基于OS2构架的主网新能源安全控制系统设计

杨俊峰,陈丽惠,彭文英,李树东,熊红英

(云南电网有限责任公司保山供电局，云南 保山 678000)

1 引言

由于能源供需紧张，能源价格波动频繁，与能源供需有关的国家和地区间矛盾时有发生[1]。此外，煤炭、石油等化石能源的消耗会产生大量有害气体，如二氧化碳、氮氧化物等，导致全球变暖[2]。因此，人们关注风能、太阳能等清洁可再生新能源的开发利用，提高电网智能化水平，将可再生新能源应用于发电，实现节能减排。新能源是在新技术基础上开发利用的可再生能源，具有清洁、低碳、可再生的优势，为节能减排做出了巨大贡献，其中包括风能、太阳能、潮汐能、生物质能等多种能源，人们对能源的需求逐渐增加。

近年来，我国风电、太阳能等新能源发电技术与国际先进水平的差距显著缩小，其中，主要体现在基于多目标概率最优潮流算法[3]，以最小发电成本和碳排放量为优化目标建立了区域电网低碳调度模型，针对新能源接入电网带来的不确定性问题，在传统的模型基础上，对Matpower 30 节点系统和江苏某区域实际电网进行算例测试，实现了对整个系统和局部区域的碳排放量的综合管理。用模糊数表征分布式电源出力不确定性和负荷功率的波动性，构建配电网多目标模糊无功优化模型，考虑到分布式能源的间歇性和随机性，根据其隶属度函数形成模糊适应度函数，利用免疫粒子群算法进行目标函数和约束条件求解[4]。

OS2 是南方电网公司提出的一体化电网运行智能系统，将数据的交换格式以及交换方式进行规范和统一，实现运行数据全共享，利用OS2 构架优化主网新能源的安全控制系统，能够使新能源的应用更加安全快捷，OS2 构架能够适用于多种微处理器，微控制器和数字处理芯片，现如今已经广泛应用在各个领域，并移植到超过100 种以上的微处理器应用中[5-7]。能够满足任务管理、任务调度、内存管理、以及实时通信功能需求，将其与控制系统相结合，达到优化系统性能，提高用户体验的目的。

2 新能源安全控制系统硬件设计

新能源发电安全控制系统需要整流与功率变换两部分，功率变换电路通常采用DC-AC 电路或DC-DC 电路；而整流电路分为可控整流与不可控整流两种。系统的控制效果直接影响了输出电能的质量，为此对原有系统结构加以优化，增加信息传输频道，采用双频道完成网络通讯。由于两个频道间的通讯协议不对称，将网络连接分为两层[8-10]。控制板与上位机选用相同的芯片及印制线路板，从而达到提高工业可靠性的目的。选用TMS320 F28335 型号32 位浮点DSP 处理器，该芯片同时具有512KB的Flash 和68KB的ROM，能够满足主网新能源安全控制系统的嵌入式程序的规模，开发板各模块如图1所示。

图1 TMS320F28335开发板

图1中，各模块功能如表1所示。

由表1可知，该功能板能够提供12 路控制PWM 输出，并加速电力电子的控制，从而缩短开发周期，降低开发难度。在该硬件结构的支持下，利用OS2构架，设计主网新能源安全控制系统软件部分。

表1 模块功能表

3 基于OS2 构架的主网新能源安全控制系统软件设计

3.1 基于OS2构架的数据库设计

OS2构架具有可移植、免费提供源代码等特点，能够同时完成多个任务的运行以及实时通信，利用OS2 构架协调控制系统中各任务的运行，避免冲突所产生的资源访问故障。通过任务控制块，记录任务状态的控制结果，当任务终止时，将其保留在任务控制块中，完成优先级别较高的任务后，从中断处继续执行。

图2中，休眠状态是任务驻留在存储空间中，尚未转移到系统内核，但仍处于待机状态，可以快速切换到就绪状态。

图2 任务状态转换

3.2 自校正参数模糊控制

在主网新能源安全控制系统中，传输功率的调节是必不可少的，因此要将其数值稳定在合适的范围内，使系统在负载发生变化的情况下，依旧能够维持负载端电压的恒定。为了有效抑制频率及负载扰动对整个系统的影响，将控制系统的运行频率用α表示，则：

将控制系统的负载参数用β表示，则：

将频率通过线性分式变换得到：

公式(3)中，Wα为定常系数传递函数矩阵。应用该矩阵实现负载参数自校正，即通过线性分式变换得到负载参数自校正矩阵：

公式(4)中，WL为自校正参数模糊控制矩阵。

综上所述，在运行状态下，控制系统自适应能力受到限制，可以通过自校正参数模糊控制矩阵匹配实际传输功率的调节数值，即通过描述自校正参数模糊控制矩阵的因子进行模糊控制，计算保持负载端电压稳定的具体数值，数值越大表明维持负载端电压的恒定效果越强，提高控制系统的动静态性能，使自适应能力得到增强，至此完成基于OS2构架的主网新能源安全控制系统设计。

4 系统性能测试

4.1 准备过程

为了验证基于OS2架构的主网新能源安全控制系统的应用效果，搭建了实验平台，模拟系统的运行过程，比较了所设计系统与常规系统(文献[4]和文献[5])对母线电压冲击的抑制程度。具体实验环境如图3所示。

图3 实验环境

该试验主要针对安全控制情况，在上述实验场景中，只考虑直流母线电容变化对系统稳定性的影响，暂不考虑直流线路阻抗。实验当中的具体相关参数如表2所示。

表2 实验相关参数

为保证实验安全，需要维持DC-AC 变流器的正常运行，则母线电压必须维持在规定范围内。由表2当中的实验参数得知，主网电压的波动范围在±10%，DC-AC变流器输出线电压有效值应为：

式(5)中，U0表示规定标准电压；L表示滤波；Imax表示额定电流。

采用1200V耐压等级的IGBT器件，允许直流母线工作电压的最高值范围在800V-900V之间，主板具体结构设置情况如图4所示。

由参数设置表中的数据能够得知，将主网额定线电压设置为380V，DC-AC 变流器额定容量为30kVA 时，则能够允许母线电压安全工作的范围在720V-800V 之间。按照表中所设置的直流母线电压正常运行数值，则其允许波动范围在-4%～6.7%之间。

4.2 结果讨论

将所设计的安全控制系统设置为实验组，常规安全控制系统分别设置为对照1组与对照2组，为保证实验变量唯一，下述三组实验中的直流母线电容量取额定值0.01F，利用计算机程序，模拟主网直流负荷供电情况，暂态情况为电池储能系统和超级电容器组均通过DC-AC模块从5A充电切换为15A放电控制，得到实验结果如图5所示。

由图5对比结果可知，对照1组在储能单元的充放电切换控制中，母线电压的波动值最高时达到789V，且由789V恢复到750V所花费的时间较长；对照2组的电压波动最高数值为757V，调节时间缩短至100ms左右；该系统对暂态时直流母线电压冲击的抑制效果，虽然优于对照1组，但这两者在储能单元的充放电切换控制中，其DC-AC双向变流器功率输出由-7.5kW 突变至9kW 左右，极有可能引起DC-AC 变流器输出电流矢量，与电网电压矢量夹角的变化，使电流环动态性能受到影响，削弱安全控制效果；实验组在此基础上，利用OS2 架构优化系统性能，与对照2组相比，母线电压的冲击力进一步减弱，数值保持在754.5V左右。

5 结束语

受自然因素的影响，新能源发电具有很强的随机性，可能引发安全问题，甚至恶化运行经济性。针对这个问题，提出基于OS2构架的主网新能源安全控制系统设计，考虑到可再生新能源发电的区间分布，将OS2构架，应用到主网新能源安全控制当中，对现有系统加以优化。实验对照结果表明，将OS2架构，应用于主网新能源安全控制系统设计当中，使母线电压的波动更加稳定，常规的安全控制系统在运行中可能会受到电流环死区效应的影响，导致DC-AC变流器的实际输出电压误差产生突变，而利用OS2 架构对其改进后，能够有效避免这一问题的发生，使母线电压冲击由789V 降低至754.5V，且缩短了调节时长，提高了用户体验，希望上述研究内容能够为新能源领域的创新发展提供参考。