考慮負荷特性的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)設計

高虹霞，高 劍，宋 燁，朱 童，吳佳芳

（1.四川省電力公司資陽供電公司，四川 資陽 641300；2.國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041）

一旦電力系統(tǒng)存在較大的故障因素，內部的功率缺額也會隨之變大，很難尋找有效的調頻控制方法。為了更好地滿足系統(tǒng)負荷需求，使系統(tǒng)能夠達到功率平衡，需要技術層面將系統(tǒng)的部分負荷去除，從而保證系統(tǒng)的功率能夠達到平衡狀態(tài)，防止系統(tǒng)的頻率發(fā)生崩潰，進而確保電力系統(tǒng)能夠以穩(wěn)定的狀態(tài)運行[1-2]。目前，有大量學者對低頻減載系統(tǒng)進行了研究，吳云亮等[3]提出了基于減載貢獻因子的低頻減載動態(tài)優(yōu)化方法，分析減載貢獻因子對不貢獻功率造成的影響，從而計算功率精度，通過動態(tài)方式實現(xiàn)逐次遞減優(yōu)化，從而減少負荷切除量，使電力系統(tǒng)能夠具備頻率調節(jié)的能力。錢敏慧等[3]提出了基于自適應慣性權重混沌粒子群算法的多機系統(tǒng)低頻減載整定算法，確定電力系統(tǒng)頻率降低閾值，通過多輪減載的方式保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地運行。目前的方法都很難在實際運行時，既保證系統(tǒng)頻率得到快速恢復，又能夠減少負荷切除量。

綜上所述，該文在分析負荷特性的基礎上，設計了一種新的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)，首先確定負荷狀態(tài)，然后從硬件和軟件兩方面進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)低頻減載。

1 硬件設計

該文設計的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)硬件主要采用模塊化的思想[4]，通過多模塊設計實現(xiàn)低頻減載設計。系統(tǒng)硬件結構如圖1 所示。

圖1 硬件結構示意圖

在電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)中，CPU 模塊占據(jù)著主導作用，其是系統(tǒng)的核心模塊，當采集模塊得到母線電壓信號和頻率信號后，會傳遞給CPU 模塊，由CPU 模塊完成處理，將電源模塊安裝在電源插件上，并將模擬量輸出在裝置面板上，從而更好地傳遞信息[5-6]。

1.1 雙處理模塊設計

傳統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)采用的DSP 處理器是一般的DSP 處理器，處理能力和通信能力都難以滿足用戶要求，因此該文使用雙CPU 結構，即DSP+單片機的模式設置硬件，通過DSP 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集工作和處理工作，利用單片機完成信息控制和通信，確保設計的系統(tǒng)硬件功能。雖然雙CPU 結構能夠提高系統(tǒng)的功能，但是也加大了硬件的復雜度，降低可靠性，因此文中通過精簡指令集計算機來彌補這一缺陷，借助精簡指令集計算機極高的運算能力提高系統(tǒng)硬件的集成精度，滿足低頻減載需求[7]。

該文選用的處理器為ColdFire 微控制器，微控制器為四核控制器，能夠在不同的場合中發(fā)揮不同的作用，如果使用環(huán)境為32 位入門級環(huán)境，則使用V1 內核；如果使用環(huán)境為工業(yè)環(huán)境和家庭環(huán)境，則使用V2 內核；如果使用環(huán)境為工業(yè)測控環(huán)境，則需要使用V3；如果使用環(huán)境為多媒體環(huán)境，則使用V4內核[8]。微處理器選擇的是MCF52235 微處理器，該微處理器為系統(tǒng)的核心裝置，內部為V2 內核，存儲器內部的FLASH 內存為128 kB，SRAM 內存為32 kB，系統(tǒng)時鐘頻率為60 MHz，采用的封裝為80LQFP 封裝[9-10]。ColdFire 微控制器與MCF52235 微處理器形成的雙CPU 結構如圖2 所示。

圖2 雙CPU結構

該文研究的雙CPU 結構內部的控制器為嵌入式微控制器，能夠同時滿足以太網(wǎng)控制器的要求，并將物理層的內核整合到一起，確保系統(tǒng)內部的性能[11]。微控制器內部設置的乘法器為增強型乘法器，EMAC 和CAU 彼此配合，為DSP 的操作和安全運行提供良好的保障。ColdFire 微控制器與MCF52235微處理器形成的雙CPU 結構支持7 級終端管理，系統(tǒng)能夠自動完成中斷控制，供電電壓為3.3V，與軟件連接，使內部集成鎖形成看門狗。當雙CPU 運行頻率能夠達到60 MHz 后，系統(tǒng)的運行速度可以提高到80 MIPS，不同端口用戶可以同時使用系統(tǒng)[12]。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要負責采集電壓信號和頻率信號，得到的外部信號在經(jīng)過互感器后會轉變成強電信號，而電力系統(tǒng)僅能接收0～3.3V電壓，因此必須要將信號轉換成弱電信號，使CPU 模塊能夠更好地完成信息處理[13]。

數(shù)據(jù)采集模塊通過DMA 定時器來實現(xiàn)，該裝置具備輸入捕捉功能，內部擁有多種寄存器。DMA 定時器結構如圖3 所示。

圖3 DMA定時器結構

根據(jù)圖3 可知，如果系統(tǒng)捕捉到信號，定時器內部的DTCRn 會自動鎖存，并記錄得到的數(shù)值，同時DMA 定時器會自動產(chǎn)生中斷請求和傳輸請求。采集模塊方波生成電路如圖4 所示。

圖4 采集模塊方波生成電路

根據(jù)圖4 可知，系統(tǒng)的微信電壓互感器會向采集模塊傳遞交流信號，信號進入采集模塊后，會經(jīng)過雙向限幅操作和濾波處理，在過零比較器LM393中完成通信輸入，如果信號以正弦的模式輸出，且輸出電壓不超過3.3V，則證明得到的信號為有效信號。

1.3 通信模塊

該文利用CAN 總線設計低頻減載系統(tǒng)通信模塊，外部的CAN 控制器和接口芯片能夠很好地降低系統(tǒng)在開發(fā)過程的難度，通信模塊如圖5 所示。

圖5 通信模塊

根據(jù)圖5 可知，該文使用的通信模塊支持集成規(guī)則，能夠很好地完成CAN2.0 協(xié)議，內部的FlexCAN模塊可以在外圍接口上添加驅動器，通過驅動器使系統(tǒng)的CAN 通信能力更強。通信模塊中的收發(fā)器由飛利浦公司生產(chǎn)，能夠完成差動發(fā)送功能和接收功能，從而減少CPU 對外部環(huán)境的干擾，通過光電隔離措施使接口電路能夠得到更好地隔離，除了光電隔離，還采用了電源隔離能夠很好地與FEC 兼容[14]。

2 軟件設計

將電力負荷特性分為常規(guī)負荷模型和調頻中斷負荷模型，通過負荷特性分析，實現(xiàn)合理分配。電力系統(tǒng)中包括發(fā)電電源、電源母線節(jié)點、復合單元和控制單元，將電源模塊與電源母線節(jié)點連接，母線節(jié)點會通過變壓器與輸電線路的其他節(jié)點連接，完成不同單元的控制[15]。

對數(shù)據(jù)進行匹配，計算控制時間，通過匹配結果實現(xiàn)優(yōu)化控制，從而確保電網(wǎng)能夠在正常的頻率下穩(wěn)定運行。

匹配過程如式（1）所示：

其中，P表示電網(wǎng)在運行過程中的整體負荷；PL表示以常規(guī)狀態(tài)運行的負荷；PF表示運行過程中產(chǎn)生的中斷負荷。

確定電力系統(tǒng)負荷的目標函數(shù)，如式（2）所示：

其中，ΔP表示電力系統(tǒng)在多種模式下得到的負荷總量；Kr表示可調節(jié)中斷負荷節(jié)點；Pi表示負荷量。

在得到目標函數(shù)之后，計算控制代價，計算公式如下所示：

其中，M表示代價模型；B表示在中斷負荷補償差價；S(p,t)表示增長差價；C表示出現(xiàn)不確定問題時產(chǎn)生的補償系數(shù)。

系統(tǒng)軟件在工作過程中，具有實時檢測能力，能夠確定不同節(jié)點的頻率值[16]，并進行實時分析，通過多負荷組合方式，使系統(tǒng)具備最優(yōu)頻率響應性能，從而更好地完成低頻減載控制操作。

3 實驗研究

為了更好地檢測該文設計的考慮負荷特性的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)的有效性，設計對比實驗，監(jiān)測對象為遼寧電網(wǎng)，檢測共有5 輪，前3 輪為基礎檢測，后2 輪為特殊檢測。在第一輪檢測時，動作頻率為50.0 Hz，當完成全部檢測時，動作頻率為48.9 Hz。

在實驗之前，同時分析電網(wǎng)內部不同母線節(jié)點的輸出頻率，在確定節(jié)點的輸出頻率后，利用監(jiān)測模塊提取電網(wǎng)內部的頻率信息，并將提取的頻率信息再次調度，傳輸給監(jiān)控中心，利用實時分析判斷電力系統(tǒng)內部節(jié)點頻率，檢測閾值為49.5 Hz，如果檢測的頻率低于這一閾值，則證明電力系統(tǒng)出現(xiàn)了低頻問題。一旦證明系統(tǒng)存在電平故障，低頻減載系統(tǒng)會自動啟動。提取電力區(qū)域負荷，按照負荷特征將負荷分為常規(guī)負荷和頻率中斷負荷，分析信息匹配，得到代價模型。

該文設定的初始負荷特性共有四種，負荷量分別為3 000 MW、2 500 MW、3 200 MW、2 900 MW。采用該文設計的電力系統(tǒng)低頻減載系統(tǒng)進行優(yōu)化，并對比傳統(tǒng)的基于減載貢獻因子的低頻減載動態(tài)優(yōu)化方法、基于自適應慣性權重混沌粒子群算法的多機系統(tǒng)低頻減載整定算法，實驗結果如表1-3 所示。

表1 減載貢獻因子切負荷實驗結果

表2 自適應慣性權重混沌粒子群算法切負荷實驗結果

表3 該文系統(tǒng)切負荷實驗結果

根據(jù)表1-3 可知，相比于傳統(tǒng)的方法，該文設計的系統(tǒng)優(yōu)化的負荷更少，總體切除的電力負荷更少，少切比例高達8.25%，對于保證系統(tǒng)的靈敏性有很好的意義。原因是該文設計的系統(tǒng)在CPU 上進行了優(yōu)化，能夠更好地得到各種不同的權重系數(shù)。雖然傳統(tǒng)方法和該文系統(tǒng)都考慮了不同級別的重要負荷，但是該文設計的系統(tǒng)增加了更多符合切除對頻率恢復靈敏的考慮，確保在對不同級別負荷進行切除的時候能夠得到更好的頻率恢復曲線。該文設計的系統(tǒng)既能夠確保切除量較少，同時也能夠更好地保證頻率恢復，該文設計的系統(tǒng)具有很強的實用性。

4 結束語

低頻減載在恢復電力系統(tǒng)的靈敏性，確保電力系統(tǒng)正常運行發(fā)揮著關鍵性作用。該文在充分考慮電力系統(tǒng)負荷特性后，設置了低頻減載系統(tǒng)，以模塊的方式設定硬件，在軟件上對各項參數(shù)進行優(yōu)化，建立目標函數(shù)，確定代價模型，實驗結果表明，設計的系統(tǒng)具有很好的實際應用效果，可以在相關工程中發(fā)揮重要作用。