物理學科研究論文
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【摘 要】
嵌入式系統、計算機技術、網絡通信技術的快速發展使構建未來智能電網成為了可能，基于信息物理系統(CPS)技術構建電力信息物理融合系統(CPPS)為實現未來智能電網提供了新的思路。本文對CPPS平臺進行了初步研究分析，介紹了應用于CPPS中的同步PMU技術、開放式通信網絡、分布式控制。
【關鍵詞】
CPPS;同步PMU;開放式通信;分布式控制
引言
受能源危機、環保壓力的推動，以及用戶對電能質量(QoS)要求的不斷提高，當代電力系統不再符合社會的發展需求，智能電網(Smart Grid)成為未來電力系統的發展方向。智能電網的發展原因主要有以下幾個方面：
1)分布式電源(Distributed Generation，DG)大量接入電網導致的系統穩定性問題。由于DG的大量接入使電網變成一個故障電流和運行功率雙向流動的有源網絡，增加了系統的復雜度和脆弱度，因此亟需發展智能電網以解決DG大量接入電網導致的系統穩定性問題。
2)電力用戶對電能質量(QoS)要求的不斷提高。現代社會短時間的停電也會給高科技產業帶來巨額的經濟損失，近年來發生的大停電事故更是給社會帶來了難以估量的經濟損失。因此，亟需建立堅強自愈的智能電網以提供優質的電力服務。
論文主體結構如下：第1部分介紹了近年來信息物理系統(Cyber Physical System ，CPS)技術的發展以及CPS與智能電網的相互關系;第2部分介紹了電力信息物理融合系統(Cyber-Physical Power System，CPPS)的硬件平臺模型;第3部分介紹了同步相量測量裝置(Phasor Measurement Units，PMU)技術;第4部分對CPPS中的開放式通信網絡進行了初步分析;第5部分對CPPS的分布式控制技術進行了簡單介紹;最后第6部分做出全文總結。
1 CPS與智能電網的相互關系
CPS技術的發展得益于近年來嵌入式系統技術、計算機技術以及網絡通信技術等的高速發展，其最終目標是實現對物理世界隨時隨地的控制。CPS通過嵌入數量巨大、種類繁多的無線傳感器而實現對物理世界的環境感知，通過高性能、開放式的通信網絡實現系統內部安全、及時、可靠地通信，通過高精度、可靠的數據處理系統實現自主協調、遠程精確控制的目標[1]。
CPS技術已經在倉儲物流、自主導航汽車、無人飛機、智能交通管理、智能樓宇以及智能電網等領域得以初步研究應用[2]。
將CPS技術引入到智能電網中，可以得到電力信息物理融合系統(Cyber-Physical Power System，CPPS)的概念。為了分析CPPS與智能電網的相互關系，首先簡單回顧一下智能電網的概念。目前關于智能電網的概念較多，并且未達成一致結論。IBM中國公司高級電力專家Martin Hauske認為智能電網有3個層面的含義：首先利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等環節的`關鍵設備的運行狀況進行實時監控;然后把獲得的數據通過網絡系統進行傳輸、收集、整合;最后通過對實時數據的分析、挖掘，達到對整個電力系統運行進行優化管理的目的[3-4]。
從上文關于CPS和智能電網的介紹中可以看出，CPS與智能電網在概念上有相通之處，它們均強調利用前沿通信技術和高端控制技術增強對系統的環境感知和控制能力。因此，在CPS基礎上建立的CPPS為促進電力一次系統與電力信息系統的深度融合，最終實現構建完整的智能電網提供了新的思路和實現途徑。
2 CPPS的硬件平臺架構
基于分布式能源廣泛接入電網所引起的系統穩定性問題以及建立堅強自愈智能電網的總體目標，建立安全、穩定、可靠的智能電網成為未來電力系統研究的重要方向，同時也是CPPS研究的主要內容。
傳統的電力系統監測手段主要有基于電力系統穩態監測的SCADA/EMS系統和側重于電磁暫態過程監測的各種故障錄波儀，保護控制方式主要有基于SCADA主站的集中控制方式和基于保護控制裝置安裝處的就地控制方式[5]。就地控制方式易于實現，并且響應速度快，但是由于利用的信息有限，控制性能不夠完善，不能預測和解決系統未知故障，對于電力系統多重反應故障更不能準確動作。集中控制方式利用系統全局信息，能夠優化系統控制性能，但是計算數據龐大、通信環節多，系統響應速度慢，并且現有SCADA系統主要對電力系統進行穩態分析，不能對電力系統的動態運行進行有效地控制。
針對目前電力系統監測、控制手段的不足，要建立堅強自愈的未來智能電網，必須建立相應的廣域保護的實時動態監控系統，CPPS的硬件平臺就是在此基礎上建立起來的。
CPPS的硬件平臺6層體系架構如圖1所示，主要包括：物理層(電力一次設備)、傳感驅動層(同步PMU)、分布式控制層(智能終端單元STU、智能電子裝置IED等)、過程控制層(控制子站PLC)、高級優化控制層(SCADA主站控制中心)和信息層(開放式通信網絡)。
其中，底層的物理層是指電力系統的一次設備，如發電廠、輸配電網等。傳感驅動層主要用于對電力系統的動態運行參數進行實時監控，測量參數包括電流、電壓、相角等，在CPPS中廣泛使用的測量裝置是同步PMU。分布式控制層主要包括各STU/IED，為廣域保護的分布式就地控制提供反饋控制回路。過程控制層主要指樞紐發電廠和變電站的控制子站，是CPPS的重要組成部分，通過收集多個測量節點的數據信息，建立系統層面的控制回路，并做出相應的控制決策。高級優化控制層是指調度中心控制主站，主要為電力系統的動態運行提供人工輔助優化控制。頂層的信息層即智能電網的開放式通信網絡，注意信息層并不是單獨的一層，而是重疊搭接CPPS的各個分層，為CPPS內部各組件提供安全、及時、可靠的通信。
上文給出了CPPS的硬件平臺模型，但要在電力系統中具體實現CPPS，涉及諸多方面的技術難題，下面對CPPS中的同步PMU、開放式通信網絡以及分布式控制等分別加以簡單介紹。
3 同步PMU測量技術
同步PMU是構建CPPS的基礎，它為CPPS中廣域保護的動態監測提供了豐富的測量數據。同步PMU裝置主要對電力系統內部的同步相量進行測量和輸出，裝設點包括大型發電廠、聯絡線落點、重要負荷連接點以及HVDC、SVC等控制系統，測量數據包括線路的三相電壓、三相電流、開關量以及發電機端的三相電壓、三相電流、開關量、勵磁電流、勵磁電壓、勵磁信號、氣門開度信號、AGC、AVC、PSS等控制信號[6]。利用測得的數據可以進行系統的穩定裕度分析，為電力系統的動態控制提供依據。
同步PMU的硬件結構框圖如圖2所示。
其中，GPS接收模塊將精度在±1微秒之內的秒脈沖對時脈沖與標準時間信號送入A/D轉換器和CPU單元，作為數據采集和向量計算的標準時間源。由電壓、電流互感器測得的三相電流、電壓經過濾波整形和A/D轉換后，送到CPU單元進行離散傅里葉計算，求出同步相量后再進行輸出。注意，發電機PMU除了測量機端電壓、電流和勵磁電壓、電流以外，還需接入鍵相脈沖信號用以測量發電機功角[7]。
4 CPPS的開放式通信網絡
建立CPPS的開放式通信網絡，應該在保證安全、及時、可靠的通信的基礎上，使系統具有高度的開放性，支持自動化設備與應用軟件的即插即用，支持分布式控制與集中控制的結合。對于建立的開放式通信網絡，需要進行通信實時性分析、網絡安全性和可靠性分析。
4.1 IEC 61850標準的應用
IEC 61850標準作為新一代的網絡通信標準而運用于智能變電站中，支持設備的即插即用和互操作，使智能變電站具有高度的開放性。IEC 61850標準是智能變電站的網絡通信標準，同時正在進一步發展成為智能電網的通信標準[8]，因此，使用IEC 61850作為CPPS通信網路的通信標準是最佳選擇。
IEC 61850的核心技術[9]包括面向對象建模技術、XML(可擴展標記語言)技術、軟件復用技術、嵌入式操作系統技術以及高速以太網技術等。
4.2 通信網絡配置與分析
對于CPPS開放式通信網絡的網絡配置，可參考智能變電站的三層二網式網絡結構配置，構建CPPS的3層式通信網絡，如圖3所示。
其中，底層為位于發電廠、變電站和重要負荷處的大量PMU、STU/IED，分別負責采集實時信息和執行保護控制功能。中間層為控制子站(過程控制單元PLC)，每個控制子站與多個PMU、STU/IED相連，以完成該分區系統層面的保護控制，并根據需要將數據上傳到SCADA主站控制中心。SCADA主站控制中心接收各控制子站的上傳數據，處理以后將控制信息下發到各控制子站，以實現CPPS的廣域保護控制功能。注意，各層設備均嵌入GPS實現精確對時，保證全系統的同步數據采樣。
5 CPPS的分布式控制機理
要建立堅強自愈的智能電網，必須利用新型控制機理建立可靠的電力控制系統。根據電力故障擴大的路徑和范圍以及故障的時間演變過程，文獻中提出建立時空協調的大停電防御框架，建立了電力系統的3道防線，為實現智能電網的廣域動態保護控制奠定了良好的基礎。
電力系統的分布式控制(Distributed Control，DC)是相對于傳統的SCADA主站集中控制方式而言的，指的是多機系統，即用多臺計算機(指嵌入式系統，包括PLC控制子站和STU/IED等)分別控制不同的設備和對象(如發電機、負荷、保護裝置等)，各自構成獨立的子系統，各子系統之間通過通信網絡互聯，通過對任務的相互協調和分配而完成系統的整體控制目標[12]。分布式控制的核心特征就是“分散控制，集中管理”。在電力系統的3道防線的基礎上，結合分布式控制技術，建立CPPS的3層控制架構，如圖4所示。
其中，分布式控制層主要是在故障發生的起始階段(緩慢開斷階段)采取的控制措施，其控制目標應該是保證系統在不嚴重故障下的穩定性，防止故障的蔓延。過程控制層是在系統已經發生嚴重故障時(級聯崩潰開始階段)所采取的廣域緊急控制措施，需要付出較大的代價。通常針對可能會使系統失穩的特定故障，往往需要投切非故障設備以保證系統的穩定性。廣域的緊急控制措施應該在故障被識別出的第一時間立即實施，控制措施實施越晚，控制效果越差。優化控制層是在前兩層控制均拒動或欠控制而沒有取得控制效果，同時在檢測到各種不穩定現象后所采取的控制措施，通常需要進行多輪次的切負荷和振蕩解列。在電力恢復階段，要有自適應的黑啟動和自痊愈的控制方案。
6 結語
將CPS方法引入到電力系統中，建立CPPS的模型平臺，為建立堅強自愈的智能電網提供新的思路。文中對CPPS中的同步PMU測量技術、開放式通信網絡技術、分布式控制技術分別進行了簡單介紹。
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