赵维兴，林　成，孙　斌，康　鹏，孙元章，张　放

（1.贵州电网公司电力调度控制中心，贵阳 550002；2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084）



广域电力系统稳定器闭环控制通信实现技术

赵维兴1，林成1，孙斌1，康鹏1，孙元章2，张放2

（1.贵州电网公司电力调度控制中心，贵阳 550002；2.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084）

摘要：该文从如何减小通信网络的影响角度，提出了实现电力系统广域PSS闭环控制架构，具有与数据上行通道结合的控制下行通道，控制终端可同步授时以实现同步控制及闭环时延补偿，实现远方信号反馈及广域协调控制。在此基础上结合应用环境实现了贵州电网的广域电力系统稳定器PSS（power system stabilizer）闭环控制系统。并阐述了广域阻尼闭环控制系统的关键技术，设计了控制下行通道的通信规约。该文最后对该架构进行了RTDS硬件闭环测试，测试结果表明，该架构可有效实现广域PSS闭环控制。

关键词：闭环控制；广域电力系统稳定器；通信；架构；工程应用

从1984年7月至今，国家电网和南方电网发生10多起电网低频振荡事件，贵州电网近年来也出现多次低频振荡和强迫振荡事件。抑制低频振荡不仅是理论研究热点，同时成为实际电网面对的热点问题。目前抑制电力系统低频振荡最经济、最有效的措施仍然是加装电力系统稳定器。随着相量测量单元PMU（phasor measurement unit）和广域测量系统WAMS（wide area measurement system）的发展，基于PMU/WAMS的广域阻尼控制器的研究成为热点，特别是一些学者提出的广域电力系统稳定器WPSS（wide power system stabilizer）［1-5］，通过引入远方信号，能够有效地抑制区间低频振荡。

PMU以测量数据更新间隔短且带同步时标，能提供大量实时同步数据的优势，大量用于电力系统广域动态监测。目前已有广域的附加励磁控制及直流输电调制［4-6］控制器理论设计的相关成果，但实现基于WAMS的实时广域闭环控制依然存在困难。广域闭环控制中的测量与控制信息经由高速通信网络在调度控制中心与各观测及控制节点间双向传输实现网络闭环控制，其中考虑通信网络影响的广域闭环控制架构是首要解决的问题。

本文结合网络控制系统的思想阐述了电力系统广域PSS闭环控制架构，结合实际设计并实现了贵州电网的广域PSS闭环控制系统，阐述了该系统的关键技术，包括系统中各设备的功能；通信协议的选择；闭环时延测试与估计；设计了一种适用于闭环控制下行通道的通信量稳定的通信规约，最后搭建了实时数字仿真RTDS（real time digital simula⁃tor）硬件测试平台，对贵州电网的广域PSS闭环控制系统进行了测试，验证了其有效性。

1　广域PSS闭环控制设计

1.1网络控制系统

网络控制系统NCS（networked control systems）起源于工业控制，是使用实时网络实现控制回路闭环的反馈控制系统，其本质特征在于控制系统元件间的信息通过网络传递，是集计算、通信、控制于一体的现代工业及通信系统的主要发展方向。典型的NCS及其信息流如图1所示［7］，传感器及执行器通过网络接口成为实时控制网络的节点，传感器的上行测量数据及控制器的下行控制指令均由控制网络传输，实现网络闭环控制；其他控制则共享整个控制网络采用同样方式实现其功能。NCS重点关注网络通信对控制的影响，可概括为三大主要影响因素：网络闭环时延、信道可靠性、数据包传输，三方面均会引起网络控制特性的变化。NCS解决网络对控制的影响问题主要有两种途径［8-10］：一种是在已知网络特性的条件下，通过设计相应控制策略以减小影响；另一种是不改变控制策略，通过更合理设计网络控制系统（包括架构及通信规约［10］等）减少数据延迟或丢失的发生。

图1　典型网络控制系统及信息流Fig.1　Typical NCS setup and information flows

以上对NCS特点分析可见，电力系统集中式广域控制系统属于网络控制系统，可将NCS的思想引入广域控制系统的设计中。目前广域闭环控制设计中通常将通信网络的影响简化为闭环时延，其补偿方法多以上述第一种途径为主，具体包括利用线性矩阵不等式LMI（linear matrix inequality）理论方法［8，11］，采用Padé逼近法近似时延的设计方法［11］，使用相位超前/滞后环节补偿时延［17］实现时延鲁棒性的设计方法等，而对第二种途径研究较少。考虑第二种途径，即通过合理设计控制架构减小通信系统的影响，广域闭环控制架构应注重设备的选择、接口的设计、以及通信量稳定的数据传输规约等。

除此以外，广域闭环控制架构还应满足：功能方面，首先要广域信号反馈及广域协调控制，然后需要同步授时以实现同步控制及闭环时延补偿；实现方面，应有效减小通信数据丢失，增加信道可靠性以及减小闭环时延的分布性。

1.2广域PSS闭环控制设计

考虑实际系统时延特性及目前电网运行控制信息构成形式，本文所阐述电力系统广域PSS闭环控制架构，为集中式的网络控制系统，其中主要设备有PMU、广域网络控制服务器WNCS（wide-area network control server）和网络控制单元，分别对应NCS中的传感器、控制器和执行器，除此以外还有高速通信网络。

1）相量测量单元

WAMS构成单元PMU装置安装于电力系统各节点，并通过卫星对时同步测量其电气量，测量间隔通常为10 ms或20 ms。PMU测量数据包括母线三相电压、电流相量，以及由此计算得到的零序、正序、负序电压、电流相量，各单相及三相有功功率、无功功率以及频率和频率变化率；机组侧PMU装置除了上述量测外，还有通过转子间相脉冲计算所得发电机的机械功角、利用发电机的参数及机端电压、电流相量计算的电气功角。

2）广域网络控制服务器

广域网络控制服务器安装于调度控制中心，经数据上行通道获取观测点和控制点的PMU测量数据并根据控制策略进行分析计算，得到控制输出量，最后经控制下行通道发送至控制电厂NCU。广域PSS闭环控制架构同样适用于广域电压稳定控制等其他广域控制策略的实现。由于数据交换均经由通信网络，故广域网络控制服务器仅需要普通以太网的RJ45接口，标准工业服务器即满足需求。

3）网络控制单元

网络控制单元NCU（networked control unit）首先接收来自广域网络控制服务器的网络控制数据包并根据控制下行的通信规约解析得到控制指令，然后根据授时信息选取控制指令，然后将其转换为与控制器对应接口信号（模拟信号或串口信号），实现网络化闭环控制。NCU对应的电力系统控制器通常为发电机调速器、发电机励磁器、柔性交流输电系统FACTS（flexible alternative current transmission systems）、负荷调节器等。为提高抗干扰能力，NCU需要就近与控制器安装在同一屏柜中，故其硬件平台需要便于安装且具备RJ45以太网口及1路D/A输出，其D/A输出线性度应可准确还原控制信号。

4）高速通信网络及卫星授时

PMU至广域网络控制服务器的数据上行通道和广域网络控制服务器经NCU至电力系统控制器的下行通道均使用电力调度数据通信网，数据上行通道即为已有的WAMS，控制下行通道则需通信网络将其作为新的任务开通相应服务。PMU及NCU由卫星定位系统授时，以保证广域网络闭环控制的同步性，且可根据时标信息对闭环时延进行补偿。

1.3贵州电网WPSS闭环控制实例

贵州电网的WPSS闭环控制系统如图2所示。利用模式能观性能控性理论［18］对贵州电网BPA模型进行仿真分析，选择乌江新厂#1机组作为广域PSS闭环控制的观测点，思林电厂作为控制点，以乌江新厂#1机组与思林电厂#1机组的功角差为反馈输入信号。广域PSS输出与本地PSS输出叠加后，作为附加励磁控制实现了贵州电网的广域闭环控制。

图2　贵州电网的广域PSS闭环控制Fig.2　Wide-area PSS control system of Guizhou power grid

2　广域PSS闭环控制实现的关键技术

电力系统广域PSS闭环控制对实时性要求极高，控制架构设计需要从各方面综合考虑以减小闭环时延的分布性，首先广域网络控制服务器及NCU需要采用实时操作系统，其次通信网络需要采用用户数据报协议UDP（user datagram protocol）通信，同时还需要具体估测整个闭环时延的分布特性。另外，NCU与控制器的接口设计也是关键技术之一。

2.1通信协议选择

目前电力系统中的PMU及WAMS主要以传输控制协议TCP（transmission control protocol）协议进行通信。基于连接的TCP协议为保证通信可靠性而牺牲了快速性，无连接方式的UDP协议不会为保证通信可靠性而产生额外时延，但对网络的性能要求更高。电力系统通信由于使用专用信道而没有带宽竞争，因此TCP协议的数据重传等保证通信可靠性的措施不十分必要。对电力系统广域闭环控制系统而言，个别数据的错序或丢失可以通过上层应用协议（如绝对时标、累加和校验等）检出，然后以预测或插值等方法解决。由于数据传输的快速性和连续性更为重要，UDP协议更适合作为广域闭环控制系统的通讯协议。

2.2广域网络闭环时延

闭环时延对广域控制性能的影响很大。广域网络闭环时延主要产生在数据采集、数据上行、控制下行3个环节，3个环节中时延产生原因及大小如表1所示，其中时延大小为贵州电网广域PSS闭环控制系统在RTDS硬件测试平台及贵州电网中的实测值。闭环时延主要产生于网络通信环节，其中PMU在发送数据时需要协调发送任务以致时延很大，且不同型号PMU的发送数据时延分布性差别很大。实测中（如表1所示），采用2 Mb/s专用通信信道时，从PMU数据发送，上行通道延时及数据解析时间为30 ms，WPSS装置进行数据处理及策略计算需10 ms，策略指令下发及下行通道延时需10 ms，控制器转换及励磁响应时延约5 ms，整个闭环控制时延分布在60 ms而不会出现突变的情况。

表1广域网络闭环时延Table 1 Wide-area network closed-loop time delay

广域网络闭环控制算法需要对时延进行补偿处理，时延的分布性越大则越难达到很好的补偿效果。为此在硬件架构层面，除使用同步控制方法外，应选择时延分布性小的设备，同时在条件允许的情况下尽可能使用专用通信信道。

2.3执行器与控制器的接口

广域控制系统需要将控制信号传送至电力系统节点的控制器。对于没有网络接口的电力系统控制器（如励磁控制器等），需要NCU将网络信号转换为接口信号。以贵州电网广域PSS系统为例，广域PSS的输出与本地PSS输出叠加后作为附加励磁控制信号。控制点思林电厂使用的EXC9000型励磁控制器具有的白噪声测试输入端口，且该测试端口的信号叠加点与广域PSS相同，输入信号为-5～+5V的弱电模拟信号，故可选择其作为NCU输出至励磁控制器的控制信号。其传递函数框图及输入信号叠加点如图3所示。图中LPSS及WPSS分别代表本地和广域PSS。

图3　励磁器传递函数框图及输入信号叠加点Fig.3　Transfer function block diagram for excitation and superimposed point for the input signal of WPSS

思林电厂NCU安装方案如图4所示。思林电厂共有4台机组，广域PSS安装于1号和2号机组。因PMU和NCU及电力系统通信网络的交换机相距较远并经过电厂的强电桥架，选择使用光纤实现网络数据传输。另外，由于现场条件限制，NCU使用接收PMU授时信息的对时方法，因此NCU和PMU之间也需要光纤网络连接。

图4思林电厂NCU连接方案Fig.4　Implement of NCUs in Silin power plant

3　控制命令通道通信设计

贵州电网的广域PSS闭环控制的数据上行通道为已有的WAMS通信网络，广域PSS服务器与PMU之间的通信采用标准PMU通信协议，广域PSS在通信开始时获取PMU的配置信息，然后开始接收PMU的数据包并解析出有效数据。为保证通信异常状态下广域PSS能正常工作，需要通信容错处理。

控制下行通道为广域PSS服务器和NCU之间传输控制命令的通信通道，由于目前尚没有广域闭环控制下行的通信规约标准，本文提出了一种适用于广域PSS闭环控制中控制下行通信规约。考虑到闭环控制系统对通信的实时性要求，需要尽量减轻通信网的负荷，帧长度尽可能小，参考已有的PMU通信规约，控制下行的规约设计需依据以下原则：

（1）使用UDP协议；

（2）采用固定帧长，防止通信数据量突变；

（3）使用心跳帧机制，信道建立后，NCU每隔一段时间主动向广域PSS服务器发送心跳帧，服务器收到心跳帧后返回心跳帧，如果服务器没有收到心跳帧，则认为此信道NCU已掉线，停止向此NCU发送数据；

（4）双向通信，服务器可以向NCU发控制指令和控制数据，NCU也可以向服务器反馈信息；

（5）扩展性，通信协议要考虑业务扩展。

基于上述原则及下行通道功能需求，广域闭环下行协议主要包括：广域PSS服务器向NCU发送的控制数据帧和配置帧，NCU向广域PSS服务器发送的反馈消息帧，以及确认通信状态的心跳帧。所有类型的帧均采用固定帧长，均包含标记各帧类型的起始码、协议版本号、保留字节及CRC（cyclic redun⁃dancy check）校验码。广域PSS服务器向NCU发送的控制数据帧是协议的关键，其帧格式如表2所示，额外包括：采用世纪秒SOC（second of century）格式的协调世界时间UTC（coordinated universal time）时间；控制数据序列，其中控制数据为整数，代表输出的标幺值，例如范围为（-5 000～+5 000）时代表标幺值（-0.05～0.05），每个数据占2个字节。其他类型帧依据功能而数据格式略不同。

表2　控制数据帧格式Tab.2　Control data frame format

4　硬件闭环测试

为了校核贵州电网广域PSS闭环控制系统的有效性，以2012年贵州电网丰大方式BPA（bonnev⁃ille power administration）等值数据为基础，通过RTDS实时仿真建模，对贵州电网广域PSS闭环控制系统进行了RTDS硬件闭环测试。本系统共使用8个Rack资源。测试平台如图5所示，其中两路功率放大器分别为PMU和励磁控制器提供信号，NCU转发的广域PSS输出分别输入到励磁控制器及RTDS的 GTAI（gigabit transceiver anglogue input card）模数转换卡，同时励磁调节器输出信号也输入到GTAI板卡。测试故障为福泉变500 kV母线持续时间为0.1 s的三相短路。

图5RTDS硬件测试平台Fig.5　Hardware in-the-loop test with RTDS

故障发生后，PMU监测到乌江新厂及思林电厂的同步功角变化如图6所示。进而计算得到乌江新厂与思林电厂的功角差即为广域PSS闭环控制器输入量，由此计算控制指令。

图6PMU监测到的乌江新厂及思林电厂的功角Fig.6　Power angles of new Wujiang and Silin from PMU

图7广域PSS输出Fig.7　Wide-area PSS output

对比图6和图7可以看出：在系统稳态时，广域PSS为输出，在两个电厂功角差最大峰值与图7广域PSS输出调节量峰值时刻基本对应。根据控制规律计算得到的广域PSS输出并经由NCU的D/A板卡输出的弱电电压信号如左侧坐标所示，RTDS采集后转换的标幺值如右侧纵坐标所示。

为检验经过实际设备的广域PSS输出与RTDS内部理论计算值吻合程度，投入RTDS内部广域PSS，与外部真实广域PSS设备输出信号开环的对比。如图8所示，其中理论值为RTDS内部计算结果，实测值为由NCU输出的电压信号转换得到的广域PSS输出标幺值（未加闭环补偿），可见实测值与理论值趋势高度吻合，表明广域PSS闭环控制架构能正确计算控制规律。通过对曲线放大对比后，实测值由于未施加补偿闭环时延，相对理论值滞后约60 ms，且均匀稳定。使用网络预测控制方法补偿闭环时延［8］，图8中可见得到的广域PSS预测补偿值与理论值吻合，本文在广域闭环控制架构下，提出一种闭环时延补偿方法，解决广域闭环控制中通信时延问题，实现了广域闭环控制。

图8　广域PSS输出理论值与实测值对比Fig.8　Comparison between theoretical value and measured value of wide-area PSS output

5　结语

本文将网络控制系统的思想引入电力系统广域PSS闭环控制架构的设计中，从广域闭环控制系统设计层面减小网络通信对控制性能的影响，该架构的控制下行通道与数据上行通道共用通信网络，控制终端可同步授时以实现同步控制及闭环时延补偿，广域信号反馈及广域协调控制。在此基础上本文具体实现了贵州电网的广域PSS系统，完成了对设备的选型并对其中的具体实施细节进行了测试。目前已完成的针对该系统的RTDS硬件闭环试验表明，该架构可完全实现电力系统广域闭环控制的初衷，适合于电力系统广域闭环实时控制。贵州电网广域PSS系统目前已投运并开环运行，将择机进行现场试验，实现闭环运行，届时将是首次广域PSS闭环控制应用于实际电力系统的工程实例。

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中图分类号：TM712

文献标志码：A

文章编号：1003-8930（2016）06-0097-06

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.06.017

作者简介：

赵维兴（1979—），男，通信作者，博士，高工，研究方向为电网优化调度与经济运行、稳定计算分析与控制。Email：zwx182@163.com

林成（1975—），男，硕士，高工，研究方向为电网优化运行及管理。Email：gzdw_lc@163.com

孙斌（1965—），男，硕士，高工，研究方向为电网优化运行、控制及管理。Email：stongxy@vip.sina.com

收稿日期：2014-06-20；修回日期：2015-10-19

Communication Technology for Wide-area PSS Closed-loop Control Realization

ZHAO Weixing1，LIN Cheng，SUN Bin1，KANG Peng1，SUN Yuanzhang2，ZHANG Fang2
（1.Guizhou Electric Power Grid Dispatching and Control Center，Guiyang 550002，China；2.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Abstract：This paper introduces a wide area damping closed-loop controlling framework for power systems，which is characterized by the following aspects：network combining the control order downstream channel with the data uplink channel，synchronized networked terminal achieving the synchronized controlling and the closed-loop time delay com⁃pensation，a centralized controller compatible with multi-channel wide-area feedback signals and coordination of multichannel controlling.As an application of the framework，wide-area PSS of Guizhou Power Grid which is modified by considering the applied conditions，is achieved by this paper.Then several key technologies for implement of wide area damping closed-loop control system are described，and the communication protocol of downstream channel is designed. An RTDS hardware in the loop test is carried out at last，and the results show that this framework can achieve the net⁃worked wide-area control effectively.

Key Words：closed-loop control；wide-area power system stabilizer；communication；framework；application