智能电网技术之控制技术

先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定和采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这些技术将提供对输电、配电和用户侧的控制方法并且可以管理整个电网的有功和无功。从某种程度上说,先进控制技术紧密依靠并服务于其他四个关键技术领域,如先进控制技术监测基本的元件(参数量测技术),提供及时和适当的响应(集成通信技术;先进设备技术)并且对任何事件进行快速的诊断(先进决策技术)。另外,先进控制技术支持市场报价技术以及提高资产的管理水平。
未来先进控制技术的分析和诊断功能将引进预设的专家系统,在专家系统允许的范围内,采取自动的控制行动。这样所执行的行动将在秒一级水平上,这一自愈电网的特性将极大地提高电网的可靠性。当然先进控制技术需要一个集成的高速通信系统以及对应的通信标准,以处理大量的数据。先进控制技术将支持分布式智能代理软件、分析工具以及其它应用软件。
(1)收集数据和监测电网元件
先进控制技术将使用智能传感器、智能电子设备以及其他分析工具测量的系统和用户参数以及电网元件的状态情况,对整个系统的状态进行评估,这些数据都是准实时数据,对掌握电网整体的运行状况具有重要的意义,同时还要利用向量测量单元以及全球卫星定位系统的时间信号,来实现电网早期的预警。
(2)分析数据
准实时数据以及强大的计算机处理能力为软件分析工具提供了快速扩展和进步的能力。状态估计和应急分析将在秒级而不是分钟级水平上完成分析,这给先进控制技术和系统运行人员足够的时间来响应紧急问题;专家系统将数据转化成信息用于快速决策;负荷预测将应用这些准实时数据以及改进的天气预报技术来准确预测负荷;概率风险分析将成为例行工作,确定电网在设备检修期间、系统压力较大期间以及不希望的供电中断时的风险的水平;电网建模和仿真使运行人员认识准确的电网可能的场景。
(3)诊断和解决问题
由高速计算机处理的准实时数据使得专家诊断来确定现有的、正在发展的和潜在的问题的解决方案,并提交给系统运行人员进行判断。
(4)执行自动控制的行动
智能电网通过实时通信系统和高级分析技术的结合使得执行问题检测和响应的自动控制行动成为可能,它还可以降低已经存在问题的扩展,防止紧急问题的发生,修改系统设置、状态和潮流以防止预测问题的发生。
(5)为运行人员提供信息和选择
先进控制技术不仅给控制装置提供动作信号,而且也为运行人员提供信息。控制系统收集的大量数据不仅对自身有用,而且对系统运行人员也有很大的应用价值,而且这些数据辅助运行人员进行决策。
参数量测技术是智能电网基本的组成部件,先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息,以供智能电网的各个方面使用。它们评估电网设备的健康状况和电网的完整性,进行表计的读取、消除电费估计以及防止窃电、缓减电网阻塞以及与用户的沟通。
未来的智能电网将取消所有的电磁表计及其读取系统,取而代之的是可以使电力公司与用户进行双向通信的智能固态表计。基于微处理器的智能表计将有更多的功能,除了可以计量每天不同时段电力的使用和电费外,还有储存电力公司下达的高峰电力价格信号及电费费率,并通知用户实施什么样的费率政策。更高级的功能有用户自行根据费率政策,编制时间表,自动控制用户内部电力使用的策略。
对于电力公司来说,参数量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持,包括功率因数、电能质量、相位关系(WAMS)、设备健康状况和能力、表计的损坏、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认、电能消费和预测等数据。新的软件系统将收集、储存、分析和处理这些数据,为电力公司的其他业务所用。
未来的数字保护将嵌入计算机代理程序,极大地提高可靠性。计算机代理程序是一个自治和交互的自适应的软件模块。广域监测系统、保护和控制方案将集成数字保护、先进的通信技术以及计算机代理程序。在这样一个集成的分布式的保护系统中,保护元件能够自适应地相互通信,这样的灵活性和自适应能力将极大地提高可靠性,因为即使部分系统出现了故障,其他的带有计算机代理程序的保护元件仍然能够保护系统。
建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础,没有这样的通信系统,任何智能电网的特征都无法实现,因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统的支持,因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统要和电网一样深入到千家万户,这样就形成了两张紧密联系的网络—电网和通信网络,只有这样才能实现智能电网的目标和主要特征。下图显示了电网和通信网络的关系。高速、双向、实时、集成的通信系统使智能电网成为一个动态的、实时信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后,它可以提高电网的供电可靠性和资产的利用率,繁荣电力市场,抵御电网受到的攻击,从而提高电网价值。
高速双向通信系统的建成,智能电网通过连续不断地自我监测和校正,应用先进的信息技术,实现其最重要的特征—自愈特征。它还可以监测各种扰动,进行补偿,重新分配潮流,避免事故的扩大。高速双向通信系统使得各种不同的智能电子设备(IEDs)、智能表计、控制中心、电力电子控制器、保护系统以及用户进行网络化的通信,提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平。传感器在这一技术领域主要有两个方面的技术需要重点关注,其一就是开放的通信架构,它形成一个“即插即用”的环境,使电网元件之间能够进行网络化的通信;其二是统一的技术标准,它能使所有的传感器、智能电子设备(IEDs)以及应用系统之间实现无缝的通信,也就是信息在所有这些设备和系统之间能够得到完全的理解,实现设备和设备之间、设备和系统之间、系统和系统之间的互操作功能。这就需要电力公司、设备制造企业以及标准制定机构进行通力的合作,才能实现通信系统的互联互通。
引言
电能质量是衡量电网质量的标准,电能质量问题包含电压凹陷(sag)、电压隆起(swell)、尖峰脉冲(spikes)、谐波畸变(harmonic aberration)和电气噪声(electric yawp)等,其中对电能质量影响最大的就是谐波畸变。因此,本系统的设计就是以对谐波畸变分析为主要目的。这方面的研究比较多,而且也开发出了相应的设备。以往的配电网监测设备多以51、96系列单片机为处理器,在精度和速度方面都不能满足电力系统的要求,还有就是用TI公司的DSP作为处理器,并配合ADC来完成系统设计。
ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等电力测量专用芯片,并成功地将它们应用到电网当中。最近,ADI公司又推出了高性能的强强组合,即DSP+ADC的电力测量方案。此监控系统就是采用这一组合实现的。

图2 软件框图
ADC简介
AD73360是ADI公司推出的一款专门应用于电能质量监测的IC,与一般ADC相比,AD73360有如下优势:6路独立的A/D转换通道,不仅互不干扰,而且严格保证采样同步;高精度,6个16位转换精度转换通道非常适合电能质量监测的需要。采样速率可在8KHz、16KHz、 32KHz范围内编程设置,适应范围广。AD73360为适应不同的场合提供了直流/交流、单端/差动4种不同的输入方式;采用串行接口,与DSP芯片的连接非常简单。
无论从精度、速度、采样路数或者同步采样的实现来考虑,在电力监测系统中使用AD73360都是比较理想的选择。
DSP简介
系统采用的DSP处理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定点DSP。ADSP2191M处理器具有的资源概括如下:可访问的存储空间大小为16M words,分为256页,每页的大小为64K words,其中第0页是内部RAM,第255页是内部ROM,其它空间被分为4个部分,并由ms0~ms3进行选择。有256页I/O存储区间,每页的大小为1K words,其中前8页为内部I/O存储区间,其它为外部I/O存储区间。处理器有一个主机接口、3个同步串行接口、两个SPI接口、16个可编程标志引脚、1个异步串行接口和3个32位定时器。
与AD73360连接必须采用串行总线方式,ADSP2191M就有3个这样的同步串口。
硬件电路设计
整个系统的硬件设计以ADSP2191M和AD73360为核心,再配以周边电路完成。硬件设计的框图如图1所示。
由图1可以看出,系统的硬件设计非常简单,而且没有最麻烦的同步保持电路和系统存储空间的扩展。这是因为AD73360能够实现多通道的同步转换,免除了同步保持电路的设计、ADSP2191M内部具有64K RAM,能够满足系统设计的要求。在系统硬件设计中,传感器用来将配电网参数的电能信号转化为ADC的输入信号,然后送到AD73360进行同步采样,转换后的采样数据通过同步串口传入DSP处理器,进行数据处理、谐波分析和其它操作。最后,处理器将分析结果送到LCD进行显示,并通过串口送到PC进行相应的处理。Flash用来存放系统代码。
整个系统设计中,Flash和LCD为基本的系统扩展,异步串口为基本的开发,这里只介绍一下DSP处理器与ADC的连接。它们必须通过串行接口,其中ADSP2191M为6线串行方式,而AD73360为5线的串行方式,它们的区别在于前者的串行时钟分为串口发送时钟和串口接收时钟,是彼此独立的,而后者合二为一。比较时序图会发现,二者时序基本相同,但要控制AD73360,处理器还必须能够满足下面的要求:串口工作方式可设置为外部时钟模式,串口字长可达到16bit,发送和接收的每个字都有同步帧信号,对处理器而言,接收同步帧信号为输入信号,发送同步帧信号为输入信号,帧同步信号产生在串口字高位出现的前一个时钟周期,帧同步信号为高有效。
系统软件设计
系统的软件设计比较复杂,分为A/D采样控制、LCD控制、串口传输、数据处理和谐波分析算法等几个部分。整个软件框图如图2所示。
其中,谐波分析算法代码量最大,也最重要,系统对配电网电能质量的分析就由它来完成;Flash驱动代码用于对Stm29w040进行驱动,它不在系统监测中使用,而是用来实现程序代码的下载。在系统开发代码的语言选择上,采用DSP汇编语言和C语言相结合的方式,以C语言为主,汇编语言为辅。
219x_int_tab.asm文件的处理:在介绍整个系统流程之前,先介绍一下219x_int_tab.asm文件。当软件主函数存在于C文件的时候,219x_int_tab.asm 文件被系统默认为项目的一部分,并对项目进行中断向量初始化。当中断发生后,程序指针跳转到该文件的相应位置,通过 ___lib_int_determiner函数来寻找中断服务程序的入口,一旦找不到服务程序入口,就会造成程序死锁,无法正常运行,而采用C语言实现中断函数比较复杂。为了提高系统开发速度,减少系统程序代码,系统开发时要先对219x_int_tab.asm中的中断向量表进行修改,将中断服务程序入口直接给中断向量表就可以完成该函数的功能。系统软件的开发工具为ViusalDSP++3.0。
在软件设计中,最重要的是谐波分析算法的设计。因为它是软件设计的核心,不仅代码量比较大,而且也是系统测量精度的决定性因素之一。本方案采用成熟的FFT(快速傅立叶算法)作为系统的谐波分析算法,同时,为了抑制FFT算法自身的栅栏效应和频谱泄露问题,加入了汉宁窗和插值算法。由于代码量较大,这里就不给出源代码了。
在系统的软件设计中,用到了两个中断:同步串口发送中断和同步串口接收中断。前者用来实现对AD73360的配置,后者用来实现从AD73360读取转换后的采样数据。它们的代码也不在此详述了。
除此之外,系统还开发了异步串口、可编程标志引脚和LCD控制等待,使整个系统更加智能化、人性化。这里就不一一介绍了。
系统分析与软件分析的比较
系统开发完毕后,为了对系统分析的结果进行检测,使用与软件分析进行比较的方法。将时域原始数据导入 Matlab软件,通过该软件内的FFT算法对数据进行分析,可以得到一组相应的时域波形、幅值谱和相位谱图形。将这些图形与系统硬件分析在DSP系统中所得到的对应图型进行比较,就可以看出本设计的硬件系统分析与理论分析的差异。图3就是这些图形的对比情况。
DSP硬件系统与Matlab软件所分析的原始数据是相同的,但是它们所采用的分析方法是不同的:一个是系统开发的算法、一个是软件自带的工具,所以,可以通过对比来审核开发系统算法的可靠性。可以看出,在对比图中,开发系统得到的时域信号的波形和幅值、相位谱与Matlab软件的分析结果具有相当的一致性。限于篇幅,最终的分析数据不再详述了。
为了比较系统的可信度,可采用多次分析的方法,分析比较数据可以看出,虽然采用不同的分析系统,但是二者结果误差很小,基本相同,这就说明系统的硬件监测结果有相当的可靠性。
结语
以AD73360和ADSP2191M处理器为系统硬件核心,系统具有如下特点:
•系统硬件设计简洁,不仅容易实现而且成本较低。
•系统没有外部扩展SRAM,对硬件要求比较低。
•使用DSP处理器未用接口资源,系统软件方便升级。
•系统的软件设计采用汇编和C语言相结合的方法和加窗插值FFT算法,可以提高代码的开发速度和系统整体的测量精度。由比较结果来看,该方案符合电力系统的要求,可靠性高,而且至少可以满足每周期160点的实时采样
(1)智能电网是自愈电网
"自愈"指的是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来,并且在很少或不用人为干预的情况下,可以使系统迅速恢复到正常运行状态,从而几乎不中断对用户的供电服务。从本质上讲,自愈就是智能电网的免疫系统。这是智能电网最重要的特征。
自愈电网进行连续不断地在线自我评估,以预测电网可能出现的问题,发现已经存在的或正在发展的问题,并立即采取措施加以控制或纠正。
自愈电网确保了电网的可靠性、安全性、电能质量和效率。
自愈电网将尽量减少供电服务中断,充分应用数据获取技术,执行决策支持算法,避免或限制电力供应的中断,迅速恢复供电服务。
基于实时测量的概率风险评估将确定最有可能失败的设备、发电厂和线路;实时应急分析将确定电网整体的健康水平,触发可能导致电网故障发展的早期预警,确定是否需要立即进行检查或采取相应的措施;和本地和远程设备的通信将帮助分析故障、电压降低、电能质量差、过载和其他不希望的系统状态,并于这些分析,采取适当的控制行动。
自愈电网经常应用连接多个电源的网络设计方式。
当出现故障或发生其他问题时,在电网设备中先进的传感器确定故障并和附近的设备进行通信,以切除故障元件或将用户迅速地切换到另外可靠的电源上,同时传感器还有检测故障前兆的能力,在故障实际发生前,将设备状况告知系统,系统就会及时地提出预警信息。
(2)智能电网激励和包容用户
在智能电网中,用户将是电力系统不可分割的一部分。鼓励和促进用户参与电力系统的运行和管理是智能电网的另一重要特征。
从智能电网的角度来看,用户的需求完全是另一种可管理的资源,它将有助于平衡供求关系,确保系统的可靠性;从用户的角度来看,电力消费是一种经济的选择,通过参与电网的运行和管理,修正其使用和购买电力的方式,从而获得实实在在的好处。
在智能电网中,用户将根据其电力需求和系统满足其需求的能力,来调整、平衡其消费。
同时将满足用户在能源购买中有更多选择的基本需求,减少或转移高峰电力需求的能力,通过降低线损和减少效率低下的调峰电厂的运营,使电力公司尽量减少资本开支和运营开支,同时也提供了大量的环境效益。
在智能电网中,与用户建立双向实时的通信系统是实现鼓励和促进用户积极参与电力系统运行和管理的基础。实时通知用户其电力消费的成本、实时电价、电网目前的状况、计划停电信息,同时用户也可以根据这些信息制自己的电力使用的方案。
(3)智能电网具有抵御攻击的能力
电网安全性的全系统解决方案,拟在增强电网的抗攻击能力。电网经常受到物理攻击和网络攻击,该方案要求电网能够从供电中断故障中快速恢复供电。智能电网将展示被攻击后快速恢复的能力,甚至是对那些决心坚定和装备精良的攻击者发起反击。
电网安全性的全系统解决方案使智能电网的设计和运行具有阻止攻击的能力,最大限度地降低损失和快速恢复供电服务。智能电网也能同时承受对电力系统几个部分的攻击和在一段时间内多重协调的攻击。
智能电网的安全策略包含威慑、预防、检测、反应,以尽量减少和减轻对电网的影响。面对重大威胁信息,不管是物理攻击还是网络攻击,智能电网都能通过加强电力企业与政府之间的密切沟通,在电网规划中强调安全风险,加强网络安全,提高智能电网抵御风险的能力。
(4)智能电网提供满足21世纪用户需求的电能质量
电能质量指标包括电压偏移、频率偏移、三相不平衡、谐波、闪变、电压骤降和突升等。
用电设备的数字化对电能质量越来越敏感,电能质量问题可以导致生产线的停产,对社会经济发展造成重大的损失;因此,提供能满足21世纪用户需求的电能质量,是智能电网的又一重要特征。
但是电能质量问题又不是电力公司一家的问题,因此需要制定新的电能质量标准,对电能质量进行分级,因为并非所有的商业企业用户和居民用户都需要相同的电能质量。
电能质量可以从"标准"到"优质"进行分级,这取决于消费者的需求。它将在一个合理的价格水平上平衡负载的敏感度与供电的电能质量。
智能电网将以不同的价格水平提供不同等级的电能质量,以满足用户对不同电能质量水平的需求,同时要将优质优价写入电力服务的合同中。
智能电网将减轻来自输电和配电系统中的电能质量事件。通过先进的监控电网基本元件,快速诊断并准确地提出解决任何电能质量事件的方案。
此外,智能电网的设计还要考虑减少由于闪电、开关涌流、线路故障和谐波源引起的电能质量的扰动,同时应用超导材料、储能以及改善电能质量的电力电子技术的最新研究成果来解决电能质量的问题。
另外,智能电网将采取技术和管理手段,使电网免受由用户的电子负载所造成的电能质量的影响,将通过监测和执行相关的标准,限制用户负荷产生的谐波电流注入电网。除此之外,智能电网将采用适当的滤波器,以防止谐波污染送入电网,恶化电网的电能质量。
(5)智能电网容许各种不同类型发电和储能系统接入
智能电网将安全、无缝地容许各种不同类型的发电和储能系统接入系统,简化联网的过程,类似于"即插即用",这一特征对电网提出了严峻的挑战。改进的互联标准将使各种各样的发电和储能系统容易接入。
各种不同容量的发电和储能在所有的电压等级上都可以互联,包括分布式电源如光伏发电、风电、先进的电池系统、即插式混合动力汽车和燃料电池。
商业用户安装自己的发电设备(包括高效热电联产装置)和电力储能设施将变得更加容易和更加有利可图。在智能电网中,大型集中式发电厂(包括环境友好型电源,如风电、大型太阳能电厂和先进的核电厂)将继续发挥重要的作用。
加强输电系统的建设,使这些大型电厂仍然能够远距离输送电力。同时各种各样的分布式电源的接入一方面减少对外来能源的依赖,另一方面提高供电可靠性和电能质量,特别是对应对战争和恐怖袭击具有重要的意义。
(6)智能电网会促使电力市场蓬勃发展
在智能电网中,先进的设备和广泛的通信系统在每个时间段内支持市场的运作,并为市场参与者提供了充分的数据,因此电力市场的基础设施及其技术支持系统是电力市场蓬勃发展的关键因素。
智能电网通过市场上供给和需求的互动,可以最有效地管理如能源、容量、容量变化率、潮流阻塞等参量,降低潮流阻塞,扩大市场,汇集更多的买家和卖家。
用户通过实时报价来感受到价格的增长从而将降低电力需求,推动成本更低的解决方案以及新技术的开发,新型洁净的能源产品也将给市场提供更多选择的机会。
(7)智能电网使运行更加高效
智能电网优化调整其电网资产的管理和运行,以实现用最低的成本提供所期望的功能。这并不意味着资产将被连续不断地用到极限,而是有效地管理需要什么资产以及何时需要,每个资产将和所有其他资产进行很好的整合,以最大限度地发挥其功能,同时降低成本。
智能电网将应用最新技术以优化其资产的应用。例如,通过动态评估技术使资产发挥其最佳的能力,通过连续不断地监测和评价其能力,使资产能够在更大的负荷下使用。
(8)智能电网高速通信在线监测
智能电网通过高速通信网络实现对运行设备的在线状态监测,以获取设备的运行状态,在最恰当的时间给出需要维修设备的信号,实现设备的状态检修,同时使设备运行在最佳状态。系统的控制装置可以被调整到降低损耗和消除阻塞的状态。通过对系统控制装置的调整,选择最小成本的能源输送系统,可以提高运行的效率。最佳的容量、最佳的状态和最佳的运行将大大降低电网运行的费用。
此外,先进的信息技术将提供大量的数据和资料,并将集成到现有的企业范围的系统中,大大加强其能力,以优化运行和维修过程。这些信息将为设计人员提供更好的工具,创造出最佳的设计,为规划人员提供所需的数据,从而提高其电网规划的能力和水平。


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