毫秒級精準負荷控制系統裝置研制

楊智德，王宏杰，閆志輝，余高旺，李 剛，白申義

(許昌許繼軟件技術有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

近年來，隨著特高壓交直流電網的快速發展，遠距離跨區輸電規模持續增長，新能源占比進一步提升[1]，電網安全運行面臨較大風險。基于傳統交流系統形成的認識方法、防御理念、控制技術和管控措施，已難以適應特高壓交直流電網運行實踐的要求，需要統籌電網資源與負荷綜合配置，提高電網特高壓故障應急響應能力。在鞏固、加強、拓展傳統電網三道防線的基礎上，構建了多目標控制、多資源統籌和多時間尺度協調的高可靠性、高安全性的大電網安全綜合防御體系，實現了對可切負荷資源的統籌管理[2]。

精準負荷控制系統是特高壓交直流電網系統保護的重要組成部分[3]。在特高壓直流故障初期，頻率快速下降，受端電網需要有效控制大量負荷。在低周減載動作前，調控中心需要通過負荷管理系統進行負荷調控，并快速切除可中斷負荷，以阻止頻率繼續跌落，避免大量拉限線路、變電站等造成較大的社會影響。

傳統的切負荷控制技術，以切除主變負荷和高壓負荷線為主，對用戶影響大、可控制站點少、可選擇容量小，實施困難。在目前政策和社會容忍的范圍內，傳統的大規模切負荷已不具備實際應用條件[4-6]。

精準負荷控制技術具有點多面廣、選擇性強、響應時間快、對用戶用電影響小的優勢，通過與傳統負荷控制系統的協同作用，可滿足多直流換相失敗和閉鎖故障對大量切負荷的客觀要求，是保障過渡期電網安全的有效手段之一。基于以上背景，本文研制了精準切負荷控制系統裝置。

1 系統架構

精準負荷控制系統處于系統保護的第二道防線，用于協同電源、電網、用戶負荷的互濟互動，實現對負荷資源的分類、分級、分區域管理[7]。精準負荷控制系統架構圖如圖1所示。系統包括主站、子站、用戶側負控終端以及通信擴展設備。主站選址為直流落點地區的關鍵500 kV站，用于接收總站下發的切負荷命令和子站上送的可切負荷信息，并按照優先級以及控制策略進行負荷分配、按策略下發切負荷命令。子站選址為各地級市負荷中心站，用于接收主站下發的切負荷命令、匯集本分區可切負荷量，按策略執行主站下發的切負荷命令；通過通信擴展設備負控終端，實現對更多用戶站點負荷資源的控制[8]。用戶側負控終端收到子站下發的切負荷命令之后，直接執行跳、合閘命令，同時采集負荷信息上傳子站主機。主站與子站之間的通信、子站與用戶側負控終端之間的通信主要依托同步數字體系(synchronous digital hierarchy,SDH)通信網絡實現連接。

圖1 精準負荷控制系統架構圖

2 方案設計

由于特殊的應用場景和現場需求，精準負荷控制系統的可控站點數目高達10萬個以上，故而要求整個系統必須滿足控制面廣、選擇性強的需求，以便維持大電網體系的穩定性，最大限度地降低社會影響[9]。

研制的精準負荷控制裝置不僅具有擴展能力強、通信配置靈活等優點，而且裝置抗干擾能力強、可實現硬件全面自檢。該硬件設計結構同時適用于精準負荷控制主站主機和子站主機，其硬件設計結構如圖2所示。主機裝置具有2個可靈活部署的通信擴展插件，分別支持不同傳輸速率的數據交互，完成主站主機與子站主機的策略下發和執行功能。每一個通信擴展插件分別可以擴展8個數據交互接口。每臺通信擴展設備可擴展30個負控終端用戶接口，實現精準負荷控制系統可控站點的最大化，滿足點多面廣的需求。1臺主站主機裝置可接入8個子站主機。1臺子站主機裝置可接入8個通信擴展設備。1臺通信擴展設備可擴展30個用戶側負控終端。因此，1臺主站主機可對1 920個用戶負荷進行實時控制，從而最大程度地滿足現場應用。

圖2 硬件設計結構圖

3 硬件平臺設計

精準負荷控制的硬件設計基本思想是基于高速、可靠的低電壓差分信號串行總線及以太網接口，采用模塊化的設計思想，開發通用的總線背板和插件板，設計接口和交互機制。板間采用以太網進行通信連接，搭建一個通用的精準負荷控制裝置的硬件平臺，硬件方案采用多CPU插件結構，硬件平臺結構如圖3所示。數據處理CPU作為總線處理單元，主要提供冗余2 MB接口，完成高階數據鏈路控制(high level data link control,HDLC)通信報文的接收，以及切負荷命令的接收和發送，數據處理CPU接收到的通信報文經過預處理后再發給保護邏輯運算CPU插件。邏輯運算CPU作為主控單元，通過背板以太網口接收網絡協議接口(network protocol interface,NPI)傳送來的報文信息，結合不同的控制措施和策略，實現邏輯判定。通信插件實現對整個裝置的管理、人機界面與調度監控通信等功能。通信插件使用內部百兆以太網接口接收邏輯運算CPU插件的數據，通過并行總線與裝置顯示液晶通信。該插件具有3路百兆以太網接口。

圖3 硬件平臺結構圖

4 軟件平臺設計

4.1 軟件架構

精準負荷控制裝置的軟件功能主要在主CPU中實現，分為平臺模塊和應用模塊。平臺模塊與應用模塊配合完成裝置主CPU功能。各個插件之間的數據流向如圖4所示。

圖4 數據流向圖

主CPU插件的應用程序與平臺程序之間通過接口調用交換數據，實現設置或者獲取平臺數據庫數值(見圖4中數據流①、②)。數據流③、④、⑨均采用內部通信協議，其中數據流③為主CPU發送的狀態信息、模擬量信息，數據流④為人機接口的控制命令，數據流⑨為采集到的開關量信息。數據流⑤、⑥、⑦、⑧均采用以太網傳輸介質，其中數據流⑤、⑦為主機下發的控制命令或心跳報文，數據流⑥、⑧為接收下一級站點裝置上送的負荷量值和狀態信息。

以主站主機裝置為例，CPU程序軟件架構如圖5所示。平臺程序主要實現網絡驅動、輸入量采集、平臺對時服務等CPU板與各個插件之間的數據交互。應用程序實現處理主機下行控制策略邏輯、處理子機上行數據以及制造報文規范(manufacturing message specification,MMS)數據上送等。

圖5 CPU程序軟件架構圖

4.2 控制策略

控制策略是整個精準負荷控制系統的核心，實現了分發控制策略的主要功能，同時轉發人機接口(human machine interfale,HMI)和向下一級站點發送控制命令。

以主站主機裝置為例，控制策略流程如圖6所示。主站主機收到上一級站點裝置發送來的2 MB數據后，先按照HDLC協議標準進行解包，得到需切負荷信息；再依據采集到的可切負荷量和各子站優先級，按照最優控制策略打包命令報文，并將其下發至子站主機。子站主機裝置的下行控制策略處理邏輯與上述類似。這種按照優先級處理的控制策略，充分考慮了調控中心對用戶側負荷信息的分區、分域、分時調控，避免了大面積掉電造成的社會影響；各個站點之間的報文接收均按照HDLC協議標準進行組包解包，減少了傳輸過程可能出現的誤碼率；另外，每個精準負荷控制裝置都設置有唯一的地址碼，按照HDLC協議標準收發的報文包含目的地址，嚴格地控制報文走向，能使得控制命令精確、快速到達終端設備，大大提高了精準負荷控制系統的響應時間。

圖6 控制策略流程圖

5 關鍵技術實現

5.1 通信報文多重校驗防誤機制

精準負荷控制系統各級站點裝置對接收到的報文信息進行多重防誤校驗。下行數據處理流程如圖7所示。

圖7 下行數據處理流程圖

校驗內容包括循環冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)校驗、報文頭校驗、報文尾校驗、報文長度校驗、報文特征碼校驗、報文地址校驗、報文和校驗。同時，實時監測接收報文幀數、丟幀數、誤碼率等關鍵信息。對于接收到切負荷命令報文，經連續多幀確認后再輸出。采用多種防誤機制，從各方面確保站間通信報文的正確性，排除異常報文對系統的干擾，以提高數據傳輸的可靠性。

5.2 基于FPGA的HDLC協議實現技術

HDLC協議采用基于現場可編程門陣列(field-programmable gate array，FPGA)硬件編程實現，可以反復編程，兼顧速度和靈活性。在FPGA上實現的HDLC協議對數據流的采集、發送，HDLC協議的解析、構造，CRC碼的生成、驗證都是并行處理的。利用FPGA具有的重裝載功能，可以在內部靈活實現各種數字電路設計，甚至可以動態改變內部設計，動態實現不同的功能。

HDLC幀數據收/發控制器結構如圖8所示。HDLC發送端接收總線上的并行數據(內容字段)，經過功能模塊處理按照HDLC幀格式串行輸出。其結構由四個功能模塊和幀數據發送控制器組成，并行數據通過并串轉換模塊輸出，在CRC16校驗模塊中產生16 bit的校驗位附著于后，經過插零、添加標志字段，最終完成HDLC幀格式數據輸出。

圖8 HDLC協議收/發控制器結構圖

HDLC接收端從外部管腳獲得幀數據，按照幀格式進行解析，得到內容字段發送至FPGA內部總線上。接收端通過識別外部數據的標志位字段，將幀數據采集到先進先出(first input first output,FIFO)采集模塊中，完成一幀數據采集后在刪零模塊對多余的零進行刪除，并對其數據進行CRC驗證，然后將數據放置的數據總線上。基于FPGA的HDLC協議實現技術能夠均衡整個系統的負荷，保證多個通道的通信可靠性和實時性。

5.3 毫秒級快速切除可中斷負荷實現技術

基于精準負控控制系統在1.667 ms 內實現一次數據與命令交換的技術要求。裝置的通信插件CPU及策略CPU均設計了定間隔中斷任務處理機制，用于處理通信數據接收及發送，裝置啟動判別及切負荷控制策略執行任務。策略CPU在中斷任務獲取通信數據時，為了防止緩存區中數據被覆蓋造成數據錯誤，設計了數據讀取時鎖定數據緩存區的功能。當數據讀完后自動解鎖，可有效保證策略功能的可靠性。基于該中斷任務的處理機制，保證了精準負荷控制主站及子站裝置處理以下流程的時間不超過10 ms：接收到第一幀有效的控制命令，經連續三幀有效確認觸發裝置啟動，執行切負荷控制策略，控制命令下發。考慮站間通信最大延時，從精準負荷控制主站接收到總站第一幀有效控制命令到負控終端跳負荷線路開關的繼電器節點出口的最大用時不超過100 ms。

圖9 通信數據處理機制圖

5.4 多通道并行處理技術

精準負荷控制系統設備采用了基于FPGA的快速輪詢方法。其子站按照1.667 ms的間隔，定時輪詢所有配置的2 MB數據。光纖接口，對接收的數據進行校驗；根據端口標志打包數據并通過內部高速串口發給通信CPU插件FPGA。通信CPU的FPGA對各擴展板卡傳送的數據解碼，并增加擴展板卡編號；然后，打包數據，按照500 μs的定時間隔通過100 MB以太網口將其發送至主站；發送完成后，將數據發送標簽置1，同時將FPGA緩存區中數據清除，避免相同數據包重復發送。對于子站下發的控制命令，應用程序將該命令數據包封裝，通過通信接口擴展裝置分包，以1.667 ms的間隔依次向對應板卡發送控制命令。負控終端接收到控制命令后，對數據進行有效性校驗，確認無誤后從對應的端口輸出。

整個精準負荷控制系統設備的通信插件均采用多通道并行處理技術，不僅保證了整個系統數據接收及發送的同步性，而且提高了通信數據的處理效率。對通信插件接收的通信數據采取并行接收，校驗打包后通過裝置內部的高速串口或以太網口傳給對應的CPU插件，有效提高了通信數據處理的時效性能。

5.5 就地頻率判別技術

為了防止協控總站向精準負荷控制系統主站誤發切負荷命令，在切負荷主站、切負荷子站增加頻率就地判據，作為執行協控總站切負荷控制的輔助判別條件。切負荷主站及子站的從機裝置接入變電站內最高等級的母線電壓[10]，用于測量系統電網頻率。

當切負荷主站收到協控總站向下發的切負荷命令，同時就地測量的系統頻率低于設定的頻率定值時，主站執行切負荷命令；當切負荷子站收到主站下發的切負荷命令，同時滿足子站就地頻率判別條件時，子站執行切負荷命令。

裝置在切負荷動作邏輯及恢復負荷動作邏輯中增加低頻及頻率滑差判斷功能，實際應用中可根據需求選擇此判別功能是否投入。若投入，則進行5 s的判別，5 s內就地判據不滿足，則認為本次切負荷條件不滿足，閉鎖本次切負荷動作，從而保證了整個系統動作的可靠性。同時，裝置增加了低頻欠量返回系數，可防止因狀態抖動帶來的頻繁切負荷事件，以增強系統的穩定性。

5.6 負荷恢復機制

為保證區域內電網的正常運行、減小長時間停電帶來的負面社會影響，精準負荷控制系統裝置已具備負荷恢復機制。主站主機裝置下發切負荷命令之后，若本地系統頻率恢復正常，主站主機裝置會向子站主機裝置發出負荷恢復的命令。當子站收到主站下發恢復負荷命令時，會進行子站就地頻率再判別。若就地頻率恢復正常，則向用戶側下發負荷恢復的命令；若就地頻率未滿足設置條件，則子站不執行負荷恢復。

同時，子站主機裝置具備記憶切負荷對象的功能，子站主機裝置收到恢復負荷命令時，會根據記憶的信息，對已切除負荷實現遠程恢復。這種負荷恢復機制能最大程度地減少斷電時間、降低社會負面影響，能更好地適應現在社會的需求。

5.7 邏輯可視化實現平臺技術

精準負荷控制裝置軟件對采集到的數據進行合并、處理，對接收到的上層數據幀進行正確解析，按解析出的信息完成正確的動作；保護源代碼完全由可視化邏輯設計工具自動生成，正確率達100%，杜絕人為原因產生的軟件缺陷。

軟件通過分層、模塊化和元件化的設計，實現裝置內部元件級、模塊級和總線級三級監視點，可以監視裝置內部任何一個點的數據，實現對裝置內部邏輯的監測與回放。

6 試驗及結果

在實際應用中，整個精準負荷控制系統要求主站、子站的下行控制命令處理耗時(從接收到切負荷指令到發出下行控制切負荷指令)分別不超過30 ms、20 ms，各負控終端的動作報文出口時間不超過300 ms，整組動作報文出口時間不超過650 ms。

為了進一步驗證已研制的精準負荷控制系統裝置的性能，在國家繼電保護及自動化設備質量監督檢驗中心開普實驗室及公司中試部，對已研制的裝備進行了試驗。動作時間測試結果如表1所示。

表1 動作時間測試結果

所研制的精準負荷裝置采用分層、分級處理方式，策略精準，同時具備過切、欠切模式，滿足現場工程配置需求。由表1可以看出，從總站下發切負荷命令開始，主站約5 ms可作出響應，子站約3 ms作出響應，精準負荷控制系統整組動作時間不超過45 ms，系統整體動作時間不大于100 ms，完全滿足毫秒級快速控制切負荷的應用需求。

研制的精準負荷控制裝置順利通過型式試驗，所檢各項指標達到了相關國家標準、行業標準和企業標準的要求，并最終通過中國機械工業聯合會產品成果技術鑒定。

7 結束語

隨著電能需求的日益增長、特高壓交直流電網的快速發展，電網運行特征發生重大變化，傳統的切負荷技術有一定的局限性。目前同行業內各個廠家均在研制新的切負荷技術[10-12]，以適應系統保護、占領市場份額。

本文研制的精準負荷控制系統裝置采用科學合理的軟硬件架構，采取切負荷控制策略，使用HDLC協議格式報文交互，減少了誤碼率，提高了可靠性。未來，為應對特高壓直流閉鎖故障導致的頻率跌落，精準控制切負荷技術必將得到廣泛應用；而采用無線網絡輔助，還可以進一步提升系統的可擴展性和靈活性。在智能電網調度技術支持系統(D5000)進行穩態監測與調控的同時，構建控制功能相對獨立、實時、緊急、閉環的安全綜合防御體系，進一步健全系統保護勢在必行。