毫秒級精準負荷控制系統設計與工程應用

任建鋒, 顏云松, 羅劍波, 司慶華, 陶 翔, 郭 勛, 萬芳茹

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

特高壓直流密集接入，輸送容量占受端系統規模的比重不斷增大，對常規機組替換效應持續增強，系統頻率調節能力持續降低。多直流饋入電網發生多直流連續換相失敗和故障導致直流閉鎖時將造成受端電網有功大幅缺額，會導致電網頻率急劇下降[1]。為避免頻率下降給電網運行帶來的巨大風險，一般在直流落點近區配備頻率緊急協調穩定控制系統，根據直流損失功率的大小通過緊急提升相鄰直流輸送功率、切除抽水機組和受端電網相應負荷來保持受端電網的功率平衡，抑制頻率下降[2-3]。但如果網內其他直流緊急提升量不足，抽蓄電站正處于發電狀態，就只能大量切除負荷線路，易達到電力安全事故等級劃分標準。如若切除負荷線路安排不足，甚至可能造成低頻減載裝置無序動作，對生產生活影響較大。常規的控制措施幾乎已經用盡，因此需挖掘利用新的控制資源與手段，將分散性海量電力用戶可中斷負荷單元集中起來進行毫秒級精準控制，實施靈活調節，從電源調控轉變為負荷調控與電源調控兼顧，實現電網與電源、負荷友好互動，達到電力供需瞬時平衡，支撐能源大范圍優化配置，可避免大面積停電的發生，將區外來電大幅波動對企業和居民用電的影響降至最低。

可中斷負荷是在緊急情況下能給電網提供的可控資源，在滿足“可中斷”的基礎上應具備一定的負荷量、負荷曲線較平穩、控制接入方便等特征。有較大日常負荷量的普通工業用戶、大型商業用戶、電動汽車集中充電站、翻水站的抽水泵、大型儲能電站(充電時)、燃煤電廠可中斷輔機負荷都可作為精準負荷控制系統的主要可控資源。這些可中斷的大用戶負荷，每個負荷量不大，用戶數多，分布分散且地理范圍廣。如何把這些用戶的可中斷負荷接入穩定控制系統，同時滿足整個系統實時性、安全性、可靠性和經濟性的需求，是當前毫秒級精準負荷控制系統亟需解決的問題。

2016年，江蘇電網結合源網荷友好互動系統的實施率先完成了毫秒級精準負荷控制系統的試點工作，將切負荷控制方式從傳統的集中切變電站負荷線路方式轉變為快速精準控制用戶可中斷分支負荷線路，取得了良好的應用效果，在國內外起到了示范作用[4]。文中以江蘇電網毫秒級精準負荷控制系統為例，詳細介紹了整個系統的設計以及工程化應用情況。

1 系統架構

毫秒級精準負荷控制系統把控制對象由傳統穩控系統的變電站負荷線路變為以生產企業為最小節點，精準控制企業內部可中斷的380 V分支回路，這就意味著接入的控制對象將會非常龐大；其用于解決電網的穩定問題(例如頻率穩定、暫態穩定問題等)則要求整套控制系統的控制時間必需在數百毫秒以內。

1.1 通信網絡選擇

用戶負荷控制終端(以下簡稱負控終端)通信接入技術[5-6]大體上分為有線和無線接入方式，有線接入主要有基于同步數字體系 (synchronous digital hierarchy，SDH)的2M專線接入、專用光纖接入[7-8]和電力線載波方式；無線接入主要有GPRS和4G專網方式。其中2M專線基于SDH光纖通信系統實現，可以滿足電力系統傳輸繼電保護信號傳輸損傷和時間延遲的要求，是繼電保護信號可靠的傳輸通道[9]。專用光纖接入采用端對端單模光纖傳輸，具有通信容量大，抗電磁干擾能力強，穩定性高的特點[10]。基于GPRS的無線通信方式由于其固有的GSM技術局限，目前在用的通信速率為9600 b/s，實時響應能力不能達到毫秒級精準負荷控制的快速性要求。4G專網方式[11]提供基于IP的數據通信服務，終端帶寬理論上可達到10 Mb/s級，但在用于高可靠性的電力系統控制通信時一般采用傳輸控制協議 (transmission control protocol，TCP)協議，限制了同一個關聯點的終端接入個數。同時，由于無線通信受物理遮擋、空間電磁場、天氣等因素的影響較大，在終端大規模掛網時，實時在線率暫無數據支撐，可靠性無法得到保證，目前還不具備大規模應用的條件，個別光纖通道很難覆蓋的用戶可以考慮使用4G專網方式試點接入。綜上，采用2M專線和專用光纖通信技術是實時性最強、可靠性最高的首選方案。

1.2 總體架構

毫秒級精準負荷控制系統總體架構如圖1所示。該架構總體上分成3層，即控制主站層、控制子站層、終端用戶接入層。圖中的協控總站作為毫秒級精準負荷控制系統的上級控制中樞，不計入架構層數統計。在省調設置調度主站和營銷主站。三層架構中，控制主站接收上級穩控系統切負荷控制指令，進行負荷分配，下達控制任務；控制子站匯集本地區可切負荷量，上傳至控制主站，并執行控制主站的切負荷控制指令；負控終端采集用戶可切負荷量并實時上送，同時接收控制子站的指令，快速切除部分可中斷負荷。

圖1 毫秒級精準負荷控制系統總體架構Fig.1 Schema diagram of the millisecond-level precision load control system

控制主站一般設在直流落點換流站近區通道條件好的500 kV交流匯集站，裝置采用雙套配置。控制子站一般設在負荷集中區域的500 kV或220 kV交流站，裝置采用雙套配置。用于一般企業用戶的負控終端按單套配置，每個終端和子站雙套都有交互。控制子站裝置至接入變電站光電轉換設備之間是2M通道，光電轉換設備至負控終端之間是專用光纖通道，8個專用光纖通道共享一個2M通道。對于布光纖通道有困難，同時又有無線4G專網覆蓋的大用戶，可以采用無線4G接入方案。所有2M通道在SDH設備上匯聚成155M通道接入子站控制裝置。

調度主站總體上分為數據采集、集中監視、運行管理、在線預警和決策支持5個部分。其中數據采集實現裝置各類信息的實時采集；集中監視實現對裝置實時采集的電氣量、開關量、壓板投退狀態、異常信號及動作報告等實時信息和人工設定的定值及策略表等控制信息的集中監視；運行管理實現對裝置的控制策略等信息的在線查詢及維護管理、定值核對和歷史數據管理；在線預警實現對裝置的當值策略識別以及可實施性評估(判斷控制措施是否可以足量執行)；決策支持實現在當值策略控制量不足時，給出基于可控措施空間的決策支持建議。

營銷主站可實現遠程對負控終端中的分支線路進行定值管理、維護和修改，遠方監控跳閘出口壓板投退狀況、運行控制軟壓板的投退、跳閘出口矩陣的調整等功能，實時掌控負控終端的運行狀態，有利于對負控終端的故障診斷定位和精準維護，降低到用戶上門維護次數，減少對用戶的干擾。

2 控制策略

通過大量的分析計算發現特高壓直流故障后，優先切除直流落點近區的負荷控制效果最優，因此分層分級制定毫秒級精準負荷控制策略，根據直流落點位置以及負荷切除層級確定切負荷站點次序，在同一層級內優先切除直流落點近區的負荷。

可中斷負荷依照高耗能優先的原則分為X個層級，層級數量可參照本地區低頻減載輪次數量。為了確保可靠性，收到上級切負荷指令時，需進行連續三幀確認及本地低頻確認，并采取“二取二”的原則才能最終切負荷。不同負荷層級按照優先級先后順序切除，同一層級按照故障直流落點遠近順序切除。

以江蘇電網3個控制子站(木瀆、鳳城、上河地區)，每個子站各分為6個層級的分層分區切負荷策略為例，制定如下措施：

(1) 錦蘇直流故障，錦蘇閉鎖損失功率≥P(某定值)，先切木瀆站負荷(6個層級全切光)，再均衡切，順序為上河、鳳城；錦蘇閉鎖損失功率

(2) 錫泰直流故障，三站均衡切，層級細到每個分區，順序為鳳城、上河、木瀆。

(3) 雁淮直流故障，三站均衡切，層級細到每個分區，順序為上河、鳳城、木瀆。

(4) 省外直流故障，三站均衡切，層級細到每個分區，順序為上河、鳳城、木瀆。

(5) 組合直流故障，若包含錦蘇直流故障，則按照錦蘇直流故障切負荷順序執行。組合直流故障，若未包含錦蘇直流故障，按照上河、鳳城、木瀆順序，均衡切。

(6) 從經濟性角度出發，切除負荷采取欠切原則，最多只會欠切某個層級上的一個用戶。

以上分層分級策略的實施，不僅能依據故障損失量精準切除滿足控制要求的負荷，還可避免負控措施引起潮流竄動，保證了毫秒級精準負荷控制的安全性和經濟性。

3 關鍵技術

3.1 STM-1接口技術

由于每套控制子站裝置需要接入數百個負控終端，傳統的穩控系統架構已經無法滿足這種要求。因此開發了STM-1接口技術，采用現場可編程門陣列 (field-programmable gate array，FPGA)硬件編碼技術，將63路高級數據鏈路控制 (high-level data link control，HDLC)模塊整合進一個符合ITU-TG.703標準的STM-1接口模塊。對SDH主干網，基于HDLC協議實現155M光纖通信，每個STM-1接口模塊內含63路2M數據。FPGA和ARM芯片分工協作，并行高效處理數據收發和HDLC與COM_STC之間的協議轉換。STM-1接口FPGA實現邏輯如圖2所示。

圖2 STM-1接口FPGA實現邏輯Fig.2 Logic diagram of STM-1 interface realized by FPGA

3.2 多用戶共享2M通道接入技術

毫秒級精準負荷控制系統需要確保實時性，因此負控終端與控制子站通信是基于2M專網的。考慮到負控終端上送功率等信息與接收控制子站命令的實時性要求有所區別，開發了多用戶共享2M通道接入技術。即在大用戶接入裝置上將8個負控終端的光纖數據以時分復用的方式經兩路2M通道輪詢上送至對應負荷控制子站雙套裝置。同時接收雙套控制子站裝置的切負荷命令，并通過光纖通道同時轉發至8個負控終端。將傳統穩控架構每個2M通道接1個終端擴展為可接入8個終端，但所有終端都能同時快速響應命令。

圖3 多用戶共享2M通道接入示意圖Fig.3 Schema diagram of multi-user shared 2M channel

3.3 模擬大規模可中斷負荷批量切除及有序恢復的試驗技術

現場進行聯調試驗時，由于負控終端出口軟壓板退出后，控制子站會將負控終端的可切負荷總量清零處理，無法實現切負荷的目的。調試過程中需確保負控終端不會真正跳閘出口，保證聯調的安全性，因此研發了模擬大規模可中斷負荷批量切除及有序恢復的試驗技術。實現流程如圖4所示。具體步驟介紹如下：(1) 主站、子站均通過投入傳動試驗壓板、退出總功能壓板，進入傳動模式；(2) 在主站設置傳動菜單，可選擇需要模擬的選項，點擊確認后即可向子站發送帶有測試位的切負荷命令；(3) 子站在接收到主站發送的帶有測試位的命令后，經本地頻率確認，向負控終端發送帶有測試位的命令；(4) 負控終端收到遙控選擇后，檢測出口回路，然后返回出口回路檢測結果。(5) 負控終端反饋信息至切負荷子站，子站顯示負控終端動作結果。

圖4 大規模可中斷負荷批量切除及有序恢復模擬試驗流程Fig.4 Flow chart of simulation test large-scale interruptible load batch shedding and orderly recovery

在控制主站模擬測試命令，控制子站接收到命令后向負控終端發送測試命令，負控終端收到命令后給出相應的報文提示，但負控終端并不實際跳閘出口。該方法可達到驗證系統整組動作完整通路、保證負控終端能夠接收實際指令的效果，解決了多負控終端調試困難的問題。本功能僅用于聯調試驗或預跳試驗，在試驗時可以模擬驗證系統控制策略和通信狀態的正確性和可靠性，而不會使得負控終端真正跳閘出口，確保試驗過程的安全性。

4 工程驗證

2016年，江蘇省電力有限公司啟動了江蘇大規模源網荷友好互動系統電網毫秒級精準負荷控制建設工程，一期工程已于2016年6月投入試運行，實現蘇南地區1000 MW毫秒級可中斷負荷的毫秒級精準控制，并與華東電網頻率緊急協調控制系統緊密對接，成為構建大電網安全綜合防御體系的重要支柱，為頻率緊急控制提供了除按頻率分輪次低周減載外，可快速、精確控制的新資源。江蘇毫秒級精準負荷控制系統依據上文所述的通信架構建設，除電網側接入變電站和用戶負控終端之間采用專用光纖通信之外，其他各層級均采用基于E1接口的2M專用通道實現。江蘇省電力有限公司于2017年5月24日進行錦蘇特高壓直流閉鎖系統沖擊試驗，人工觸發特高壓錦蘇直流雙極閉鎖，直流功率損失 3000 MW，華東電網頻率由50.02 Hz跌落至49.97 Hz，采取緊急提升其他直流切除抽蓄電站水泵并切除蘇州地區可中斷負荷255 MW后，系統頻率恢復至50.03 Hz。試驗中精準切負荷系統依據預定策略正確動作，滿足設計要求。江蘇電網毫秒級精準負荷控制系統一期工程實測整組控制時間情況(見圖5)： 4G專網用戶為245 ms，光纖用戶1為196 ms，光纖用戶2為211 ms。該系統整組控制時間涵蓋從故障發生到負控終端出口的所有延時。

圖5 整組控制時間Fig.5 Diagram of operation time

5 結語

系統介紹了一種可以應用于毫秒級精準負荷控制的完整解決方案，包含主站、通信、策略、控制裝置等方面，該技術方案已應用于江蘇電網精準切負荷一期、二期工程中。現場實切試驗表明，各項設計均符合預期。一套控制子站裝置能同時承載300路以上的2M通信控制接口，同時300 ms內緊急切除300個以上可中斷用戶負荷。

文中提出的通信組網方案是基于當前的電力系統SDH骨干傳輸專網實現，在接入層主要采用專用光纖直接/間接接入方式，優點是通信延時確定、可靠性高，缺點是需要進行光纖鋪設。接入層大規模采用無線接入方式(如4G無線專網)是今后的一個研究方向，但是就目前來說，無線接入方式用于強實時系統的實時性、安全性及可靠性研究仍處于摸索階段，需要進行更加深入的理論分析、實驗測試和工程試點驗證。

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