智能电网环境下电力系统稳定控制装置的设计与测试

作为现代社会的主要能源，电力与国民经济建设和人民生活有着极为密切的关系。供电不稳定，特别是大面积停电事故所造成的经济损失和社会影响是十分严重的。自20世纪20年代开始，电力工作者就已认识到电力系统稳定问题并将其作为系统安全运行的重要方面加以研究。电力系统安全稳定控制装置是保证电力系统安全稳定运行最重要、最直接的手段，构成了电网安全的第二道防线，目前电网规划中普遍要求装设稳定控制装置。

电力系统稳定控制装置是一种智能化仪器，实时测量电网的实际运行参数并通过计算分析判断系统的运行状态是否符合电网运行的安全准则，如果电网失稳，则及时作出控制命令，通过切机、切负荷等控制措施使电网恢复安全运行状态。控制策略可以预先生成，也可以根据实际运行状态通过计算在线搜索最优的控制策略。在线生成控制策略的人工智能型稳定控制装置目前已有应用，但仍以辅助决策和预警功能为主，尚未真正实现闭环控制。由于电力系统是一个巨大的人造系统，其参数测量点分布广泛且距离很远，难以对整个系统实施完全的有效控制。通常稳定控制装置采用分布式配置，在关键发电厂和变电站配置稳控装置，各个点的测量数据通过光纤通讯实现共享，控制命令也可以进行远传，从而能在整体上对系统进行最优控制，使损失的负荷最小。

随着我国特高压和智能电网的建设，基本形成了全国联网的战略格局，其能够有效地进行资源配置、提高电网的经济运行水平。但同时发生电网稳定事故所波及的范围也将被扩大，电网安全稳定运行的重要性不言而喻。随着各种计算方法和在线暂态稳定分析理论的发展，安全稳定控制装置的设计有了新的思路和实现途径。高速数据处理芯片、大容量存储器和高速光纤通信网络的发展，使得安全稳定控制装置由原来的基于8位单片机的独立装置逐渐发展为以32位单片机为主的分布式稳定控制装置，硬件和软件实现了标准化、模块化和拼装式结构。应用在特高压电网中的稳定控制装置，运行时将面对更为复杂的电磁环境，电网的信息量也大大增加，并且更加注重广域量测信息的应用，对通信系统的处理能力提出了更高的要求。

本文根据特高压电网规划情况和稳定控制装置的发展趋势，提出了一种利用ARM处理器、FPGA和嵌入式Linux系统设计电力系统安全稳定控制装置的新方法，对系统需求进行详细的分析、说明，给出了系统总体的设计方案和测试步骤，动模试验验证了系统运行的稳定性和可靠性。

一、特高压智能电网对安全稳定控制技术的影响

智能电网是现代电力工业节能降耗、合理配置能源结构的必然选择。[1]各国发展智能电网动因各不相同，美国主要关注电力网络基础架构合理规划和信息系统的升级改造，而欧洲则更侧重于可再生能源和分布式能源的大量接入。[2]中国的大部分水电资源集中在西南，火电、风电资源多集中在西北，而负荷中心却集中在东南沿海地区，大规模能源外送是中国电网迫切需要解决的问题。因此，国家电网公司在合理规划、多方论证的基础上提出建设“统一坚强智能电网”的战略方针，其内涵为：坚强可靠、经济高效、清洁环保、灵活互动、友好开放。[3]智能电网的建设，对电网安全稳定控制技术提出了更高的要求，同时也是其实现跨越式发展的机遇。

1.特高压电网互联对稳定控制技术的影响

我国能源分布与电力消费之间的不平衡决定了我国电网的基本特征是特高压、长距离、大容量输电。大区电网互联进而建设特高压全国互联电网是我国电网发展的趋势。特高压互联电网的稳定问题并不是小系统稳定问题的简单叠加，弱联络线的互联电网很容易在故障中失去稳定。大规模互联电网的区域和区间振荡模式发生的机理更为复杂，系统规模的扩大、PSS等快速控制装置的引入可能使系统的阻尼减少，发生持续的功率振荡进而造成系统解列。对于现有的控制理论和技术能否保证特高压互联同步电网的安全稳定运行一直存在争议，[4]掌握大电网安全稳定特性及发展变化规律，深入研究特高压互联电网的振荡机理，提出有效的抑制措施，进而完善适应特高压交直流混合大电网发展的安全稳定运行控制基础理论仍是亟待解决的课题。

互联大电网的运行方式更为复杂，基于离线分析生成稳定控制策略表的方式已不能满足现代电网安全稳定控制的要求。电网安全稳定控制的在线应用是当前的研究热点，传统的EMS并不能对电网进行全面安全预警和决策支持，而智能电网环境下，电网运行将更逼近其稳定极限，故电网量化安全稳定评估和智能预警对保证电网安全至关重要。在智能电网环境和复杂电网动态下，如何对安全稳定运行的综合安全指标进行定量描述，对考虑可再生能源接入和复杂控制策略下电网运行的静态安全、暂态稳定、电压稳定、低频振荡等各类稳定问题进行在线分析、精确预警和有效控制，是电网稳定控制技术的应用重点和难点。

2.智能变电站对安全稳定控制装置的要求

随着中国智能电网建设的推进，智能变电站将逐渐替代数字化变电站。[5]智能变电站是在数字化变电站基础上发展起来的采用智能化一次侧设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站。[6]智能化变电站将实现一次设备的智能化，其二次设备系统结构也将发生巨大的变化。因此，新一代安全稳定控制装置的构架、控制方式必须在智能化一次设备接口、装置网络化以及信息化等方面满足智能化变电站的要求。

安全稳定控制装置需要采集交流电流、交流电压等模拟量信息和开关、刀闸等位置信号以及保护跳闸信号，并且为实现协调控制，还需采集异地的线路、元件、装置等的运行信息。智能变电站内实现了采集转换设备的标准化、模块化和智能化，数据采集、传输、控制等实现了全程数字化，对于数字化信息的断面统一、数据同步和数据合法性问题、多路通信的协调及海量信息的提取和处理，都需要进一步的研究。同时，智能化变电站具备分布式智能决策的高级功能，与调度中心间具备较强的互动能力，如何充分利用智能化变电站的高级应用功能，是下一代分布式稳定控制装置设计时需考虑的问题之一。

二、特高压智能电网环境下稳定控制装置的设计

1.系统需求

电网的安全稳定控制系统和装置是提高电网稳定性的有效措施，运行中若安稳装置误动，则可能导致电网误解列或切除大量的机组及负荷，造成不必要的停电损失;而如果装置拒动，则可能导致电网稳定破坏，使原本可以避免的事故扩大化。因此，电力系统对安稳装置的安全性和可靠性的要求极高，在系统设计时需要综合考虑硬件和软件的运行稳定性问题。具体来说，硬件平台的设计需要考虑各应用功能的模块化、标准化，供电系统的不间断供电，抗干扰能力和电磁兼容性，人机接口界面的友好性等;软件系统需要考虑软件运行的可靠性、自动复位和计算效率等。考虑到电力系统对可靠性的严格要求，稳定控制装置应满足双重化原则，即两套装置完全独立。

2.硬件平台基本架构

电力系统安全稳定装置的硬件采用模块化设计方式，各模块功能独立并实现标准化。系统的主要模块和作用如下。

(1)电源模块：用于对系统的不间断供电，使用双路直流电源实现对稳控装置的24小时不间断供电，依靠自动切换装置进行电源间的切换。

(2)采样值接收处理模块：实现与量测单元的信息交互和数据计算，获取元件的实时运行信息。

(3)决策判断模块：作为装置的神经中枢负责收集采用信息并进行综合计算，根据预定控制策略作出相应的判断决策，并下发控制指令。

(4)控制信号接口模块：负责转发接收到的决策判断模块和上传开关量信息。

(5)通信模块：负责与异地安全稳定控制装置交互信息，获取异地电网运行情况，实时传输远方切机切负荷指令。

(6)人机界面综合信息管理模块用于文件解析、人机接口、参数配置等功能。

各模块之间采用基于现场FPGA的高速同步串行通信方式交互信息，FPGA同时实现采集量的快速傅里叶变换(FFT)，能够在30微秒内完成单个元件采集量的计算。硬件平台的基本架构如图1所示。

3.软件系统结构

电网安全稳定控制装置需要在电网发生异常时即刻采取措施以保证电网稳定，因此对系统软件的实时性、稳定性和计算效率要求很高。对于智能化变电站，不仅一次侧设备均提供量测信息的数字化通信接口，二次信息也均为满足IEC61850等特定协议的数字化信息，这些海量信息的传输的安全性、可靠性对软件提出了更高的要求。采用操作系统可大大降低软件的复杂程度，提高软件的可靠性、复用性和管理水平。对于目前广泛应用的操嵌入式Linux作系统，其源代码完全开放，软件人员可以跟踪修改系统以保证系统的实时性;传统安稳装置软件系统中占用大量CPU资源进行FFT计算，需要多CPU的配置，本系统由于采用FPGA硬件实现快速FFT计算，CPU仅完成FFT转换的控制和结果读取，采用单台ARM核心的处理器进行系统协调和控制完全能满足系统需求。系统的软件结构如图2所示。

三、软硬件平台的综合测试方法

对特高压电网安全稳定装置进行充分的可靠性测试是保证电网安全稳定运行的重要保障。[7]特高压互联电网的安全稳定控制需要强大的信息处理能力和高速的信息交互能力，以及良好的稳定性。因此，稳控装置需要测试的内容有很多，测试将贯彻于系统设计和开发研制的全过程，在开发、生产、工程现场及定检等各阶段都需要进行硬件模块测试、软件单元测试、系统联合测试、控制逻辑测试、故障判据测试、策略表合理性测试和执行结果测试等。

特高压安全稳定装置测试流程包括以下步骤。[8]

(1)研发阶段实验室环境下的初期测试：以单元测试和模块测试为主的测试，目的是各硬件模块和程序单元功能的完整性，可以采用并行开发和测试，缩短产品开发周期。

(2)中期或成型综合测试：采用静态模拟、数字仿真、动态模拟等进行系统测试，模拟系统运行环境，测试系统策略表的正确性，查找设计缺陷并及时改进。

(3)运行前的外界环境测试：主要进行系统在复杂电磁环境下的抗干扰能力、自然环境条件下系统的稳定运行水平，特高压电网中电磁干扰尤为严重，需要对装置的电磁兼容能力进行详细测试。

(4)挂网试运行：将安稳装置投入实际系统进行在线运行测试，及时发现系统安全隐患并改进。

(5)投运后的异常测试：产品具备投运后的自诊断能力，记录系统异常情况并改进设计。

特高压电力系统稳定控制装置测试的难点还在于其分布式配置特性，造成了系统测试时协调和场景模拟等的困难。尤其是大电网的稳定控制策略一般比较复杂，一般采用分层、分级局部测试的方法，整个系统的全面测试较难实现。[8]传统测试需要搭建物理仿真平台进行动模试验，系统规模和复杂程度均受到限制。大规模的RTDS仿真系统是对安稳系统进行闭环试验的有力工具，目前成功应用于多个大型安全稳定控制系统的测试工作中。[9]

采用上述测试步骤对所设计的安全稳定装置进行严格测试，结果表明计算模块测量的有效值和频率精度均满足《电网安全稳定自动装置技术规范》的要求，抗电磁干扰能力符合行业标准，并利用实时数字仿真系统进行闭环动态模拟试验，系统运行的安全性和可靠性均可得到保证。

四、结语

特高压和智能电网环境对电网安全稳定控制技术提出了新要求和挑战，传统的稳定控制装置设计与测试方法已不能满足切实需求。本文提出了一种适用于特高压和智能电网环境的稳定控制装置的设计与测试方法。基于ARM高速处理器和FPGA搭建硬件平台，利用嵌入式Linux系统设计系统软件的安全稳定装置，并对系统测试的方法和步骤进行总结，测试结果表明本文方法的正确性和有效性。

参考文献：

[1] 林宇锋, 钟金, 吴复立. 智能电网技术体系探讨 [J]. 电网技术,2009,(12).

[2] 李晨光, 王芸波, 刘太学. 无线通信技术在智能配电网中的应用研究[J]. 中国电力教育,2010,(27).

[3] 万秋兰. 大电网实现自愈的理论研究方向[J]. 电力系统自动化,2009,(17).

[4] 蒙定中. 建议直流远送/ 稳控互联各大区强化的同步网, 避免全国1000kV 联网[J]. 电力自动化设备,2007,(5).

[5] 宋锦海, 宣筱青, 朱开阳, 等. 基于IEC 61850 的安全稳定控制装置方案设计[J]. 电力系统自动化,2010,(12).

[6] 关杰, 白凤香. 浅谈智能电网与智能变电站[J]. 中国电力教育,2010,(21).

[7] 邵俊松, 李雪明, 方勇杰. 安全稳定控制装置通用测试仪器[J]. 电力系统自动化,2007,(17).

[8] 王亮, 王新宝, 高亮, 等. 基于故障场景的区域电网安全稳定控制系统测试方法[J]. 电力系统自动化,2007,(18).

[9] 郭琦, 韩伟强, 贾旭东, 等. 云广直流输电工程安稳装置的RTDS 试验方法研究[J]. 南方电网技术,2010,(2).