物理學(xué)科研究論文
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【摘 要】
嵌入式系統、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的快速發(fā)展使構建未來(lái)智能電網(wǎng)成為了可能，基于信息物理系統(CPS)技術(shù)構建電力信息物理融合系統(CPPS)為實(shí)現未來(lái)智能電網(wǎng)提供了新的思路。本文對CPPS平臺進(jìn)行了初步研究分析，介紹了應用于CPPS中的同步PMU技術(shù)、開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )、分布式控制。
【關(guān)鍵詞】
CPPS;同步PMU;開(kāi)放式通信;分布式控制
引言
受能源危機、環(huán)保壓力的推動(dòng)，以及用戶(hù)對電能質(zhì)量(QoS)要求的不斷提高，當代電力系統不再符合社會(huì )的發(fā)展需求，智能電網(wǎng)(Smart Grid)成為未來(lái)電力系統的發(fā)展方向。智能電網(wǎng)的發(fā)展原因主要有以下幾個(gè)方面：
1)分布式電源(Distributed Generation，DG)大量接入電網(wǎng)導致的系統穩定性問(wèn)題。由于DG的大量接入使電網(wǎng)變成一個(gè)故障電流和運行功率雙向流動(dòng)的有源網(wǎng)絡(luò )，增加了系統的復雜度和脆弱度，因此亟需發(fā)展智能電網(wǎng)以解決DG大量接入電網(wǎng)導致的系統穩定性問(wèn)題。
2)電力用戶(hù)對電能質(zhì)量(QoS)要求的不斷提高�，F代社會(huì )短時(shí)間的停電也會(huì )給高科技產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨額的經(jīng)濟損失，近年來(lái)發(fā)生的大停電事故更是給社會(huì )帶來(lái)了難以估量的經(jīng)濟損失。因此，亟需建立堅強自愈的智能電網(wǎng)以提供優(yōu)質(zhì)的電力服務(wù)。
論文主體結構如下：第1部分介紹了近年來(lái)信息物理系統(Cyber Physical System ，CPS)技術(shù)的發(fā)展以及CPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系;第2部分介紹了電力信息物理融合系統(Cyber-Physical Power System，CPPS)的硬件平臺模型;第3部分介紹了同步相量測量裝置(Phasor Measurement Units，PMU)技術(shù);第4部分對CPPS中的開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了初步分析;第5部分對CPPS的分布式控制技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹;最后第6部分做出全文總結。
1 CPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系
CPS技術(shù)的發(fā)展得益于近年來(lái)嵌入式系統技術(shù)、計算機技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)等的高速發(fā)展，其最終目標是實(shí)現對物理世界隨時(shí)隨地的控制。CPS通過(guò)嵌入數量巨大、種類(lèi)繁多的無(wú)線(xiàn)傳感器而實(shí)現對物理世界的環(huán)境感知，通過(guò)高性能、開(kāi)放式的通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現系統內部安全、及時(shí)、可靠地通信，通過(guò)高精度、可靠的數據處理系統實(shí)現自主協(xié)調、遠程精確控制的目標[1]。
CPS技術(shù)已經(jīng)在倉儲物流、自主導航汽車(chē)、無(wú)人飛機、智能交通管理、智能樓宇以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域得以初步研究應用[2]。
將CPS技術(shù)引入到智能電網(wǎng)中，可以得到電力信息物理融合系統(Cyber-Physical Power System，CPPS)的概念。為了分析CPPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系，首先簡(jiǎn)單回顧一下智能電網(wǎng)的概念。目前關(guān)于智能電網(wǎng)的概念較多，并且未達成一致結論。IBM中國公司高級電力專(zhuān)家Martin Hauske認為智能電網(wǎng)有3個(gè)層面的含義：首先利用傳感器對發(fā)電、輸電、配電、供電等環(huán)節的`關(guān)鍵設備的運行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控;然后把獲得的數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )系統進(jìn)行傳輸、收集、整合;最后通過(guò)對實(shí)時(shí)數據的分析、挖掘，達到對整個(gè)電力系統運行進(jìn)行優(yōu)化管理的目的[3-4]。
從上文關(guān)于CPS和智能電網(wǎng)的介紹中可以看出，CPS與智能電網(wǎng)在概念上有相通之處，它們均強調利用前沿通信技術(shù)和高端控制技術(shù)增強對系統的環(huán)境感知和控制能力。因此，在CPS基礎上建立的CPPS為促進(jìn)電力一次系統與電力信息系統的深度融合，最終實(shí)現構建完整的智能電網(wǎng)提供了新的思路和實(shí)現途徑。
2 CPPS的硬件平臺架構
基于分布式能源廣泛接入電網(wǎng)所引起的系統穩定性問(wèn)題以及建立堅強自愈智能電網(wǎng)的總體目標，建立安全、穩定、可靠的智能電網(wǎng)成為未來(lái)電力系統研究的重要方向，同時(shí)也是CPPS研究的主要內容。
傳統的電力系統監測手段主要有基于電力系統穩態(tài)監測的SCADA/EMS系統和側重于電磁暫態(tài)過(guò)程監測的各種故障錄波儀，保護控制方式主要有基于SCADA主站的集中控制方式和基于保護控制裝置安裝處的就地控制方式[5]。就地控制方式易于實(shí)現，并且響應速度快，但是由于利用的信息有限，控制性能不夠完善，不能預測和解決系統未知故障，對于電力系統多重反應故障更不能準確動(dòng)作。集中控制方式利用系統全局信息，能夠優(yōu)化系統控制性能，但是計算數據龐大、通信環(huán)節多，系統響應速度慢，并且現有SCADA系統主要對電力系統進(jìn)行穩態(tài)分析，不能對電力系統的動(dòng)態(tài)運行進(jìn)行有效地控制。
針對目前電力系統監測、控制手段的不足，要建立堅強自愈的未來(lái)智能電網(wǎng)，必須建立相應的廣域保護的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監控系統，CPPS的硬件平臺就是在此基礎上建立起來(lái)的。
CPPS的硬件平臺6層體系架構如圖1所示，主要包括：物理層(電力一次設備)、傳感驅動(dòng)層(同步PMU)、分布式控制層(智能終端單元STU、智能電子裝置IED等)、過(guò)程控制層(控制子站PLC)、高級優(yōu)化控制層(SCADA主站控制中心)和信息層(開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò ))。
其中，底層的物理層是指電力系統的一次設備，如發(fā)電廠(chǎng)、輸配電網(wǎng)等。傳感驅動(dòng)層主要用于對電力系統的動(dòng)態(tài)運行參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，測量參數包括電流、電壓、相角等，在CPPS中廣泛使用的測量裝置是同步PMU。分布式控制層主要包括各STU/IED，為廣域保護的分布式就地控制提供反饋控制回路。過(guò)程控制層主要指樞紐發(fā)電廠(chǎng)和變電站的控制子站，是CPPS的重要組成部分，通過(guò)收集多個(gè)測量節點(diǎn)的數據信息，建立系統層面的控制回路，并做出相應的控制決策。高級優(yōu)化控制層是指調度中心控制主站，主要為電力系統的動(dòng)態(tài)運行提供人工輔助優(yōu)化控制。頂層的信息層即智能電網(wǎng)的開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )，注意信息層并不是單獨的一層，而是重疊搭接CPPS的各個(gè)分層，為CPPS內部各組件提供安全、及時(shí)、可靠的通信。
上文給出了CPPS的硬件平臺模型，但要在電力系統中具體實(shí)現CPPS，涉及諸多方面的技術(shù)難題，下面對CPPS中的同步PMU、開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )以及分布式控制等分別加以簡(jiǎn)單介紹。
3 同步PMU測量技術(shù)
同步PMU是構建CPPS的基礎，它為CPPS中廣域保護的動(dòng)態(tài)監測提供了豐富的測量數據。同步PMU裝置主要對電力系統內部的同步相量進(jìn)行測量和輸出，裝設點(diǎn)包括大型發(fā)電廠(chǎng)、聯(lián)絡(luò )線(xiàn)落點(diǎn)、重要負荷連接點(diǎn)以及HVDC、SVC等控制系統，測量數據包括線(xiàn)路的三相電壓、三相電流、開(kāi)關(guān)量以及發(fā)電機端的三相電壓、三相電流、開(kāi)關(guān)量、勵磁電流、勵磁電壓、勵磁信號、氣門(mén)開(kāi)度信號、AGC、AVC、PSS等控制信號[6]。利用測得的數據可以進(jìn)行系統的穩定裕度分析，為電力系統的動(dòng)態(tài)控制提供依據。
同步PMU的硬件結構框圖如圖2所示。
其中，GPS接收模塊將精度在±1微秒之內的秒脈沖對時(shí)脈沖與標準時(shí)間信號送入A/D轉換器和CPU單元，作為數據采集和向量計算的標準時(shí)間源。由電壓、電流互感器測得的三相電流、電壓經(jīng)過(guò)濾波整形和A/D轉換后，送到CPU單元進(jìn)行離散傅里葉計算，求出同步相量后再進(jìn)行輸出。注意，發(fā)電機PMU除了測量機端電壓、電流和勵磁電壓、電流以外，還需接入鍵相脈沖信號用以測量發(fā)電機功角[7]。
4 CPPS的開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )
建立CPPS的開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )，應該在保證安全、及時(shí)、可靠的通信的基礎上，使系統具有高度的開(kāi)放性，支持自動(dòng)化設備與應用軟件的即插即用，支持分布式控制與集中控制的結合。對于建立的開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )，需要進(jìn)行通信實(shí)時(shí)性分析、網(wǎng)絡(luò )安全性和可靠性分析。
4.1 IEC 61850標準的應用
IEC 61850標準作為新一代的網(wǎng)絡(luò )通信標準而運用于智能變電站中，支持設備的即插即用和互操作，使智能變電站具有高度的開(kāi)放性。IEC 61850標準是智能變電站的網(wǎng)絡(luò )通信標準，同時(shí)正在進(jìn)一步發(fā)展成為智能電網(wǎng)的通信標準[8]，因此，使用IEC 61850作為CPPS通信網(wǎng)路的通信標準是最佳選擇。
IEC 61850的核心技術(shù)[9]包括面向對象建模技術(shù)、XML(可擴展標記語(yǔ)言)技術(shù)、軟件復用技術(shù)、嵌入式操作系統技術(shù)以及高速以太網(wǎng)技術(shù)等。
4.2 通信網(wǎng)絡(luò )配置與分析
對于CPPS開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )配置，可參考智能變電站的三層二網(wǎng)式網(wǎng)絡(luò )結構配置，構建CPPS的3層式通信網(wǎng)絡(luò )，如圖3所示。
其中，底層為位于發(fā)電廠(chǎng)、變電站和重要負荷處的大量PMU、STU/IED，分別負責采集實(shí)時(shí)信息和執行保護控制功能。中間層為控制子站(過(guò)程控制單元PLC)，每個(gè)控制子站與多個(gè)PMU、STU/IED相連，以完成該分區系統層面的保護控制，并根據需要將數據上傳到SCADA主站控制中心。SCADA主站控制中心接收各控制子站的上傳數據，處理以后將控制信息下發(fā)到各控制子站，以實(shí)現CPPS的廣域保護控制功能。注意，各層設備均嵌入GPS實(shí)現精確對時(shí)，保證全系統的同步數據采樣。
5 CPPS的分布式控制機理
要建立堅強自愈的智能電網(wǎng)，必須利用新型控制機理建立可靠的電力控制系統。根據電力故障擴大的路徑和范圍以及故障的時(shí)間演變過(guò)程，文獻中提出建立時(shí)空協(xié)調的大停電防御框架，建立了電力系統的3道防線(xiàn)，為實(shí)現智能電網(wǎng)的廣域動(dòng)態(tài)保護控制奠定了良好的基礎。
電力系統的分布式控制(Distributed Control，DC)是相對于傳統的SCADA主站集中控制方式而言的，指的是多機系統，即用多臺計算機(指嵌入式系統，包括PLC控制子站和STU/IED等)分別控制不同的設備和對象(如發(fā)電機、負荷、保護裝置等)，各自構成獨立的子系統，各子系統之間通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，通過(guò)對任務(wù)的相互協(xié)調和分配而完成系統的整體控制目標[12]。分布式控制的核心特征就是“分散控制，集中管理”。在電力系統的3道防線(xiàn)的基礎上，結合分布式控制技術(shù)，建立CPPS的3層控制架構，如圖4所示。
其中，分布式控制層主要是在故障發(fā)生的起始階段(緩慢開(kāi)斷階段)采取的控制措施，其控制目標應該是保證系統在不嚴重故障下的穩定性，防止故障的蔓延。過(guò)程控制層是在系統已經(jīng)發(fā)生嚴重故障時(shí)(級聯(lián)崩潰開(kāi)始階段)所采取的廣域緊急控制措施，需要付出較大的代價(jià)。通常針對可能會(huì )使系統失穩的特定故障，往往需要投切非故障設備以保證系統的穩定性。廣域的緊急控制措施應該在故障被識別出的第一時(shí)間立即實(shí)施，控制措施實(shí)施越晚，控制效果越差。優(yōu)化控制層是在前兩層控制均拒動(dòng)或欠控制而沒(méi)有取得控制效果，同時(shí)在檢測到各種不穩定現象后所采取的控制措施，通常需要進(jìn)行多輪次的切負荷和振蕩解列。在電力恢復階段，要有自適應的黑啟動(dòng)和自痊愈的控制方案。
6 結語(yǔ)
將CPS方法引入到電力系統中，建立CPPS的模型平臺，為建立堅強自愈的智能電網(wǎng)提供新的思路。文中對CPPS中的同步PMU測量技術(shù)、開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、分布式控制技術(shù)分別進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。
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