緊急切負荷網荷互動終端設計與實現

陸玉軍, 李 澄, 陳 顥, 王 寧, 葛永高

(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102)

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緊急切負荷網荷互動終端設計與實現

陸玉軍, 李 澄, 陳 顥, 王 寧, 葛永高

(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102)

鑒于調控切負荷和營銷負控切負荷控制手段都無法同時滿足特高壓直流線路閉鎖故障時負荷緊急控制和保障大型用戶重要負荷供電的需要，文中提出了通過改進專變用戶終端實現負荷快速控制的方法，設計了一種可滿足用戶可切負荷精細化采集、實時通訊、多主站安全快速控制的通用型緊急切負荷網荷互動終端，并針對現場的負荷接入、功率計算、跳閘出口設計了一種可靈活配置的解決方案，最終實現終端在用戶現場應用，通過實際切負荷測試驗證了終端完全滿足精準切負荷系統的要求。

緊急切負荷；用電信息采集；可中斷負荷；切負荷控制；

0 引言

目前應對電網故障和緊急狀態的重要技術措施是緊急切負荷，包括安全穩定控制系統、低頻低壓減載裝置、事故拉限電等控制手段[1-4]。特高壓直流工程投運后發生雙極閉鎖等嚴重功率輸送故障將造成受端電網功率缺額，引起頻率跌落、系統穩定等緊急情況出現，針對這一問題，國內外開展了深入的研究，主要從電網調控層面對負荷的權重進行分類，以減少事故停電對用戶造成的損失，確保重要用戶得到供電[5-8]。采取調控集中切負荷手段可力保主網穩定運行，但卻無法避免局部地區用戶受大面積停電的影響。

江蘇地區用電信息采集系統經過多年的建設，已實現了全省用戶用電信息采集的覆蓋，在大型用戶安裝的專變采集終端不僅可以實現負荷采集監測，還可實現負荷中斷控制。通過錯峰、避峰、負控限電等一系列有序用電措施，緩解了供用電的矛盾，發揮了負荷調控和保障關鍵負荷用電的重要作用[9-13]。雖然營銷用采系統實現了切負荷控制管理，但由于終端、通訊及負控主站的限制，此類切負荷系統的控制時間達分鐘級，難以滿足特高壓直流故障時緊急切負荷的時間要求。

前述2種切負荷控制方式在特高壓電網故障時都無法同時滿足緊急切負荷和保重要用戶供電的要求。為改進切負荷策略，利用大型用戶的可控負荷，文獻[14]提出的“事故類型查表快速操作法”實現用戶可中斷負荷控制與調度拉限電對接，提高了負控的處置響應時間；文獻[15]提出了一種基于用戶互動特高壓受端電網負荷綜合控制法，實現負控系統與調控系統的負荷監測與控制對接。文獻[16]提出了精準負荷控制系統，通過在大用戶側安裝互動終端實現緊急切負荷控制，可以確保電網穩定運行和功率平衡，同時避免大面積停電對用戶重要設備供電的影響，彌補了調控切負荷手段的不足。本文通過開展緊急切負荷和專變用戶現場需求分析，提出了可切負荷快速精準控制的解決方案，開發了一種支持用戶負荷精細采集、快速通訊、實時控制的網荷終端。

1 網荷互動終端需求分析

1.1 緊急切負荷控制需求

安裝于大型用戶的專變終端主要用于電能表采集，采用無線公網或230 M專網與主站通訊，ESAM芯片加密方案，可控負荷線路少[10，11]。負荷數據采集、通訊的實時性和安全性、控制快速性方面達不到緊急切負荷控制快速響應的控制要求。精準切負荷系統對終端提出的新要求有[16]：

(1) 可切負荷精細化采集。支持根據用戶負荷性質、重要程度進行細分，實現用戶多路負荷的電壓、電流、功率等多個參數的實時采集，并通過通訊快速上傳主站，為主站提供全面的用戶實時負荷信息及分輪次可切負荷。

(2) 負荷快速控制。支持當大電網故障或擾動時，響應電網的緊急切負荷控制命令，快速切除用戶可切負荷，確保電網頻率穩定；電網故障或擾動發生后，相關通道潮流超穩定限額，響應次緊急的負荷分區控制，切除相應用戶的部分負荷；在故障處理后，響應主站的需求，重新恢復部分負荷，完成發用電平衡調控。

(3) 實時快速安全通訊。支持將采集的用戶負荷數據通過高速光纖通道上傳負控主站或精準切負荷系統，接收主站控制命令。支持數據的安全傳輸，加密方案符合《電力監控系統安全防護規定》。

除此之外還需要實現用戶電能和負控數據的采集，針對有序用電、需求響應、電費收繳等業務進行功率控制。

圖1 終端功能設計Fig.1 Function design of the terminal

1.2 專變用戶負荷現場需求

1.2.1 用戶負荷需求

根據入戶電壓等級和變配電房布置，分2類用戶：一類是負荷規模大、出線較多的35 kV及以上等級“降壓變電所+配電房”的用戶；另一類是負荷規模中等、出線略少的35 kV及以下只有配電房的用戶。用戶可切負荷一般是不影響直接生產的負荷：包括次要生產負荷，或輔助生產、生活負荷等；這些負荷位于中壓側和低壓側，前者一般直接負荷出線，后者接配電房低壓出線，因此，用戶可切負荷在廠區內分布一般較分散。

用戶負荷接入要求，終端至少能實現8路或以上各種電壓等級負荷的采集與控制。

1.2.2 用戶設備接入控制需求

根據可切負荷線路接入控制需要，需采集用戶負荷線路的交流電流、電壓并實現開關跳閘控制。

(1) 交采信號：線路TA二次輸出有5 A/1 A 2種定額，電流采集應能滿足2種額定接入。母線電壓有TV二次電壓(57.7 V/100 V)和低壓母線電壓(220 V/380 V)2種額定，Y/V 2種接線形式，電壓采集也需適應這2種方式。

(2) 開關控制：負荷線路開關機構一般具有常開或常閉冗余輔助觸點，為空接點形式，接入開關位置時需要2種都支持或具備。開關跳閘控制一般以跳閘空接點接入開關跳閘回路，考慮具備相關負荷恢復功能，應具備合閘輸出或相關提示、告警。

由于現場用戶開關設備廠家不一，設備輸出定額和配置往往不同，要求終端設計應能自適應滿足各種場合的應用需求。

2 網荷互動終端設計

網荷互動終端是一種新型專變終端，其不僅要求能滿足精細化采集、實時通訊、分輪次快速切負荷的要求；同時滿足用電信息采集系統對用戶電能數據采集、有序用電控制等要求，還應能適應各種行業的用戶安裝使用要求，可完全替代現有專變終端，因此要求終端的接口豐富、通訊強大、負荷控制迅速、安全可靠，具備可配置或擴展功能。

2.1 網荷終端功能設計

網荷終端由三大功能模塊組成,如圖1所示。

2.1.1 實時負荷采集計算模塊

實時采集進線電流、母線電壓、開關位置；采集中壓出線電流、母線電壓、開關位置，低壓出線電流、母線電壓、開關位置。

通過采樣計算電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、頻率；根據總加組線路配置，計算出對應總加組的功率，作為可切負荷功率。

2.1.2 實時功率控制模塊

(1) 電網穩控模塊。依據特高壓電網故障類型的不同時效性，接受來自精準切負荷系統和營銷主站的控制指令，實現緊急/次緊急切負荷的穩定控制。

(2) 遠方功控/需求響應模塊。根據主站對用戶的限電需求，發出控制指令，完成負荷需求響應控制。

(3) 電費控制模塊。根據用戶購電方式，終端上傳用戶電能數據，主站根據用戶用電和電費余額判斷是否需要對預購電用戶采取相應限電措施，實現預購電/電費控制。

(4) 就地功率控制模塊。根據預置的功率控制模式，像負控終端一樣工作在功率下浮控、營業報停控、下浮控、時段控等多種模式[10]。

2.1.3 實時通訊控制模塊

(1) 安全加密模塊。實現調度數據傳輸要求的安全加密方案，支持數字簽名和報文加密的組合應用。

(2) 主站通訊。支持與營銷主站的快速通訊，上傳負荷數據、總加組功率，接收主站切負荷控制命令、主站下發的控制參數。

(3) 快速切負荷通訊。支持與精準切負荷系統等設備快速通訊，上傳精準急切負荷量和接收緊急切負荷指令，實現精準負荷控制。

(4) 其他通訊。電能表數據采集通訊，同時為考慮400 V分散負荷的接入，預留相應的底層設備接入通訊(如網絡或串口設備通訊)。

除上述主要功能模塊外，終端還有控制出口模塊。可針對切負荷或功率控制方式，設定相應總加組和控制矩陣，根據預設可切負荷的配置，分批次分輪次切除用戶可切線路負荷。

2.2 多任務環境設計

根據前述的功能模塊，基于嵌入式系統環境，設計了如圖2所示的4層軟件控制架構。

(1) 最底層為硬件接口層，提供對DSP及其外設硬件的控制操作。

(2) 第二層為操作系統環境和應用接口，為上一層多任務環境提供任務控制、中斷處理、訪問控制。

圖2 多任務環境設計Fig.2 Multitask environment scheme

(3) 第三層為多個實時任務組成的軟件環境，其中主站通訊、精準切負荷通訊任務由中斷觸發執行，500 μs/10 ms/100 ms任務由定時中斷觸發，各任務根據需要實現子任務劃分，其中采樣數據的計算放在較慢速的100 ms任務中，而常規功率控制而放在10 ms級任務中，為確保電網穩控切負荷響應被快速執行，將緊急/次緊急切負荷放在500 μs級任務中執行，可確保快速切負荷指令能得到最快執行。

(4) 第四層為各種用戶接口提供處理任務，主要用于人機接口、信息輸出、事件存儲、設備調試等與用戶交互的任務處理。

2.3 終端硬件設計

根據前述要求，終端不僅具有常規測控終端或配電終端的接口，同時還要支持多路通訊接口以適應現場應用的需要。

2.3.1 終端板件設計

考慮終端需同時與營銷控制主站、精準切負荷系統、用電信息采集主站電能表采集通訊，以及控制安全隔離和數據加密傳輸的需要，終端設計由負荷主控和電能采集2個部分組成，如圖3所示。為減少體積，2部分板件集成在1個機箱內，2者共用1塊電源。

圖3 終端板件結構Fig.3 Terminal plate struture

(1) 負荷主控部分由主CPU板、進線負荷模擬量輸入AI板、出線負荷模擬量AI板、開入DI板、開出DO板、人機接口UI板、總線背板組成。

(2) 電能采集部分有1塊通訊采集SER板。

2.3.2 負荷主控設計

(1) 通訊接口。為考慮與營銷主站、精準切負荷系統及其他設備通訊，終端設計有3個以太網接口，同時預留3至5個串口，以便于與其他智能設備通訊或實現擴展。

(2) 模擬量輸入接口。配備36個交流采樣通道，電流電壓采樣通道的調整可通過更換插件或修改配置進行調整，以適應現場的電壓Y/V接線、電流的全相、非全相、或單相接入。

(3) 開關量輸入接口。配備32路，支持可擴展開關量輸入到48路，空接點輸入。

(4) 開關量輸出接口。配備24路開關量輸出，支持可擴展開出到30路，空接點輸出。

2.3.3 電能采集設計

電能采集部分支持4路獨立RS485串口采集，支持各種接口的配置和對各種電表進行采集，通過以太網接口上傳主站。

2.3.4 人機接口設計

采用大屏點陣液晶設計，配備多達18個指示燈，12個專用按鍵，采用樹狀中文菜單設計，單屏菜單顯示信息豐富，提示詳細準確，菜單層級少、操作簡便，人機接口友好。

3 快速切負荷終端實現

3.1 終端的靈活配置

3.1.1 負荷線路

終端軟件設計共36個交流采樣通道，每個通道可配置電壓U或電流I，最大可采集16條可切負荷線路。典型配置是24I+12U輸入，按8條全電流線路(8×3I+4×3U)或12條非全電流線路(12×2I+4×3U)設計。考慮一段母線上的線路共用一組電壓，4組電壓最多可采4段母線電壓。

當接入負荷線路為3I時可選擇三表法或兩表法計算，而當接入2I時只可選兩表法計算。程序內支持第m(m=1～4)組電壓靈活配置到n(n=1…16)條線路，通過正確配置可確保線路功率計算準確，該配置可滿足目前絕大多數用戶的可中斷負荷接入需求。當接入線路超過12條時可通過調整電壓電流通道的數量滿足，針對個別用戶可切負荷超過16路時，可通過擴展終端滿足現場應用的要求。

3.1.2 總加功率處理

采集線路的功率一般為實際用電功率，但由于電流回路極性接反(或按流出母線方向為正設計)等原因，將導致采集的負荷功率為負，采集功率方向與實際相反。這不僅導致主站也難以識別正確的功率方向，也影響負荷功率總加計算，易產生計算錯誤。為確保每一條線路的采集功率與實際一致，需要根據現場情況進行功率方向的矯正。終端在設計時中充分考慮了現場的這一情況，設計了可修改線路名稱、TA/TV變比、功率方向的配置，如圖4所示。在總加組的配置中，通過選中線路、設置正確的功率方向，可有效解決上述問題。

圖4 總加功率處理Fig.4 Total active power process

3.1.3 可配置跳閘矩陣

用戶接入的可切負荷線路可能隨生產變化做出相應調整，使得被切負荷或切負荷的輪次發生改變，因此為負荷的靈活控制設計了一種可配置出口的線路跳閘矩陣，可根據用戶負荷線路控制需要進行調整。對每一種切負荷方式(功率控制)對應一個跳閘矩陣，跳閘矩陣中每一路負荷可獨立選擇，選中的線路(用X表示)為可切負荷線路。如表1所示。

表1 線路跳閘出口矩陣Table 1 Line trip output matrix

3.2 終端的廠內測試

根據快速切負荷系統的要求，于2016年3月在廠內搭建了如圖5所示的模擬主站—終端測試系統，由模擬營銷主站、模擬精準切負荷系統分別與2個終端通訊，終端接4條負荷進行切負荷實測。廠內模擬切負荷測試如表2所示。

圖5 模擬測試Fig.5 Emulation test

營銷切線路/精準切線路接收跳閘命令時間開關分位接點動作時間間隔/ms線路1110:21:46.34610:21:46.37832線路1n10:21:46.32510:21:46.36237線路2110:21:46.31410:21:46.34834線路2n10:21:46.33310:21:46.36633線路1110:35:23.81010:35:23.84535線路1n10:35:23.79810:35:23.83032線路2110:35:23.80310:35:23.83734線路2n10:35:23.79010:35:23.82636

從表2看出，終端在接收到主站命令切模擬負荷的平均時間為34 ms，模擬器動作時間約25～30 ms。經測算終端在2種控制方式下，接收到跳閘命令到出口的時間均不到10 ms，測試結果顯示終端具有快速的響應能力。

4 現場快速切負荷實測

根據前述設計的終端已于2016年成功安裝于江蘇境內1500家用戶，根據營銷主站2016年7月統計，全省接入的可切負荷最高達3500 MW。現場選擇部分用戶開展了切負荷試驗。

(1) 營銷主站切負荷試驗。2016年5月底對全省34戶開展了營銷主站集中切負荷試驗，蘇州地區10戶的動作情況如表3所示。

通過表3可見終端接收主站命令切負荷平均時間不到53 ms，實測終端接收報文到出口最大時間90 ms(含開關動作時間30～70 ms不等)，表3中的最短時間僅36 ms，通過試驗測算終端接收命令到跳閘出口時間不超過10 ms。

表3 營銷主站切負荷時間Table 3 Load shedding time of marketing master station

(2) 精準切負荷系統切負荷試驗。2016年6月開展了蘇州地區用戶精準切負荷系統切負荷試驗，記錄的4戶動作時間如表4所示。

表4 緊急切負荷時間Table 4 Emergency load shedding time

通過表4可見終端接收到主站命令切負荷平均時間為68 ms，終端的最大出口時間為78 ms，由于用戶開關動作時間的離散性，每一戶動作時間會有所差異。

5 結語

本文針對特高壓直流故障時電網安全穩定控制的需要，設計了一種可精細控制用戶負荷的網荷終端設備，它支持與大規模快速切負荷系統快速通訊，接受快速切負荷命令，實現對用戶可切負荷的快速控制，現場試驗結果表明終端在接收命令到出口時間非常迅速，可完全滿足系統對用戶負荷快速控制的要求。

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師，從事電力自動化二次系統相關的研究開發與應用工作；

王 寧(1981—)，男，河北保定人，工程師，從事變電站自動化系統相關研究與技術開發工作；

葛永高(1978—)，男，江蘇興化人，工程師，從事電力自動化二次系統相關的研究開發與應用工作。

(編輯 徐林菊)

Design and Implementation of User Terminal Unit for Emergency Load Shedding

LU Yujun, LI Cheng, CHEN Hao, WANG Ning, GE Yonggao

(Jiangsu Frontier Electric Power Technology Co., Ltd, Nanjing 211102, China)

Due to the dispatching and marketing load control method cannot satisfy the load emergency control and the power supply needs of large users and important loads when UHVDC block fault occur, a method is proposed to realize swift load control by improving specialty transformer user terminals in this paper. A common emergency load shedding control terminal is designed to meet the precise acquisition of interruptible load, real-time communication, and multi-master security fast control. A flexible configuration solution is designed for field load access, power calculation and tripping output. Finally, the terminal is applied at the user site. Actual load shedding test verified that the terminal fully meet the requirements of the precision load shedding system.

emergency load shedding; electric energy data acquire system; interruptible load; load shedding control

2016-12-29；

2017-02-23

國家電網公司總部科技項目(用戶負荷群快速響應及調控技術研究)

TM762

A

2096-3203(2017)03-0082-07

陸玉軍

陸玉軍(1972—)，男，江蘇句容人，高級工程師，從事電力自動化二次系統相關的研究開發與應用工作；

李 澄(1970—)，男，江蘇無錫人，研究員級高工，從事繼電保護、變電綜合自動化系統、配網自動化系統等研究與項目開發工作；

陳 顥(1987—)，男，湖北鐘祥人，工程