羅建裕， 李海峰， 江葉峰， 羅凱明， 劉 林

(國網(wǎng)江蘇電力公司調度控制中心，南京 江蘇 210024)

基于穩(wěn)控技術的源網(wǎng)荷友好互動精準負荷控制系統(tǒng)

羅建裕， 李海峰， 江葉峰， 羅凱明， 劉 林

(國網(wǎng)江蘇電力公司調度控制中心，南京 江蘇 210024)

特高壓直流嚴重故障時的緊急切負荷措施是阻止受端電網(wǎng)頻率跌落的必要手段。結合穩(wěn)控和營銷負控系統(tǒng)特點，本文提出了以企業(yè)可中斷負荷為精準控制對象的負荷控制系統(tǒng)。比較分析了穩(wěn)控裝置負荷控制與營銷系統(tǒng)負荷控制方式的優(yōu)缺點，介紹了精準負荷控制系統(tǒng)的整體架構，其中重點闡述了系統(tǒng)各層級功能定位、負荷控制原則和防止系統(tǒng)誤動與拒動等關鍵技術。本文提出的精準負荷控制系統(tǒng)已在江蘇電網(wǎng)建成投運，實現(xiàn)了350萬千瓦秒級精準實時控制和100萬千瓦毫秒級緊急控制能力。

大受端電網(wǎng)；可中斷負荷；系統(tǒng)保護；切負荷控制系統(tǒng)；穩(wěn)控裝置

特高壓交直流電網(wǎng)建設過渡階段，安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)依然是緊急情況下保障電網(wǎng)安全的重要手段[1-4]。2015年9月19日，華東電網(wǎng)某饋入特高壓直流雙極閉鎖，受端電網(wǎng)損失功率4900 MW，電網(wǎng)頻率最低跌至49.56 Hz[1]。若發(fā)生多回直流同時閉鎖等嚴重故障，電網(wǎng)頻率將產(chǎn)生更嚴重跌落，甚至可能導致系統(tǒng)頻率崩潰。為確保直流故障后電網(wǎng)穩(wěn)定安全穩(wěn)定運行，通常綜合采用多直流提升、抽蓄電站切泵等措施來平衡電網(wǎng)功率的缺額，但上述措施在直流嚴重故障下仍不足以阻止電網(wǎng)的頻率跌落，緊急切負荷措施依然是必要手段[5]。

針對類似直流雙極閉鎖等嚴重故障，若采用過去以110 kV負荷線路為對象，集中切負荷方式，易觸發(fā)國務院599號令[6]所規(guī)定的電力事故等級，造成較大的社會影響。本文提出了基于穩(wěn)控技術的精準負荷控制系統(tǒng)，控制對象精準到生產(chǎn)企業(yè)內部的可中斷負荷，既滿足電網(wǎng)緊急情況下的應急處置，同時僅涉及經(jīng)濟生活中的企業(yè)用戶，且為用戶的可中斷負荷，將經(jīng)濟損失、社會影響降至了最低，是負荷控制系統(tǒng)的一大技術創(chuàng)新。

1 現(xiàn)有負荷控制模式與特點

電網(wǎng)負荷控制主要包括調度批量負荷控制和營銷負荷控制系統(tǒng)2種控制模式。電網(wǎng)故障情況下，負荷控制主要通過第二道防線的穩(wěn)控系統(tǒng)緊急切除負荷，防止電網(wǎng)穩(wěn)定破壞；通過第三道防線的低頻低壓減載裝置負荷減載，避免電網(wǎng)崩潰；這種穩(wěn)控裝置集中切負荷社會影響較大，電網(wǎng)第三道防線措施意味著用電負荷更大面積損失。

1.1 營銷負荷控制系統(tǒng)

營銷負控系統(tǒng)一般與用電采集系統(tǒng)一體化建設，用戶側終端可實現(xiàn)用戶負荷信息精確采集，并上送至營銷負控主站。主站具備用電信息采集、監(jiān)測、控制功能，系統(tǒng)發(fā)布功率/電量定值控制指令，實現(xiàn)對用戶負荷的監(jiān)測和控制[7]。對于營銷負控系統(tǒng)，通道網(wǎng)絡組織是系統(tǒng)建設的重要環(huán)節(jié)，當前主要有2種組網(wǎng)方式。如圖1所示，一是用戶負控終端通過230 MHz數(shù)傳電臺等無線公網(wǎng)，實現(xiàn)信息交互。該方式通信速度慢，通道可靠性不高。二是負控終端通過用戶至就近公網(wǎng)變電站專用光纖通道，并經(jīng)加密裝置后接入電力數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機，實現(xiàn)組網(wǎng)。該方式傳輸速度快，通道可靠性高，但企業(yè)用戶至就近公網(wǎng)變電站必須有光纖通道。營銷負控系統(tǒng)明顯的優(yōu)勢是：能夠實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)情況下負荷精確采集和精準控制，控制時間在秒級以上。

圖1 不同組網(wǎng)方式的營銷負控系統(tǒng)

1.2 穩(wěn)控裝置負荷控制系統(tǒng)

對于電網(wǎng)故障下負荷緊急控制，存在控制容量大、速度快、可靠性要求高等特點。限于通信條件、動作延時、投資預算等因素，以往穩(wěn)控裝置均采用集中控制方式，執(zhí)行端一般設置在220 kV變電站，以110 kV負荷線路為控制對象，如圖2所示，無法做到按負荷性質進一步區(qū)分與選擇。例如西北—華中±500 kV德寶直流聯(lián)網(wǎng)工程四川側配套切負荷控制系統(tǒng)、寧夏—山東±660 kV寧東直流輸電工程山東側配套切負荷系統(tǒng)，均采取此類切負荷方式。該類切負荷穩(wěn)控系統(tǒng)為確保大電網(wǎng)安全發(fā)揮了重大作用，但社會影響也相對較大。隨著電網(wǎng)一次網(wǎng)架的加強、直流功率調控等控制方式的實際應用，除了極為薄弱的電網(wǎng)或具備集中大工業(yè)負荷可短時切除的情況外，這種電網(wǎng)相對集中負荷控制手段已較少使用。

穩(wěn)控裝置負控系統(tǒng)明顯優(yōu)勢：在電網(wǎng)故障情況下在毫秒級或秒級以內實現(xiàn)負荷控制，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

圖2 二道防線穩(wěn)控系統(tǒng)

作為高占比直流饋入電網(wǎng)，緊急切負荷仍然是電網(wǎng)故障情況下確保電網(wǎng)安全的必要手段。結合傳統(tǒng)穩(wěn)控裝置負荷控制系統(tǒng)實時性、安全性優(yōu)點，以及傳統(tǒng)營銷負荷控制系統(tǒng)精確性、可選擇性優(yōu)點，構建一套基于穩(wěn)控技術的既安全可靠又經(jīng)濟實用的精準負荷控制系統(tǒng)顯得非常迫切。

2 精準負荷控制系統(tǒng)整體架構

該系統(tǒng)改變傳統(tǒng)穩(wěn)控裝置以110 kV線路為對象集中負荷控制方式，以35 kV,10 kV生產(chǎn)企業(yè)為最小節(jié)點，以企業(yè)內部短時間可中斷的380 V負荷分支回路為具體控制對象，在電網(wǎng)故障緊急情況下既實現(xiàn)快速的批量負荷控制，確保大電網(wǎng)的穩(wěn)定，同時又實現(xiàn)了負荷的精準、友好控制，將電力用戶的損失降至最小。

控制系統(tǒng)架構如圖3所示。負荷控制精細化決定了涉及企業(yè)用戶數(shù)量多；解決嚴重故障導致的電網(wǎng)大功率缺額問題，決定了控制系統(tǒng)覆蓋地域廣。因此，基于穩(wěn)控技術的負荷精準控制系統(tǒng)按照負荷控制中心站、控制子站、用戶就近變電站以及企業(yè)用戶站4層控制架構設計。中心站、子站按雙套配置，用戶站與就近變電站單套配置。控制中心站與子站均設置在500 kV變電站，中心站考慮接入10個子站，各控制子站接入200個用戶站。用戶就近變電站在控制系統(tǒng)中起到電力公網(wǎng)與企業(yè)用戶通道跨接橋梁作用，數(shù)量決定于用戶的地理分布情況，一般呈1∶ 4比例。

圖3 系統(tǒng)整體架構

整套系統(tǒng)實現(xiàn)地區(qū)企業(yè)用戶可中斷負荷量實時匯總，緊急情況下完成地區(qū)可中斷負荷的精準控制[8]。從電網(wǎng)故障發(fā)生到負荷切除，整組時間控制在450 ms以內。

2.1 控制系統(tǒng)通道組織

各公網(wǎng)變電站裝置間均采用2 M保護專用通道。包括控制中心站與控制子站、控制子站與用戶就近變電站等站間通道、以及控制中心站與上一級決策總站。

各生產(chǎn)企業(yè)未標配SDH通信設備，負控終端無法通過2 M通道直接接入公網(wǎng)通信網(wǎng)絡。充分利用企業(yè)與就近公網(wǎng)變電站的專用光纖通道，負控終端數(shù)據(jù)經(jīng)光纜傳輸，再經(jīng)變電站側光/電信號轉換，通過同軸電纜接入變電站SDH設備。如圖4所示，負控終端實現(xiàn)與控制系統(tǒng)組網(wǎng)。

圖4 系統(tǒng)通道組織結構

2.2 負荷控制中心站

控制系統(tǒng)各層次邏輯關系如圖5所示。負荷控制中心站設置在500 kV變電站，裝置采集兩段500 kV母線電壓，計算電網(wǎng)頻率。通過與子站通信，匯集地區(qū)企業(yè)用戶可中斷負荷總量(即可控制量)，再上送電網(wǎng)決策總站；接收電網(wǎng)決策總站切負荷容量命令，結合一定防誤判據(jù)(例如就地低頻)，向各子站發(fā)送切除負荷層級命令?？刂葡到y(tǒng)兼具第三道防線低頻減載功能，中心站判斷電網(wǎng)頻率低至動作門檻，實時向子站下發(fā)低頻決策結果，子站再結合就地頻率，采取措施。

2.3 負荷控制子站

控制系統(tǒng)M個負荷控制子站根據(jù)用戶的密級程度設置在同一地市或不同地市，一個子站接入200戶企業(yè)站。各子站裝置采集兩段500 kV母線電壓，計算電網(wǎng)頻率。將本站所轄用戶根據(jù)優(yōu)先級原則，分為N個層級，并將各層級對應用戶的可中斷負荷總量上送至控制中心站；接收中心站切負荷層級指令，并結合本站防誤判據(jù)，向層級對應企業(yè)用戶發(fā)送切除負荷指令。與控制中心站相同，裝置兼具第三道防線功能：實時判別電網(wǎng)頻率，電網(wǎng)頻率低至門檻，與中心站低頻決策結果進行校核，實現(xiàn)負荷的控制。

圖5 系統(tǒng)各層次邏輯關系

該套系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了二道防線的精準負荷控制，同時較傳統(tǒng)三道防線離散配置的低頻減載裝置，也實現(xiàn)了負荷精準控制。

2.4 智能負控終端

智能負控終端可實現(xiàn)緊急控制功能(毫秒級)與穩(wěn)態(tài)控制功能的有機結合(秒級、分鐘級)。負控終端實時采集用戶所有380 V分支回路功率。針對毫秒級負荷控制需求，由客戶自主選擇一部分非核心、可短時中斷的用電負荷，如啟停方便的生產(chǎn)線和空調用電、部分照明用電等可中斷負荷，參與電網(wǎng)故障情況下的緊急負荷控制。智能負控終端經(jīng)專用光纖以及變電站側2 M通道，實現(xiàn)該用戶可中斷負荷量上送控制子站，并接收控制子站切除可中斷負荷指令。

2.5 負荷控制原則

控制系統(tǒng)按四層架構設計，用戶負控終端將可中斷負荷總量上送控制子站。如表1所示。M個控制子站根據(jù)本分區(qū)用戶優(yōu)先級的不同，將用戶分為N個層級，并將每個層級用戶可切負荷總量Pmn上送控制中心站[9]。控制中心站將地區(qū)負荷總可切量P并上送決策總站。

表1 中心站與子站負荷統(tǒng)計圖

中心站：

(1)

上送決策總站：

(2)

緊急情況下，中心站接收決策總站切負荷容量指令Pcut，根據(jù)最小過切原則，決策各子站需切除層級：

(3)

中心站向所有子站發(fā)送切除第1至第n層級負荷命令。

3 控制系統(tǒng)可靠性措施

負荷控制系統(tǒng)不正確行為不僅給電網(wǎng)安全帶來嚴重后果，甚至會產(chǎn)生難以估量的社會負面影響。因此，系統(tǒng)從硬件接口到軟件邏輯，裝置防誤動與防拒動均為重要的考慮因素。

3.1 考慮就地頻率作為遠方命令輔助判據(jù)

控制中心站接收電網(wǎng)決策總站切負荷命令，以及控制子站接收中心站命令，均須結合本地頻率輔助判據(jù)確認指令的正確性。以控制中心站為例，收到?jīng)Q策總站切負荷指令后，結合本地頻率確認，滿足就地頻率門檻與變化率要求，本裝置方認為決策總站切負荷指令有效，邏輯關系如圖6所示。

圖6 中心站確認總站切負荷指令邏輯

子站收到中心站低頻減載輪次指令，需結合本地低頻判斷，滿足本地低頻動作校核，子站才認可中心站低頻減載命令有效。結合雙柜配合防誤原則，向用戶負控終端下發(fā)切負荷命令，邏輯關系如圖7所示。

圖7 確認中心站低頻減載指令邏輯

3.2 雙套系統(tǒng)采用“二取二”決策原則

如圖8所示，控制中心站、控制子站裝置均為雙套配置，柜間采用數(shù)據(jù)交換模式[10]，每套裝置配置有“另柜檢修壓板”。正常運行時，中心站、子站4套裝置柜間“另柜檢修壓板”均退出，此時中心站與子站均處于“二取二”原則：以中心站為例，收到?jīng)Q策總站切負荷命令，或裝置就地低頻邏輯達到動作門檻，通過柜間信息交換，須雙套裝置均判出相同性質的決策結果，雙套裝置方可向子站發(fā)送指令。若一套裝置異常，本站另一套裝置須投入“另柜檢修壓板”，系統(tǒng)切換至“二取一”原則[11]。

圖8 柜間信息交換關系

以圖8中控制中心站、XX子站為例：

(1) 中心站A套退出。中心站B套自動閉鎖，切負荷控制系統(tǒng)退出運行。投入B套“另柜檢修壓板”，B套切換至“二取一”模式，并將“二取一”模式下達至各子站?？刂葡到y(tǒng)自動切換至B套獨立運行模式；

(2) XX子站A套退出。該子站B套自動閉鎖，XX子站負荷分區(qū)退出，控制系統(tǒng)處于中心站與其余控制子站局部運行狀態(tài)，系統(tǒng)仍為“二取二”模式。投入XX子站B套“另柜檢修壓板”，B套裝置解除閉鎖，控制系統(tǒng)恢復為中心站與所有子站運行狀態(tài)，系統(tǒng)依舊“二取二”模式。中心站A套裝置從B套裝置獲取XX子站負荷信息，確保了中心站雙套裝置決策依據(jù)一致。

(3) 中心站/子站一套裝置退出的因素包括：與總站(或中心站)通道異常、裝置總功能壓板退出、裝置硬件異常等情況。

3.3 中心站與決策總站雙通道切換備份

控制中心站與控制子站控制邏輯采用“二取二”原則，中心站一套裝置退出，另一套在“另柜檢修壓板”未投入的過渡階段，裝置亦閉鎖，切負荷控制系統(tǒng)將處于退出狀態(tài)，電網(wǎng)的安全性下降。對于中心站裝置退出情況，與決策總站通道異常是主要因素之一。為了提高可靠性，中心站與心站與決策總站單套裝置間采用雙通道互為切換設計方案，任一通道異常，另一通道還可確保兩站間數(shù)據(jù)正常交互，從而降低了中心站雙套裝置退出的概率。

4 結束語

基于穩(wěn)控技術的精準負荷控制系統(tǒng)的已在江蘇電網(wǎng)建成投運，實現(xiàn)了3500 MW秒級可中斷負荷精準實時控制能力和蘇州地區(qū)1000 MW毫秒級(系統(tǒng)保護級)緊急控制能力。該系統(tǒng)既滿足傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)快速性、安全性要求，又實現(xiàn)了企業(yè)用戶可中斷負荷的精準控制，為大受端電網(wǎng)解決故障情況下電網(wǎng)頻率問題提供了良好解決方案，提高了緊急控制的精細化水平，改善了安全穩(wěn)定控制效果，最大限度地減少對用戶停電的干擾，提升了網(wǎng)-荷友好互動性，為其他省級電網(wǎng)提供了應用示范典型案例。

基于穩(wěn)控技術的精準負荷控制技術也可為大送端電網(wǎng)精準機組控制，特別是大規(guī)模的新能源發(fā)電控制提供借鑒。

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羅建裕

羅建裕(1961 —)，男，江蘇無錫人，研究員級高級工程師，從事電網(wǎng)調控運行管理方面的工作;

李海峰(1973 —)，男，河北懷安人，工學博士，研究員級高級工程師，從事電網(wǎng)調控運行管理方面的工作;

江葉峰(1976 —)，男， 江蘇宜興人，高級工程師，從事電網(wǎng)調控運行管理方面的工作;

羅凱明(1978 —)，男，貴州惠水人，高級工程師，從事電網(wǎng)調控運行管理方面的工作;

劉 林(1985 —)，男，江蘇泰州人，工學博士，工程師，從事電網(wǎng)運行穩(wěn)定管理方面的工作。

Source Network Load Friendly Interactive and Precise Load Control System based on Stability Control Technology

LUO Jianyu, LI Haifeng, JIANG Yefeng, LUO Kaiming, LIU Lin

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Dispatch and Control Center, Nanjing 210024，China)

Emergency load shedding when serious HVDC transmission fault happens are necessary measures to prevent frequency drop of receiving-side power network. Combined with the characteristics of the stability control and marketing load control, it proposes a load control system using the load which can be interrupted as the object of precise control. It compares advantages and disadvantages of the load control by stability control device and load control by the marketing system and then introduces the overall architecture of precise load control system. It focus on the functional position of the system, load control principle and prevention for system malfunction and rejection. The precise load control system proposed in this paper has been completed and put into operation in Jiangsu Power Grid, which realizes accurate control of 3.5 million kilowatt per second and emergency control capability of 1 million kilowatt per millisecond.

large receiving power network; interruptible load; system protection; load shedding control system; stability control device; prevention for system malfunction and rejection

2016-10-27；

2016-11-25

國家重點研發(fā)計劃智能電網(wǎng)技術與裝備專項項目(2016YFB0901100)

TM73

A

2096-3203(2017)01-0025-05