毫秒级精准负荷控制系统装置研制

杨智德，王宏杰，闫志辉，余高旺，李 刚，白申义

(许昌许继软件技术有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

近年来，随着特高压交直流电网的快速发展，远距离跨区输电规模持续增长，新能源占比进一步提升[1]，电网安全运行面临较大风险。基于传统交流系统形成的认识方法、防御理念、控制技术和管控措施，已难以适应特高压交直流电网运行实践的要求，需要统筹电网资源与负荷综合配置，提高电网特高压故障应急响应能力。在巩固、加强、拓展传统电网三道防线的基础上，构建了多目标控制、多资源统筹和多时间尺度协调的高可靠性、高安全性的大电网安全综合防御体系，实现了对可切负荷资源的统筹管理[2]。

精准负荷控制系统是特高压交直流电网系统保护的重要组成部分[3]。在特高压直流故障初期，频率快速下降，受端电网需要有效控制大量负荷。在低周减载动作前，调控中心需要通过负荷管理系统进行负荷调控，并快速切除可中断负荷，以阻止频率继续跌落，避免大量拉限线路、变电站等造成较大的社会影响。

传统的切负荷控制技术，以切除主变负荷和高压负荷线为主，对用户影响大、可控制站点少、可选择容量小，实施困难。在目前政策和社会容忍的范围内，传统的大规模切负荷已不具备实际应用条件[4-6]。

精准负荷控制技术具有点多面广、选择性强、响应时间快、对用户用电影响小的优势，通过与传统负荷控制系统的协同作用，可满足多直流换相失败和闭锁故障对大量切负荷的客观要求，是保障过渡期电网安全的有效手段之一。基于以上背景，本文研制了精准切负荷控制系统装置。

1 系统架构

精准负荷控制系统处于系统保护的第二道防线，用于协同电源、电网、用户负荷的互济互动，实现对负荷资源的分类、分级、分区域管理[7]。精准负荷控制系统架构图如图1所示。系统包括主站、子站、用户侧负控终端以及通信扩展设备。主站选址为直流落点地区的关键500 kV站，用于接收总站下发的切负荷命令和子站上送的可切负荷信息，并按照优先级以及控制策略进行负荷分配、按策略下发切负荷命令。子站选址为各地级市负荷中心站，用于接收主站下发的切负荷命令、汇集本分区可切负荷量，按策略执行主站下发的切负荷命令；通过通信扩展设备负控终端，实现对更多用户站点负荷资源的控制[8]。用户侧负控终端收到子站下发的切负荷命令之后，直接执行跳、合闸命令，同时采集负荷信息上传子站主机。主站与子站之间的通信、子站与用户侧负控终端之间的通信主要依托同步数字体系(synchronous digital hierarchy,SDH)通信网络实现连接。

图1 精准负荷控制系统架构图

2 方案设计

由于特殊的应用场景和现场需求，精准负荷控制系统的可控站点数目高达10万个以上，故而要求整个系统必须满足控制面广、选择性强的需求，以便维持大电网体系的稳定性，最大限度地降低社会影响[9]。

研制的精准负荷控制装置不仅具有扩展能力强、通信配置灵活等优点，而且装置抗干扰能力强、可实现硬件全面自检。该硬件设计结构同时适用于精准负荷控制主站主机和子站主机，其硬件设计结构如图2所示。主机装置具有2个可灵活部署的通信扩展插件，分别支持不同传输速率的数据交互，完成主站主机与子站主机的策略下发和执行功能。每一个通信扩展插件分别可以扩展8个数据交互接口。每台通信扩展设备可扩展30个负控终端用户接口，实现精准负荷控制系统可控站点的最大化，满足点多面广的需求。1台主站主机装置可接入8个子站主机。1台子站主机装置可接入8个通信扩展设备。1台通信扩展设备可扩展30个用户侧负控终端。因此，1台主站主机可对1 920个用户负荷进行实时控制，从而最大程度地满足现场应用。

图2 硬件设计结构图

3 硬件平台设计

精准负荷控制的硬件设计基本思想是基于高速、可靠的低电压差分信号串行总线及以太网接口，采用模块化的设计思想，开发通用的总线背板和插件板，设计接口和交互机制。板间采用以太网进行通信连接，搭建一个通用的精准负荷控制装置的硬件平台，硬件方案采用多CPU插件结构，硬件平台结构如图3所示。数据处理CPU作为总线处理单元，主要提供冗余2 MB接口，完成高阶数据链路控制(high level data link control,HDLC)通信报文的接收，以及切负荷命令的接收和发送，数据处理CPU接收到的通信报文经过预处理后再发给保护逻辑运算CPU插件。逻辑运算CPU作为主控单元，通过背板以太网口接收网络协议接口(network protocol interface,NPI)传送来的报文信息，结合不同的控制措施和策略，实现逻辑判定。通信插件实现对整个装置的管理、人机界面与调度监控通信等功能。通信插件使用内部百兆以太网接口接收逻辑运算CPU插件的数据，通过并行总线与装置显示液晶通信。该插件具有3路百兆以太网接口。

图3 硬件平台结构图

4 软件平台设计

4.1 软件架构

精准负荷控制装置的软件功能主要在主CPU中实现，分为平台模块和应用模块。平台模块与应用模块配合完成装置主CPU功能。各个插件之间的数据流向如图4所示。

图4 数据流向图

主CPU插件的应用程序与平台程序之间通过接口调用交换数据，实现设置或者获取平台数据库数值(见图4中数据流①、②)。数据流③、④、⑨均采用内部通信协议，其中数据流③为主CPU发送的状态信息、模拟量信息，数据流④为人机接口的控制命令，数据流⑨为采集到的开关量信息。数据流⑤、⑥、⑦、⑧均采用以太网传输介质，其中数据流⑤、⑦为主机下发的控制命令或心跳报文，数据流⑥、⑧为接收下一级站点装置上送的负荷量值和状态信息。

以主站主机装置为例，CPU程序软件架构如图5所示。平台程序主要实现网络驱动、输入量采集、平台对时服务等CPU板与各个插件之间的数据交互。应用程序实现处理主机下行控制策略逻辑、处理子机上行数据以及制造报文规范(manufacturing message specification,MMS)数据上送等。

图5 CPU程序软件架构图

4.2 控制策略

控制策略是整个精准负荷控制系统的核心，实现了分发控制策略的主要功能，同时转发人机接口(human machine interfale,HMI)和向下一级站点发送控制命令。

以主站主机装置为例，控制策略流程如图6所示。主站主机收到上一级站点装置发送来的2 MB数据后，先按照HDLC协议标准进行解包，得到需切负荷信息；再依据采集到的可切负荷量和各子站优先级，按照最优控制策略打包命令报文，并将其下发至子站主机。子站主机装置的下行控制策略处理逻辑与上述类似。这种按照优先级处理的控制策略，充分考虑了调控中心对用户侧负荷信息的分区、分域、分时调控，避免了大面积掉电造成的社会影响；各个站点之间的报文接收均按照HDLC协议标准进行组包解包，减少了传输过程可能出现的误码率；另外，每个精准负荷控制装置都设置有唯一的地址码，按照HDLC协议标准收发的报文包含目的地址，严格地控制报文走向，能使得控制命令精确、快速到达终端设备，大大提高了精准负荷控制系统的响应时间。

图6 控制策略流程图

5 关键技术实现

5.1 通信报文多重校验防误机制

精准负荷控制系统各级站点装置对接收到的报文信息进行多重防误校验。下行数据处理流程如图7所示。

图7 下行数据处理流程图

校验内容包括循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)校验、报文头校验、报文尾校验、报文长度校验、报文特征码校验、报文地址校验、报文和校验。同时，实时监测接收报文帧数、丢帧数、误码率等关键信息。对于接收到切负荷命令报文，经连续多帧确认后再输出。采用多种防误机制，从各方面确保站间通信报文的正确性，排除异常报文对系统的干扰，以提高数据传输的可靠性。

5.2 基于FPGA的HDLC协议实现技术

HDLC协议采用基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)硬件编程实现，可以反复编程，兼顾速度和灵活性。在FPGA上实现的HDLC协议对数据流的采集、发送，HDLC协议的解析、构造，CRC码的生成、验证都是并行处理的。利用FPGA具有的重装载功能，可以在内部灵活实现各种数字电路设计，甚至可以动态改变内部设计，动态实现不同的功能。

HDLC帧数据收/发控制器结构如图8所示。HDLC发送端接收总线上的并行数据(内容字段)，经过功能模块处理按照HDLC帧格式串行输出。其结构由四个功能模块和帧数据发送控制器组成，并行数据通过并串转换模块输出，在CRC16校验模块中产生16 bit的校验位附着于后，经过插零、添加标志字段，最终完成HDLC帧格式数据输出。

图8 HDLC协议收/发控制器结构图

HDLC接收端从外部管脚获得帧数据，按照帧格式进行解析，得到内容字段发送至FPGA内部总线上。接收端通过识别外部数据的标志位字段，将帧数据采集到先进先出(first input first output,FIFO)采集模块中，完成一帧数据采集后在删零模块对多余的零进行删除，并对其数据进行CRC验证，然后将数据放置的数据总线上。基于FPGA的HDLC协议实现技术能够均衡整个系统的负荷，保证多个通道的通信可靠性和实时性。

5.3 毫秒级快速切除可中断负荷实现技术

基于精准负控控制系统在1.667 ms 内实现一次数据与命令交换的技术要求。装置的通信插件CPU及策略CPU均设计了定间隔中断任务处理机制，用于处理通信数据接收及发送，装置启动判别及切负荷控制策略执行任务。策略CPU在中断任务获取通信数据时，为了防止缓存区中数据被覆盖造成数据错误，设计了数据读取时锁定数据缓存区的功能。当数据读完后自动解锁，可有效保证策略功能的可靠性。基于该中断任务的处理机制，保证了精准负荷控制主站及子站装置处理以下流程的时间不超过10 ms：接收到第一帧有效的控制命令，经连续三帧有效确认触发装置启动，执行切负荷控制策略，控制命令下发。考虑站间通信最大延时，从精准负荷控制主站接收到总站第一帧有效控制命令到负控终端跳负荷线路开关的继电器节点出口的最大用时不超过100 ms。

图9 通信数据处理机制图

5.4 多通道并行处理技术

精准负荷控制系统设备采用了基于FPGA的快速轮询方法。其子站按照1.667 ms的间隔，定时轮询所有配置的2 MB数据。光纤接口，对接收的数据进行校验；根据端口标志打包数据并通过内部高速串口发给通信CPU插件FPGA。通信CPU的FPGA对各扩展板卡传送的数据解码，并增加扩展板卡编号；然后，打包数据，按照500 μs的定时间隔通过100 MB以太网口将其发送至主站；发送完成后，将数据发送标签置1，同时将FPGA缓存区中数据清除，避免相同数据包重复发送。对于子站下发的控制命令，应用程序将该命令数据包封装，通过通信接口扩展装置分包，以1.667 ms的间隔依次向对应板卡发送控制命令。负控终端接收到控制命令后，对数据进行有效性校验，确认无误后从对应的端口输出。

整个精准负荷控制系统设备的通信插件均采用多通道并行处理技术，不仅保证了整个系统数据接收及发送的同步性，而且提高了通信数据的处理效率。对通信插件接收的通信数据采取并行接收，校验打包后通过装置内部的高速串口或以太网口传给对应的CPU插件，有效提高了通信数据处理的时效性能。

5.5 就地频率判别技术

为了防止协控总站向精准负荷控制系统主站误发切负荷命令，在切负荷主站、切负荷子站增加频率就地判据，作为执行协控总站切负荷控制的辅助判别条件。切负荷主站及子站的从机装置接入变电站内最高等级的母线电压[10]，用于测量系统电网频率。

当切负荷主站收到协控总站向下发的切负荷命令，同时就地测量的系统频率低于设定的频率定值时，主站执行切负荷命令；当切负荷子站收到主站下发的切负荷命令，同时满足子站就地频率判别条件时，子站执行切负荷命令。

装置在切负荷动作逻辑及恢复负荷动作逻辑中增加低频及频率滑差判断功能，实际应用中可根据需求选择此判别功能是否投入。若投入，则进行5 s的判别，5 s内就地判据不满足，则认为本次切负荷条件不满足，闭锁本次切负荷动作，从而保证了整个系统动作的可靠性。同时，装置增加了低频欠量返回系数，可防止因状态抖动带来的频繁切负荷事件，以增强系统的稳定性。

5.6 负荷恢复机制

为保证区域内电网的正常运行、减小长时间停电带来的负面社会影响，精准负荷控制系统装置已具备负荷恢复机制。主站主机装置下发切负荷命令之后，若本地系统频率恢复正常，主站主机装置会向子站主机装置发出负荷恢复的命令。当子站收到主站下发恢复负荷命令时，会进行子站就地频率再判别。若就地频率恢复正常，则向用户侧下发负荷恢复的命令；若就地频率未满足设置条件，则子站不执行负荷恢复。

同时，子站主机装置具备记忆切负荷对象的功能，子站主机装置收到恢复负荷命令时，会根据记忆的信息，对已切除负荷实现远程恢复。这种负荷恢复机制能最大程度地减少断电时间、降低社会负面影响，能更好地适应现在社会的需求。

5.7 逻辑可视化实现平台技术

精准负荷控制装置软件对采集到的数据进行合并、处理，对接收到的上层数据帧进行正确解析，按解析出的信息完成正确的动作；保护源代码完全由可视化逻辑设计工具自动生成，正确率达100%，杜绝人为原因产生的软件缺陷。

软件通过分层、模块化和元件化的设计，实现装置内部元件级、模块级和总线级三级监视点，可以监视装置内部任何一个点的数据，实现对装置内部逻辑的监测与回放。

6 试验及结果

在实际应用中，整个精准负荷控制系统要求主站、子站的下行控制命令处理耗时(从接收到切负荷指令到发出下行控制切负荷指令)分别不超过30 ms、20 ms，各负控终端的动作报文出口时间不超过300 ms，整组动作报文出口时间不超过650 ms。

为了进一步验证已研制的精准负荷控制系统装置的性能，在国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心开普实验室及公司中试部，对已研制的装备进行了试验。动作时间测试结果如表1所示。

表1 动作时间测试结果

所研制的精准负荷装置采用分层、分级处理方式，策略精准，同时具备过切、欠切模式，满足现场工程配置需求。由表1可以看出，从总站下发切负荷命令开始，主站约5 ms可作出响应，子站约3 ms作出响应，精准负荷控制系统整组动作时间不超过45 ms，系统整体动作时间不大于100 ms，完全满足毫秒级快速控制切负荷的应用需求。

研制的精准负荷控制装置顺利通过型式试验，所检各项指标达到了相关国家标准、行业标准和企业标准的要求，并最终通过中国机械工业联合会产品成果技术鉴定。

7 结束语

随着电能需求的日益增长、特高压交直流电网的快速发展，电网运行特征发生重大变化，传统的切负荷技术有一定的局限性。目前同行业内各个厂家均在研制新的切负荷技术[10-12]，以适应系统保护、占领市场份额。

本文研制的精准负荷控制系统装置采用科学合理的软硬件架构，采取切负荷控制策略，使用HDLC协议格式报文交互，减少了误码率，提高了可靠性。未来，为应对特高压直流闭锁故障导致的频率跌落，精准控制切负荷技术必将得到广泛应用；而采用无线网络辅助，还可以进一步提升系统的可扩展性和灵活性。在智能电网调度技术支持系统(D5000)进行稳态监测与调控的同时，构建控制功能相对独立、实时、紧急、闭环的安全综合防御体系，进一步健全系统保护势在必行。