直流输电中自动功率控制的研究与实现

鄂士平，黄浩然

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002;2.许继电气直流输电系统部，河南 许昌 461000)

高压直流输电具有远距离、大容量、低损耗的优点，是实现我国能源资源优化配置的有效途径，能够取得良好的社会经济综合效益［1］。目前我国运行和在建的直流工程都是按照有人值守的方式进行设计的，运行人员需要按照调度的指令，在指定的时间点输入功率的参考值，并手动计算功率的升降速率，且每天都是这样的重复性劳动。已投入运行的直流工程也都具有直流自动功率控制功能，但都存在着数据输入繁琐、实际功率控制准确度不高、没有实现与控制保护系统联动功能等缺点，故该功能基本没有投入使用。本文在研究现有运行直流工程的基础上，分析各大厂商直流工程自动功率控制的实施方法，并对各种方法进行对比，提出一种比较完善的控制方法，该方法能大大减少运行人员的任务量，为整个直流系统的安全、稳定运行提供技术保障。

1 国外的经验

当前外方的控制保护系统主流厂商为西门子和ABB，以下将介绍它们对于自动功率控制的实现方式和方法。

1.1 西门子技术的自动功率控制

西门子自动功率控制功能融合在站SCADA系统中，包含日计划和周计划表，如图1所示。

当前编辑的自动功率计划值保存在本地计算机中。西门子自动功率控制有效的必要条件:

a.本站为主导站;

b.双极工作在自动功率模式。

西门子自动功率控制的实现，是简单的模拟运行人员发令的功能。其中Time为发令时刻，Power为功率参考值，Ramp为功率升降速率。西门子控制保护实现的方式为在某一时刻下发一个功率参考值，功率在当前值按照设定的升降速率进行功率调节，在一段时间之后，功率才能达到功率参考值，这样的控制模式将导致实际的功率值滞后于计划值。同时，该功率计划值只保留在1台工作站中，没有对功率计划值进行工作站的全部分发，如果该工作站没有直流控制位置或者出现故障，自动功率将无法执行。

图1 西门子自动功率控制界面

1.2 ABB技术的自动功率控制

ABB对于自动功率控制的实现和站SCADA系统完全分离，采用单独的一个程序进行编辑、启动和运行，如图2所示。

图2 ABB自动功率控制界面

当需要增加1个新的数据点时，文本框中的时间和功率初始值是列表视窗中所选择的点与其之前的1个点的平均值。使用者可以改变日期 (对周或月曲线)、时间、变化速率和功率。其它文本框的内容将由程序自动计算得出。当曲线中插入1个点，主窗口中的列表视窗和图形都将自动更新，如图3所示。

图3 ABB自动功率控制编辑界面

2 问题分析

ABB和西门子都在SCADA系统中实现了自动功率控制功能。两厂商对于自动功率实现的方法也基本一致，西门子将自动功率控制功能在SCADA系统中实现，而ABB则采用了单独的控制程序。两种实现方法都需要运行人员手动计算发令时间和斜率。能否直接通过输入调度下发的功率曲线值自动计算发令时间和斜率，两厂商都对“自动功率”与“手动功率”间的切换未作任何处理，对直流系统的异常也都没有任何的告警和处理，这样不利于直流工程的稳定运行。同时，两种方法的实现都只是在单机实施，没有任何冗余措施，这不符合高压直流输电系统的基本要求。

3 自动功率控制的新方法

本文结合宁东—山东±660 kV直流输电示范工程，详细介绍该工程的自动功率控制的冗余策略和实现方法。

3.1 冗余策略

自动功率控制功能的实现和SCADA系统融为一体，以充分利用SCADA系统的冗余架构和自检原理，实现系统的稳定运行。SCADA系统有冗余的2台服务器设备，运行人员通过客户端界面录入自动功率的计划值，自动功率的计划值数据保存在2台服务器的商用数据库中，主实时处理程序从数据库中取出计划值数据，然后通过主服务器通信程序下发到冗余的控制系统中，系统的原理图如图4所示。

图4 自动功率计划系统原理图

3.2 实现原理

自动功率曲线的原理示意图如图5所示。图中A、B、C、D、E……为调度发给换流站的功率曲线中功率设置点 (15 min 1个点)，描绘出的功率曲线如虚线所示。按照当前设计的算法，允许运行人员整定1个提前量Δt(为了调度考核需要，允许功率提前一小段时间到达)，实际功率曲线将会如实线所示，如果提前量整定为0，则将和调度设定曲线—红线基本吻合。运行人员输入的数据点只涉及功率存在变化的数据点，如图5曲线显示，运行人员仅须输入点D、G、K点的参考值和时间戳;其它值会自动进行计算。

3.3 实现方式

功率参考值下发时间的计算，参照调度中心考核要求，以当前功率点向前15 min为功率参考值下发时间，完全利用此15 min为整个功率升降区间，使功率升降时间尽可能长，功率升降的速率尽可能低，以保证电力系统的稳定性。

图5 自动功率原理图

斜率的计算中，斜率值按照计算公式 (功率差×60/时间差 (s))计算所得，其中功率差为当前功率点和前一功率点之间的差值［2］:

为了避免因计算功率升降差值 (P2－P1)过小导致计算得到的斜率值过小，在实际系统中V的最小值取10 MW/min，且在系统中计算采用进一法 (有小数就加1)，避免因系统误差导致功率升降滞后。

在功率参考值下发的前5 min(此时间可根据需要调整)，会提示将在5 min后发送的功率参考值和斜率值，便于运行人员监视自动功率功能是否正常和检查设置值的正确性，在功率参考值下发时会提示已经发送的功率参考值和斜率值，便于运行人员掌握功率的变化情况，保证其可靠性。

考虑到调度中心今天和明天之间的曲线变化不大或完全没有变化，提供可以把指定天的曲线直接复制到下一天的功能，便于操作。这样可以减少整定的工作量，降低整定的错误风险，其实现原理只为修改下发命令的时间，即把时间增加86 400 s(24×60×60)后保存。

3.4 设定方式

在实际使用过程中，只需要设定时间功率值即可，其它参数会自动计算，设定界面如图6所示。并且功率发送时间和预计到达时间在设置时可以看到，保证实际运行工况在可控制范围之内。

图6 自动功率计划值设定界面

3.5 异常处理

当控制系统条件不满足时，如控制位置切换，或为手动控制模式，由于这些情况下控制系统不会执行自动功率指令，因此自动功率不会下发命令，此时会在功率需要调节前5 min以事件方式提示运行人员，给手动控制预留一定时间。

4 结束语

本文结合实际分析了目前国外直流输电工程控制保护系统的自动功率控制的实现，在吸取国外技术经验的基础上，通过算法和实现的改进，提出了一种新的且可行的实现方式，并对可能危害系统运行的工况进行了改进，可供新建或改造的直流输电工程控制保护系统参考。

［1］刘振亚.智能电网技术［M］.北京:中国电力出版社，2010.

［2］石 岩，韩 伟，张 民，等.特高压直流输电工程控制保护系统的初步方案［J］.电网技术，2007，31(2):11－15.