通信系統對電力系統穩定性控制的影響研究

(西北工業大學，陜西 西安 710000)

0 引言

傳統的人工為主的電力系統管理模式，面對目前大面積供電體系管理已無法有效適應，所以為了有效提高通信管理質量，應加強通信管理技術在供電體系管理中的應用，使供電體系中的各環節運行質量得到有效保證。同時通信系統的可靠性也應在現代供電體系的管理中，以及相關管理人員中加強重視。

1 電力系統穩定性控制概述

1.1 電力系統穩定性

電力系統穩定性(Power System Stability)，即電力系統在某種運行情況中，在受到某種外部擾動后能夠再次恢復原有的平衡狀態，保持運行，則這種重新回到運行平衡狀態的能力成為電力系統穩定性。在電力系統中，多個變量可維持在一定的范圍，從而可以使整個系統能穩定地運行。

根據電力系統性質的不一樣，電力系統穩定性分為3類：功角穩定、電壓穩定和頻率穩定。而分析功角穩定又可進一步分為3類：靜態穩定、暫態穩定和動態穩定。第1類屬于微小的干擾狀態下，電力系統可以自動恢復到起始運行狀態而不發生非周期性的失步的能力。第2類屬于受到較大的干擾后，電力系統各發電機能夠保持同步運行并過渡或恢復到原來穩定運行狀態的一種能力。第3類屬于受到干擾后，電力系統呈現在較強的穩定性，不會受振幅增大的影響而產生失步的現象。

1.2 穩定性控制分析

穩定控制軟件、穩定控制硬件、穩定控制的決策模式、系統的架構等構成了電力系統的穩定性技術。軟件質量主要決定了系統決策的準確性，控制系統硬件是由實際控制與執行的基礎決定的。從電力系統穩定控制的決策模式進行分析，其包括離線及在線控制兩種方式。

離線控制方式目前在實際工作中得到廣泛的應用。對于離線控制模式，需要結合不同的初始工況和預定的事故，逐個試探從而獲得相應的對策。這種模式需要考慮系統運行的方式、結構、故障類型等各個方面的因素。由于不同的因素組合在一起，所以需要考慮的工況情況會受到限制，另外由于前期設定以及系統在線運行方面也會出現較大的差異性，也會導致無法有效匹配離線策略的情況。

在線控制方案具體操作是在故障檢測、確認后進行決策分析。這種方案需要對故障類型、電網工況情況等都十分明了，通過對工況實時信息的分析從而獲得在線控制策略。

在系統硬件方面，首先需要考慮到的就是CPU處理能力。通常采用的處理器主要包括：數字信號處理器、通用單片機、網絡功能CPU和FPGA相結合等。外、內部通信為穩定控制裝置的通信模式。外部通信的通信能力表現在通信通道數量、站間通道速度上，且站間通道速度采用的是總線方式。系統軟件部分包括：數據的采樣與計算、故障的判定、控制策略。故障判定的基礎是數據采集及計算，而這一環節又是策略生成的基礎。總之，確保數據真實可靠全面、進而對其從不同維度進行分析，才能確保整體工作質量達到預期的效果。

2 電力系統對通信系統的要求

目前，現代電網的一項重要基礎設施就是電力通信，電力通信是保證電網安全穩定運行的一項重要手段。電力系統對通信系統的高度依賴，使電力通信網的可靠性研究成為目前一項迫切解決的問題。電力系統通信要在以安全和可靠為前提的情況下才能去追求通信的速度、效率和技術進步性。

通信網絡的建設需要充分保證電力通信網絡所承載的各項業務的順利運行，如安全穩定性控制、繼電保護等，因此需要注意以下滿足可靠性要求的要點：①通常在通信網絡中，在任意2個網絡節點上，需要有獨立的物理路由連通，且必須確保至少2條。②網絡節點連接必須符合和滿足N-1的原則，對N-2的原則盡可能地滿足。在運行過程中，如出現任意網絡節點失效斷開的情況，電力業務的穩定運行仍能得到有效保證，并且不會造成其他節點出現通道阻塞或通信質量下降的情況，在任意2個網絡節點斷開時，需要最大限度地確保不會對其他節點的正常通信造成影響。

對于通道誤碼和延時的問題，相關的控制自動裝置規范作出了明確規定，主要內容包括：①光纖通道應作為裝置的首要選擇，同時應對復用光纖通道誤碼率進行有效控制，確保其小于10-8。②控制命令通過控制主站發出，再通過多級通道進行傳輸，最后的總傳輸延時應進行嚴格控制，針對光纖通道，應保持在20 ms以內，若是載波通道，則應保持在40 ms以內。③在兩套雙重化配置的穩控系統中，應保持兩者的相關接入設備、通信通道等互相獨立，不同路由的通道之間，任一環節所出現的延時差應保持在10 ms之內。

根據對電力系統靜態穩定性的基本性質分析可以得出，靜態穩定性與儲備有著密切的關聯，兩者之間呈正相關的關系，因此要想使靜態穩定性提高，其根本措施需要從電氣距離方面入手，主要有以下幾種：①對系統的各元件電抗進行減少，比如變壓器、發電機以及線路的電抗降低。②串聯電容器補償。③系統電壓水平提高。④電力系統結構改善。⑤直流輸電。⑥自動調節裝置。

為了有效保證電力系統的正常、穩定運行，對母線電壓進行維持和控制是調度部門主要的任務和職責。對發電廠、變電站的高壓母線電壓進行控制、維持，并確保其電壓恒定，使電系統呈現出若干段等值分割的態勢，使每段的電氣距離縮短，使電力系統的穩定性得到有效提高和保證。

3 通信系統延時對電力系統穩定性控制的影響

電力系統中普遍存在著在網絡中傳輸、交換與處理中，各種測量信號、電力測量設備呈現出明顯時滯的情況。電力系統控制器因受通信時滯后的影響，一定程度對其性能發揮帶來不利。在實際工作中，對于微小時滯通常采用忽視的方式，并視這種時滯動力系統為普通動力系統。通過相應研究發現，時滯動力系統的存在，其動態性能對系統穩定性造成很大的影響。電網互聯程度的深入促進了穩定控制區域的不斷擴大，在依據本地信息的基礎上，部分廣域信號會引入穩控系統進行輔助決策，同時也會將導致新問題的產生。

單時滯是主要影響穩定控制的時滯，通常采用單一的類型控制作為系統建模方法，如AGC或PSS控制。針對多時滯，非線性、高維、電力系統的穩定性研究時，其關鍵主要是如何對多時滯因素進行分析和考量，從而對包含多時滯通用的的數學模型進行有效構建。根據電力業務情況以及電力通信系統的整個傳輸過程進行分析可以看出，無論是電力系統運行工況、故障等信息通過電力監測節點進行上送，并傳送至電力控制中心的整個過程，還是電力系統動作指令通過電力控制中心下發至對應的電力受控節點的整個過程，所傳輸的所有信息都會經過上行接入、通信網絡以及下行接口3個環節進行相關信息的傳遞。而這3個環節也會因通信時滯的影響，從而對整個電力業務的傳輸產生不利影響，進一步轉化為對電力系統決策與控制造成影響的各故障，最后以顯性或者非顯性的形式對電力系統產生造成影響。

電力系統受通信系統延時的影響，可以通過圖1所示的通信與電力聯合仿真框架結構表進行呈現。圖1中右側為電力系統機電暫態仿真軟件FASTESTF(Fast Analysis of Stability using the Extended equal area criterion and Simulation Technologies)；左側為OPNET(Optimized Performance Network Engineering Tool)通信仿真軟件，中間是MATLAB仿真軟件。

圖1 通信與電力聯合仿真框架結構

位于中間的仿真軟件的主要功能是通過相關的判斷和計算，協調控制通信與電力的聯臺仿真。聯合仿真首先需要將通信組網方案和電力系統的模型對左、右兩側軟件進行初始化。其中具體步驟主要為：①利用MATLAB對電力系統和通信系統的組合故障進行讀取。②通信故障利用MATBAL發送至OPNET仿真軟件。③基于通信故障計算WARMAP，OPNET仿真軟件對通道的上行和下行延時進行控制。④通道的上行和下行延時通過OPNET仿真軟件返回至MATLAB。⑤根據WARMAP的通信組網方案、電力故障和通道的上行、下行延時，MATLAB對穩定控制系統控制策略的整組通信延時進行計算。⑥控制策略的整體通信延時通過MATLAB將發送到FASTEST仿真軟件。⑦基于電網和通信網的組合故障及候控制策略的整體通信延時，FASTEST仿真軟件進行時域仿真，對靈敏度進行計算，對電網安全穩定的最優控制策略進行摸索。

仿真系統采用某特高壓聯網系統和其附屬的專用通信系統，該特高壓聯網的穩定控制系統所圖2所示，其所包括的共主站、子站以及執行站均在相應的變電站內進行安裝。

圖2 特高壓電網穩定控制系統結構

4 結語

在電力系統中，電力通信系統是整個系統的重要組成部分之一，電力通信系統的可靠性與整個電力系統安全、穩定運行有著直接的影響。另外諸多影響因素都會對電力通信系統造成影響，使電力通信系統可靠性管理難度大幅度提高。為了更好地適應目前的發展需求，電力通信系統應不斷強化自身優勢，對未來發展進行有效規劃。