通信系统对电力系统稳定性控制的影响研究

(西北工业大学，陕西 西安 710000)

0 引言

传统的人工为主的电力系统管理模式，面对目前大面积供电体系管理已无法有效适应，所以为了有效提高通信管理质量，应加强通信管理技术在供电体系管理中的应用，使供电体系中的各环节运行质量得到有效保证。同时通信系统的可靠性也应在现代供电体系的管理中，以及相关管理人员中加强重视。

1 电力系统稳定性控制概述

1.1 电力系统稳定性

电力系统稳定性(Power System Stability)，即电力系统在某种运行情况中，在受到某种外部扰动后能够再次恢复原有的平衡状态，保持运行，则这种重新回到运行平衡状态的能力成为电力系统稳定性。在电力系统中，多个变量可维持在一定的范围，从而可以使整个系统能稳定地运行。

根据电力系统性质的不一样，电力系统稳定性分为3类：功角稳定、电压稳定和频率稳定。而分析功角稳定又可进一步分为3类：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。第1类属于微小的干扰状态下，电力系统可以自动恢复到起始运行状态而不发生非周期性的失步的能力。第2类属于受到较大的干扰后，电力系统各发电机能够保持同步运行并过渡或恢复到原来稳定运行状态的一种能力。第3类属于受到干扰后，电力系统呈现在较强的稳定性，不会受振幅增大的影响而产生失步的现象。

1.2 稳定性控制分析

稳定控制软件、稳定控制硬件、稳定控制的决策模式、系统的架构等构成了电力系统的稳定性技术。软件质量主要决定了系统决策的准确性，控制系统硬件是由实际控制与执行的基础决定的。从电力系统稳定控制的决策模式进行分析，其包括离线及在线控制两种方式。

离线控制方式目前在实际工作中得到广泛的应用。对于离线控制模式，需要结合不同的初始工况和预定的事故，逐个试探从而获得相应的对策。这种模式需要考虑系统运行的方式、结构、故障类型等各个方面的因素。由于不同的因素组合在一起，所以需要考虑的工况情况会受到限制，另外由于前期设定以及系统在线运行方面也会出现较大的差异性，也会导致无法有效匹配离线策略的情况。

在线控制方案具体操作是在故障检测、确认后进行决策分析。这种方案需要对故障类型、电网工况情况等都十分明了，通过对工况实时信息的分析从而获得在线控制策略。

在系统硬件方面，首先需要考虑到的就是CPU处理能力。通常采用的处理器主要包括：数字信号处理器、通用单片机、网络功能CPU和FPGA相结合等。外、内部通信为稳定控制装置的通信模式。外部通信的通信能力表现在通信通道数量、站间通道速度上，且站间通道速度采用的是总线方式。系统软件部分包括：数据的采样与计算、故障的判定、控制策略。故障判定的基础是数据采集及计算，而这一环节又是策略生成的基础。总之，确保数据真实可靠全面、进而对其从不同维度进行分析，才能确保整体工作质量达到预期的效果。

2 电力系统对通信系统的要求

目前，现代电网的一项重要基础设施就是电力通信，电力通信是保证电网安全稳定运行的一项重要手段。电力系统对通信系统的高度依赖，使电力通信网的可靠性研究成为目前一项迫切解决的问题。电力系统通信要在以安全和可靠为前提的情况下才能去追求通信的速度、效率和技术进步性。

通信网络的建设需要充分保证电力通信网络所承载的各项业务的顺利运行，如安全稳定性控制、继电保护等，因此需要注意以下满足可靠性要求的要点：①通常在通信网络中，在任意2个网络节点上，需要有独立的物理路由连通，且必须确保至少2条。②网络节点连接必须符合和满足N-1的原则，对N-2的原则尽可能地满足。在运行过程中，如出现任意网络节点失效断开的情况，电力业务的稳定运行仍能得到有效保证，并且不会造成其他节点出现通道阻塞或通信质量下降的情况，在任意2个网络节点断开时，需要最大限度地确保不会对其他节点的正常通信造成影响。

对于通道误码和延时的问题，相关的控制自动装置规范作出了明确规定，主要内容包括：①光纤通道应作为装置的首要选择，同时应对复用光纤通道误码率进行有效控制，确保其小于10-8。②控制命令通过控制主站发出，再通过多级通道进行传输，最后的总传输延时应进行严格控制，针对光纤通道，应保持在20 ms以内，若是载波通道，则应保持在40 ms以内。③在两套双重化配置的稳控系统中，应保持两者的相关接入设备、通信通道等互相独立，不同路由的通道之间，任一环节所出现的延时差应保持在10 ms之内。

根据对电力系统静态稳定性的基本性质分析可以得出，静态稳定性与储备有着密切的关联，两者之间呈正相关的关系，因此要想使静态稳定性提高，其根本措施需要从电气距离方面入手，主要有以下几种：①对系统的各元件电抗进行减少，比如变压器、发电机以及线路的电抗降低。②串联电容器补偿。③系统电压水平提高。④电力系统结构改善。⑤直流输电。⑥自动调节装置。

为了有效保证电力系统的正常、稳定运行，对母线电压进行维持和控制是调度部门主要的任务和职责。对发电厂、变电站的高压母线电压进行控制、维持，并确保其电压恒定，使电系统呈现出若干段等值分割的态势，使每段的电气距离缩短，使电力系统的稳定性得到有效提高和保证。

3 通信系统延时对电力系统稳定性控制的影响

电力系统中普遍存在着在网络中传输、交换与处理中，各种测量信号、电力测量设备呈现出明显时滞的情况。电力系统控制器因受通信时滞后的影响，一定程度对其性能发挥带来不利。在实际工作中，对于微小时滞通常采用忽视的方式，并视这种时滞动力系统为普通动力系统。通过相应研究发现，时滞动力系统的存在，其动态性能对系统稳定性造成很大的影响。电网互联程度的深入促进了稳定控制区域的不断扩大，在依据本地信息的基础上，部分广域信号会引入稳控系统进行辅助决策，同时也会将导致新问题的产生。

单时滞是主要影响稳定控制的时滞，通常采用单一的类型控制作为系统建模方法，如AGC或PSS控制。针对多时滞，非线性、高维、电力系统的稳定性研究时，其关键主要是如何对多时滞因素进行分析和考量，从而对包含多时滞通用的的数学模型进行有效构建。根据电力业务情况以及电力通信系统的整个传输过程进行分析可以看出，无论是电力系统运行工况、故障等信息通过电力监测节点进行上送，并传送至电力控制中心的整个过程，还是电力系统动作指令通过电力控制中心下发至对应的电力受控节点的整个过程，所传输的所有信息都会经过上行接入、通信网络以及下行接口3个环节进行相关信息的传递。而这3个环节也会因通信时滞的影响，从而对整个电力业务的传输产生不利影响，进一步转化为对电力系统决策与控制造成影响的各故障，最后以显性或者非显性的形式对电力系统产生造成影响。

电力系统受通信系统延时的影响，可以通过图1所示的通信与电力联合仿真框架结构表进行呈现。图1中右侧为电力系统机电暂态仿真软件FASTESTF(Fast Analysis of Stability using the Extended equal area criterion and Simulation Technologies)；左侧为OPNET(Optimized Performance Network Engineering Tool)通信仿真软件，中间是MATLAB仿真软件。

图1 通信与电力联合仿真框架结构

位于中间的仿真软件的主要功能是通过相关的判断和计算，协调控制通信与电力的联台仿真。联合仿真首先需要将通信组网方案和电力系统的模型对左、右两侧软件进行初始化。其中具体步骤主要为：①利用MATLAB对电力系统和通信系统的组合故障进行读取。②通信故障利用MATBAL发送至OPNET仿真软件。③基于通信故障计算WARMAP，OPNET仿真软件对通道的上行和下行延时进行控制。④通道的上行和下行延时通过OPNET仿真软件返回至MATLAB。⑤根据WARMAP的通信组网方案、电力故障和通道的上行、下行延时，MATLAB对稳定控制系统控制策略的整组通信延时进行计算。⑥控制策略的整体通信延时通过MATLAB将发送到FASTEST仿真软件。⑦基于电网和通信网的组合故障及候控制策略的整体通信延时，FASTEST仿真软件进行时域仿真，对灵敏度进行计算，对电网安全稳定的最优控制策略进行摸索。

仿真系统采用某特高压联网系统和其附属的专用通信系统，该特高压联网的稳定控制系统所图2所示，其所包括的共主站、子站以及执行站均在相应的变电站内进行安装。

图2 特高压电网稳定控制系统结构

4 结语

在电力系统中，电力通信系统是整个系统的重要组成部分之一，电力通信系统的可靠性与整个电力系统安全、稳定运行有着直接的影响。另外诸多影响因素都会对电力通信系统造成影响，使电力通信系统可靠性管理难度大幅度提高。为了更好地适应目前的发展需求，电力通信系统应不断强化自身优势，对未来发展进行有效规划。