考虑负荷特性的电力系统低频减载系统设计.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第16期No.162023年8月Aug.2023收稿日期：2022-01-04稿件编号：202201007作者简介：高虹霞（1983），女，河北衡水人，硕士，高级工程师。研究方向：电网调度运行控制。一旦电力系统存在较大的故障因素，内部的功率缺额也会随之变大，很难寻找有效的调频控制方法。为了更好地满足系统负荷需求，使系统能够达到功率平衡，需要技术层面将系统的部分负荷去除，从而保证系统的功率能够达到平衡状态，防止系统考虑负荷特性的电力系统低频减载系统设计高虹霞1，高 剑2，宋 烨1，朱 童2，吴佳芳1（1.四川省电力公司资阳供电公司，四川 资阳 641300；2.国网四川省电力公司，四川 成都 610041）摘要：目前电力系统低频减载方案未分析负荷切除后系统的灵敏度恢复问题，因此，在考虑负荷特性的基础上设计了电力系统低频减载系统。以模块化的方式设定系统硬件，分别设计了双处理模块、数据采集模块和通信模块，与传统的 DSP 处理器模式不同，同时采用 ColdFire 微控制器和MCF52235微处理器构建双CPU结构，通过DMA定时器构建采集模块，实现数据采集，利用CAN总线完成通信。将负荷分为常规负荷和频率中断负荷，并建立目标函数，确定代价控制模型，从而实现电力系统低频减载系统的软件流程。实验结果表明，设计系统负荷的少切比例高达8.25%，还能够优化不同轮次的负荷比例参数，从而确定最佳优化方法。关键词：负荷特性；电力系统；低频减载；减载系统；频率中断负荷中图分类号：TM24文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）16-0167-04DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.16.035Design of low frequency load shedding system of power system consideringload characteristicsGAO Hongxia1，GAO Jian2，SONG Ye1，ZHU Tong2，WU Jiafang1（1.Ziyang Power Supply Company of Sichuan Electric Power Company，Ziyang 641300，China；2.State Grid Sichuan Electric Power Company，Chengdu 610041，China）Abstract:At present，the power system lowfrequency load shedding scheme does not analyze the sensitivity recovery of the system after load removal.Therefore，the power system lowfrequency load sheddingsystem is designed on the basis of considering the load characteristics.The system hardware is set in amodular way，and the dual processing module，data acquisition module and communication module aredesigned respectively.Different from the traditional DSP processor mode，the dual CPU structure isconstructed by ColdFire microcontroller and MCF52235 microprocessor，the acquisition module isconstructed by DMA timer to realize data acquisition，and the communication is completed by CAN bus.The load is divided into conventional load and frequency interruption load，and the objective function isestablished to determine the cost control model，so as to the software flow of power system lowfrequencyload shedding system.The experimental results show that the proportion of less load cut is as high as8.25%，and the load proportion parameters of different rounds can be optimized，so as to determine thebest optimization method.Keywords:load characteristics；power system；low frequency load shedding；load shedding system；frequency interruption load-167电子设计工程 2023年第16期的频率发生崩溃，进而确保电力系统能够以稳定的状态运行1-2。目前，有大量学者对低频减载系统进行了研究，吴云亮等3提出了基于减载贡献因子的低频减载动态优化方法，分析减载贡献因子对不贡献功率造成的影响，从而计算功率精度，通过动态方式实现逐次递减优化，从而减少负荷切除量，使电力系统能够具备频率调节的能力。钱敏慧等3提出了基于自适应惯性权重混沌粒子群算法的多机系统低频减载整定算法，确定电力系统频率降低阈值，通过多轮减载的方式保证系统能够稳定地运行。目前的方法都很难在实际运行时，既保证系统频率得到快速恢复，又能够减少负荷切除量。综上所述，该文在分析负荷特性的基础上，设计了一种新的电力系统低频减载系统，首先确定负荷状态，然后从硬件和软件两方面进行优化设计，实现低频减载。1硬件设计该文设计的电力系统低频减载系统硬件主要采用模块化的思想4，通过多模块设计实现低频减载设计。系统硬件结构如图1所示。图1硬件结构示意图在电力系统低频减载系统中，CPU 模块占据着主导作用，其是系统的核心模块，当采集模块得到母线电压信号和频率信号后，会传递给 CPU 模块，由CPU 模块完成处理，将电源模块安装在电源插件上，并将模拟量输出在装置面板上，从而更好地传递信息5-6。1.1双处理模块设计传统低频减载系统采用的DSP处理器是一般的DSP 处理器，处理能力和通信能力都难以满足用户要求，因此该文使用双 CPU 结构，即 DSP+单片机的模式设置硬件，通过 DSP实现数据采集工作和处理工作，利用单片机完成信息控制和通信，确保设计的系统硬件功能。虽然双CPU结构能够提高系统的功能，但是也加大了硬件的复杂度，降低可靠性，因此文中通过精简指令集计算机来弥补这一缺陷，借助精简指令集计算机极高的运算能力提高系统硬件的集成精度，满足低频减载需求7。该文选用的处理器为 ColdFire 微控制器，微控制器为四核控制器，能够在不同的场合中发挥不同的作用，如果使用环境为 32 位入门级环境，则使用V1 内核；如果使用环境为工业环境和家庭环境，则使用 V2内核；如果使用环境为工业测控环境，则需要使用 V3；如果使用环境为多媒体环境，则使用 V4内核8。微处理器选择的是 MCF52235微处理器，该微处理器为系统的核心装置，内部为 V2内核，存储器内部的FLASH内存为128 kB，SRAM内存为32 kB，系统时钟频率为 60 MHz，采用的封装为 80LQFP 封装9-10。ColdFire 微控制器与 MCF52235 微处理器形成的双CPU结构如图2所示。图2双CPU结构该文研究的双CPU结构内部的控制器为嵌入式微控制器，能够同时满足以太网控制器的要求，并将物理层的内核整合到一起，确保系统内部的性能11。微控制器内部设置的乘法器为增强型乘法器，EMAC和CAU彼此配合，为DSP的操作和安全运行提供良好的保障。ColdFire微控制器与MCF52235微处理器形成的双 CPU 结构支持 7 级终端管理，系统能够自动完成中断控制，供电电压为 3.3 V，与软件连接，使内部集成锁形成看门狗。当双 CPU 运行频率能够达到 60 MHz 后，系统的运行速度可以提高到80 MIPS，不同端口用户可以同时使用系统12。1.2数据采集模块数据采集模块主要负责采集电压信号和频率信号，得到的外部信号在经过互感器后会转变成强电信号，而电力系统仅能接收 03.3 V 电压，因此必须-168要将信号转换成弱电信号，使 CPU 模块能够更好地完成信息处理13。数据采集模块通过 DMA定时器来实现，该装置具备输入捕捉功能，内部拥有多种寄存器。DMA定时器结构如图3所示。图3DMA定时器结构根据图 3可知，如果系统捕捉到信号，定时器内部的 DTCRn 会自动锁存，并记录得到的数值，同时DMA 定时器会自动产生中断请求和传输请求。采集模块方波生成电路如图4所示。图4采集模块方波生成电路根据图 4 可知，系统的微信电压互感器会向采集模块传递交流信号，信号进入采集模块后，会经过双向限幅操作和滤波处理，在过零比较器 LM393中完成通信输入，如果信号以正弦的模式输出，且输出电压不超过 3.3 V，则证明得到的信号为有效信号。1.3通信模块该文利用 CAN 总线设计低频减载系统通信模块，外部的 CAN控制器和接口芯片能够很好地降低系统在开发过程的难度，通信模块如图5所示。根据图 5 可知，该文使用的通信模块支持集成规则，能够很好地完成CAN2.0协议，内部的FlexCAN模块可以在外围接口上添加驱动器，通过驱动器使系统的 CAN 通信能力更强。通信模块中的收发器由飞利浦公司生产，能够完成差动发送功能和接收功能，从而减少CPU对外部环境的干扰，通过光电隔离措施使接口电路能够得到更好地隔离，除了光电隔离，还采用了电源隔离能够很好地与FEC兼容14。2软件设计将电力负荷特性分为常规负荷模型和调频中断负荷模型，通过负荷特性分析，实现合理分配。电力系统中包括发电电源、电源母线节点、复合单元和控制单元，将电源模块与电源母线节点连接，母线节点会通过变压器与输电线路的其他节点连接，完成不同单元的控制15。对数据进行匹配，计算控制时间，通过匹配结果实现优化控制，从而确保电网能够在正常的频率下稳定运行。匹配过程如式（1）所示：P=PL+PF（1）其中，P表示电网在运行过程中的整体负荷；PL表示以常规状态运行的负荷；PF表示运行过程中产生的中断负荷。确定电力系统负荷的目标函数，如式（2）所示：minP=i=1nKrPi（2）其中，P表示电力系统在多种模式下得到的负荷总量；Kr表示可调节中断负荷节点；Pi表示负荷量。在得到目标函数之后，计算控制代价，计算公式如下所示：M=PBC+S(p,t)（3）其中，M表示代价模型；B表示在中断负荷补偿差价；S(p,t)表示增长差价；C表示出现不确定问题时产生的补偿系数。系统软件在工作过程中，具有实时检测能力，能图5通信模块高虹霞，等考虑负荷特性的电力系统低频减载系统设计-169电子设计工程 2023年第16期够确定不同节点的频率值16，并进行实时分析，通过多负荷组合方式，使系统具备最优频率响应性能，从而更好地完成低频减载控制操作。3实验研究为了更好地检测该文设计的考虑负荷特性的电力系统低频减载系统的有效性，设计对比实验，监测对象为辽宁电网，检测共有5轮，前3轮为基础检测，后 2 轮为特殊检测。在第一轮检测时，动作频率为50.0 Hz，当完成全部检测时，动作频率为48.9 Hz。在实验之前，同时分析电网内部不同母线节点的输出频率，在确定节点的输出频率后，利用监测模块提取电网内部的频率信息，并将提取的频率信息再次调度，传输给监控中心，利用实时分析判断电力系统内部节点频率，检测阈值为 49.5 Hz，如果检测的频率低于这一阈值，则证明电力系统出现了低频问题。一旦证明系统存在电平故障，低频减载系统会自动启动。提取电力区域负荷，按照负荷特征将负荷分为常规负荷和频率中断负荷，分析信息匹配，得到代价模型。该文设定的初始负荷特性共有四种，负荷量分别为 3 000 MW、2 500 MW、3 200 MW、2 900 MW。采用该文设计的电力系统低频减载系统进行优化，并对比传统的基于减载贡献因子的低频减载动态优化方法、基于自适应惯性权重混沌粒子群算法的多机系统低频减载整定算法，实验结果如表 1-3 所示。表1减载贡献因子切负荷实验结果测试轮次基本轮第1轮基本轮第2轮基本轮第3轮特殊轮第1轮特殊轮第2轮负荷量/MW3 00015.0214.2713.115.284.352 50013.2113.6610.584.693.993 20012.9414.6615.713.274.222 90010.8913.6914.275.894.33表2自适应惯性权重混沌粒子群算法切负荷实验结果测试轮次基本轮第1轮基本轮第2轮基本轮第3轮特殊轮第1轮特殊轮第2轮负荷量/MW3 00014.7813.6912.154.694.882 50013.7212.9210.673.212.893 20010.459.959.073.042.992 90010.8510.2410.043.712.84表3该文系统切负荷实验结果测试轮次基本轮第1轮基本轮第2轮基本轮第3轮特殊轮第1轮特殊轮第2轮负荷量/MW3 00012.9410.989.796.995.842 50011.8410.6112.565.982.993 20011.9910.879.694.931.172 90010.079.338.213.992.06根据表 1-3 可知，相比于传统的方法，该文设计的系统优化的负荷更少，总体切除的电力负荷更少，少切比例高达 8.25%，对于保证系统的灵敏性有很好的意义。原因是该文设计的系统在 CPU 上进行了优化，能够更好地得到各种不同的权重系数。虽然传统方法和该文系统都考虑了不同级别的重要负荷，但是该文设计的系统增加了更多符合切除对频率恢复灵敏的考虑，确保在对不同级别负荷进行切除的时候能够得到更好的频率恢复曲线。该文设计的系统既能够确保切除量较少，同时也能够更好地保证频率恢复，该文设计的系统具有很强的实用性。4结束语低频减载在恢复电力系统的灵敏性，确保电力系统正常运行发挥着关键性作用。该文在充分考虑电力系统负荷特性后，设置了低频减载系统，以模块的方式设定硬件，在软件上对各项参数进行优化，建立目标函数，确定代价模型，实验结果表明，设计的系统具有很好的实际应用效果，可以在相关工程中发挥重要作用。参考文献：1 李常刚,李华瑞,刘玉田,等.计及低频减载动作的最大暂态频率偏移快速估计J.电力系统自动化,2019,43(12):27-35.2 李世春,吕翔生,钟浩,等.大规模双馈风电机组参与调频的电网自适应低频减载策略J.电力系统自动化,2019,43(15):109-115.3 吴云亮,李晓珺,唐晓骏,等.基于减载贡献因子的低频减载动态优化方法研究J.陕西电力,2019,1(3):105-109.4 钱敏慧,居蓉蓉,姜达军,等.基于自适应惯性权重混沌粒子群算法的多机系统低频减载整定算法J.电气自动化,2020,42(2):44-48.（下转第175页）-170力差异的网架规划方法J.电力自动化设备,2020,40(3):68-75.5 曹昉,张姚,李赛.基于网架结构相似性和适应性的主动配电网动态重构J.电力系统自动化,2019,43(16):78-85.6 徐俊斐,高志强,周雪松,等.考虑负荷与DG随机性特征的配电网多目标动态重构J.电测与仪表,2020,57(21):32-39.7 李颖,张跃,吴琳,等.自下而上的主动配电网负荷曲线化预测方法J.电力系统及其自动化学报,2019,31(2):106-111.8 赵允文,李鹏,孙煜皓,等.基于相空间重构和随机配置网络的电力负荷短期预测J.电力建设,2021,42(9):120-128.9 瞿合祚,李晓明,杨玲君,等.考虑负荷和分布式电源时变性的配电网多目标动态重构和DG调度J.高电压技术,2019,45(3):873-881.10赵凤展,郝帅,张宇,等.基于变分模态分解-BA-LSSVM算法的配电网短期负荷预测J.农业工程学报,2019,35(14):190-197.11谢佳龙,张波涛,吕强.一种基于双流融合3D卷积神经网络的动态头势识别方法J.电子学报,2021,49(7):1363-1369.12陈伟,夏春辉,裴喜平.基于拉普拉斯变换技术的配电网概率潮流算法J.兰州理工大学学报,2020,46(3):81-87.13陈霖,许爱东,蒋屹新,等.基于动态增量聚类分析的电力信息网络攻击模式识别算法J.南方电网技术,2020,14(8):25-32.14陈先飞,何山,王杰,等.基于MGM(1,n,r)的主动配电网中长期负荷预测J.太阳能学报,2020,41(2):188-193.15熊音笛,刘开培,秦亮,等.基于时序数据动态天气划分的短期风电功率预测方法J.电网技术,2019,43(9):3353-3359.16张金金,张倩,马愿,等.基于改进的随机森林和密度聚类的短期负荷频域预测方法J.控制理论与应用,2020,37(10):2257-2265.17蔡黎,葛棚丹,代妮娜,等.电动汽车入网负荷预测及其与电网互动研究进展综述J.智慧电力,2022,50(7):96-103.（上接第170页）5 吕志宁,胡子珩,宁柏锋,等.针对电力系统的物联网需求攻击研究进展与发展趋势J.南方电网技术,2020,14(1):24-30.6 孙毅,李泽坤,黄绍模,等.基于分布式需求侧资源备调池的低频减载优化策略研究J.电网技术,2020(3):1016-1026.7 李静波,肖谭南,童伟林,等.考虑负荷水平及有功备用的低频减载方案在线优化J.电气自动化,2019,41(6):32-35,51.8 陈亦平,卓映君,刘映尚,等.高比例可再生能源电力系统的快速频率响应市场发展与建议J.电力系统自动化,2021,45(10):174-183.9 陈璟,熊小伏,胡剑,等.有功不平衡下计及低频减载影响的输电线路过载热保护J.电力系统保护与控制,2019,47(23):19-29.10周智行,石立宝,陈义宣.异步联网下云南电网高频切机优化配置方案J.电力系统自动化,2020,44(20):86-93.11唐哲.基于PMU的电力系统监控体系结构优化设计J.信息技术,2021,45(3):100-105.12曹永吉,张恒旭,谢宇峥,等.暂态低频高压驱动的直流馈入电网减负荷紧急轮配置方案J.电力系统自动化,2019(6):156-164.13聂永辉,张鹏宇,蔡国伟,等.考虑时滞的电力系统广域阻尼控制优化设计J.中国电机工程学报,2020,40(12):3786-3795.14刘嘉超,刘建伟,王明,等.典型分散式风电工程电力系统接入优化设计J.电网与清洁能源,2019,35(6):60-68.15杨冰灯,王西田,刘时雨,等.电力系统附加次同步阻尼控制器的参数设计方法J.南方电网技术,2019,13(5):44-49.16王磊,何建剑,周枚,等.基于需求响应的电网峰谷分时负荷多频控制研究J.电子设计工程,2020,28(11):5-8,13.肖辅盛，等基于负荷组合预测的配电网网架动态变化识别方法-175