廣域電力系統穩定器閉環控制通信實現技術

趙維興，林　成，孫　斌，康　鵬，孫元章，張　放

（1.貴州電網公司電力調度控制中心，貴陽 550002；2.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 100084）

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廣域電力系統穩定器閉環控制通信實現技術

趙維興1，林成1，孫斌1，康鵬1，孫元章2，張放2

（1.貴州電網公司電力調度控制中心，貴陽 550002；2.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 100084）

摘要：該文從如何減小通信網絡的影響角度，提出了實現電力系統廣域PSS閉環控制架構，具有與數據上行通道結合的控制下行通道，控制終端可同步授時以實現同步控制及閉環時延補償，實現遠方信號反饋及廣域協調控制。在此基礎上結合應用環境實現了貴州電網的廣域電力系統穩定器PSS（power system stabilizer）閉環控制系統。并闡述了廣域阻尼閉環控制系統的關鍵技術，設計了控制下行通道的通信規約。該文最后對該架構進行了RTDS硬件閉環測試，測試結果表明，該架構可有效實現廣域PSS閉環控制。

關鍵詞：閉環控制；廣域電力系統穩定器；通信；架構；工程應用

從1984年7月至今，國家電網和南方電網發生10多起電網低頻振蕩事件，貴州電網近年來也出現多次低頻振蕩和強迫振蕩事件。抑制低頻振蕩不僅是理論研究熱點，同時成為實際電網面對的熱點問題。目前抑制電力系統低頻振蕩最經濟、最有效的措施仍然是加裝電力系統穩定器。隨著相量測量單元PMU（phasor measurement unit）和廣域測量系統WAMS（wide area measurement system）的發展，基于PMU/WAMS的廣域阻尼控制器的研究成為熱點，特別是一些學者提出的廣域電力系統穩定器WPSS（wide power system stabilizer）［1-5］，通過引入遠方信號，能夠有效地抑制區間低頻振蕩。

PMU以測量數據更新間隔短且帶同步時標，能提供大量實時同步數據的優勢，大量用于電力系統廣域動態監測。目前已有廣域的附加勵磁控制及直流輸電調制［4-6］控制器理論設計的相關成果，但實現基于WAMS的實時廣域閉環控制依然存在困難。廣域閉環控制中的測量與控制信息經由高速通信網絡在調度控制中心與各觀測及控制節點間雙向傳輸實現網絡閉環控制，其中考慮通信網絡影響的廣域閉環控制架構是首要解決的問題。

本文結合網絡控制系統的思想闡述了電力系統廣域PSS閉環控制架構，結合實際設計并實現了貴州電網的廣域PSS閉環控制系統，闡述了該系統的關鍵技術，包括系統中各設備的功能；通信協議的選擇；閉環時延測試與估計；設計了一種適用于閉環控制下行通道的通信量穩定的通信規約，最后搭建了實時數字仿真RTDS（real time digital simula?tor）硬件測試平臺，對貴州電網的廣域PSS閉環控制系統進行了測試，驗證了其有效性。

1　廣域PSS閉環控制設計

1.1網絡控制系統

網絡控制系統NCS（networked control systems）起源于工業控制，是使用實時網絡實現控制回路閉環的反饋控制系統，其本質特征在于控制系統元件間的信息通過網絡傳遞，是集計算、通信、控制于一體的現代工業及通信系統的主要發展方向。典型的NCS及其信息流如圖1所示［7］，傳感器及執行器通過網絡接口成為實時控制網絡的節點，傳感器的上行測量數據及控制器的下行控制指令均由控制網絡傳輸，實現網絡閉環控制；其他控制則共享整個控制網絡采用同樣方式實現其功能。NCS重點關注網絡通信對控制的影響，可概括為三大主要影響因素：網絡閉環時延、信道可靠性、數據包傳輸，三方面均會引起網絡控制特性的變化。NCS解決網絡對控制的影響問題主要有兩種途徑［8-10］：一種是在已知網絡特性的條件下，通過設計相應控制策略以減小影響；另一種是不改變控制策略，通過更合理設計網絡控制系統（包括架構及通信規約［10］等）減少數據延遲或丟失的發生。

圖1　典型網絡控制系統及信息流Fig.1　Typical NCS setup and information flows

以上對NCS特點分析可見，電力系統集中式廣域控制系統屬于網絡控制系統，可將NCS的思想引入廣域控制系統的設計中。目前廣域閉環控制設計中通常將通信網絡的影響簡化為閉環時延，其補償方法多以上述第一種途徑為主，具體包括利用線性矩陣不等式LMI（linear matrix inequality）理論方法［8，11］，采用Padé逼近法近似時延的設計方法［11］，使用相位超前/滯后環節補償時延［17］實現時延魯棒性的設計方法等，而對第二種途徑研究較少。考慮第二種途徑，即通過合理設計控制架構減小通信系統的影響，廣域閉環控制架構應注重設備的選擇、接口的設計、以及通信量穩定的數據傳輸規約等。

除此以外，廣域閉環控制架構還應滿足：功能方面，首先要廣域信號反饋及廣域協調控制，然后需要同步授時以實現同步控制及閉環時延補償；實現方面，應有效減小通信數據丟失，增加信道可靠性以及減小閉環時延的分布性。

1.2廣域PSS閉環控制設計

考慮實際系統時延特性及目前電網運行控制信息構成形式，本文所闡述電力系統廣域PSS閉環控制架構，為集中式的網絡控制系統，其中主要設備有PMU、廣域網絡控制服務器WNCS（wide-area network control server）和網絡控制單元，分別對應NCS中的傳感器、控制器和執行器，除此以外還有高速通信網絡。

1）相量測量單元

WAMS構成單元PMU裝置安裝于電力系統各節點，并通過衛星對時同步測量其電氣量，測量間隔通常為10 ms或20 ms。PMU測量數據包括母線三相電壓、電流相量，以及由此計算得到的零序、正序、負序電壓、電流相量，各單相及三相有功功率、無功功率以及頻率和頻率變化率；機組側PMU裝置除了上述量測外，還有通過轉子間相脈沖計算所得發電機的機械功角、利用發電機的參數及機端電壓、電流相量計算的電氣功角。

2）廣域網絡控制服務器

廣域網絡控制服務器安裝于調度控制中心，經數據上行通道獲取觀測點和控制點的PMU測量數據并根據控制策略進行分析計算，得到控制輸出量，最后經控制下行通道發送至控制電廠NCU。廣域PSS閉環控制架構同樣適用于廣域電壓穩定控制等其他廣域控制策略的實現。由于數據交換均經由通信網絡，故廣域網絡控制服務器僅需要普通以太網的RJ45接口，標準工業服務器即滿足需求。

3）網絡控制單元

網絡控制單元NCU（networked control unit）首先接收來自廣域網絡控制服務器的網絡控制數據包并根據控制下行的通信規約解析得到控制指令，然后根據授時信息選取控制指令，然后將其轉換為與控制器對應接口信號（模擬信號或串口信號），實現網絡化閉環控制。NCU對應的電力系統控制器通常為發電機調速器、發電機勵磁器、柔性交流輸電系統FACTS（flexible alternative current transmission systems）、負荷調節器等。為提高抗干擾能力，NCU需要就近與控制器安裝在同一屏柜中，故其硬件平臺需要便于安裝且具備RJ45以太網口及1路D/A輸出，其D/A輸出線性度應可準確還原控制信號。

4）高速通信網絡及衛星授時

PMU至廣域網絡控制服務器的數據上行通道和廣域網絡控制服務器經NCU至電力系統控制器的下行通道均使用電力調度數據通信網，數據上行通道即為已有的WAMS，控制下行通道則需通信網絡將其作為新的任務開通相應服務。PMU及NCU由衛星定位系統授時，以保證廣域網絡閉環控制的同步性，且可根據時標信息對閉環時延進行補償。

1.3貴州電網WPSS閉環控制實例

貴州電網的WPSS閉環控制系統如圖2所示。利用模式能觀性能控性理論［18］對貴州電網BPA模型進行仿真分析，選擇烏江新廠#1機組作為廣域PSS閉環控制的觀測點，思林電廠作為控制點，以烏江新廠#1機組與思林電廠#1機組的功角差為反饋輸入信號。廣域PSS輸出與本地PSS輸出疊加后，作為附加勵磁控制實現了貴州電網的廣域閉環控制。

圖2　貴州電網的廣域PSS閉環控制Fig.2　Wide-area PSS control system of Guizhou power grid

2　廣域PSS閉環控制實現的關鍵技術

電力系統廣域PSS閉環控制對實時性要求極高，控制架構設計需要從各方面綜合考慮以減小閉環時延的分布性，首先廣域網絡控制服務器及NCU需要采用實時操作系統，其次通信網絡需要采用用戶數據報協議UDP（user datagram protocol）通信，同時還需要具體估測整個閉環時延的分布特性。另外，NCU與控制器的接口設計也是關鍵技術之一。

2.1通信協議選擇

目前電力系統中的PMU及WAMS主要以傳輸控制協議TCP（transmission control protocol）協議進行通信。基于連接的TCP協議為保證通信可靠性而犧牲了快速性，無連接方式的UDP協議不會為保證通信可靠性而產生額外時延，但對網絡的性能要求更高。電力系統通信由于使用專用信道而沒有帶寬競爭，因此TCP協議的數據重傳等保證通信可靠性的措施不十分必要。對電力系統廣域閉環控制系統而言，個別數據的錯序或丟失可以通過上層應用協議（如絕對時標、累加和校驗等）檢出，然后以預測或插值等方法解決。由于數據傳輸的快速性和連續性更為重要，UDP協議更適合作為廣域閉環控制系統的通訊協議。

2.2廣域網絡閉環時延

閉環時延對廣域控制性能的影響很大。廣域網絡閉環時延主要產生在數據采集、數據上行、控制下行3個環節，3個環節中時延產生原因及大小如表1所示，其中時延大小為貴州電網廣域PSS閉環控制系統在RTDS硬件測試平臺及貴州電網中的實測值。閉環時延主要產生于網絡通信環節，其中PMU在發送數據時需要協調發送任務以致時延很大，且不同型號PMU的發送數據時延分布性差別很大。實測中（如表1所示），采用2 Mb/s專用通信信道時，從PMU數據發送，上行通道延時及數據解析時間為30 ms，WPSS裝置進行數據處理及策略計算需10 ms，策略指令下發及下行通道延時需10 ms，控制器轉換及勵磁響應時延約5 ms，整個閉環控制時延分布在60 ms而不會出現突變的情況。

表1廣域網絡閉環時延Table 1 Wide-area network closed-loop time delay

廣域網絡閉環控制算法需要對時延進行補償處理，時延的分布性越大則越難達到很好的補償效果。為此在硬件架構層面，除使用同步控制方法外，應選擇時延分布性小的設備，同時在條件允許的情況下盡可能使用專用通信信道。

2.3執行器與控制器的接口

廣域控制系統需要將控制信號傳送至電力系統節點的控制器。對于沒有網絡接口的電力系統控制器（如勵磁控制器等），需要NCU將網絡信號轉換為接口信號。以貴州電網廣域PSS系統為例，廣域PSS的輸出與本地PSS輸出疊加后作為附加勵磁控制信號。控制點思林電廠使用的EXC9000型勵磁控制器具有的白噪聲測試輸入端口，且該測試端口的信號疊加點與廣域PSS相同，輸入信號為-5～+5V的弱電模擬信號，故可選擇其作為NCU輸出至勵磁控制器的控制信號。其傳遞函數框圖及輸入信號疊加點如圖3所示。圖中LPSS及WPSS分別代表本地和廣域PSS。

圖3　勵磁器傳遞函數框圖及輸入信號疊加點Fig.3　Transfer function block diagram for excitation and superimposed point for the input signal of WPSS

思林電廠NCU安裝方案如圖4所示。思林電廠共有4臺機組，廣域PSS安裝于1號和2號機組。因PMU和NCU及電力系統通信網絡的交換機相距較遠并經過電廠的強電橋架，選擇使用光纖實現網絡數據傳輸。另外，由于現場條件限制，NCU使用接收PMU授時信息的對時方法，因此NCU和PMU之間也需要光纖網絡連接。

圖4思林電廠NCU連接方案Fig.4　Implement of NCUs in Silin power plant

3　控制命令通道通信設計

貴州電網的廣域PSS閉環控制的數據上行通道為已有的WAMS通信網絡，廣域PSS服務器與PMU之間的通信采用標準PMU通信協議，廣域PSS在通信開始時獲取PMU的配置信息，然后開始接收PMU的數據包并解析出有效數據。為保證通信異常狀態下廣域PSS能正常工作，需要通信容錯處理。

控制下行通道為廣域PSS服務器和NCU之間傳輸控制命令的通信通道，由于目前尚沒有廣域閉環控制下行的通信規約標準，本文提出了一種適用于廣域PSS閉環控制中控制下行通信規約。考慮到閉環控制系統對通信的實時性要求，需要盡量減輕通信網的負荷，幀長度盡可能小，參考已有的PMU通信規約，控制下行的規約設計需依據以下原則：

（1）使用UDP協議；

（2）采用固定幀長，防止通信數據量突變；

（3）使用心跳幀機制，信道建立后，NCU每隔一段時間主動向廣域PSS服務器發送心跳幀，服務器收到心跳幀后返回心跳幀，如果服務器沒有收到心跳幀，則認為此信道NCU已掉線，停止向此NCU發送數據；

（4）雙向通信，服務器可以向NCU發控制指令和控制數據，NCU也可以向服務器反饋信息；

（5）擴展性，通信協議要考慮業務擴展。

基于上述原則及下行通道功能需求，廣域閉環下行協議主要包括：廣域PSS服務器向NCU發送的控制數據幀和配置幀，NCU向廣域PSS服務器發送的反饋消息幀，以及確認通信狀態的心跳幀。所有類型的幀均采用固定幀長，均包含標記各幀類型的起始碼、協議版本號、保留字節及CRC（cyclic redun?dancy check）校驗碼。廣域PSS服務器向NCU發送的控制數據幀是協議的關鍵，其幀格式如表2所示，額外包括：采用世紀秒SOC（second of century）格式的協調世界時間UTC（coordinated universal time）時間；控制數據序列，其中控制數據為整數，代表輸出的標幺值，例如范圍為（-5 000～+5 000）時代表標幺值（-0.05～0.05），每個數據占2個字節。其他類型幀依據功能而數據格式略不同。

表2　控制數據幀格式Tab.2　Control data frame format

4　硬件閉環測試

為了校核貴州電網廣域PSS閉環控制系統的有效性，以2012年貴州電網豐大方式BPA（bonnev?ille power administration）等值數據為基礎，通過RTDS實時仿真建模，對貴州電網廣域PSS閉環控制系統進行了RTDS硬件閉環測試。本系統共使用8個Rack資源。測試平臺如圖5所示，其中兩路功率放大器分別為PMU和勵磁控制器提供信號，NCU轉發的廣域PSS輸出分別輸入到勵磁控制器及RTDS的 GTAI（gigabit transceiver anglogue input card）模數轉換卡，同時勵磁調節器輸出信號也輸入到GTAI板卡。測試故障為福泉變500 kV母線持續時間為0.1 s的三相短路。

圖5RTDS硬件測試平臺Fig.5　Hardware in-the-loop test with RTDS

故障發生后，PMU監測到烏江新廠及思林電廠的同步功角變化如圖6所示。進而計算得到烏江新廠與思林電廠的功角差即為廣域PSS閉環控制器輸入量，由此計算控制指令。

圖6PMU監測到的烏江新廠及思林電廠的功角Fig.6　Power angles of new Wujiang and Silin from PMU

圖7廣域PSS輸出Fig.7　Wide-area PSS output

對比圖6和圖7可以看出：在系統穩態時，廣域PSS為輸出，在兩個電廠功角差最大峰值與圖7廣域PSS輸出調節量峰值時刻基本對應。根據控制規律計算得到的廣域PSS輸出并經由NCU的D/A板卡輸出的弱電電壓信號如左側坐標所示，RTDS采集后轉換的標幺值如右側縱坐標所示。

為檢驗經過實際設備的廣域PSS輸出與RTDS內部理論計算值吻合程度，投入RTDS內部廣域PSS，與外部真實廣域PSS設備輸出信號開環的對比。如圖8所示，其中理論值為RTDS內部計算結果，實測值為由NCU輸出的電壓信號轉換得到的廣域PSS輸出標幺值（未加閉環補償），可見實測值與理論值趨勢高度吻合，表明廣域PSS閉環控制架構能正確計算控制規律。通過對曲線放大對比后，實測值由于未施加補償閉環時延，相對理論值滯后約60 ms，且均勻穩定。使用網絡預測控制方法補償閉環時延［8］，圖8中可見得到的廣域PSS預測補償值與理論值吻合，本文在廣域閉環控制架構下，提出一種閉環時延補償方法，解決廣域閉環控制中通信時延問題，實現了廣域閉環控制。

圖8　廣域PSS輸出理論值與實測值對比Fig.8　Comparison between theoretical value and measured value of wide-area PSS output

5　結語

本文將網絡控制系統的思想引入電力系統廣域PSS閉環控制架構的設計中，從廣域閉環控制系統設計層面減小網絡通信對控制性能的影響，該架構的控制下行通道與數據上行通道共用通信網絡，控制終端可同步授時以實現同步控制及閉環時延補償，廣域信號反饋及廣域協調控制。在此基礎上本文具體實現了貴州電網的廣域PSS系統，完成了對設備的選型并對其中的具體實施細節進行了測試。目前已完成的針對該系統的RTDS硬件閉環試驗表明，該架構可完全實現電力系統廣域閉環控制的初衷，適合于電力系統廣域閉環實時控制。貴州電網廣域PSS系統目前已投運并開環運行，將擇機進行現場試驗，實現閉環運行，屆時將是首次廣域PSS閉環控制應用于實際電力系統的工程實例。

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中圖分類號：TM712

文獻標志碼：A

文章編號：1003-8930（2016）06-0097-06

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.06.017

作者簡介：

趙維興（1979—），男，通信作者，博士，高工，研究方向為電網優化調度與經濟運行、穩定計算分析與控制。Email：zwx182@163.com

林成（1975—），男，碩士，高工，研究方向為電網優化運行及管理。Email：gzdw_lc@163.com

孫斌（1965—），男，碩士，高工，研究方向為電網優化運行、控制及管理。Email：stongxy@vip.sina.com

收稿日期：2014-06-20；修回日期：2015-10-19

Communication Technology for Wide-area PSS Closed-loop Control Realization

ZHAO Weixing1，LIN Cheng，SUN Bin1，KANG Peng1，SUN Yuanzhang2，ZHANG Fang2
（1.Guizhou Electric Power Grid Dispatching and Control Center，Guiyang 550002，China；2.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Abstract：This paper introduces a wide area damping closed-loop controlling framework for power systems，which is characterized by the following aspects：network combining the control order downstream channel with the data uplink channel，synchronized networked terminal achieving the synchronized controlling and the closed-loop time delay com?pensation，a centralized controller compatible with multi-channel wide-area feedback signals and coordination of multichannel controlling.As an application of the framework，wide-area PSS of Guizhou Power Grid which is modified by considering the applied conditions，is achieved by this paper.Then several key technologies for implement of wide area damping closed-loop control system are described，and the communication protocol of downstream channel is designed. An RTDS hardware in the loop test is carried out at last，and the results show that this framework can achieve the net?worked wide-area control effectively.

Key Words：closed-loop control；wide-area power system stabilizer；communication；framework；application