精准负荷控制系统的快速通信接口方案设计

殷 伟, 颜云松, 潘 琪, 王 亮, 李雪明, 司庆华

(1. 国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司, 江苏省苏州市 215004; 2. 南瑞集团公司(国网电力科学研究院)有限公司, 江苏省南京市 211106; 3. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106)

0 引言

多直流馈入电网发生多直流连续换相失败和故障导致直流闭锁时将造成受端电网有功功率大幅缺额,会导致电网频率急剧下降[1]。为避免频率下降给电网运行带来的巨大风险,一般在直流落点近区配备频率紧急协调稳定控制系统,根据直流损失功率的大小通过紧急提升相邻直流输送功率、切除抽水机组和受端电网相应负荷来保持受端电网的功率平衡,抑制频率下降[2-3]。但传统的稳控系统切除负荷的对象一般是变电站110 kV,35 kV和10 kV出线,一旦稳控系统动作,将造成受端电网大面积停电,社会影响较大,容易达到国务院颁布的599号令《电力安全事故应急处置和调查处理条例》所规定电力安全事故等级划分标准。采用快速切除可中断大用户负荷的精准负荷控制技术,具有点多面广、快速可靠、选择性强的优势,对社会用电影响面小,可用于解决大电网的频率稳定问题,满足多直流同时故障时对大量切负荷的客观要求。2016年,江苏电网结合源—网—荷友好互动系统的实施率先完成了毫秒级快速精准负荷控制系统的试点工作,把传统的切除配电网的负荷线路延伸到可中断的大用户负荷线路,实现了快速切负荷方式的根本性改变,起到了很好的示范作用。

可中断负荷是在紧急情况下能给电网提供的可控资源,它在满足“可中断”的基础上应具备一定的负荷量、负荷曲线较平稳、控制接入方便的特征。有较大日常负荷量的普通工业用户、大型商业用户、电动汽车集中充电站、翻水站的抽水泵、大型储能电站(充电时)、燃煤电厂可中断辅机负荷可作为精准负荷控制系统的主要可控资源。这些可中断的大用户负荷,每个负荷量不大,用户数多,分布分散且地理范围广。如何把这些用户的智能负控终端接入稳定控制系统,同时满足整个系统实时性、安全性、可靠性和经济性的需求,是当前精准切负荷系统亟需解决的问题。

苏州精准切负荷系统在架构上分成切负荷主站、切负荷子站、电网侧接入变电站、用户控制终端4层,除电网侧接入变电站和用户控制终端之间采用专用光纤通信之外,其他各层级均采用基于E1接口的2M(速率为2 048 Kbit/s通道的简称)专用通道实现,每个可中断负荷用户独享一个2M专用通道。从苏州精准切负荷系统的实施经验看,整个系统占用了同步数字序列(SDH)传输专网大量的2M通道,切负荷子站稳定控制系统E1通信接口设备使用量偏大,大量2M通信同轴电缆需要铺设,通信接口屏位过多,施工工作量巨大。为保证毫秒级快速精准切负荷工程顺利推广,必须攻克一套稳控装置能高集成度接入、并能毫秒级控制最多500个左右可中断用户负荷的工程应用难题,满足各类电网精准切负荷的要求。

本文以上述控制资源为研究对象,分析了精准负荷控制系统的实时性需求,给出了终端层和骨干接入层流量分析结果,从实时性、可靠性角度分析了当前常用终端接入技术的可行性。提出一种骨干层基于SDH传输网、终端接入层基于专用光纤的多级点对点通信架构,并基于此架构介绍了关键技术实现方案和多类型终端接入接口设计方法。研制了样机并进行了系统验证。

1 需求分析

1.1 实时性需求分析

从解决多馈入直流受端电网频率稳定问题的角度考虑,毫秒级快速精准负荷控制系统属于电网故障情况下紧急控制措施的范畴,是电网三道防线控制体系中的第二道防线。稳控系统(装置)的技术条件规定[4-5]:整组动作时间应小于100 ms。以含控制主站、子站、执行站3层结构的安全稳定控制系统为例,该系统整组动作时间约为55 ms,各级装置功能执行时序如图1所示。其中主站装置故障判别时间不参与整组动作时间的计算,主站策略执行和命令下发耗时约为15 ms,子站装置策略执行和命令下发耗时约为15 ms,执行站装置策略执行以及继电器出口耗时为15 ms,各级装置间通信延时(含通道延时和多帧确认时间)统一约为5 ms。

图1 稳控系统整组动作时间分解Fig.1 Action time decomposition for stability control system

站在系统设计的角度,精准负荷控制系统在主网侧的应用场景并未发生本质变化,只是执行端的控制对象发生了改变。因此在系统架构上保留主站装置和子站装置的配置,那么对系统整体的实时性要求,就变成了对子站下层系统的实时性约束。按照100 ms整组动作时间考虑,子站装置从发出动作指令到终端用户负荷控制装置的继电器出口,总体时间必须小于65 ms。

1.2 控制终端层和接入层流量分析

按照文献[6-7]给出的配电通信网业务断面流量计算方法估算精准负荷控制系统负荷控制终端层和骨干网下联接口的通信流量。

负荷控制终端需上送总可切有功功率、实切功率、状态字以及通信帧头、长度和校验等信息,共12 B/帧、上传时间周期为20 ms,由此,可计算得到上行断面流量为4.8 Kbit/s。控制终端需接收控制子站的实时切负荷命令,包含命令类型字、切负荷量、状态字以及通信帧头、长度和校验等信息,共12 B/帧,下发时间周期为1.667 ms,由此可计算得到下行断面流量为57.6 Kbit/s。

用户终端的上联站点为35 kV/110 kV/220 kV接入变电站,据江苏苏州地区的排查估算,这些接入变电站下联的用电大户一般在8个以内,取用户数为8,可计算得到接入变电站跟上级站点的断面流量,上行为38.4 Kbit/s,下行为460.8 Kbit/s。

根据此推算结果,一个接入变电站采用2个E1接口就能完全满足控制子站双套装置对其所辖大用户的快速通信要求。

1.3 用户负荷控制终端通信接入技术分析

用户负荷控制终端通信接入技术[8-9]大体上分为有线和无线接入方式,有线接入主要有基于SDH的2M专线接入、专用光纤接入[10-11]和电力线载波方式;无线接入主要有通用分组无线服务技术(GPRS)和4G专网方式。其中2M专线基于SDH光纤通信系统实现,可以满足电力系统传输继电保护信号传输损伤和时间延迟的要求[12]。专用光纤接入采用端对端单模光纤传输,具有通信容量大,抗电磁干扰能力强,稳定性高的特点[13]。基于GPRS的无线通信方式由于其固有的全球移动通信系统(GSM)技术局限,目前实际应用的通信速率只能达到9 600 bit/s,实时响应能力不能达到精准切负荷的快速性要求。4G专网方式提供基于网络之间互连协议(IP)的数据通信服务,终端带宽理论上可以达到10 Mbit/s级[14],但在用于高可靠性的电力系统控制通信时一般采用传输控制协议(TCP),限制了同一个关联点的终端接入个数。同时,由于无线通信受物理遮挡、空间电磁场、天气等因素的影响较大,在终端大规模挂网时,实时在线率暂无数据支撑,可靠性无法得到保证,目前还不具备大规模应用的条件,个别光纤通道很难覆盖的用户可以考虑使用4G专网方式试点接入。综上,采用2M专线和专用光纤通信技术是实时性最强、可靠性最高的首选方案。

2 系统通信架构

基于上述实时性需求、业务流量、终端通信接入技术分析,充分利用电力系统通信专网现有通信资源,构建一种多级点对点通信架构,可以满足精准负荷控制系统的需求,架构如图2所示。该架构总体上分成3层,即控制主站层、控制子站层、终端用户接入层。图中的控制中心站作为精准负荷控制系统的上级控制中枢,不计入架构层数统计。终端接入层根据接入的可中断负荷类型,采取不同的通信接入方式。

图2 精准负荷控制系统架构图Fig.2 Schema diagram of precision load shedding system

三层架构中,控制主站接收上级稳控系统切负荷控制指令,进行负荷分配,下达控制任务;控制子站汇集本地区可切负荷量,上传至控制主站,并执行控制主站的切负荷控制指令;控制终端采集用户可切负荷量并实时上送,同时接收控制子站的指令,快速切除部分可中断负荷。

精准负荷控制主站一般设在直流落点换流站近区通道条件好的500 kV交流汇集站,装置采用双套配置;控制子站一般设在负荷集中区域的500 kV或220 kV交流站,装置采用双套配置;控制终端一般分为普通用户控制终端和燃煤电厂控制终端。普通用户控制终端安装于大用户的配电房、翻水站的泵室、储能站的配电控制室等,采用单套配置;燃煤电厂控制终端分散布置于电厂各个开关室,主机采用双套配置。

3 通信系统实现

3.1 组网方案

精准负荷控制系统的毫秒级业务通道采用基于SDH的2M专线方式,利用骨干传输网分层传输,在终端接入层使用裸纤方式接入,具体方案如下。

1)控制主站和控制子站之间的2M通道由省际或省级SDH骨干传输网承载,通信系统应为A,B套装置提供双设备、双路由的配置条件。控制主站下联的通信接口为满足G.703标准的E1接口。

2)控制子站和控制主站上联的通信接口为E1接口,和终端接入层的下联接口为符合STM-1帧结构标准的155 Mbit/s光纤接口。

3)终端用户接入层根据自身管辖可中断负荷的特性差别,采用不同的方式接入控制子站装置。如果可中断负荷为普通大用户,例如工业用户、大型商业用户、汽车充电站、储能电站等,由于用户侧配电站不具备SDH设备,需在用户站点和接入变电站之间建设通信光缆,为用户控制终端至接入变电站提供裸纤通道,再由专用的多用户汇集光电转换装置通过E1接口接入SDH设备,进而和控制子站装置建立共享2M通道的通信链接。如果可中断负荷为燃煤电厂辅机系统,由于电厂一般都具备SDH设备,电厂可中断辅机负荷控制终端可直接通过E1接口跟控制子站装置建立独享2M通道的通信连接。接入变电站和电厂的通信接口装置应提供互为备用的A,B通道上联端口。对于地理位置比较偏远,难以铺设光纤通道的少数大用户,可采用无线4G接入的方式。

3.2 稳控系统STM-1通信接口技术

安全稳定控制系统的站间通信一般采用2M专线,装置接口形式为E1。稳控系统对2M通道的使用采用透明传输方式,即一个2M通道只能传输一路单源数据。该传输方式在物理层上大体可分为信息编码层和基带传输编码层,分别采用1B4B和HDB3编码;在数据链路层上采用高级数据链路控制(HDLC)协议。在常规的3层结构(控制主站、子站、执行站)的安全稳定控制系统中,子站需要数量较多的E1接口,但一般不会超过50个。安全稳定控制装置通过专用的通信扩展机箱可提供数量足够的对外接口。

在精准负荷控制系统中,位于负荷集中区的控制子站一次接入的用户控制终端数以百计,即使考虑了多用户共享2M接入的情况,单套装置所需接入的2M通道数目也可能在60个以上。在这种情况下,如果仍然采用E1接口接入,一则超过了变电站现有SDH设备E1接口板卡的配置极限,二则超出了现有安全稳定控制装置的通信承载能力,三则给现场同轴电缆铺设施工的工程量及后期设备运维复杂度带来极大的压力。

为解决此问题,本文提出了稳控装置STM-1通信接口技术,即保持稳控装置原有的通信架构不变,采用FPGA硬件编码技术,将63路HDLC模块整合进一个符合G.703标准的STM-1接口模块。该技术FPGA的内部逻辑框图详见附录A图A1。采用STM-1接口以后,稳控装置的通信配置集成度大幅提高,一对STM-1光纤接口就能取代原来63对同轴电缆E1接口,大大减少了通信接口电缆的敷设工作量,同时由于通信接插点数目大幅降低,提高了精准负荷控制系统整体的通信稳定性和可靠性,也同时大大减少了变电站的通信接口屏的数量。

3.3 电网侧接入变电站多用户接入技术

根据上文描述的通信组网方案,为充分利用2M专线通信容量,节省2M通信链路资源,在接入变电站可采取多用户共享一路2M通道的方案,同时为解决用户终端光纤数据和E1电接口之间的转换,本文提出一种多路光/电接口数据实时转换方案,详见附录A图A2。该方案在硬件上实现8路专用光纤信号和2路E1电信号(A/B互为备用)之间的转换,在软件上通过基于定时硬中断的时分复用处理方法,区别对待上行稳态数据和下行命令数据,保证电网紧急情况下控制命令的实时下发。

用户控制终端应集成专用光纤接口模件,用于和电网侧接入变电站的光电接口转换装置建立通信,光纤通信可采用IEC 60044-8中定义的FT3协议和HDLC协议或者专用通信协议。用户控制终端在不具备集成专用光纤接口模件的情况下,也可采用外接转换装置的方案,但在整组动作时间上需满足实时性需求。

4 负荷控制终端通信接口设计

用户负荷控制终端适用于大型电力用户的变电所、配电房等处。用户控制终端不仅具有传统负控终端具备的用户线路负荷实时采集、就地功率控制、需求侧响应等常规负控终端的功能,还具备快速响应大电网事故下的快速负荷切除、事故告警音响等功能。控制终端系统框图详见附录A图A3。对于不同接入条件的用户控制终端,具体接入方案如下。

4.1 2M专线(E1接口)接入

具备2M专线接入条件的控制终端(例如燃煤电厂可中断辅机控制终端)的接入方式和安全稳定控制系统的站间通信类似,控制终端必须设计带有E1接口,采用同轴电缆接入就地SDH,实现与控制子站装置的通信。

4.2 专用光纤接入

1)对于新开发的用户负荷控制终端,可以在装置硬件上考虑内嵌稳控专用光纤通信模件来实现与接入变电站多用户接入装置的光纤通信。专用光纤通信模件和用户终端的主控CPU之间可以考虑以装置内部总线(如控制器局域网络(CAN)、低压差分信号(LVDS)等)进行数据交互。用户控制终端的主控软件必须保证与稳控命令相关的任务模块的响应实时性。

2)对于具备物理隔离的多网口通信条件的负荷控制终端,可以采用外接光电转换模块的方式实现与接入变电站多用户接入装置的光纤通信。光电转换模块上联光纤通信采用与多用户接入装置相应的通信协议(HDLC/FT3),下联通信采用电以太网通信,具体协议可采用通用面向对象变电站事件(GOOSE)、IEC 60870-5-104协议[15]、或者专用用户数据报协议(UDP)。用户控制终端的主控软件必须做相应的改造,满足实时控制的需求。

4.3 无线4G接入

对于光纤通信铺设距离长,管道开挖难度太大的用户,如果终端用户在4G专网(TD-LTE)覆盖的范围之内,可以采用无线接入方式。对用户负控终端的要求与4.2节中描述的一致,在用户侧配备一个客户终端设备(CPE),在TD-LTE核心网交换机处布置多用户接入装置和4.2节中提到的光电转换模块,其中多用户接入装置上联站内SDH设备E1接口,下联光电转换模块,光电转换模块采用电以太网连至核心网交换机,如图2左侧部分所示。

5 系统验证

采用上述的精准负荷控制系统通信接口设计技术分别研制了安全稳定控制装置STM-1接口装置、电网侧接入变电站多用户光纤接入装置、大用户负荷控制终端、燃煤电厂可中断辅机控制终端;为适应已有负荷控制终端和无线4G接入,开发了用户端光电转换装置。

为了考察STM-1接口装置用于安全稳定控制装置站间通信的可行性,采用烽火公司IBAS 180型SDH设备,搭建了采用STM-1通信接口,下联63个E1接口的测试方案,E1接口由实际的安全稳定控制装置提供,这样就构成了实际的星形“一对多”传输系统[16]。

在网络报文收发上,分别采用1 200 Hz和600 Hz频率的变帧长报文,报文长度按6～64 B循环变化,经过长时间的正常运行测试,未见误码和丢帧情况。在命令帧的测试上,采用连续命令帧随机丢失和错误命令帧随机插入的方式进行连续测试,未见装置误动作。此项测试验证了STM-1接口装置在满载情况下的处理能力,以及应用层数据多变场景下的数据通信质量。

为验证用户终端2M专线接入和专用光纤直接接入方式的实时性,在上述STM-1接口通信的基础上,搭建控制主站和控制子站,同时采用电网侧接入变电站多用户光纤接入装置、用户控制终端和燃煤电厂辅机控制终端构成实际的精准切负荷控制网络,如图3所示。该测试系统中,安控测试仪的角色等同于图2中的控制中心站。用全球定位系统(GPS)同步后的继电保护测试仪抓取终端动作开关量,同时结合各级安全稳定控制装置的事件报文时间计算系统各级延时和整组动作延时。

图3 用户直接光纤/2M专线接入测试系统Fig.3 Test system of user terminal accessing by fiber/2M dedicated line directly

实验室测试条件跟现场运行条件相比,仅在稳定控制装置STM-1接口接入的对象上发生了改变。实际系统中,稳定控制装置STM-1接口面向SDH传输网,由其建立至各个目的站E1接口的2M逻辑通道;而实验室环境是直接通过单台SDH设备下联E1接口,略去了SDH传输网的各级数据转发,理论上能减少部分通信延时,该延时可通过站间距离(用于光信号传输计时)外加SDH设备转接次数(每次转接耗时经验计算值为20 μs)严格估算整体延时上限。根据稳定控制系统多年的现场应用经验,站间距离为600 km以内的SDH传输,10 ms为通信延时上限。

采用安控测试仪模拟控制中心站给控制主站发切负荷指令的方式触发系统动作,实测记录了系统各环节实际耗时。经过多次实测取加权平均,测得用户控制终端侧的整组动作时间为67 ms,燃煤电厂可中断辅机控制终端侧的整组动作耗时为61 ms。同时根据实测各环节的最大耗时计算系统整组动作时间的最大耗时边界:用户控制终端侧为78 ms,燃煤电厂侧为70 ms。具体耗时实测结果见表1。测试结果均在预估范围内,几毫秒的差别与命令传输路径以及不同系统的内部处理时序有关。

为验证用户终端通过外接光电转换模块间接光纤接入和通过无线4G专网接入的实时性,采用TD-LTE无线专网设备搭建了对比测试系统,如图4所示。

表1 系统各环节耗时及整组动作耗时Table 1 System time-consuming of nodes and whole group

图4 用户终端间接光纤/无线4G接入测试系统Fig.4 Test system of user terminal accessing by fiber/wireless 4G indirectly

图中模拟实际通信系统搭建了精准负荷控制主站、子站和接入站设备,由安控测试仪模拟控制中心站下发切负荷命令触发系统动作。场景1模拟用户控制终端光纤间接接入,场景2,3,4分别模拟用户控制终端和基站相距0,0.8,2.4 km时通过4G无线接入。用GPS同步后的继电保护测试仪抓取终端动作开关量,计算不同场景下的整组动作延时。实测结果如表2所示。

表2 控制终端多场景接入实测整组动作延时Table 2 Measured action time of control terminal with multi-scenario access

4种场景下的测试结果表明,用户控制终端通过间接光纤或者无线4G接入时,整组动作时间均在100 ms内,满足精准切负荷系统的实时性需求。

6 结语

本文在传统安全稳定控制系统的应用基础上,为直流落点受端电网精准负荷控制系统提出了一套完整的工程技术方案并研制了相关的设备,进行了详尽的测试验证,结果符合预期。该方案能把原苏州精准切负荷子站下层系统对SDH传输网2M通道的占用数目降低至原来的1/8,同时大幅减少切负荷子站通信接口装置屏柜和配线柜的使用。本方案将在江苏源—网—荷二期苏北精准切负荷系统中得到工程应用。文中提出的通信组网方案是基于当前的电力系统SDH骨干传输专网实现,在接入层主要采用专用光纤直接/间接接入方式,通信延时确定、可靠性高,但需要进行光纤铺设。接入层大规模采用无线接入方式(如4G无线专网)是今后的研究方向,但目前无线接入方式用于强实时系统的实时性、安全性及可靠性研究仍处于摸索阶段,需要进行更加深入的理论分析、实验测试和工程试点验证。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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