殷 偉, 顏云松, 潘 琪, 王 亮, 李雪明, 司慶華

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司, 江蘇省蘇州市 215004; 2. 南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106)

0 引言

多直流饋入電網(wǎng)發(fā)生多直流連續(xù)換相失敗和故障導(dǎo)致直流閉鎖時(shí)將造成受端電網(wǎng)有功功率大幅缺額,會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率急劇下降[1]。為避免頻率下降給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn),一般在直流落點(diǎn)近區(qū)配備頻率緊急協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制系統(tǒng),根據(jù)直流損失功率的大小通過(guò)緊急提升相鄰直流輸送功率、切除抽水機(jī)組和受端電網(wǎng)相應(yīng)負(fù)荷來(lái)保持受端電網(wǎng)的功率平衡,抑制頻率下降[2-3]。但傳統(tǒng)的穩(wěn)控系統(tǒng)切除負(fù)荷的對(duì)象一般是變電站110 kV,35 kV和10 kV出線,一旦穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作,將造成受端電網(wǎng)大面積停電,社會(huì)影響較大,容易達(dá)到國(guó)務(wù)院頒布的599號(hào)令《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理?xiàng)l例》所規(guī)定電力安全事故等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。采用快速切除可中斷大用戶負(fù)荷的精準(zhǔn)負(fù)荷控制技術(shù),具有點(diǎn)多面廣、快速可靠、選擇性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),對(duì)社會(huì)用電影響面小,可用于解決大電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題,滿足多直流同時(shí)故障時(shí)對(duì)大量切負(fù)荷的客觀要求。2016年,江蘇電網(wǎng)結(jié)合源—網(wǎng)—荷友好互動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)施率先完成了毫秒級(jí)快速精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的試點(diǎn)工作,把傳統(tǒng)的切除配電網(wǎng)的負(fù)荷線路延伸到可中斷的大用戶負(fù)荷線路,實(shí)現(xiàn)了快速切負(fù)荷方式的根本性改變,起到了很好的示范作用。

可中斷負(fù)荷是在緊急情況下能給電網(wǎng)提供的可控資源,它在滿足“可中斷”的基礎(chǔ)上應(yīng)具備一定的負(fù)荷量、負(fù)荷曲線較平穩(wěn)、控制接入方便的特征。有較大日常負(fù)荷量的普通工業(yè)用戶、大型商業(yè)用戶、電動(dòng)汽車集中充電站、翻水站的抽水泵、大型儲(chǔ)能電站(充電時(shí))、燃煤電廠可中斷輔機(jī)負(fù)荷可作為精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的主要可控資源。這些可中斷的大用戶負(fù)荷,每個(gè)負(fù)荷量不大,用戶數(shù)多,分布分散且地理范圍廣。如何把這些用戶的智能負(fù)控終端接入穩(wěn)定控制系統(tǒng),同時(shí)滿足整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的需求,是當(dāng)前精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)亟需解決的問(wèn)題。

蘇州精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)在架構(gòu)上分成切負(fù)荷主站、切負(fù)荷子站、電網(wǎng)側(cè)接入變電站、用戶控制終端4層,除電網(wǎng)側(cè)接入變電站和用戶控制終端之間采用專用光纖通信之外,其他各層級(jí)均采用基于E1接口的2M(速率為2 048 Kbit/s通道的簡(jiǎn)稱)專用通道實(shí)現(xiàn),每個(gè)可中斷負(fù)荷用戶獨(dú)享一個(gè)2M專用通道。從蘇州精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)看,整個(gè)系統(tǒng)占用了同步數(shù)字序列(SDH)傳輸專網(wǎng)大量的2M通道,切負(fù)荷子站穩(wěn)定控制系統(tǒng)E1通信接口設(shè)備使用量偏大,大量2M通信同軸電纜需要鋪設(shè),通信接口屏位過(guò)多,施工工作量巨大。為保證毫秒級(jí)快速精準(zhǔn)切負(fù)荷工程順利推廣,必須攻克一套穩(wěn)控裝置能高集成度接入、并能毫秒級(jí)控制最多500個(gè)左右可中斷用戶負(fù)荷的工程應(yīng)用難題,滿足各類電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷的要求。

本文以上述控制資源為研究對(duì)象,分析了精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求,給出了終端層和骨干接入層流量分析結(jié)果,從實(shí)時(shí)性、可靠性角度分析了當(dāng)前常用終端接入技術(shù)的可行性。提出一種骨干層基于SDH傳輸網(wǎng)、終端接入層基于專用光纖的多級(jí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信架構(gòu),并基于此架構(gòu)介紹了關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案和多類型終端接入接口設(shè)計(jì)方法。研制了樣機(jī)并進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。

1 需求分析

1.1 實(shí)時(shí)性需求分析

從解決多饋入直流受端電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題的角度考慮,毫秒級(jí)快速精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)屬于電網(wǎng)故障情況下緊急控制措施的范疇,是電網(wǎng)三道防線控制體系中的第二道防線。穩(wěn)控系統(tǒng)(裝置)的技術(shù)條件規(guī)定[4-5]:整組動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于100 ms。以含控制主站、子站、執(zhí)行站3層結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)整組動(dòng)作時(shí)間約為55 ms,各級(jí)裝置功能執(zhí)行時(shí)序如圖1所示。其中主站裝置故障判別時(shí)間不參與整組動(dòng)作時(shí)間的計(jì)算,主站策略執(zhí)行和命令下發(fā)耗時(shí)約為15 ms,子站裝置策略執(zhí)行和命令下發(fā)耗時(shí)約為15 ms,執(zhí)行站裝置策略執(zhí)行以及繼電器出口耗時(shí)為15 ms,各級(jí)裝置間通信延時(shí)(含通道延時(shí)和多幀確認(rèn)時(shí)間)統(tǒng)一約為5 ms。

圖1 穩(wěn)控系統(tǒng)整組動(dòng)作時(shí)間分解Fig.1 Action time decomposition for stability control system

站在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度,精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)在主網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景并未發(fā)生本質(zhì)變化,只是執(zhí)行端的控制對(duì)象發(fā)生了改變。因此在系統(tǒng)架構(gòu)上保留主站裝置和子站裝置的配置,那么對(duì)系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性要求,就變成了對(duì)子站下層系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性約束。按照100 ms整組動(dòng)作時(shí)間考慮,子站裝置從發(fā)出動(dòng)作指令到終端用戶負(fù)荷控制裝置的繼電器出口,總體時(shí)間必須小于65 ms。

1.2 控制終端層和接入層流量分析

按照文獻(xiàn)[6-7]給出的配電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)斷面流量計(jì)算方法估算精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)負(fù)荷控制終端層和骨干網(wǎng)下聯(lián)接口的通信流量。

負(fù)荷控制終端需上送總可切有功功率、實(shí)切功率、狀態(tài)字以及通信幀頭、長(zhǎng)度和校驗(yàn)等信息,共12 B/幀、上傳時(shí)間周期為20 ms,由此,可計(jì)算得到上行斷面流量為4.8 Kbit/s。控制終端需接收控制子站的實(shí)時(shí)切負(fù)荷命令,包含命令類型字、切負(fù)荷量、狀態(tài)字以及通信幀頭、長(zhǎng)度和校驗(yàn)等信息,共12 B/幀,下發(fā)時(shí)間周期為1.667 ms,由此可計(jì)算得到下行斷面流量為57.6 Kbit/s。

用戶終端的上聯(lián)站點(diǎn)為35 kV/110 kV/220 kV接入變電站,據(jù)江蘇蘇州地區(qū)的排查估算,這些接入變電站下聯(lián)的用電大戶一般在8個(gè)以內(nèi),取用戶數(shù)為8,可計(jì)算得到接入變電站跟上級(jí)站點(diǎn)的斷面流量,上行為38.4 Kbit/s,下行為460.8 Kbit/s。

根據(jù)此推算結(jié)果,一個(gè)接入變電站采用2個(gè)E1接口就能完全滿足控制子站雙套裝置對(duì)其所轄大用戶的快速通信要求。

1.3 用戶負(fù)荷控制終端通信接入技術(shù)分析

用戶負(fù)荷控制終端通信接入技術(shù)[8-9]大體上分為有線和無(wú)線接入方式,有線接入主要有基于SDH的2M專線接入、專用光纖接入[10-11]和電力線載波方式;無(wú)線接入主要有通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(GPRS)和4G專網(wǎng)方式。其中2M專線基于SDH光纖通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),可以滿足電力系統(tǒng)傳輸繼電保護(hù)信號(hào)傳輸損傷和時(shí)間延遲的要求[12]。專用光纖接入采用端對(duì)端單模光纖傳輸,具有通信容量大,抗電磁干擾能力強(qiáng),穩(wěn)定性高的特點(diǎn)[13]。基于GPRS的無(wú)線通信方式由于其固有的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)技術(shù)局限,目前實(shí)際應(yīng)用的通信速率只能達(dá)到9 600 bit/s,實(shí)時(shí)響應(yīng)能力不能達(dá)到精準(zhǔn)切負(fù)荷的快速性要求。4G專網(wǎng)方式提供基于網(wǎng)絡(luò)之間互連協(xié)議(IP)的數(shù)據(jù)通信服務(wù),終端帶寬理論上可以達(dá)到10 Mbit/s級(jí)[14],但在用于高可靠性的電力系統(tǒng)控制通信時(shí)一般采用傳輸控制協(xié)議(TCP),限制了同一個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)的終端接入個(gè)數(shù)。同時(shí),由于無(wú)線通信受物理遮擋、空間電磁場(chǎng)、天氣等因素的影響較大,在終端大規(guī)模掛網(wǎng)時(shí),實(shí)時(shí)在線率暫無(wú)數(shù)據(jù)支撐,可靠性無(wú)法得到保證,目前還不具備大規(guī)模應(yīng)用的條件,個(gè)別光纖通道很難覆蓋的用戶可以考慮使用4G專網(wǎng)方式試點(diǎn)接入。綜上,采用2M專線和專用光纖通信技術(shù)是實(shí)時(shí)性最強(qiáng)、可靠性最高的首選方案。

2 系統(tǒng)通信架構(gòu)

基于上述實(shí)時(shí)性需求、業(yè)務(wù)流量、終端通信接入技術(shù)分析,充分利用電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)現(xiàn)有通信資源,構(gòu)建一種多級(jí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信架構(gòu),可以滿足精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的需求,架構(gòu)如圖2所示。該架構(gòu)總體上分成3層,即控制主站層、控制子站層、終端用戶接入層。圖中的控制中心站作為精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的上級(jí)控制中樞,不計(jì)入架構(gòu)層數(shù)統(tǒng)計(jì)。終端接入層根據(jù)接入的可中斷負(fù)荷類型,采取不同的通信接入方式。

圖2 精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Schema diagram of precision load shedding system

三層架構(gòu)中,控制主站接收上級(jí)穩(wěn)控系統(tǒng)切負(fù)荷控制指令,進(jìn)行負(fù)荷分配,下達(dá)控制任務(wù);控制子站匯集本地區(qū)可切負(fù)荷量,上傳至控制主站,并執(zhí)行控制主站的切負(fù)荷控制指令;控制終端采集用戶可切負(fù)荷量并實(shí)時(shí)上送,同時(shí)接收控制子站的指令,快速切除部分可中斷負(fù)荷。

精準(zhǔn)負(fù)荷控制主站一般設(shè)在直流落點(diǎn)換流站近區(qū)通道條件好的500 kV交流匯集站,裝置采用雙套配置;控制子站一般設(shè)在負(fù)荷集中區(qū)域的500 kV或220 kV交流站,裝置采用雙套配置;控制終端一般分為普通用戶控制終端和燃煤電廠控制終端。普通用戶控制終端安裝于大用戶的配電房、翻水站的泵室、儲(chǔ)能站的配電控制室等,采用單套配置;燃煤電廠控制終端分散布置于電廠各個(gè)開關(guān)室,主機(jī)采用雙套配置。

3 通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 組網(wǎng)方案

精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的毫秒級(jí)業(yè)務(wù)通道采用基于SDH的2M專線方式,利用骨干傳輸網(wǎng)分層傳輸,在終端接入層使用裸纖方式接入,具體方案如下。

1)控制主站和控制子站之間的2M通道由省際或省級(jí)SDH骨干傳輸網(wǎng)承載,通信系統(tǒng)應(yīng)為A,B套裝置提供雙設(shè)備、雙路由的配置條件?？刂浦髡鞠侣?lián)的通信接口為滿足G.703標(biāo)準(zhǔn)的E1接口。

2)控制子站和控制主站上聯(lián)的通信接口為E1接口,和終端接入層的下聯(lián)接口為符合STM-1幀結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的155 Mbit/s光纖接口。

3)終端用戶接入層根據(jù)自身管轄可中斷負(fù)荷的特性差別,采用不同的方式接入控制子站裝置。如果可中斷負(fù)荷為普通大用戶,例如工業(yè)用戶、大型商業(yè)用戶、汽車充電站、儲(chǔ)能電站等,由于用戶側(cè)配電站不具備SDH設(shè)備,需在用戶站點(diǎn)和接入變電站之間建設(shè)通信光纜,為用戶控制終端至接入變電站提供裸纖通道,再由專用的多用戶匯集光電轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)E1接口接入SDH設(shè)備,進(jìn)而和控制子站裝置建立共享2M通道的通信鏈接。如果可中斷負(fù)荷為燃煤電廠輔機(jī)系統(tǒng),由于電廠一般都具備SDH設(shè)備,電廠可中斷輔機(jī)負(fù)荷控制終端可直接通過(guò)E1接口跟控制子站裝置建立獨(dú)享2M通道的通信連接。接入變電站和電廠的通信接口裝置應(yīng)提供互為備用的A,B通道上聯(lián)端口。對(duì)于地理位置比較偏遠(yuǎn),難以鋪設(shè)光纖通道的少數(shù)大用戶,可采用無(wú)線4G接入的方式。

3.2 穩(wěn)控系統(tǒng)STM-1通信接口技術(shù)

安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的站間通信一般采用2M專線,裝置接口形式為E1。穩(wěn)控系統(tǒng)對(duì)2M通道的使用采用透明傳輸方式,即一個(gè)2M通道只能傳輸一路單源數(shù)據(jù)。該傳輸方式在物理層上大體可分為信息編碼層和基帶傳輸編碼層,分別采用1B4B和HDB3編碼;在數(shù)據(jù)鏈路層上采用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)協(xié)議。在常規(guī)的3層結(jié)構(gòu)(控制主站、子站、執(zhí)行站)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)中,子站需要數(shù)量較多的E1接口,但一般不會(huì)超過(guò)50個(gè)。安全穩(wěn)定控制裝置通過(guò)專用的通信擴(kuò)展機(jī)箱可提供數(shù)量足夠的對(duì)外接口。

在精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)中,位于負(fù)荷集中區(qū)的控制子站一次接入的用戶控制終端數(shù)以百計(jì),即使考慮了多用戶共享2M接入的情況,單套裝置所需接入的2M通道數(shù)目也可能在60個(gè)以上。在這種情況下,如果仍然采用E1接口接入,一則超過(guò)了變電站現(xiàn)有SDH設(shè)備E1接口板卡的配置極限,二則超出了現(xiàn)有安全穩(wěn)定控制裝置的通信承載能力,三則給現(xiàn)場(chǎng)同軸電纜鋪設(shè)施工的工程量及后期設(shè)備運(yùn)維復(fù)雜度帶來(lái)極大的壓力。

為解決此問(wèn)題,本文提出了穩(wěn)控裝置STM-1通信接口技術(shù),即保持穩(wěn)控裝置原有的通信架構(gòu)不變,采用FPGA硬件編碼技術(shù),將63路HDLC模塊整合進(jìn)一個(gè)符合G.703標(biāo)準(zhǔn)的STM-1接口模塊。該技術(shù)FPGA的內(nèi)部邏輯框圖詳見附錄A圖A1。采用STM-1接口以后,穩(wěn)控裝置的通信配置集成度大幅提高,一對(duì)STM-1光纖接口就能取代原來(lái)63對(duì)同軸電纜E1接口,大大減少了通信接口電纜的敷設(shè)工作量,同時(shí)由于通信接插點(diǎn)數(shù)目大幅降低,提高了精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)整體的通信穩(wěn)定性和可靠性,也同時(shí)大大減少了變電站的通信接口屏的數(shù)量。

3.3 電網(wǎng)側(cè)接入變電站多用戶接入技術(shù)

根據(jù)上文描述的通信組網(wǎng)方案,為充分利用2M專線通信容量,節(jié)省2M通信鏈路資源,在接入變電站可采取多用戶共享一路2M通道的方案,同時(shí)為解決用戶終端光纖數(shù)據(jù)和E1電接口之間的轉(zhuǎn)換,本文提出一種多路光/電接口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換方案,詳見附錄A圖A2。該方案在硬件上實(shí)現(xiàn)8路專用光纖信號(hào)和2路E1電信號(hào)(A/B互為備用)之間的轉(zhuǎn)換,在軟件上通過(guò)基于定時(shí)硬中斷的時(shí)分復(fù)用處理方法,區(qū)別對(duì)待上行穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和下行命令數(shù)據(jù),保證電網(wǎng)緊急情況下控制命令的實(shí)時(shí)下發(fā)。

用戶控制終端應(yīng)集成專用光纖接口模件,用于和電網(wǎng)側(cè)接入變電站的光電接口轉(zhuǎn)換裝置建立通信,光纖通信可采用IEC 60044-8中定義的FT3協(xié)議和HDLC協(xié)議或者專用通信協(xié)議。用戶控制終端在不具備集成專用光纖接口模件的情況下,也可采用外接轉(zhuǎn)換裝置的方案,但在整組動(dòng)作時(shí)間上需滿足實(shí)時(shí)性需求。

4 負(fù)荷控制終端通信接口設(shè)計(jì)

用戶負(fù)荷控制終端適用于大型電力用戶的變電所、配電房等處。用戶控制終端不僅具有傳統(tǒng)負(fù)控終端具備的用戶線路負(fù)荷實(shí)時(shí)采集、就地功率控制、需求側(cè)響應(yīng)等常規(guī)負(fù)控終端的功能,還具備快速響應(yīng)大電網(wǎng)事故下的快速負(fù)荷切除、事故告警音響等功能?？刂平K端系統(tǒng)框圖詳見附錄A圖A3。對(duì)于不同接入條件的用戶控制終端,具體接入方案如下。

4.1 2M專線(E1接口)接入

具備2M專線接入條件的控制終端(例如燃煤電廠可中斷輔機(jī)控制終端)的接入方式和安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的站間通信類似,控制終端必須設(shè)計(jì)帶有E1接口,采用同軸電纜接入就地SDH,實(shí)現(xiàn)與控制子站裝置的通信。

4.2 專用光纖接入

1)對(duì)于新開發(fā)的用戶負(fù)荷控制終端,可以在裝置硬件上考慮內(nèi)嵌穩(wěn)控專用光纖通信模件來(lái)實(shí)現(xiàn)與接入變電站多用戶接入裝置的光纖通信。專用光纖通信模件和用戶終端的主控CPU之間可以考慮以裝置內(nèi)部總線(如控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)、低壓差分信號(hào)(LVDS)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。用戶控制終端的主控軟件必須保證與穩(wěn)控命令相關(guān)的任務(wù)模塊的響應(yīng)實(shí)時(shí)性。

2)對(duì)于具備物理隔離的多網(wǎng)口通信條件的負(fù)荷控制終端,可以采用外接光電轉(zhuǎn)換模塊的方式實(shí)現(xiàn)與接入變電站多用戶接入裝置的光纖通信。光電轉(zhuǎn)換模塊上聯(lián)光纖通信采用與多用戶接入裝置相應(yīng)的通信協(xié)議(HDLC/FT3),下聯(lián)通信采用電以太網(wǎng)通信,具體協(xié)議可采用通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?GOOSE)、IEC 60870-5-104協(xié)議[15]、或者專用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)。用戶控制終端的主控軟件必須做相應(yīng)的改造,滿足實(shí)時(shí)控制的需求。

4.3 無(wú)線4G接入

對(duì)于光纖通信鋪設(shè)距離長(zhǎng),管道開挖難度太大的用戶,如果終端用戶在4G專網(wǎng)(TD-LTE)覆蓋的范圍之內(nèi),可以采用無(wú)線接入方式。對(duì)用戶負(fù)控終端的要求與4.2節(jié)中描述的一致,在用戶側(cè)配備一個(gè)客戶終端設(shè)備(CPE),在TD-LTE核心網(wǎng)交換機(jī)處布置多用戶接入裝置和4.2節(jié)中提到的光電轉(zhuǎn)換模塊,其中多用戶接入裝置上聯(lián)站內(nèi)SDH設(shè)備E1接口,下聯(lián)光電轉(zhuǎn)換模塊,光電轉(zhuǎn)換模塊采用電以太網(wǎng)連至核心網(wǎng)交換機(jī),如圖2左側(cè)部分所示。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

采用上述的精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)通信接口設(shè)計(jì)技術(shù)分別研制了安全穩(wěn)定控制裝置STM-1接口裝置、電網(wǎng)側(cè)接入變電站多用戶光纖接入裝置、大用戶負(fù)荷控制終端、燃煤電廠可中斷輔機(jī)控制終端;為適應(yīng)已有負(fù)荷控制終端和無(wú)線4G接入,開發(fā)了用戶端光電轉(zhuǎn)換裝置。

為了考察STM-1接口裝置用于安全穩(wěn)定控制裝置站間通信的可行性,采用烽火公司IBAS 180型SDH設(shè)備,搭建了采用STM-1通信接口,下聯(lián)63個(gè)E1接口的測(cè)試方案,E1接口由實(shí)際的安全穩(wěn)定控制裝置提供,這樣就構(gòu)成了實(shí)際的星形“一對(duì)多”傳輸系統(tǒng)[16]。

在網(wǎng)絡(luò)報(bào)文收發(fā)上,分別采用1 200 Hz和600 Hz頻率的變幀長(zhǎng)報(bào)文,報(bào)文長(zhǎng)度按6～64 B循環(huán)變化,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)行測(cè)試,未見誤碼和丟幀情況。在命令幀的測(cè)試上,采用連續(xù)命令幀隨機(jī)丟失和錯(cuò)誤命令幀隨機(jī)插入的方式進(jìn)行連續(xù)測(cè)試,未見裝置誤動(dòng)作。此項(xiàng)測(cè)試驗(yàn)證了STM-1接口裝置在滿載情況下的處理能力,以及應(yīng)用層數(shù)據(jù)多變場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。

為驗(yàn)證用戶終端2M專線接入和專用光纖直接接入方式的實(shí)時(shí)性,在上述STM-1接口通信的基礎(chǔ)上,搭建控制主站和控制子站,同時(shí)采用電網(wǎng)側(cè)接入變電站多用戶光纖接入裝置、用戶控制終端和燃煤電廠輔機(jī)控制終端構(gòu)成實(shí)際的精準(zhǔn)切負(fù)荷控制網(wǎng)絡(luò),如圖3所示。該測(cè)試系統(tǒng)中,安控測(cè)試儀的角色等同于圖2中的控制中心站。用全球定位系統(tǒng)(GPS)同步后的繼電保護(hù)測(cè)試儀抓取終端動(dòng)作開關(guān)量,同時(shí)結(jié)合各級(jí)安全穩(wěn)定控制裝置的事件報(bào)文時(shí)間計(jì)算系統(tǒng)各級(jí)延時(shí)和整組動(dòng)作延時(shí)。

圖3 用戶直接光纖/2M專線接入測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Test system of user terminal accessing by fiber/2M dedicated line directly

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件跟現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件相比,僅在穩(wěn)定控制裝置STM-1接口接入的對(duì)象上發(fā)生了改變。實(shí)際系統(tǒng)中,穩(wěn)定控制裝置STM-1接口面向SDH傳輸網(wǎng),由其建立至各個(gè)目的站E1接口的2M邏輯通道;而實(shí)驗(yàn)室環(huán)境是直接通過(guò)單臺(tái)SDH設(shè)備下聯(lián)E1接口,略去了SDH傳輸網(wǎng)的各級(jí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),理論上能減少部分通信延時(shí),該延時(shí)可通過(guò)站間距離(用于光信號(hào)傳輸計(jì)時(shí))外加SDH設(shè)備轉(zhuǎn)接次數(shù)(每次轉(zhuǎn)接耗時(shí)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值為20 μs)嚴(yán)格估算整體延時(shí)上限。根據(jù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),站間距離為600 km以內(nèi)的SDH傳輸,10 ms為通信延時(shí)上限。

采用安控測(cè)試儀模擬控制中心站給控制主站發(fā)切負(fù)荷指令的方式觸發(fā)系統(tǒng)動(dòng)作,實(shí)測(cè)記錄了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)實(shí)際耗時(shí)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)測(cè)取加權(quán)平均,測(cè)得用戶控制終端側(cè)的整組動(dòng)作時(shí)間為67 ms,燃煤電廠可中斷輔機(jī)控制終端側(cè)的整組動(dòng)作耗時(shí)為61 ms。同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)各環(huán)節(jié)的最大耗時(shí)計(jì)算系統(tǒng)整組動(dòng)作時(shí)間的最大耗時(shí)邊界:用戶控制終端側(cè)為78 ms,燃煤電廠側(cè)為70 ms。具體耗時(shí)實(shí)測(cè)結(jié)果見表1。測(cè)試結(jié)果均在預(yù)估范圍內(nèi),幾毫秒的差別與命令傳輸路徑以及不同系統(tǒng)的內(nèi)部處理時(shí)序有關(guān)。

為驗(yàn)證用戶終端通過(guò)外接光電轉(zhuǎn)換模塊間接光纖接入和通過(guò)無(wú)線4G專網(wǎng)接入的實(shí)時(shí)性,采用TD-LTE無(wú)線專網(wǎng)設(shè)備搭建了對(duì)比測(cè)試系統(tǒng),如圖4所示。

表1 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)耗時(shí)及整組動(dòng)作耗時(shí)Table 1 System time-consuming of nodes and whole group

圖4 用戶終端間接光纖/無(wú)線4G接入測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 Test system of user terminal accessing by fiber/wireless 4G indirectly

圖中模擬實(shí)際通信系統(tǒng)搭建了精準(zhǔn)負(fù)荷控制主站、子站和接入站設(shè)備,由安控測(cè)試儀模擬控制中心站下發(fā)切負(fù)荷命令觸發(fā)系統(tǒng)動(dòng)作。場(chǎng)景1模擬用戶控制終端光纖間接接入,場(chǎng)景2,3,4分別模擬用戶控制終端和基站相距0,0.8,2.4 km時(shí)通過(guò)4G無(wú)線接入。用GPS同步后的繼電保護(hù)測(cè)試儀抓取終端動(dòng)作開關(guān)量,計(jì)算不同場(chǎng)景下的整組動(dòng)作延時(shí)。實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 控制終端多場(chǎng)景接入實(shí)測(cè)整組動(dòng)作延時(shí)Table 2 Measured action time of control terminal with multi-scenario access

4種場(chǎng)景下的測(cè)試結(jié)果表明,用戶控制終端通過(guò)間接光纖或者無(wú)線4G接入時(shí),整組動(dòng)作時(shí)間均在100 ms內(nèi),滿足精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)上,為直流落點(diǎn)受端電網(wǎng)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)提出了一套完整的工程技術(shù)方案并研制了相關(guān)的設(shè)備,進(jìn)行了詳盡的測(cè)試驗(yàn)證,結(jié)果符合預(yù)期。該方案能把原蘇州精準(zhǔn)切負(fù)荷子站下層系統(tǒng)對(duì)SDH傳輸網(wǎng)2M通道的占用數(shù)目降低至原來(lái)的1/8,同時(shí)大幅減少切負(fù)荷子站通信接口裝置屏柜和配線柜的使用。本方案將在江蘇源—網(wǎng)—荷二期蘇北精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)中得到工程應(yīng)用。文中提出的通信組網(wǎng)方案是基于當(dāng)前的電力系統(tǒng)SDH骨干傳輸專網(wǎng)實(shí)現(xiàn),在接入層主要采用專用光纖直接/間接接入方式,通信延時(shí)確定、可靠性高,但需要進(jìn)行光纖鋪設(shè)。接入層大規(guī)模采用無(wú)線接入方式(如4G無(wú)線專網(wǎng))是今后的研究方向,但目前無(wú)線接入方式用于強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性及可靠性研究仍處于摸索階段,需要進(jìn)行更加深入的理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和工程試點(diǎn)驗(yàn)證。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

參 考 文 獻(xiàn)

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