物理學(xué)科研究論文
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【摘 要】
嵌入式系統(tǒng)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展使構(gòu)建未來智能電網(wǎng)成為了可能，基于信息物理系統(tǒng)(CPS)技術(shù)構(gòu)建電力信息物理融合系統(tǒng)(CPPS)為實現(xiàn)未來智能電網(wǎng)提供了新的思路。本文對CPPS平臺進(jìn)行了初步研究分析，介紹了應(yīng)用于CPPS中的同步PMU技術(shù)、開放式通信網(wǎng)絡(luò)、分布式控制。
【關(guān)鍵詞】
CPPS;同步PMU;開放式通信;分布式控制
引言
受能源危機、環(huán)保壓力的推動，以及用戶對電能質(zhì)量(QoS)要求的不斷提高，當(dāng)代電力系統(tǒng)不再符合社會的發(fā)展需求，智能電網(wǎng)(Smart Grid)成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。智能電網(wǎng)的發(fā)展原因主要有以下幾個方面：
1)分布式電源(Distributed Generation，DG)大量接入電網(wǎng)導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。由于DG的大量接入使電網(wǎng)變成一個故障電流和運行功率雙向流動的有源網(wǎng)絡(luò)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和脆弱度，因此亟需發(fā)展智能電網(wǎng)以解決DG大量接入電網(wǎng)導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。
2)電力用戶對電能質(zhì)量(QoS)要求的不斷提高�，F(xiàn)代社會短時間的停電也會給高科技產(chǎn)業(yè)帶來巨額的經(jīng)濟損失，近年來發(fā)生的大停電事故更是給社會帶來了難以估量的經(jīng)濟損失。因此，亟需建立堅強自愈的智能電網(wǎng)以提供優(yōu)質(zhì)的電力服務(wù)。
論文主體結(jié)構(gòu)如下：第1部分介紹了近年來信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System ，CPS)技術(shù)的發(fā)展以及CPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系;第2部分介紹了電力信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-Physical Power System，CPPS)的硬件平臺模型;第3部分介紹了同步相量測量裝置(Phasor Measurement Units，PMU)技術(shù);第4部分對CPPS中的開放式通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了初步分析;第5部分對CPPS的分布式控制技術(shù)進(jìn)行了簡單介紹;最后第6部分做出全文總結(jié)。
1 CPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系
CPS技術(shù)的發(fā)展得益于近年來嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、計算機技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等的高速發(fā)展，其最終目標(biāo)是實現(xiàn)對物理世界隨時隨地的控制。CPS通過嵌入數(shù)量巨大、種類繁多的無線傳感器而實現(xiàn)對物理世界的環(huán)境感知，通過高性能、開放式的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部安全、及時、可靠地通信，通過高精度、可靠的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)自主協(xié)調(diào)、遠(yuǎn)程精確控制的目標(biāo)[1]。
CPS技術(shù)已經(jīng)在倉儲物流、自主導(dǎo)航汽車、無人飛機、智能交通管理、智能樓宇以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域得以初步研究應(yīng)用[2]。
將CPS技術(shù)引入到智能電網(wǎng)中，可以得到電力信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-Physical Power System，CPPS)的概念。為了分析CPPS與智能電網(wǎng)的相互關(guān)系，首先簡單回顧一下智能電網(wǎng)的概念。目前關(guān)于智能電網(wǎng)的概念較多，并且未達(dá)成一致結(jié)論。IBM中國公司高級電力專家Martin Hauske認(rèn)為智能電網(wǎng)有3個層面的含義：首先利用傳感器對發(fā)電、輸電、配電、供電等環(huán)節(jié)的`關(guān)鍵設(shè)備的運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)控;然后把獲得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸、收集、整合;最后通過對實時數(shù)據(jù)的分析、挖掘，達(dá)到對整個電力系統(tǒng)運行進(jìn)行優(yōu)化管理的目的[3-4]。
從上文關(guān)于CPS和智能電網(wǎng)的介紹中可以看出，CPS與智能電網(wǎng)在概念上有相通之處，它們均強調(diào)利用前沿通信技術(shù)和高端控制技術(shù)增強對系統(tǒng)的環(huán)境感知和控制能力。因此，在CPS基礎(chǔ)上建立的CPPS為促進(jìn)電力一次系統(tǒng)與電力信息系統(tǒng)的深度融合，最終實現(xiàn)構(gòu)建完整的智能電網(wǎng)提供了新的思路和實現(xiàn)途徑。
2 CPPS的硬件平臺架構(gòu)
基于分布式能源廣泛接入電網(wǎng)所引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題以及建立堅強自愈智能電網(wǎng)的總體目標(biāo)，建立安全、穩(wěn)定、可靠的智能電網(wǎng)成為未來電力系統(tǒng)研究的重要方向，同時也是CPPS研究的主要內(nèi)容。
傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)監(jiān)測手段主要有基于電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)測的SCADA/EMS系統(tǒng)和側(cè)重于電磁暫態(tài)過程監(jiān)測的各種故障錄波儀，保護(hù)控制方式主要有基于SCADA主站的集中控制方式和基于保護(hù)控制裝置安裝處的就地控制方式[5]。就地控制方式易于實現(xiàn)，并且響應(yīng)速度快，但是由于利用的信息有限，控制性能不夠完善，不能預(yù)測和解決系統(tǒng)未知故障，對于電力系統(tǒng)多重反應(yīng)故障更不能準(zhǔn)確動作。集中控制方式利用系統(tǒng)全局信息，能夠優(yōu)化系統(tǒng)控制性能，但是計算數(shù)據(jù)龐大、通信環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，并且現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)主要對電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，不能對電力系統(tǒng)的動態(tài)運行進(jìn)行有效地控制。
針對目前電力系統(tǒng)監(jiān)測、控制手段的不足，要建立堅強自愈的未來智能電網(wǎng)，必須建立相應(yīng)的廣域保護(hù)的實時動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，CPPS的硬件平臺就是在此基礎(chǔ)上建立起來的。
CPPS的硬件平臺6層體系架構(gòu)如圖1所示，主要包括：物理層(電力一次設(shè)備)、傳感驅(qū)動層(同步PMU)、分布式控制層(智能終端單元STU、智能電子裝置IED等)、過程控制層(控制子站PLC)、高級優(yōu)化控制層(SCADA主站控制中心)和信息層(開放式通信網(wǎng)絡(luò))。
其中，底層的物理層是指電力系統(tǒng)的一次設(shè)備，如發(fā)電廠、輸配電網(wǎng)等。傳感驅(qū)動層主要用于對電力系統(tǒng)的動態(tài)運行參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，測量參數(shù)包括電流、電壓、相角等，在CPPS中廣泛使用的測量裝置是同步PMU。分布式控制層主要包括各STU/IED，為廣域保護(hù)的分布式就地控制提供反饋控制回路。過程控制層主要指樞紐發(fā)電廠和變電站的控制子站，是CPPS的重要組成部分，通過收集多個測量節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，建立系統(tǒng)層面的控制回路，并做出相應(yīng)的控制決策。高級優(yōu)化控制層是指調(diào)度中心控制主站，主要為電力系統(tǒng)的動態(tài)運行提供人工輔助優(yōu)化控制。頂層的信息層即智能電網(wǎng)的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，注意信息層并不是單獨的一層，而是重疊搭接CPPS的各個分層，為CPPS內(nèi)部各組件提供安全、及時、可靠的通信。
上文給出了CPPS的硬件平臺模型，但要在電力系統(tǒng)中具體實現(xiàn)CPPS，涉及諸多方面的技術(shù)難題，下面對CPPS中的同步PMU、開放式通信網(wǎng)絡(luò)以及分布式控制等分別加以簡單介紹。
3 同步PMU測量技術(shù)
同步PMU是構(gòu)建CPPS的基礎(chǔ)，它為CPPS中廣域保護(hù)的動態(tài)監(jiān)測提供了豐富的測量數(shù)據(jù)。同步PMU裝置主要對電力系統(tǒng)內(nèi)部的同步相量進(jìn)行測量和輸出，裝設(shè)點包括大型發(fā)電廠、聯(lián)絡(luò)線落點、重要負(fù)荷連接點以及HVDC、SVC等控制系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)包括線路的三相電壓、三相電流、開關(guān)量以及發(fā)電機端的三相電壓、三相電流、開關(guān)量、勵磁電流、勵磁電壓、勵磁信號、氣門開度信號、AGC、AVC、PSS等控制信號[6]。利用測得的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度分析，為電力系統(tǒng)的動態(tài)控制提供依據(jù)。
同步PMU的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
其中，GPS接收模塊將精度在±1微秒之內(nèi)的秒脈沖對時脈沖與標(biāo)準(zhǔn)時間信號送入A/D轉(zhuǎn)換器和CPU單元，作為數(shù)據(jù)采集和向量計算的標(biāo)準(zhǔn)時間源。由電壓、電流互感器測得的三相電流、電壓經(jīng)過濾波整形和A/D轉(zhuǎn)換后，送到CPU單元進(jìn)行離散傅里葉計算，求出同步相量后再進(jìn)行輸出。注意，發(fā)電機PMU除了測量機端電壓、電流和勵磁電壓、電流以外，還需接入鍵相脈沖信號用以測量發(fā)電機功角[7]。
4 CPPS的開放式通信網(wǎng)絡(luò)
建立CPPS的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該在保證安全、及時、可靠的通信的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)具有高度的開放性，支持自動化設(shè)備與應(yīng)用軟件的即插即用，支持分布式控制與集中控制的結(jié)合。對于建立的開放式通信網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行通信實時性分析、網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性分析。
4.1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用
IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)作為新一代的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)而運用于智能變電站中，支持設(shè)備的即插即用和互操作，使智能變電站具有高度的開放性。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是智能變電站的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，同時正在進(jìn)一步發(fā)展成為智能電網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)[8]，因此，使用IEC 61850作為CPPS通信網(wǎng)路的通信標(biāo)準(zhǔn)是最佳選擇。
IEC 61850的核心技術(shù)[9]包括面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)、XML(可擴展標(biāo)記語言)技術(shù)、軟件復(fù)用技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)以及高速以太網(wǎng)技術(shù)等。
4.2 通信網(wǎng)絡(luò)配置與分析
對于CPPS開放式通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)配置，可參考智能變電站的三層二網(wǎng)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置，構(gòu)建CPPS的3層式通信網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。
其中，底層為位于發(fā)電廠、變電站和重要負(fù)荷處的大量PMU、STU/IED，分別負(fù)責(zé)采集實時信息和執(zhí)行保護(hù)控制功能。中間層為控制子站(過程控制單元PLC)，每個控制子站與多個PMU、STU/IED相連，以完成該分區(qū)系統(tǒng)層面的保護(hù)控制，并根據(jù)需要將數(shù)據(jù)上傳到SCADA主站控制中心。SCADA主站控制中心接收各控制子站的上傳數(shù)據(jù)，處理以后將控制信息下發(fā)到各控制子站，以實現(xiàn)CPPS的廣域保護(hù)控制功能。注意，各層設(shè)備均嵌入GPS實現(xiàn)精確對時，保證全系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)采樣。
5 CPPS的分布式控制機理
要建立堅強自愈的智能電網(wǎng)，必須利用新型控制機理建立可靠的電力控制系統(tǒng)。根據(jù)電力故障擴大的路徑和范圍以及故障的時間演變過程，文獻(xiàn)中提出建立時空協(xié)調(diào)的大停電防御框架，建立了電力系統(tǒng)的3道防線，為實現(xiàn)智能電網(wǎng)的廣域動態(tài)保護(hù)控制奠定了良好的基礎(chǔ)。
電力系統(tǒng)的分布式控制(Distributed Control，DC)是相對于傳統(tǒng)的SCADA主站集中控制方式而言的，指的是多機系統(tǒng)，即用多臺計算機(指嵌入式系統(tǒng)，包括PLC控制子站和STU/IED等)分別控制不同的設(shè)備和對象(如發(fā)電機、負(fù)荷、保護(hù)裝置等)，各自構(gòu)成獨立的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間通過通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，通過對任務(wù)的相互協(xié)調(diào)和分配而完成系統(tǒng)的整體控制目標(biāo)[12]。分布式控制的核心特征就是“分散控制，集中管理”。在電力系統(tǒng)的3道防線的基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式控制技術(shù)，建立CPPS的3層控制架構(gòu)，如圖4所示。
其中，分布式控制層主要是在故障發(fā)生的起始階段(緩慢開斷階段)采取的控制措施，其控制目標(biāo)應(yīng)該是保證系統(tǒng)在不嚴(yán)重故障下的穩(wěn)定性，防止故障的蔓延。過程控制層是在系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(級聯(lián)崩潰開始階段)所采取的廣域緊急控制措施，需要付出較大的代價。通常針對可能會使系統(tǒng)失穩(wěn)的特定故障，往往需要投切非故障設(shè)備以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。廣域的緊急控制措施應(yīng)該在故障被識別出的第一時間立即實施，控制措施實施越晚，控制效果越差。優(yōu)化控制層是在前兩層控制均拒動或欠控制而沒有取得控制效果，同時在檢測到各種不穩(wěn)定現(xiàn)象后所采取的控制措施，通常需要進(jìn)行多輪次的切負(fù)荷和振蕩解列。在電力恢復(fù)階段，要有自適應(yīng)的黑啟動和自痊愈的控制方案。
6 結(jié)語
將CPS方法引入到電力系統(tǒng)中，建立CPPS的模型平臺，為建立堅強自愈的智能電網(wǎng)提供新的思路。文中對CPPS中的同步PMU測量技術(shù)、開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式控制技術(shù)分別進(jìn)行了簡單介紹。
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