适应智能电网的SSP510频率电压紧急控制装置的研制

司庆华，徐海波，李祝昆，颜云松

(1. 国电南瑞科技股份有限公司，南京　211106；2. 南京南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，南京　211106)

适应智能电网的SSP510频率电压紧急控制装置的研制

司庆华1,2，徐海波1,2，李祝昆1,2，颜云松1,2

(1. 国电南瑞科技股份有限公司，南京211106；2. 南京南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，南京211106)

摘要：随着特高压电网和智能电网的建设，我国电网的结构和规模发生重大变化，对频率电压紧急控制装置提出了新的需求。介绍了装置的硬件架构和特点，阐述了装置的智能化插件管理方法、基于重采样的DFT前端修正算法、智能变电站下精确切负荷方法以及基于C/S模式实现标准化人机界面显示和交互方法，最后介绍了装置的工程应用情况。

关键词：频率电压紧急控制；智能电网；DFT前端修正算法；精确切负荷；C/S模式

频率电压紧急控制装置作为电力系统安全稳定运行的最后一道防线，保证了电力系统承受大扰动时的安全要求，防止事故扩大，避免系统崩溃[1]。频率电压紧急控制装置实时采集就地的频率、电压，计算电压、频率变化率等电气量，当系统频率或电压下降时及时切除足够数量的较次要的用户负荷，同时向重要用户不间断供电，以保证系统的安全稳定运行，防止电力系统事故扩大[2]。

随着电力系统的不断发展，特高压电网和智能电网建设给频率电压紧急控制提出了新的要求，已有的频率电压紧急控制装置已不能完全适应用户的需要，主要存在4个方面问题：①传统频率电压紧急控制装置不能满足智能变电站的要求，适应性差；②在电网频率偏离额定频率较大时电压计算误差较大，造成电压紧急控制功能不可用或装置误动[3-5]；③采用开环控制方法，不能实时掌握负荷的运行状态，不能实现精确控制[6]；④人机界面定制开发、周期长，界面不美观、操作繁琐，体验性差[7]。随着智能电网的发展，系统规模越来越大，运行方式和动态特性也越来越复杂，因此研制一个高可靠性，安全性，并具有一定前瞻性的频率电压紧急控制装置就非常有必要。

1硬件架构

频率电压紧急控制装置具有数据采集量大、采集精度高、计算密集、控制量多等特点，因此装置硬件采用模块化设计，包括决策判断模件、采样计算模件、开入模件、出口模件、通信模件、人机接口模件等。模件之间采用了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速同步串行通信技术，速率可达32 Mbit/s。模件之间通过机箱的背板总线(LVDS、RS485、CAN)以及光纤相连。装置系统结构图如图1所示。

图1　SSP510系统结构图

决策判断模件是装置神经中枢，收集所有的采样计算模件和开入模件的信息，综合分析，作出最终的判断，将决策结果下发到出口模件或通信模件。采样计算模件分为传统的模拟量采样计算模件和支持IEC 61850的SV数字采样计算模件，完成电压、频率等数据的采集、计算、故障判断。开入模件分为传统的开入模件和GOOSE订阅模件，用于强弱电开入量的采集，采集的信息包括压板投退信号、操作箱的位置信号、保护跳闸信号等。出口模件分为传统的出口模件和GOOSE发布模件，收到决策判断模件发出的控制信息后，硬接点方式跳闸出口或者将跳闸命令以GOOSE方式发送到GOOSE网上。通信模件负责与异地的安全自动装置通信，获取异地电网运行情况，实现远方切机切负荷。人机接口模件提供人机接口以及负责与后台管理系统的通信。

采用这种结构设计，为模件的智能化管理提供了硬件基础；并且可以灵活配置模件种类和数量，以满足不同工程的需求。

2装置特点

装置具有低频低压、过频过压保护的功能，能在频率、电压异常情况下，判断低频低压或高频高压事故，快速采取就地低频低压减载或高频高压切机的控制措施。低频、低压分别设有5 个独立的基本轮、3 个独立的特殊轮、2个加速轮。当系统频率下降较快时，装置具有根据df/dt加速切负荷的功能，在切第一轮时可加速切第二轮或二、三两轮，尽早制止频率的下降。当电力系统电压下降太快时，可根据du/dt加速切负荷，尽早制止系统电压的下降，避免发生电压崩溃事故，保证电压稳定。

装置故障的判断和决策采用多个不同的条件及多重闭锁机制，有效防止了误动和拒动。装置还具有如下特点：实现了插件的智能化管理；采用基于重采样的DFT前端修正算法；智能变电站下可实现精确切负荷；采用基于C/S模式实现标准化人机界面显示和交互。

2.1插件的智能化管理方法

电力系统频率电压紧急控制装置属于实时控制类产品，在当前主流的产品中，机箱内部插件的功能配置与通信拓扑都是基本固定的，在智能变电站时代硬件实现上面临以下诸多挑战：装置如何在传统变电站、智能变电站、半智能变电站等不同定制化应用中快速实现工程化；传统接口方式插件与数字化接口方式插件在电气兼容、数据通信、配置管理等方面如何进行统一管理；复杂工程中多机箱、多插件间如何实现数据的高速实时交互等。

这些问题得到有效解决的一个重要基础就是，更加标准化的机箱和智能化的插件。采用一种插件智能化管理的方法，该方法将机箱的标准化、模件的智能化管理从实现上抽象为物理层、链路层、网络层三层[8]。物理层提供机箱内各智能模件的接插固定、EMC防护、多路供电、功率信号传输、信息通信等物理基础；链路层以总线、星型等多种拓扑方式为每个模件提供多路基于BLVDS、LVDS、CAN等多种标准的通信连接；网络层将各通信节点数据交换区映射到统一的内存空间，利用各插件内FPGA实现多节点、多路通信的自动数据交换，使得各CPU在应用层进行通信互访时仅需对特定的内存进行读写操作[8]。

这三层软硬件的设计方法实现了装置在机箱和插件管理上的标准化和智能化：机箱内各插件位置兼容，提高了配置效率，增强了装置可扩展性；传统方式插件、数字化方式插件交互数据统一管理，使算法设计更加标准化，增加了装置可靠性；各插件通过简单配置文件可灵活分配通信带宽，提高了通信效率，各插件和机箱在统一的地址空间上实现了更可靠的数据通信等。总之，插件的智能化即装置的底层管理实现自动化，使装置的软件开发更简单、可靠，提高了装置对不同工程需求的适应性。

2.2基于重采样的DFT前端修正算法

二次设备有效值计算的主流算法是均方根法与DFT(快速傅里叶变换)法，在频率偏移的情况下，两种算法都有比较大的计算误差[3-5]。

目前对DFT算法误差补偿的研究多是在计算结果出来后对其进行补偿的后端修正算法，但此类DFT修正算法都存在一个共同的问题：计算时隐含了一个假设，即在一个计算周期内计算频率时假设有效值不变、计算有效值时假设频率不变。DFT后端修正算法面临迭代计算精度与计算所需时间二者的矛盾：要保证计算精度则迭代次数不固定，导致算法计算时间不确定；要保证算法计算时间，则计算精度不能确定[3-5]。而目前频率电压紧急控制装置需要在一个固定时间内完成计算与逻辑判断的整个过程，计算时间不确定则整个装置运行的可靠性无法保证，计算精度不确定则导致判据的边界条件放宽导致装置性能下降。

表1　DFT前端修正算法与均方根算法比较

SSP510频率电压紧急控制装置采用了一种基于重采样的DFT前端修正算法，首先测频，再根据测量的频率对采样值进行修正，再计算电气量有效值，保证DFT计算的整周期，兼顾了计算精度与所需时间的平衡。该算法的计算流程图如图2所示。

图2　基于重采样的DFT前端修正算法流程图

该算法与均方根算法的比较结果见表1。本方法计算时间确定，精度高，在35～75 Hz频率期间，电压电流有效值计算误差小于千分之五的额定值。采用该算法，在电网频率偏离额定频率较大时，使得电压紧急控制功能仍可用。

2.3智能变电站下精确切负荷

目前频率电压紧急控制装置的切负荷控制策略，通常基于离线计算得到，事先计算出频率电压越限后的控制措施并存于装置中，运行时装置根据实时频率电压的越限情况按照策略表采取控制措施，此方法默认电网运行时负荷状态保持和策略计算时的状态一致。由于此方法切负荷出口回路仍采用开环控制，不采集负荷线路功率，无法实时掌握负荷的变化情况，因此不具备精确切负荷功能。当潮流波动或线路状态改变时，可能造成切负荷量的不足或过度甚至导致电网故障扩大。

在传统变电站中，一个站内负荷线路可能会多至几十回，频率电压紧急控制装置如需实现精确切负荷(根据允切负荷线路的运行情况及需切负荷总量来选择切除的线路)的功能，要将所有负荷线路的电压电流接入，但实际工程应用时受限于设计规模、经济性等因素，装置无法通过采样来获得站内全部负荷线的功率。而在智能变电站中，由于目前变电站内SV网带宽以及装置通信、计算处理速度的限制，通过SV网来获得允切线路的功率在相当长的时间内也无法在工程上得以实现。

在智能变电站下，如果扩展GOOSE应用范围，运用GOOSE网传送负荷线路功率，则可在不增加投入的前提下实现精确切负荷的功能[6]。通过GOOSE网订阅线路保护及相应智能终端信息，获得线路相关状态，智能选择被切线路。将允切负荷线路功率添加进对应IED的GOOSE控制块，装置通过订阅GOOSE获得负荷线路功率信息，再根据需切负荷总量来选择切除的线路，从而实现频率电压紧急控制装置的精确切负荷功能。该方法的流程图如图3所示。

图3　精确切负荷流程图

SSP510频率电压紧急控制装置通过订阅GOOSE来使用站内已存在的信息流，用很小的经济代价来升级装置，满足未来系统层面协调处理低频低压的减载控制对装置技术升级的要求。

2.4基于C/S模式实现标准化人机界面显示和交互

频率电压紧急控制装置的输入和输出数据量庞大且复杂，如何方便友好地通过人机界面展示给用户，是各装置厂家研究的热点问题。传统的频率电压紧急控制装置的人机界面的软硬件设计与装置平台的开发结合非常紧密，通常是全定制化开发。由于开发难度等限制，在显示的尺寸、丰富程度、人机交互友好性等方面存在诸多限制[7]。随着智能电网和行业标准的发展，对人机界面的要求也在不断提高，主要体现在：更直观、丰富的显示，更便捷的交互方式，更强大的数据管理等等[7]。

对装置的人机界面的升级如果采用传统的定制化方式，将在开发难度、周期、可靠性、可继承性等方面带来很大挑战。采用一种基于C/S模式实现通用化安全自动装置人机界面的方法，主要内容如下：将人机界面模块与装置主体在硬件结构上独立，仅通过一根网线实现数据通信；提取出标准化的人机交互数据并分类映射到统一的MODBUS地址空间；装置作为服务器端(Server)提供人机交换数据的访问端口；人机界面模块作为客户端(Client)，通过以太网、RS-485链路，以MODBUS协议对人机交换数据进行访问；人机界面模块独立实现对人机数据的解析、显示、输入等。该方法的实现流程图如图4所示。

图4　标准化人机界面显示和交互实现流程图

本方法选用定制的的工业触摸屏作为人机界面模块，实现了显示和键盘功能。硬件上使复杂的人机界面模块与装置主体充分解耦，降低了装置的电磁兼容和结构设计的复杂度；软件上使得装置仅需要处理少量的数据层面的信息，复杂的图形显示过程移到了人机界面模块内部实现；显示效果和人机操作上能充分利用工业触摸屏的较为先进的技术成果，如真彩显示、高分辨率、大尺寸、触摸控制。采用本方法开发的频率电压紧急控制装置人机界面，达到了显示直观丰富、人机交互操作便利的效果，提高了装置体验性，缩短了开发周期，增强了可升级扩展性。

3试验及工程应用情况

SSP510频率电压紧急控制装置在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心，通过了电磁兼容试验以及型式试验，实验结果表明SSP510频率电压紧急控制装置具有高精度、高可靠性，能在电网频率、电压异常情况下，正确判断低频低压或高频高压事故，快速采取就地低频低压减载或高频高压切机的控制措施，保障系统安全稳定运行。该装置已经分别在湖南邵阳110 kV石川变和湖南怀化低庄110 kV智能变电站投运，以及在山西、山东等电网得到实际应用。多次对电力系统发生的故障做出正确判断，未发生误动与拒动，有效地起到了电力系统第三道防线在防止事故扩大中的作用，为电力的可靠送出发挥了积极的作用。

4结语

SSP510频率电压紧急控制装置具有精度高、智能化的特点，满足了现代电网对频率电压紧急控制装置的要求，为现代电网的安全稳定运行提供了坚强保障。装置具有如下特点：插件智能化，提高了装置对不同工程需求的适应性；采用基于重采样的DFT前端修正算法，改善了频率偏移情况下电气量有效值计算精度；提出一种应用GOOSE网传输线路功率实现精确切负荷方法；采用基于C/S模式实现标准化人机界面显示和交互的方法，缩短了开发周期、增强了可升级扩展能力。

通过在电力系统内合理地配备足够数量的SSP510频率电压紧急控制装置，建立可靠的第三道防线，可以避免电网稳定破坏事故的发生或减轻事故发生的后果，大大提高发电、输电容量的利用率，产生巨大的经济效益和社会效益。

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(本文编辑：赵艳粉)

Development of SSP510 Frequency Voltage Emergency Control Device for Smart Grid

SI Qing-hua1,2, XU Hai-bo1,2, LI Zhu-kun1,2, YAN Yun-song1,2

(1. NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing 211106, China；2. NARI Group Corporation (State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211106, China)

Abstract:With the construction of UHV grid and smart grid, the structure and scale of China′s power grid has been greatly changed. So new requirements for frequency voltage emergency control device are presented. Architectures and features of the device is first introduced; the intelligent plug-management device is described; then the front end of correction algorithm based on DFT resampling is expounded. Additionally, the method for precise load shedding in intelligent substation, and the realization of standard human machine interface display and interactive method based on the C/S model are introduced. The engineering application of the device is outlined in the end.

Key words:frequency voltage emergency control; smart grid; DFT front end correction algorithm; precise load shedding; C/S mode

DOI：10.11973/dlyny201601005

基金项目：国家电网公司科技项目“适应智能变电站的电网安全稳定控制装置智能化关键技术研究”资助

作者简介：司庆华(1982)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统安全稳定控制。

中图分类号：TM76

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)01-0023-05

收稿日期：2015-11-13