杜小磊，張文，李國(guó)杰，王哲，徐東坡

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)不斷飛速發(fā)展，對(duì)能源需求不斷增加，化石能源的剩余量日益減少，新能源將成為主要的能源利用形式。近年來(lái)，特高壓大電網(wǎng)的建設(shè)以及新能源發(fā)電、直流輸電和電力電子裝置等大量使用，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱穩(wěn)控系統(tǒng))作為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第二道防線，在電網(wǎng)中普遍應(yīng)用，已成為電網(wǎng)日常運(yùn)行不可或缺的重要組成部分[1]。

新能源風(fēng)電技術(shù)在新能源技術(shù)發(fā)展中比較成熟，并且具備一定開(kāi)發(fā)應(yīng)用規(guī)模，目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電新增裝機(jī)容量和累計(jì)裝機(jī)容量均保持全球首位[2]。風(fēng)力發(fā)電也在電力系統(tǒng)中扮演越來(lái)越重要的角色，越來(lái)越多的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并入電力網(wǎng)絡(luò)，且并網(wǎng)規(guī)模還在進(jìn)一步提高[3]。但與常規(guī)發(fā)電相比風(fēng)力發(fā)電在故障特征和運(yùn)行條件上有著較大區(qū)別[4]。大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生很大影響，對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)采取有效的控制策略是保障風(fēng)電場(chǎng)大范圍并網(wǎng)的關(guān)鍵[5]。隨著精準(zhǔn)負(fù)荷系統(tǒng)[6]在電網(wǎng)中的成功應(yīng)用，為接入風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域電網(wǎng)中加入穩(wěn)控系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)的可能性。本文提出了一種適用于新能源的風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)，并搭建試驗(yàn)環(huán)境驗(yàn)證了該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的功能，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)介紹

1.1 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)原理

大型風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)之一就是“遠(yuǎn)離負(fù)荷中心”，需要長(zhǎng)距離輸送功率，可能導(dǎo)致風(fēng)電接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)時(shí)面臨外送功率線路過(guò)載和區(qū)域電網(wǎng)頻率升高等問(wèn)題，若不及時(shí)處理會(huì)引發(fā)系統(tǒng)故障，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)后，次同步振蕩現(xiàn)象在電網(wǎng)中發(fā)生的概率會(huì)越來(lái)越高，為了抑制和消除次同步振蕩的影響，需要對(duì)風(fēng)電接入的線路進(jìn)行次同步振蕩檢測(cè)和控制。另外，當(dāng)主網(wǎng)故障導(dǎo)致功率過(guò)剩時(shí)，需要接收系統(tǒng)主站下發(fā)的切機(jī)命令。因此，風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)應(yīng)具備遠(yuǎn)方切機(jī)、過(guò)載切機(jī)和暫穩(wěn)切機(jī)等策略控制功能。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由1套主站和3套執(zhí)行站構(gòu)成，主站包括1臺(tái)主站主機(jī)和1臺(tái)主站從機(jī)。主站主機(jī)可同時(shí)接入3套執(zhí)行站，執(zhí)行站包括1臺(tái)執(zhí)行站主機(jī)和2臺(tái)執(zhí)行站從機(jī)。

1.3 系統(tǒng)中各裝置實(shí)現(xiàn)功能

主站主機(jī)功能為接收電力主網(wǎng)遠(yuǎn)方主站下發(fā)的切機(jī)容量命令，切除各執(zhí)行站風(fēng)電機(jī)組。當(dāng)線路故障時(shí)，根據(jù)斷面潮流情況，按預(yù)先設(shè)計(jì)的策略切除各執(zhí)行站風(fēng)電機(jī)組。對(duì)接入的重點(diǎn)風(fēng)電線路，進(jìn)行次同步振蕩檢測(cè)及就地控制，及時(shí)切除威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的風(fēng)電并網(wǎng)線路。

主站從機(jī)功能為完成接入的母線、變壓器或線路等元件的模擬量采集功能，當(dāng)接入系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時(shí)完成跳閘出口功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

執(zhí)行站主機(jī)功能為向主站主機(jī)上送風(fēng)電機(jī)組可切容量，接收主站主機(jī)下發(fā)的切除機(jī)組命令，向執(zhí)行站從機(jī)發(fā)送跳開(kāi)對(duì)應(yīng)支路命令，具有就地母線過(guò)頻切機(jī)控制功能。

執(zhí)行站從機(jī)功能為完成風(fēng)機(jī)的模擬量采集功能，將風(fēng)機(jī)有功功率上送執(zhí)行站主機(jī)，同時(shí)接收?qǐng)?zhí)行站主機(jī)下發(fā)的跳閘命令，完成跳開(kāi)對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)支路功能。

1.4 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)通信協(xié)議

風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)主機(jī)裝置的策略CPU采用10M FT3與站內(nèi)從機(jī)通信，啟動(dòng) CPU 經(jīng) OTOC-100通信擴(kuò)展裝置擴(kuò)展為2M端口，與遠(yuǎn)方主站和執(zhí)行站通信。其中2M通信協(xié)議采用1.667 ms固定間隔發(fā)送帶有校驗(yàn)位的 HDLC 協(xié)議報(bào)文，并采用三幀確認(rèn)來(lái)提高通信可靠性。主從機(jī)之間為基于 FT3擴(kuò)展幀規(guī)約(4個(gè)Block)的10M串口通信方式，以0.833 ms固定間隔交換通信數(shù)據(jù)，并支持分幀發(fā)送。各裝置間信息交互內(nèi)容如表1所示。

2 搭建測(cè)試環(huán)境驗(yàn)證系統(tǒng)功能可行性

2.1 測(cè)試環(huán)境

搭建風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境如圖2所示，測(cè)試環(huán)境包括RTDS仿真測(cè)試系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)測(cè)試機(jī)兩部分。

表1 信息交互內(nèi)容

2.2 RTDS仿真測(cè)試系統(tǒng)

RTDS實(shí)時(shí)仿真裝置是一種全數(shù)字電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真模擬裝置[7]，依靠RTDS與風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)閉環(huán)連接的優(yōu)勢(shì)，在RTDS中搭建風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)模型，驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)策略邏輯可行性，考核整組動(dòng)作時(shí)間指標(biāo)。

2.2.1 系統(tǒng)控制策略可行性驗(yàn)證

圖3為等效的RTDS風(fēng)電場(chǎng)仿真模型。

封裝小步長(zhǎng)元件“VB1”為風(fēng)機(jī)變流器仿真模型，詳細(xì)模型如圖4所示。

當(dāng)主站主機(jī)收到電力主網(wǎng)下發(fā)的切負(fù)荷命令，根據(jù)采集到的風(fēng)電機(jī)組的容量，能按照優(yōu)先級(jí)切除執(zhí)行站從機(jī)連接的 BRK1風(fēng)機(jī)支路。

圖2 測(cè)試環(huán)境

圖3 等效仿真模型

圖4 風(fēng)機(jī)變流器仿真模型

主站從機(jī)接入Line1、Line2兩條線路。若電網(wǎng)Line1 K3-3發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)致Line2外送線路的功率過(guò)載，此時(shí)主站主機(jī)會(huì)分為兩輪次向執(zhí)行站主機(jī)下發(fā)切除過(guò)載量命令，執(zhí)行站從機(jī)能根據(jù)最小過(guò)切原則實(shí)現(xiàn)切除對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)支路。

模擬風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩時(shí)，主站主機(jī)能準(zhǔn)確向主站從機(jī)下發(fā)跳開(kāi)并網(wǎng)線路命令，及時(shí)切除風(fēng)電機(jī)組。

根據(jù)主站從機(jī)采集到的330 kV雙回線潮流斷面功率，主站主機(jī)根據(jù)表2中的控制策略，向執(zhí)行站主機(jī)下發(fā)需切除的負(fù)荷容量。

2.2.2 系統(tǒng)整組動(dòng)作時(shí)間測(cè)試

整組動(dòng)作時(shí)間指從判出故障至最終裝置出口動(dòng)作的時(shí)間，是穩(wěn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的重要指標(biāo)[8]。

表2 控制策略表

以線路故障為例，模擬系統(tǒng) K3-3點(diǎn)發(fā)生故障，主站從機(jī)將采集到的故障量值及故障類型上送到主站主機(jī)，主站主機(jī)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行策略決策后，向執(zhí)行站主機(jī)下發(fā)切機(jī)命令，執(zhí)行站主機(jī)根據(jù)收到的需切機(jī)組容量向執(zhí)行站從機(jī)下發(fā)切除支路命令，執(zhí)行站從機(jī)跳開(kāi)對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)支路開(kāi)關(guān)，進(jìn)而出口信息反饋到 RTDS。以發(fā)生故障為起始時(shí)刻，RTDS 收到出口信號(hào)為結(jié)束時(shí)刻，測(cè)得整組動(dòng)作時(shí)間如表3所示。

表3 整組動(dòng)作時(shí)間

上述風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)整組動(dòng)作時(shí)間5次平均值為75.48 ms，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)期不大于100 ms的要求。

2.3 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)測(cè)試機(jī)

圖5 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

測(cè)試機(jī)硬件采用6U機(jī)箱，硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

測(cè)試機(jī)軟件分為遠(yuǎn)方主站模塊、主機(jī)模塊和從機(jī)模塊，具備收發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)報(bào)文記錄等功能。實(shí)現(xiàn)考核風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)不同裝置間通信協(xié)議、單裝置動(dòng)作時(shí)間和系統(tǒng)最大運(yùn)行能力。

2.3.1 通信協(xié)議正確性驗(yàn)證

遠(yuǎn)方主站模塊通過(guò)CPU插件的2M通信口與主站主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在測(cè)試機(jī)中控制通信報(bào)文中26個(gè)字節(jié)的每一個(gè)字節(jié)，主站主機(jī)能正確接收遠(yuǎn)方主站模塊下發(fā)的每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。同時(shí)，遠(yuǎn)方主站模塊也能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主站主機(jī)上送的數(shù)據(jù)。

主機(jī)模塊可以同時(shí)模擬主站主機(jī)和執(zhí)行站主機(jī)功能，分別實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證測(cè)試機(jī)與主站主機(jī)、執(zhí)行站主機(jī)、主站從機(jī)和執(zhí)行站從機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信正確性。

從機(jī)模塊可以同時(shí)模擬主站從機(jī)和執(zhí)行站從機(jī)功能，分別實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證測(cè)試機(jī)與主站主機(jī)、執(zhí)行站主機(jī)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信正確性。

通過(guò)上述方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)中各裝置通信協(xié)議正確性進(jìn)行了充分的驗(yàn)證，各裝置既能正確響應(yīng)測(cè)試機(jī)下發(fā)的命令，也能正確上送自身裝置運(yùn)行信息。

2.3.2 單裝置動(dòng)作時(shí)間考核

測(cè)試機(jī)中的報(bào)文記錄功能可測(cè)試單裝置的動(dòng)作時(shí)間。當(dāng)測(cè)試機(jī)下發(fā)切機(jī)命令時(shí)觸發(fā)“切機(jī)開(kāi)始時(shí)刻”報(bào)文，并打上時(shí)標(biāo)；當(dāng)測(cè)試機(jī)收到執(zhí)行裝置出口時(shí)觸發(fā)“切機(jī)結(jié)束時(shí)刻”報(bào)文，并打上時(shí)標(biāo)，二者的時(shí)間差即為該裝置的動(dòng)作時(shí)間。各裝置動(dòng)作時(shí)間如表4所示。

表4 各裝置動(dòng)作時(shí)間

由表4可以看出，從遠(yuǎn)方主站下發(fā)切機(jī)命令開(kāi)始，主站主機(jī)、執(zhí)行站主機(jī)約7 ms可作出響應(yīng)，主站從機(jī)、執(zhí)行站從機(jī)約23 ms可跳閘出口，滿足風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

2.3.3 最大運(yùn)行能力測(cè)試

風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)中主站主機(jī)裝置最多可接入3個(gè)執(zhí)行站主機(jī)，執(zhí)行站主機(jī)最多接入9個(gè)執(zhí)行站從機(jī)，測(cè)試環(huán)境中接入1個(gè)實(shí)際的執(zhí)行站主機(jī)，使用測(cè)試機(jī)中的主機(jī)模塊模擬兩臺(tái)執(zhí)行站主機(jī)。測(cè)試環(huán)境中接入1個(gè)實(shí)際的執(zhí)行站從機(jī)，使用測(cè)試機(jī)中的從機(jī)模塊模擬8臺(tái)執(zhí)行站從機(jī)，測(cè)試機(jī)可以同時(shí)控制模擬裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。模擬電網(wǎng)發(fā)生各種異常工況，經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證，該系統(tǒng)能在最大接入方式下穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套適用于新能源的風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)。搭建了具有RTDS仿真測(cè)試系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)測(cè)試機(jī)的測(cè)試環(huán)境，從系統(tǒng)的策略邏輯實(shí)現(xiàn)方案、整組動(dòng)作時(shí)間和各裝置通信方式等方面對(duì)裝置功能、性能進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。結(jié)果表明，風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定可靠控制的功能。該系統(tǒng)已順利通過(guò)第三方檢測(cè)公司的全面檢測(cè)，具有很好的應(yīng)用前景，有一定推廣價(jià)值。