基于嵌入式裝置的水電站功率快速控制系統(tǒng)子站實(shí)現(xiàn)

肖　永，武晉輝，林呈輝，焦邵華，文賢馗，楊永祥，徐玉韜(．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州貴陽55000; ．北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京市00085; ．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水供電局，貴州六盤水5500)

基于嵌入式裝置的水電站功率快速控制系統(tǒng)子站實(shí)現(xiàn)

肖永1，武晉輝2，林呈輝1，焦邵華2，文賢馗1，楊永祥3，徐玉韜1
(1．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州貴陽550002; 2．北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京市100085; 3．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水供電局，貴州六盤水553001)

摘要:基于嵌入式裝置的實(shí)現(xiàn)集有功功率和無功功率調(diào)節(jié)為一體的水電站功率快速控制系統(tǒng)子站，能夠使水電站具備參與區(qū)域電網(wǎng)閉環(huán)、協(xié)調(diào)控制的能力，通過規(guī)?；∷娬救旱墓餐瑓⑴c，平抑風(fēng)電、光伏等間歇性新能源并網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來的波動(dòng)。從硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)角度，分析了一體化控制器的技術(shù)特點(diǎn);實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠滿足現(xiàn)場要求，具有可實(shí)施性，有效提高了參與區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的水電廠運(yùn)行的自動(dòng)化水平。圖3幅。

關(guān)鍵詞:水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng);嵌入式;功率調(diào)節(jié)一體化裝置

1　概述

近年來，隨著風(fēng)電、光伏等多種新能源的不斷接入，其隨機(jī)性、不可控的波動(dòng)特點(diǎn)，并網(wǎng)后給電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大的挑戰(zhàn)。而區(qū)域內(nèi)密集的小水電站群啟停快速、調(diào)節(jié)快速的運(yùn)行特點(diǎn)，在容量匹配的情況下，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，在地調(diào)、縣調(diào)層面形成分層、分布、閉環(huán)控制系統(tǒng)，是能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)光水氣多種能源的聯(lián)合、優(yōu)化運(yùn)行的，可很好地解決這個(gè)問題，對(duì)于電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)小水電站側(cè)的功率控制設(shè)備進(jìn)行研究，聯(lián)合運(yùn)行與控制，從有功功率、無功功率兩個(gè)方面來體現(xiàn)，策略在作為主站的地調(diào)、縣調(diào)實(shí)現(xiàn)，而目標(biāo)的執(zhí)行由分布式的密集小水電的子站端設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

上述的水電站側(cè)自動(dòng)電壓控制設(shè)備，用來實(shí)現(xiàn)水電站與電網(wǎng)之間通過無功功率的閉環(huán)快速調(diào)節(jié)，保證水電站節(jié)點(diǎn)的母線電壓滿足電網(wǎng)的要求，從而從無功功率及電壓方面實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行。該設(shè)備根據(jù)上級(jí)電站快速調(diào)節(jié)主站下發(fā)的電壓目標(biāo)指令，協(xié)調(diào)控制水電站內(nèi)多臺(tái)水電機(jī)組的無功出力，從而實(shí)現(xiàn)高壓母線節(jié)點(diǎn)的電壓滿足電網(wǎng)的要求。

上述的水電站側(cè)自動(dòng)發(fā)電控制設(shè)備，用來實(shí)現(xiàn)水電站與電網(wǎng)之間通過有功功率的閉環(huán)快速調(diào)節(jié)，接收主站下發(fā)的總有功目標(biāo)指令，協(xié)調(diào)站內(nèi)多臺(tái)水電機(jī)組，滿足總指令的要求，有助于與其他新能源形成運(yùn)行互補(bǔ)。

水電站地理位置偏遠(yuǎn)，通信條件差別較大，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程閉環(huán)控制就要解決主站與水電站子站間的遠(yuǎn)動(dòng)通道問題，這也是課題面臨的實(shí)際問題。

2　技術(shù)現(xiàn)狀

目前我國中小水電廠基本上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控，技術(shù)上相對(duì)成熟，自動(dòng)化程度有了明顯的提高，為水電廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起到了保駕護(hù)航的作用。

但是市場現(xiàn)有的密集小水電站群由于各水電站個(gè)體裝機(jī)容量小、運(yùn)行管理體制、業(yè)主利益、調(diào)節(jié)能力等諸多方面的因素影響，沒有參與區(qū)域電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制;而對(duì)區(qū)域密集的個(gè)體小水電進(jìn)行技術(shù)改造，形成區(qū)域小水電站群，裝機(jī)容量就具備了一定規(guī)模，從而與區(qū)域風(fēng)電、光伏基于互補(bǔ)特性進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，利用小水電站群的快速調(diào)節(jié)特性，達(dá)到平抑風(fēng)電輸出功率給電網(wǎng)帶來的波動(dòng)的目的。

國內(nèi)目前大型水電站側(cè)的功率控制功能多是采用個(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，而在水電站子站側(cè)通過嵌入式裝置實(shí)現(xiàn)功率快速調(diào)節(jié)，對(duì)原有水電站進(jìn)行技術(shù)改造，使其具備參與區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的能力，通過密集的小水電站群參與風(fēng)光水氣多種能源聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行，具有重要的意義。

3　水電站快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心設(shè)備——水電站有功功率和無功功率快速調(diào)節(jié)一體化控制器，基于CSC—850可編程自動(dòng)化控制器硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，采用當(dāng)今最新的軟硬件技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，遵循并優(yōu)于國際主流標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了測控一體化;系統(tǒng)集成度高，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了系統(tǒng)可靠性。

水電站功率快速調(diào)節(jié)一體化控制器包括有功功率和無功功率兩部分，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)協(xié)調(diào)閉環(huán)控制、實(shí)現(xiàn)多種能源聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的重要組成部分。在無人介入的情況下，有功功率快速調(diào)節(jié)部分在線接收調(diào)度中心下發(fā)的水電廠目標(biāo)總有功，通過有功負(fù)荷分配、自動(dòng)啟停機(jī)策略實(shí)現(xiàn)了有功功率的自動(dòng)調(diào)整。無功功率快速調(diào)節(jié)部分在線接收遠(yuǎn)方主站下發(fā)的水電廠升壓站高壓母線目標(biāo)電壓指令，通過機(jī)組無功功率的自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)了高壓母線電壓的自動(dòng)控制。

考慮到水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)是水電廠參與遠(yuǎn)方主站閉環(huán)控制、進(jìn)行有功、無功自動(dòng)調(diào)節(jié)的重要設(shè)備，直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全，同時(shí)便于進(jìn)行已投運(yùn)水電站技術(shù)改造，提高現(xiàn)場設(shè)備的可靠性和抗干擾能力，本文采用專用的嵌入式裝置來實(shí)現(xiàn)(見圖1)。

圖1　水電站功率快速調(diào)節(jié)一體化控制器

3.1水電站功率快速調(diào)節(jié)一體化控制器硬件設(shè)計(jì)

(1) CPU插件

水電站功率快速調(diào)節(jié)一體化控制器核心CPU采用嵌入式雙內(nèi)核工業(yè)級(jí)處理器，基于實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算能力和通信處理能力，具有足夠的存儲(chǔ)空間，能支持足夠復(fù)雜的水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)要求。

(2) IO插件

水電站功率快速調(diào)節(jié)一體化控制器采用了包括開入、開出、模入等I/O模塊，自帶處理器，在測量精度、自診斷能力等方面充分考慮了水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際需求。

開關(guān)量輸入插件查詢電壓支持220 V，采集機(jī)組出口斷路器位置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器狀態(tài)、調(diào)速器狀態(tài)等開關(guān)量信號(hào)，支持多通道。開出模塊自帶繼電器輸出，繼電器動(dòng)作出口與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器及調(diào)速器之間設(shè)置壓板。模擬量輸入支持4～20 mA信號(hào)。

(3) SOE主動(dòng)上送

水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開關(guān)量輸入插件具有SOE功能，分辨率小于1 ms。SOE變位時(shí)，DI插件自動(dòng)產(chǎn)生SOE時(shí)標(biāo)信息并主動(dòng)上送SOE報(bào)文，HMI工作站收到報(bào)文后實(shí)時(shí)顯示;這種設(shè)計(jì)方案提高了SOE信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，有效減少了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

(4)智能化交流插件

水電站快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用智能化的交流插件來實(shí)現(xiàn)機(jī)組信息的采集，插件端子直接接入PT、CT二次信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算出各個(gè)機(jī)組有功、無功、功率因數(shù)、電壓、電流等測量結(jié)果，供水電站功率控制系統(tǒng)控制器直接訪問;測量精度交流電壓、電流0.2級(jí)，有功、無功0.5級(jí)，并且具有優(yōu)良的隔離性能。

(5)控制器實(shí)時(shí)性

控制器通過冗余DPNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)CPU模塊與I/O模塊間高速數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)更新周期最快0.5 ms。CPU模塊自身所帶的I/O模塊數(shù)據(jù)刷新時(shí)間能在10 ms內(nèi)完成，從而滿足了水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的技術(shù)要求。

(6)控制器擴(kuò)展性

采用低功耗設(shè)計(jì)，所有插件支持熱插拔，采用通用的網(wǎng)絡(luò)化硬件平臺(tái)，系統(tǒng)配置靈活、易擴(kuò)展，可根據(jù)水電廠的實(shí)際需要靈活配置I/O插件。

(7)控制器可靠性

采用后拔插后接線結(jié)構(gòu)，強(qiáng)弱電回路分離，提高了硬件的可靠性和抗干擾性能;重要設(shè)備和環(huán)節(jié)(電源、控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)、HMI等)均支持采用冗余設(shè)計(jì)，主備冗余配置的控制器可在10 ms內(nèi)完成主備切換。

水電站功率快速調(diào)節(jié)一體化控制器的抗電磁干擾EMC性能達(dá)到GB/T 17626最嚴(yán)酷等級(jí)的要求，所有插件采用硅膠表面涂敷，防潮、抗腐蝕，能在水電廠嚴(yán)酷的工作環(huán)境中長期可靠運(yùn)行。

3.2水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計(jì)

水電站功率快速控制系統(tǒng)監(jiān)控界面采用Cyber-Control自動(dòng)化監(jiān)控軟件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)水電站快速控制系統(tǒng)的參數(shù)、曲線監(jiān)視及方式操作、定值維護(hù)等功能。

(1)大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫支持百萬點(diǎn)數(shù)據(jù)，能夠保證水電站快速控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)足夠豐富，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性、可靠性要求。

(2)全息壓縮存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)庫技術(shù)

水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中目標(biāo)電壓指令、實(shí)際母線電壓、目標(biāo)總有功、實(shí)發(fā)總有功等相關(guān)重要參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，是分析系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果、評(píng)價(jià)調(diào)節(jié)響應(yīng)的重要手段，是HMI工作站歷史曲線查詢、歷史報(bào)警、事件記錄、操作日志、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等諸多高級(jí)應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

歷史數(shù)據(jù)庫采用數(shù)據(jù)變化判別機(jī)制和CyberZip多級(jí)壓縮技術(shù)全息存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，開關(guān)量采用變位存儲(chǔ)加定期存儲(chǔ)，模擬量采用死區(qū)壓縮存儲(chǔ)，有效節(jié)省了存儲(chǔ)空間，同時(shí)保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不失真。

(3)控件豐富、即插即用

針對(duì)水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的具體應(yīng)用，開發(fā)了高級(jí)應(yīng)用功能控件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、報(bào)表分析、報(bào)警、事件記錄、操作日志、權(quán)限管理、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、定值管理等功能，工程組態(tài)時(shí)即插即用。

(4)開放性、通信接口豐富

具有成熟的第三方接入接口，并支持規(guī)約的擴(kuò)展開發(fā)，通信接入靈活。

3.3嵌入式通信管理機(jī)兼遠(yuǎn)動(dòng)功能

水電站快速控制系統(tǒng)執(zhí)行站需要與遠(yuǎn)方電站快速控制系統(tǒng)主站之間實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)、協(xié)調(diào)控制。

水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用嵌入式裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)和通信管理機(jī)的功能，對(duì)遠(yuǎn)方控制中心支持IEC60870—5—104、IEC60870—5—101、CDT等通用規(guī)約，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道、多種遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議同時(shí)運(yùn)行。具有嵌入式、無硬盤、無風(fēng)扇、IP隔離防護(hù)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)水電站現(xiàn)場支持通過RS—485、百兆以太網(wǎng)等接口，統(tǒng)一負(fù)責(zé)智能設(shè)備的數(shù)據(jù)通信和規(guī)約轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與水電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的信息交互。

3.4電站快速控制系統(tǒng)對(duì)時(shí)

水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)HMI工作站和功率快速調(diào)節(jié)一體化設(shè)備必須具有相同的時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，根據(jù)事件記錄和報(bào)警的時(shí)標(biāo)信息，能夠清楚地分析事件動(dòng)作的先后順序，對(duì)分析評(píng)價(jià)具有重要的意義。

水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)可接收北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)單向標(biāo)準(zhǔn)授時(shí)信號(hào)，支持IRIG—B碼、秒脈沖、分脈沖等各種類型的對(duì)時(shí)信號(hào)輸出。

將衛(wèi)星裝置的對(duì)時(shí)信號(hào)線接入到水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制器所在機(jī)箱的電源插件的GPS對(duì)時(shí)端子上，控制器周期性給HMI工作站對(duì)時(shí)，控制器同時(shí)亦會(huì)給自身所配備的IO模塊進(jìn)行對(duì)時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了整座電站快速控制系統(tǒng)執(zhí)行站的對(duì)時(shí)功能。

3.5可編程邏輯組態(tài)工具

水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用邏輯組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)水電站有功功率和無功功率快速調(diào)節(jié)策略的邏輯組態(tài)編輯、下裝、運(yùn)行、參數(shù)配置、工程調(diào)試(見圖2)。

圖2　邏輯組態(tài)及調(diào)試

邏輯組態(tài)軟件支持所有5種IEC 61131—3語言(IL、ST、LD、FBD和SFC)，支持邏輯組態(tài)在線調(diào)試、在線修改。提供豐富的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫及成熟完善的水電站功率快速調(diào)節(jié)子站功能的模塊庫，同時(shí)支持用戶自定義模塊的開發(fā)、支持功能模塊的封裝。

4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用基于現(xiàn)場總線的分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括HMI操作員站、水電站功率快速調(diào)節(jié)一體化控制器和嵌入式遠(yuǎn)動(dòng)三部分，通過以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，支持調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和無線方式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)方主站的遠(yuǎn)動(dòng)通信。

一體化控制器采集所需現(xiàn)場信號(hào)，控制出口直接與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器及調(diào)速器相連，從而實(shí)現(xiàn)水電站有功功率、無功功率的協(xié)調(diào)控制(見圖3)。

圖3　控制器接口

5　結(jié)論

通過開發(fā)以嵌入式裝置為核心的水電站功率快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠使水電站具備參與區(qū)域電網(wǎng)風(fēng)光水氣多種能源聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的能力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)主站與多座水電站之間的閉環(huán)、協(xié)調(diào)控制。

提出了基于規(guī)?；∷娬救旱乃娬竟β士焖僬{(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)方法，建立了遠(yuǎn)程主站與水電站子站分層、分布式的閉環(huán)控制體系，研發(fā)了水電站側(cè)集無功功率和有功功率快速調(diào)節(jié)為一體的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，解決了規(guī)?；∷娬救簠⑴c區(qū)域電網(wǎng)功率閉環(huán)協(xié)調(diào)控制的問題。同時(shí)，在滿足電力系統(tǒng)二次防護(hù)安全的前提下，針對(duì)水電站地理位置偏僻的實(shí)際情況，采用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)、無線通信等多種方式與調(diào)度主站的通信，解決了主站與子站間的遠(yuǎn)動(dòng)通道問題，通過無線通信手段解決小水電的監(jiān)視與控制，具有一定的實(shí)際意義。

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡介:肖永(1962－)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)方面的研究工作。E_ mail: gzdlxy@ sina.com

基金項(xiàng)目:國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“規(guī)?；∷娙号c風(fēng)光氣發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”(2013BAA02B02)。

收稿日期:2015－12－17