建立可靠的第三道防線，可以避免電網穩(wěn)定破壞事故的發(fā)生或減輕事故發(fā)生的后果，大大提高發(fā)電、輸電容量的利用率，產生巨大的經濟效益和社會效益。

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(本文編輯：趙艷粉)

Development of SSP510 Frequency Voltage Emergency Control Device for Smart Grid

SI Qing-hua1,2, XU Hai-bo1,2, LI Zhu-kun1,2, YAN Yun-song1,2

(1. NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing 211106, China；2. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211106, China)

Abstract:With the construction of UHV grid and smart grid, the structure and scale of China′s power grid has been greatly changed. So new requirements for frequency voltage emergency control device are presented. Architectures and features of the device is first introduced; the intelligent plug-management device is described; then the front end of correction algorithm based on DFT resampling is expounded. Additionally, the method for precise load shedding in intelligent substation, and the realization of standard human machine interface display and interactive method based on the C/S model are introduced. The engineering application of the device is outlined in the end.

Key words:frequency voltage emergency control; smart grid; DFT front end correction algorithm; precise load shedding; C/S mode

DOI：10.11973/dlyny201601005

基金項目：國家電網公司科技項目“適應智能變電站的電網安全穩(wěn)定控制裝置智能化關鍵技術研究”資助

作者簡介：司慶華(1982)，男，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制。

中圖分類號：TM76

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)01-0023-05

收稿日期：2015-11-13