宋 軍,詹 偉,苗 田,張 中,孔 龍
(甘肅電通電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,蘭州 730050)
特高壓和超高壓直流的優(yōu)點(diǎn)較多,具體包括傳輸能力強(qiáng)、輸送距離遠(yuǎn)、輸送的電量較高、產(chǎn)生的能耗較低等,在自動(dòng)化送端電網(wǎng)中優(yōu)化配置能力較好。隨著遠(yuǎn)距離輸送規(guī)模的加大,自動(dòng)化送端電網(wǎng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了強(qiáng)直弱交問題,特高壓和超高壓直流故障使電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,造成送端電網(wǎng)有功功率分配能力下降,與此同時(shí),特高壓和超高壓直流輸送的無功功率較高,故障擾動(dòng)較強(qiáng),超高壓直流使送端電網(wǎng)換相失敗,弱交流斷面被特高壓和超高壓直流沖擊,造成送端電網(wǎng)發(fā)生了暫態(tài)失步,使電網(wǎng)中風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速變化趨勢(shì)極不固定,降低了送端電網(wǎng)的調(diào)頻能力,減小了自動(dòng)化送端電網(wǎng)的規(guī)模,特高壓和超高壓直流密集饋入送端電網(wǎng)后,交直流耦合控制偏差增大,自動(dòng)化送端電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定[1]。
為了解決以上問題,國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者對(duì)此展開了研究,其中基于實(shí)際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng),由于構(gòu)建了多目標(biāo)控制防御體系,有效減小了故障擾動(dòng),避免了送端電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)失步,但對(duì)于送端電網(wǎng)的有功功率分配能力、風(fēng)速變化趨勢(shì)以及控制偏差問題,卻沒有有效的解決。
基于此,本文設(shè)計(jì)了基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬軟件環(huán)境,并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。
本文設(shè)計(jì)的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件由單片機(jī)、存儲(chǔ)模塊和控制模塊三部分組成,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)的電路模塊包括控制電路、通信接口電路和數(shù)據(jù)采集電路[2]。控制電路中包括4個(gè)輸入緩沖器、2個(gè)超高電壓互感器、1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、多個(gè)電路控制開關(guān)以及2個(gè)電流互感器。由于控制系統(tǒng)屬于特高壓和超高壓直流互聯(lián),因此控制電路的直流電壓為220V,直流電壓經(jīng)過超高壓互感器的轉(zhuǎn)換變成0~10V的交流電壓,經(jīng)過電路控制開關(guān)把電壓信號(hào)輸送至電流互感器中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[3]。電路模塊如圖2所示。
圖2 電路模塊
觀察圖2可知,通信接口電路中包括光電耦合器和采樣保持器,在采集自動(dòng)化送端電網(wǎng)的有功功率和無功功率時(shí),由于功率較高,傳輸功率能力較好,通信方式采用全雙工異步通信方式,光電耦合器可實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換為電能,采樣保持器負(fù)責(zé)將電壓信號(hào)經(jīng)過采樣保持電路進(jìn)行采樣保持。數(shù)據(jù)采集電路中,由超高壓電壓互感器傳輸過來的直流信號(hào)經(jīng)過采樣分壓加到電流互感器的輸入端,當(dāng)輸入端的控制邏輯電平低于輸出電壓時(shí),保持電容放電,從而完成電壓信號(hào)采樣與保持[4]。
因此,電路模塊能夠完成電壓控制、信號(hào)的采樣和信號(hào)傳輸。
控制系統(tǒng)的單片機(jī)是整個(gè)自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的核心,單片機(jī)選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的AT89C51,該款單片機(jī)電壓較低、性能較好,對(duì)特高壓直流換流器可進(jìn)行有效的控制,其內(nèi)部含有只讀程序存儲(chǔ)器和電壓信號(hào)存儲(chǔ)器,兩款存儲(chǔ)器件采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù),該單片機(jī)的指令系統(tǒng)可與其他規(guī)格的單片機(jī)進(jìn)行兼容,片內(nèi)的中央處理器為6位,功能強(qiáng)大,對(duì)自動(dòng)化送端電網(wǎng)的電壓可進(jìn)行很好的控制,片內(nèi)設(shè)置的存儲(chǔ)單元可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)采集完的電壓、電流信號(hào),采用10V~20V雙極性模擬量輸入,存儲(chǔ)的電壓信號(hào)通過片內(nèi)的只讀程序存儲(chǔ)器進(jìn)行控制接通,可將多路電壓、電流信號(hào)進(jìn)行輪流采集,通過單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)特高壓直流換流器的控制[5]。單片機(jī)電路圖如圖3所示。
圖3 單片機(jī)電路圖
為了記錄自動(dòng)化送端電網(wǎng)中的電壓、電流、有功功功率、無功功率、電容等變量參數(shù),在可擦可編程只讀存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了大容量的存儲(chǔ)模塊,存儲(chǔ)容量為320GB,該存儲(chǔ)模塊的核心器件是新型鐵電存儲(chǔ)器,該鐵電存儲(chǔ)器的寫入速度較快、擦除次數(shù)無限制且寫數(shù)據(jù)無延時(shí),存儲(chǔ)芯片價(jià)格較低,可以保存2周的電壓信號(hào)、電流信號(hào)采樣數(shù)據(jù),以及故障信息數(shù)據(jù),為控制系統(tǒng)維護(hù)及數(shù)據(jù)查詢提供便利,在計(jì)量自動(dòng)化送端電網(wǎng)的電量時(shí),可以提升計(jì)量的精度,降低計(jì)量過程中產(chǎn)生的誤差。通過存儲(chǔ)模塊,可實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[6]。存儲(chǔ)模塊圖如圖4所示。
圖4 存儲(chǔ)模塊圖
控制系統(tǒng)的控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化送端電網(wǎng)中特高壓直流換流器、低壓饋線電路的電壓電流的控制,控制模塊的核心器件是混合信號(hào)微控制器,是由三星公司生產(chǎn),該款微控制器采用高速、流水線結(jié)構(gòu)完成有功功率補(bǔ)償以及中斷系統(tǒng)的控制功能,有功功率補(bǔ)償方式為循環(huán)投切方式,先投入控制系統(tǒng)中的有功功率,后投的后切除,降低特高壓直流換流器的運(yùn)行速度,增加投切開關(guān)的動(dòng)作頻率,延長(zhǎng)微控制器的使用壽命,通過逐級(jí)投切方式,可提升特高壓直流換流器的控制精度與控制速度。通過控制模塊,可實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化送端電網(wǎng)中電壓、電流等的控制??刂颇K圖如圖5所示。
圖5 控制模塊圖
基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的軟件流程如下:
首先,進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。為了使自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的換流器保持承壓平衡,需要對(duì)觸發(fā)角和換流變分接頭進(jìn)行協(xié)調(diào)控制??刂葡到y(tǒng)向換流器的控制主機(jī)下發(fā)相同的控制指令,控制主機(jī)接收控制指令后,計(jì)算觸發(fā)角指令,使主控?fù)Q流器和從控?fù)Q流器串聯(lián)運(yùn)行,通過控制主機(jī)的光纖直連通道,換流變分接頭添加協(xié)調(diào)控制偏移量,由此產(chǎn)生的控制偏差可通過調(diào)節(jié)器進(jìn)行修正,觸發(fā)角與換流變分接頭進(jìn)行快速協(xié)調(diào),采用直接協(xié)調(diào)控制,提升控制系統(tǒng)運(yùn)行的平衡度。協(xié)調(diào)控制需要上傳的功率為P,計(jì)算公式為:
圖6 基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件流程
其中,P表示需要上傳的功率;E1表示系統(tǒng)電壓;E2表示等值電壓;X表示并聯(lián)電抗。
然后,進(jìn)行投退控制。換流器的投退控制是特高壓和超高壓直流互聯(lián)的主要功能特征,也是特高壓和超高壓直流控制的關(guān)鍵,在換流器控制主機(jī)中,設(shè)置了專門的電流調(diào)節(jié)器,通過改變換流器的電壓值對(duì)電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行投入控制,當(dāng)換流器在線投入時(shí),接收來自換流器控制主機(jī)的電流指令,將觸發(fā)角進(jìn)行投入控制,使其變化至60度左右,當(dāng)換流器中的電流與電流調(diào)節(jié)器中的電流相等時(shí),切換電流器中的電流指令,在觸發(fā)角與換流變分接頭完成協(xié)調(diào)控制功能后,進(jìn)行換流器的投入操作,投入控制完成后進(jìn)行換流器的在線退出控制。換流器的在線退出控制需要將觸發(fā)角移至60度,并增加直流電流,旁通開關(guān)合位后,將主控?fù)Q流器進(jìn)行閉鎖,當(dāng)主控?fù)Q流器和從控?fù)Q流器產(chǎn)生通信故障時(shí),從控?fù)Q流器故障退出,當(dāng)測(cè)量的電壓值為0.25~0.75之間時(shí),從控?fù)Q流器延時(shí)退出。協(xié)調(diào)控制計(jì)算公式如下:
其中,W表示電網(wǎng)信號(hào)功率;V表示協(xié)調(diào)控制結(jié)果。
最后,采用閉鎖方式完成閉鎖過程。為了降低通信故障帶來的影響,采用閉鎖方式對(duì)換流器進(jìn)行保護(hù)閉鎖,主控?fù)Q流器和從控?fù)Q流器采用相同的閉鎖策略,執(zhí)行閉鎖操作完成閉鎖過程。閉鎖過程如式(3)所示:
其中,S表示閉鎖后的速度;t表示閉鎖時(shí)間;θ表示主控?fù)Q流器和從控?fù)Q流器之間的角度。
本文針對(duì)基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的有功功率分配能力、風(fēng)速變化趨勢(shì)以及控制偏差,將基于實(shí)際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)與本文設(shè)計(jì)的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。通過預(yù)測(cè)超短周期功率信息,得到實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),對(duì)機(jī)群組進(jìn)行分組,得到5類不同的機(jī)群:
觀察圖7可知,有功功率分配能力會(huì)受到控制目標(biāo)與控制模式的影響。分配有功功率需要結(jié)合換流器的投退信息,根據(jù)換流器主控機(jī)下發(fā)的調(diào)度指令、協(xié)調(diào)控制模式與自動(dòng)化送端電網(wǎng)基站的有功功率參考值,預(yù)測(cè)電站內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),按照協(xié)調(diào)控制分配策略,自動(dòng)化送端電網(wǎng)中的各類設(shè)備根據(jù)分配策略進(jìn)行調(diào)控。特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)中控制目標(biāo)包括:光電耦合器、旁通開關(guān)、風(fēng)電機(jī)組等設(shè)備,這些控制目標(biāo)通過采用一定的控制模式發(fā)揮它們的有功功率分配能力,通常情況下,光電耦合器采用的控制模式為定值控制模式,通過定值控制模式,光電耦合器可將自動(dòng)化送端電網(wǎng)的有功功率控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),旁通開關(guān)采用差值控制模式使自動(dòng)化送端電網(wǎng)在低于可發(fā)功率標(biāo)準(zhǔn)值的情況下運(yùn)行,由此產(chǎn)生的功率差值通過換流器主機(jī)下發(fā),風(fēng)電機(jī)組采用調(diào)頻控制模式根據(jù)有功功率與可發(fā)功率的偏差值調(diào)整自動(dòng)化送端電網(wǎng)的有功功率,控制目標(biāo)與控制模式匹配完畢后,采用基于分群的有功控制方法分析有功功率分配能力。
圖7 有功功率分配實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果
在特高壓和超高壓直流互聯(lián)的條件下,需要考慮自動(dòng)化送端電網(wǎng)的控制目標(biāo)是否可控,利用特高壓交直流耦合信息與自動(dòng)化送端電網(wǎng)的關(guān)聯(lián)匹配關(guān)系對(duì)電網(wǎng)的控制目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分群,與此同時(shí),為了使有功功率變化量與送端電網(wǎng)的調(diào)節(jié)需求保持一致,根據(jù)有功功率波動(dòng)范圍確定各個(gè)控制目標(biāo)的控制原則及有功功率暫穩(wěn)狀態(tài),根據(jù)自動(dòng)化送端電網(wǎng)中各個(gè)控制目標(biāo)的有功功率分群分配情況,分辨自動(dòng)化送端電網(wǎng)的有功功率分配能力,本文設(shè)計(jì)的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的風(fēng)速變化趨勢(shì)與基于實(shí)際工程的送端電網(wǎng)的風(fēng)速變化趨勢(shì),對(duì)比結(jié)果如圖8所示。
圖8 風(fēng)速變化趨勢(shì)分配結(jié)果
觀察圖8可知,上升階段為可增有功功率值,下降階段為可減有功功率值。根據(jù)當(dāng)前送端電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),計(jì)算可增有功功率值和可減有功功率值,再將可增有功功率值與可減有功功率值進(jìn)行相加,與最大有功功率值進(jìn)行比較,根據(jù)對(duì)比情況可知,在本文設(shè)計(jì)的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)中,可增和可減有功功率總和大于最大有功功率值,證明有功功率分配能力更強(qiáng),基于實(shí)際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)中,可增和可減有功功率總和小于最大的有功功率值,證明有功功率分配能力小,因此本文系統(tǒng)的有功功率分配能力強(qiáng)于基于實(shí)際工程的控制系統(tǒng)的有功功率分配能力。
根據(jù)以上給出的最大有功功率值和可增、可減有功功率總和值,得出自動(dòng)化送端電網(wǎng)中不同風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速變化趨勢(shì):
觀察圖9可知,與基于實(shí)際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的風(fēng)速變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比可知,由于風(fēng)速的差異性以及分配控制策略的不同,本文系統(tǒng)與基于實(shí)際工程控制系統(tǒng)的風(fēng)速變化在最開始均出現(xiàn)了較大的波動(dòng),但隨著輸出有功功率值的增大,本文系統(tǒng)的風(fēng)速變化逐漸趨于穩(wěn)定,而基于實(shí)際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的風(fēng)速變化沒有隨著輸出有功功率值的增大而發(fā)生變化,波動(dòng)范圍依然較大。
圖9 有功功率控制偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果
選擇某個(gè)控制周期的送端電網(wǎng)的功率運(yùn)行數(shù)據(jù),獲得不同控制目標(biāo)下的不同控制模式的控制偏差,控制偏差包括最大控制偏差、最小控制偏差以及平均控制偏差,根據(jù)對(duì)比結(jié)果可知,本文系統(tǒng)的最大、最小、平均控制偏差均小于基于實(shí)際工程的送端電網(wǎng)控制系統(tǒng),證明送端系統(tǒng)面臨的沖擊較小。綜上所述,本文設(shè)計(jì)的基于特高壓和超高壓直流互聯(lián)的自動(dòng)化送端電網(wǎng)控制系統(tǒng)的有功功率分配能力更高,風(fēng)速變化趨勢(shì)更穩(wěn)定,控制偏差更小。