黑龍江省東部電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)二期工程的設(shè)計(jì)

黑龍江省東部電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)二期工程的設(shè)計(jì)

1區(qū)域穩(wěn)定性的提升黑龍江省東部供電是黑龍江省的主要供電區(qū)域，供電需要大量的外部輸送。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障后,東部網(wǎng)內(nèi)的大量過剩功率有可能造成東部網(wǎng)與主網(wǎng)之間振蕩失穩(wěn)。仿真計(jì)算表明,如果能夠及時采取措施減少出力,可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定,從而提高東部網(wǎng)送電的暫態(tài)穩(wěn)定極限。1996年清華大學(xué)電機(jī)系柔性輸配電系統(tǒng)研究所和黑龍江省電力公司合作在黑龍江東部電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)一期工程,提高了東部網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平。2000年黑龍江電網(wǎng)又新增了方正變-哈南變的500kV線路,并在東部網(wǎng)擴(kuò)建了鶴崗發(fā)電廠,滿足系統(tǒng)對穩(wěn)控裝置的要求。大量的穩(wěn)定計(jì)算發(fā)現(xiàn),如果在故障情況下對牡二廠、雙廠和鶴崗廠采取切機(jī)措施,可將東部網(wǎng)外送水平從800~900MW提高至1100~1200MW。因此,清華大學(xué)電機(jī)系與黑龍江電力局于2000年再次合作,進(jìn)行了穩(wěn)控系統(tǒng)二期改造。二期系統(tǒng)新增方正500kV變電所和鶴崗發(fā)電廠兩個子站,并在原有的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了大幅度改進(jìn),使其發(fā)展成新一代區(qū)域穩(wěn)定控制系統(tǒng)。本文將簡要介紹二期系統(tǒng)在穩(wěn)控裝置的硬件規(guī)劃和設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)措施。2新穩(wěn)定控制裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1硬件設(shè)備技術(shù)改造二期工程的控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。圖中,哈東變、西格木變、佳南變、牡二廠和雙鴨山廠等5個子站是原有站點(diǎn),在保持原單機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)不變的情況下,對硬件設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造,以滿足二期工程的技術(shù)要求。鶴崗廠和方正變是新增子站,安裝全新的三機(jī)型控制裝置。各子站之間經(jīng)微波或光纖通道連接,正常運(yùn)行情況下各子站之間傳輸電壓相量信息,故障情況下各子站按箭頭方向傳送切機(jī)控制命令。2.2sdcp通信卡的特點(diǎn)三機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。下位機(jī)A和下位機(jī)B的配置完全相同,二者同時工作、互為熱備,基于STD總線的各模塊的主要功能是模擬量、數(shù)字開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)通過ARCNET局域網(wǎng)上傳給從機(jī),從機(jī)和ARCNET網(wǎng)卡之間通過中斷方式交換數(shù)據(jù)。從機(jī)A和從機(jī)B的配置完全相同并且互為熱備。它們分別與各自的下位機(jī)交換數(shù)據(jù),進(jìn)行表達(dá)式分析和內(nèi)部函數(shù)處理,并將數(shù)據(jù)存入實(shí)時數(shù)據(jù)庫,通過網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。當(dāng)判斷出故障時,進(jìn)行對策表查詢,并將查詢結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)送給主機(jī),由主機(jī)進(jìn)行仲裁和動作出口。主機(jī)是穩(wěn)控系統(tǒng)最重要的部分,它負(fù)責(zé)人機(jī)交互,顯示電力系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)曲線,實(shí)施遠(yuǎn)傳通信,并執(zhí)行切機(jī)命令。用戶可以通過主機(jī)對穩(wěn)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置,并可在線修改對策表內(nèi)容。遠(yuǎn)傳通信由主機(jī)上的智能MDCP通信卡管理,主機(jī)通過通信卡發(fā)送和接收實(shí)時數(shù)據(jù)和緊急切機(jī)命令;實(shí)時數(shù)據(jù)主要是用于系統(tǒng)相量顯示。新設(shè)計(jì)的基于ISA總線的MDCP通信卡可以實(shí)現(xiàn)雙通信通道熱備用,具有可靠性高、配置靈活、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。二期工程中,穩(wěn)控應(yīng)用軟件從MS-DOS平臺移植到了Windows9x平臺,從而使其在人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信等方面的功能獲得極大改進(jìn)。2.3切機(jī)策略判斷相對于傳統(tǒng)的單機(jī)系統(tǒng),三機(jī)系統(tǒng)可以使整個穩(wěn)控裝置的可靠性和靈活性大大提高,具體表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)允許一臺從機(jī)正常運(yùn)行,另一臺從機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試,在不影響裝置正常運(yùn)行的前提下,可以完成包括硬件設(shè)備調(diào)試、模擬量輸入定標(biāo)等工作。(2)穩(wěn)態(tài)條件下,主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊負(fù)責(zé)讀取來自兩個從機(jī)的數(shù)據(jù)包,如果發(fā)現(xiàn)兩臺從機(jī)的數(shù)據(jù)相差較大,主機(jī)發(fā)出報警信息,有助于及時發(fā)現(xiàn)裝置的軟硬件故障,盡早排除。(3)暫態(tài)條件下,處理切機(jī)命令成為主要任務(wù)。兩臺從機(jī)各有一套完全相同的切機(jī)策略判斷機(jī)制,切機(jī)啟動信號由從機(jī)查對策表后發(fā)送,此外從機(jī)還要將ΔP積分(適用于電廠)結(jié)果或保護(hù)動作信號(適用于變電站)作為校驗(yàn)條件上送至主機(jī),由主機(jī)進(jìn)行仲裁,確定是否需要出口切機(jī)以及所切的容量大小,具體的仲裁邏輯如下:1)兩從機(jī)都有切機(jī)啟動信號且校驗(yàn)通過,則出口切機(jī)命令選取較大容量為切除容量(這時認(rèn)為電網(wǎng)短路故障的可能性大,采取切除較大容量的保守方案)。2)一從機(jī)有切機(jī)啟動信號,另一個無啟動信號,則需要對照校驗(yàn)條件進(jìn)行綜合判斷,如果符合故障校驗(yàn)條件,則出口切機(jī),反之認(rèn)為系統(tǒng)出錯,完全閉鎖切機(jī)出口(這時認(rèn)為穩(wěn)控裝置誤動的可能性大)。3)某一從機(jī)工作狀態(tài)異常,則以正常從機(jī)的信號為準(zhǔn)。4)兩從機(jī)工作狀態(tài)都異常,則完全閉鎖切機(jī)出口。可見,三機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備有利于裝置的維護(hù),同時系統(tǒng)出現(xiàn)誤動的可能性較單機(jī)系統(tǒng)小得多,極大地提高了穩(wěn)控裝置運(yùn)行的可靠性。3新型穩(wěn)定控制設(shè)備的硬件改進(jìn)3.1s接口板及上位機(jī)軟件基于工業(yè)STD總線的穩(wěn)控裝置下位機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中A/D變換板和開入板負(fù)責(zé)模擬量和數(shù)字開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集;GPS接口板負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供600Hz的全網(wǎng)同步采樣脈沖和GPS時間信息;總線主控處理器V40采用雙口RAM方式和I/O應(yīng)答方式與各個模塊交換信息,并控制ARCNET網(wǎng)卡,實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)ARCNET網(wǎng)絡(luò)通信。一期系統(tǒng)中下位機(jī)的主要不足表現(xiàn)在開關(guān)量輸出、下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸體系的可靠性及GPS接口板的工作過分依賴單個PPS脈沖精度等。下面簡要介紹二期系統(tǒng)采取的相應(yīng)改進(jìn)措施。3.2電源輸出板保護(hù)電路改進(jìn)穩(wěn)控裝置的開關(guān)量輸出板涉及切除發(fā)電機(jī)的重要動作,對其可靠性要求很高。一期工程中的開關(guān)量輸出板安裝在下位機(jī)的STD總線中,開出指令由上位機(jī)經(jīng)ARCNET網(wǎng)絡(luò)傳給下位機(jī),過多的傳輸環(huán)節(jié)降低了開關(guān)量輸出的可靠性。在穩(wěn)控二期系統(tǒng)中,開關(guān)量輸出板就近安裝在主機(jī)的ISA槽中(見圖2),并根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的要求對開出板進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),改進(jìn)前后的電路圖見圖4。主要改進(jìn)之處如下:(1)采用基于欠壓傳感器件MC34064的電源監(jiān)測保護(hù)電路。當(dāng)開出板兩路電源中的任何一路降至門限值4.6V以下時,立即閉鎖開關(guān)量輸出,確保電源電壓動態(tài)變化時開出板不發(fā)生誤動作。(2)進(jìn)一步完善開出板上寄存器芯片的上電復(fù)位電路。原復(fù)位電路中采用簡單的RCD回路(參見圖4(a)),當(dāng)出現(xiàn)某些極端情況,比如頻繁開關(guān)總線電源時,由于電容放電不夠充分,可能會引起誤動作。在新的開出板中,由MC34064為電容提供獨(dú)立的放電回路(參見圖4(b)),可有效保證電容瞬間放電完畢。(3)實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸出板在線檢測。實(shí)際操作時首先閉鎖開關(guān)量輸出,然后各通道輪流發(fā)送并回讀輸出狀態(tài),由此檢測各通道工作性能。在線檢測功能使得穩(wěn)控裝置可以隨時自行檢測開出板,這種主動發(fā)現(xiàn)問題的方式保證開出板長期工作的可靠性。3.3pps秒脈沖同步GPS接口板的主要功能是:①獲取GPS時間信息,并將其送入計(jì)算機(jī)總線;②將PPS秒脈沖倍頻成為同步、均勻、穩(wěn)定的600Hz全網(wǎng)同步采樣脈沖。其中,600Hz采樣脈沖與標(biāo)準(zhǔn)PPS秒脈沖間的同步精度能否達(dá)到5μs是衡量GPS接口板性能的重要指標(biāo),也是穩(wěn)控裝置應(yīng)用于全網(wǎng)同步監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵。民用GPS接收機(jī)的PPS脈沖的統(tǒng)計(jì)精度是1μs,但是實(shí)驗(yàn)表明,在一些特殊情況下,如GPS接收機(jī)發(fā)生衛(wèi)星失鎖或受到外部的強(qiáng)電磁干擾時,PPS脈沖的偏差會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于統(tǒng)計(jì)值,甚至可能出現(xiàn)偽PPS秒脈沖。因而一期工程中GPS接口板的工作過分依賴單個PPS秒脈沖的精度就成為系統(tǒng)的嚴(yán)重缺陷。二期工程依據(jù)PPS秒脈沖統(tǒng)計(jì)意義下穩(wěn)定性好的特點(diǎn),借助單片機(jī)外部晶振恒溫條件下的高穩(wěn)定性,通過軟件方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化的守時鐘:利用單片機(jī)自帶的定時器記錄PPS秒脈沖到來的時間,并由此計(jì)算采樣脈沖的輸出時刻,此算法不會由于晶振頻率精度不高或晶振的溫漂引入誤差。算法利用連續(xù)若干次PPS秒脈沖間隔對應(yīng)的單片機(jī)定時器的計(jì)數(shù)值來判斷當(dāng)前PPS秒脈沖是否穩(wěn)定可靠,并識別干擾脈沖,一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的PPS秒脈沖精度不高,就采用最近的一個穩(wěn)定可靠的PPS秒脈沖作為同步的標(biāo)準(zhǔn),以此消除個別偏差過大的PPS秒脈沖的影響,保證了采樣脈沖5μs的同步精度。即使發(fā)生PPS持續(xù)數(shù)十秒不穩(wěn)定的特殊情況,此方法仍可以使600Hz采樣脈沖保持較高的同步精度。3.4電纜—A/D變換板的改進(jìn)措施A/D變換板采集的模擬數(shù)據(jù)是系統(tǒng)決策的依據(jù),但是,大量的原始數(shù)據(jù)卻需要經(jīng)過STD總線——下位機(jī)ARCNET網(wǎng)卡——同軸電纜——上位機(jī)網(wǎng)卡才能最終送至上位機(jī)內(nèi)存,為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?必須進(jìn)行有效的差錯校驗(yàn)。一期工程的A/D變換板采用水平奇偶校驗(yàn),這種方案簡單易行,但無法檢測出進(jìn)行異或的相應(yīng)位的偶數(shù)個突發(fā)差錯。二期工程選擇檢錯能力強(qiáng)的循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC),可以檢出全部16位及以下的突發(fā)差錯和99%的長度大于16位的突發(fā)差錯,極大地提高了上下位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?/p>