智能電網技術之控制技術
先進的控制技術是指智能電網中分析、診斷和預測狀態并確定和采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動的裝置和算法。這些技術將提供對輸電、配電和用戶側的控制方法并且可以管理整個電網的有功和無功。從某種程度上說，先進控制技術緊密依靠并服務于其他四個關鍵技術領域，如先進控制技術監測基本的元件(參數量測技術)，提供及時和適當的響應(集成通信技術;先進設備技術)并且對任何事件進行快速的診斷(先進決策技術)。另外，先進控制技術支持市場報價技術以及提高資產的管理水平。
未來先進控制技術的分析和診斷功能將引進預設的專家系統，在專家系統允許的范圍內，采取自動的控制行動。這樣所執行的行動將在秒一級水平上，這一自愈電網的特性將極大地提高電網的可靠性。當然先進控制技術需要一個集成的高速通信系統以及對應的通信標準，以處理大量的數據。先進控制技術將支持分布式智能代理軟件、分析工具以及其它應用軟件。
(1)收集數據和監測電網元件
先進控制技術將使用智能傳感器、智能電子設備以及其他分析工具測量的系統和用戶參數以及電網元件的狀態情況，對整個系統的狀態進行評估，這些數據都是準實時數據，對掌握電網整體的運行狀況具有重要的意義，同時還要利用向量測量單元以及全球衛星定位系統的時間信號，來實現電網早期的預警。
(2)分析數據
準實時數據以及強大的計算機處理能力為軟件分析工具提供了快速擴展和進步的能力。狀態估計和應急分析將在秒級而不是分鐘級水平上完成分析，這給先進控制技術和系統運行人員足夠的時間來響應緊急問題;專家系統將數據轉化成信息用于快速決策;負荷預測將應用這些準實時數據以及改進的天氣預報技術來準確預測負荷;概率風險分析將成為例行工作，確定電網在設備檢修期間、系統壓力較大期間以及不希望的供電中斷時的風險的水平;電網建模和仿真使運行人員認識準確的電網可能的場景。
(3)診斷和解決問題
由高速計算機處理的準實時數據使得專家診斷來確定現有的、正在發展的和潛在的問題的解決方案，并提交給系統運行人員進行判斷。
(4)執行自動控制的行動
智能電網通過實時通信系統和高級分析技術的結合使得執行問題檢測和響應的自動控制行動成為可能，它還可以降低已經存在問題的擴展，防止緊急問題的發生，修改系統設置、狀態和潮流以防止預測問題的發生。
(5)為運行人員提供信息和選擇
先進控制技術不僅給控制裝置提供動作信號，而且也為運行人員提供信息�？刂葡到y收集的大量數據不僅對自身有用，而且對系統運行人員也有很大的應用價值，而且這些數據輔助運行人員進行決策。
參數量測技術是智能電網基本的組成部件，先進的參數量測技術獲得數據并將其轉換成數據信息，以供智能電網的各個方面使用。它們評估電網設備的健康狀況和電網的完整性，進行表計的讀取、消除電費估計以及防止竊電、緩減電網阻塞以及與用戶的溝通。
未來的智能電網將取消所有的電磁表計及其讀取系統，取而代之的是可以使電力公司與用戶進行雙向通信的智能固態表計。基于微處理器的智能表計將有更多的功能，除了可以計量每天不同時段電力的使用和電費外，還有儲存電力公司下達的高峰電力價格信號及電費費率，并通知用戶實施什么樣的費率政策。更高級的功能有用戶自行根據費率政策，編制時間表，自動控制用戶內部電力使用的策略。
對于電力公司來說，參數量測技術給電力系統運行人員和規劃人員提供更多的數據支持，包括功率因數、電能質量、相位關系(WAMS)、設備健康狀況和能力、表計的損壞、故障定位、變壓器和線路負荷、關鍵元件的溫度、停電確認、電能消費和預測等數據。新的軟件系統將收集、儲存、分析和處理這些數據，為電力公司的其他業務所用。
未來的數字保護將嵌入計算機代理程序，極大地提高可靠性。計算機代理程序是一個自治和交互的自適應的軟件模塊。廣域監測系統、保護和控制方案將集成數字保護、先進的通信技術以及計算機代理程序。在這樣一個集成的分布式的保護系統中，保護元件能夠自適應地相互通信，這樣的靈活性和自適應能力將極大地提高可靠性，因為即使部分系統出現了故障，其他的帶有計算機代理程序的保護元件仍然能夠保護系統。
建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎，沒有這樣的通信系統，任何智能電網的特征都無法實現，因為智能電網的數據獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統的支持，因此建立這樣的通信系統是邁向智能電網的第一步。同時通信系統要和電網一樣深入到千家萬戶，這樣就形成了兩張緊密聯系的網絡—電網和通信網絡，只有這樣才能實現智能電網的目標和主要特征。下圖顯示了電網和通信網絡的關系。高速、雙向、實時、集成的通信系統使智能電網成為一個動態的、實時信息和電力交換互動的大型的基礎設施。當這樣的通信系統建成后，它可以提高電網的供電可靠性和資產的利用率，繁榮電力市場，抵御電網受到的攻擊，從而提高電網價值。
高速雙向通信系統的建成，智能電網通過連續不斷地自我監測和校正，應用先進的信息技術，實現其最重要的特征—自愈特征。它還可以監測各種擾動，進行補償，重新分配潮流，避免事故的擴大。高速雙向通信系統使得各種不同的智能電子設備(IEDs)、智能表計、控制中心、電力電子控制器、保護系統以及用戶進行網絡化的通信，提高對電網的駕馭能力和優質服務的水平。傳感器在這一技術領域主要有兩個方面的技術需要重點關注，其一就是開放的通信架構，它形成一個“即插即用”的環境，使電網元件之間能夠進行網絡化的通信;其二是統一的技術標準，它能使所有的傳感器、智能電子設備(IEDs)以及應用系統之間實現無縫的通信，也就是信息在所有這些設備和系統之間能夠得到完全的理解，實現設備和設備之間、設備和系統之間、系統和系統之間的互操作功能。這就需要電力公司、設備制造企業以及標準制定機構進行通力的合作，才能實現通信系統的互聯互通。
引言
電能質量是衡量電網質量的標準，電能質量問題包含電壓凹陷(sag)、電壓隆起(swell)、尖峰脈沖(spikes)、諧波畸變(harmonic aberration)和電氣噪聲(electric yawp)等，其中對電能質量影響最大的就是諧波畸變。因此，本系統的設計就是以對諧波畸變分析為主要目的。這方面的研究比較多，而且也開發出了相應的設備。以往的配電網監測設備多以51、96系列單片機為處理器，在精度和速度方面都不能滿足電力系統的要求，還有就是用TI公司的DSP作為處理器，并配合ADC來完成系統設計。
ADI公司先后上市了ADE7753、ADE7758等電力測量專用芯片，并成功地將它們應用到電網當中。最近，ADI公司又推出了高性能的強強組合，即DSP+ADC的電力測量方案。此監控系統就是采用這一組合實現的。
圖2 軟件框圖
ADC簡介
AD73360是ADI公司推出的一款專門應用于電能質量監測的IC，與一般ADC相比，AD73360有如下優勢：6路獨立的A/D轉換通道，不僅互不干擾，而且嚴格保證采樣同步;高精度，6個16位轉換精度轉換通道非常適合電能質量監測的需要。采樣速率可在8KHz、16KHz、 32KHz范圍內編程設置，適應范圍廣。AD73360為適應不同的場合提供了直流/交流、單端/差動4種不同的輸入方式;采用串行接口，與DSP芯片的連接非常簡單。
無論從精度、速度、采樣路數或者同步采樣的實現來考慮，在電力監測系統中使用AD73360都是比較理想的選擇。
DSP簡介
系統采用的DSP處理芯片ADSP2191M是ADI公司的16位定點DSP。ADSP2191M處理器具有的資源概括如下：可訪問的存儲空間大小為16M words，分為256頁，每頁的大小為64K words，其中第0頁是內部RAM，第255頁是內部ROM，其它空間被分為4個部分，并由ms0～ms3進行選擇。有256頁I/O存儲區間，每頁的大小為1K words，其中前8頁為內部I/O存儲區間，其它為外部I/O存儲區間。處理器有一個主機接口、3個同步串行接口、兩個SPI接口、16個可編程標志引腳、1個異步串行接口和3個32位定時器。
與AD73360連接必須采用串行總線方式，ADSP2191M就有3個這樣的同步串口。
硬件電路設計
整個系統的硬件設計以ADSP2191M和AD73360為核心，再配以周邊電路完成。硬件設計的框圖如圖1所示。
由圖1可以看出，系統的硬件設計非常簡單，而且沒有最麻煩的同步保持電路和系統存儲空間的擴展。這是因為AD73360能夠實現多通道的同步轉換，免除了同步保持電路的設計、ADSP2191M內部具有64K RAM，能夠滿足系統設計的要求。在系統硬件設計中，傳感器用來將配電網參數的電能信號轉化為ADC的輸入信號，然后送到AD73360進行同步采樣，轉換后的采樣數據通過同步串口傳入DSP處理器，進行數據處理、諧波分析和其它操作。最后，處理器將分析結果送到LCD進行顯示，并通過串口送到PC進行相應的處理。Flash用來存放系統代碼。
整個系統設計中，Flash和LCD為基本的系統擴展，異步串口為基本的開發，這里只介紹一下DSP處理器與ADC的連接。它們必須通過串行接口，其中ADSP2191M為6線串行方式，而AD73360為5線的串行方式，它們的區別在于前者的串行時鐘分為串口發送時鐘和串口接收時鐘，是彼此獨立的，而后者合二為一。比較時序圖會發現，二者時序基本相同，但要控制AD73360，處理器還必須能夠滿足下面的要求：串口工作方式可設置為外部時鐘模式，串口字長可達到16bit，發送和接收的每個字都有同步幀信號，對處理器而言，接收同步幀信號為輸入信號，發送同步幀信號為輸入信號，幀同步信號產生在串口字高位出現的前一個時鐘周期，幀同步信號為高有效。
系統軟件設計
系統的軟件設計比較復雜，分為A/D采樣控制、LCD控制、串口傳輸、數據處理和諧波分析算法等幾個部分。整個軟件框圖如圖2所示。
其中，諧波分析算法代碼量最大，也最重要，系統對配電網電能質量的分析就由它來完成;Flash驅動代碼用于對Stm29w040進行驅動，它不在系統監測中使用，而是用來實現程序代碼的下載。在系統開發代碼的語言選擇上，采用DSP匯編語言和C語言相結合的方式，以C語言為主，匯編語言為輔。
219x_int_tab.asm文件的處理：在介紹整個系統流程之前，先介紹一下219x_int_tab.asm文件。當軟件主函數存在于C文件的時候，219x_int_tab.asm 文件被系統默認為項目的一部分，并對項目進行中斷向量初始化。當中斷發生后，程序指針跳轉到該文件的相應位置，通過 ___lib_int_determiner函數來尋找中斷服務程序的入口，一旦找不到服務程序入口，就會造成程序死鎖，無法正常運行，而采用C語言實現中斷函數比較復雜。為了提高系統開發速度，減少系統程序代碼，系統開發時要先對219x_int_tab.asm中的中斷向量表進行修改，將中斷服務程序入口直接給中斷向量表就可以完成該函數的功能。系統軟件的開發工具為ViusalDSP++3.0。
在軟件設計中，最重要的是諧波分析算法的設計。因為它是軟件設計的核心，不僅代碼量比較大，而且也是系統測量精度的決定性因素之一。本方案采用成熟的FFT(快速傅立葉算法)作為系統的諧波分析算法，同時，為了抑制FFT算法自身的柵欄效應和頻譜泄露問題，加入了漢寧窗和插值算法。由于代碼量較大，這里就不給出源代碼了。
在系統的軟件設計中，用到了兩個中斷：同步串口發送中斷和同步串口接收中斷。前者用來實現對AD73360的配置，后者用來實現從AD73360讀取轉換后的采樣數據。它們的代碼也不在此詳述了。
除此之外，系統還開發了異步串口、可編程標志引腳和LCD控制等待，使整個系統更加智能化、人性化。這里就不一一介紹了。
系統分析與軟件分析的比較
系統開發完畢后，為了對系統分析的結果進行檢測，使用與軟件分析進行比較的方法。將時域原始數據導入 Matlab軟件，通過該軟件內的FFT算法對數據進行分析，可以得到一組相應的時域波形、幅值譜和相位譜圖形。將這些圖形與系統硬件分析在DSP系統中所得到的對應圖型進行比較，就可以看出本設計的硬件系統分析與理論分析的差異。圖3就是這些圖形的對比情況。
DSP硬件系統與Matlab軟件所分析的原始數據是相同的，但是它們所采用的分析方法是不同的：一個是系統開發的算法、一個是軟件自帶的工具，所以，可以通過對比來審核開發系統算法的可靠性。可以看出，在對比圖中，開發系統得到的時域信號的波形和幅值、相位譜與Matlab軟件的分析結果具有相當的一致性。限于篇幅，最終的分析數據不再詳述了。
為了比較系統的可信度，可采用多次分析的方法，分析比較數據可以看出，雖然采用不同的分析系統，但是二者結果誤差很小，基本相同，這就說明系統的硬件監測結果有相當的可靠性。
結語
以AD73360和ADSP2191M處理器為系統硬件核心，系統具有如下特點：
•系統硬件設計簡潔，不僅容易實現而且成本較低。
•系統沒有外部擴展SRAM，對硬件要求比較低。
•使用DSP處理器未用接口資源，系統軟件方便升級。
•系統的軟件設計采用匯編和C語言相結合的方法和加窗插值FFT算法，可以提高代碼的開發速度和系統整體的測量精度。由比較結果來看，該方案符合電力系統的要求，可靠性高，而且至少可以滿足每周期160點的實時采樣
(1)智能電網是自愈電網
"自愈"指的是把電網中有問題的元件從系統中隔離出來，并且在很少或不用人為干預的情況下，可以使系統迅速恢復到正常運行狀態，從而幾乎不中斷對用戶的供電服務。從本質上講，自愈就是智能電網的免疫系統。這是智能電網最重要的特征。
自愈電網進行連續不斷地在線自我評估，以預測電網可能出現的問題，發現已經存在的或正在發展的問題，并立即采取措施加以控制或糾正。
自愈電網確保了電網的可靠性、安全性、電能質量和效率。
自愈電網將盡量減少供電服務中斷，充分應用數據獲取技術，執行決策支持算法，避免或限制電力供應的中斷，迅速恢復供電服務。
基于實時測量的概率風險評估將確定最有可能失敗的設備、發電廠和線路;實時應急分析將確定電網整體的健康水平，觸發可能導致電網故障發展的早期預警，確定是否需要立即進行檢查或采取相應的措施;和本地和遠程設備的通信將幫助分析故障、電壓降低、電能質量差、過載和其他不希望的系統狀態，并于這些分析，采取適當的控制行動。
自愈電網經常應用連接多個電源的網絡設計方式。
當出現故障或發生其他問題時，在電網設備中先進的傳感器確定故障并和附近的設備進行通信，以切除故障元件或將用戶迅速地切換到另外可靠的電源上，同時傳感器還有檢測故障前兆的能力，在故障實際發生前，將設備狀況告知系統，系統就會及時地提出預警信息。
(2)智能電網激勵和包容用戶
在智能電網中，用戶將是電力系統不可分割的一部分。鼓勵和促進用戶參與電力系統的運行和管理是智能電網的另一重要特征。
從智能電網的角度來看，用戶的需求完全是另一種可管理的資源，它將有助于平衡供求關系，確保系統的可靠性;從用戶的角度來看，電力消費是一種經濟的選擇，通過參與電網的運行和管理，修正其使用和購買電力的方式，從而獲得實實在在的好處。
在智能電網中，用戶將根據其電力需求和系統滿足其需求的能力，來調整、平衡其消費。
同時將滿足用戶在能源購買中有更多選擇的基本需求，減少或轉移高峰電力需求的能力，通過降低線損和減少效率低下的調峰電廠的運營，使電力公司盡量減少資本開支和運營開支，同時也提供了大量的環境效益。
在智能電網中，與用戶建立雙向實時的通信系統是實現鼓勵和促進用戶積極參與電力系統運行和管理的基礎。實時通知用戶其電力消費的成本、實時電價、電網目前的狀況、計劃停電信息，同時用戶也可以根據這些信息制自己的電力使用的方案。
(3)智能電網具有抵御攻擊的能力
電網安全性的全系統解決方案，擬在增強電網的抗攻擊能力。電網經常受到物理攻擊和網絡攻擊，該方案要求電網能夠從供電中斷故障中快速恢復供電。智能電網將展示被攻擊后快速恢復的能力，甚至是對那些決心堅定和裝備精良的攻擊者發起反擊。
電網安全性的全系統解決方案使智能電網的設計和運行具有阻止攻擊的能力，最大限度地降低損失和快速恢復供電服務。智能電網也能同時承受對電力系統幾個部分的攻擊和在一段時間內多重協調的攻擊。
智能電網的安全策略包含威懾、預防、檢測、反應，以盡量減少和減輕對電網的影響。面對重大威脅信息，不管是物理攻擊還是網絡攻擊，智能電網都能通過加強電力企業與政府之間的密切溝通，在電網規劃中強調安全風險，加強網絡安全，提高智能電網抵御風險的能力。
(4)智能電網提供滿足21世紀用戶需求的電能質量
電能質量指標包括電壓偏移、頻率偏移、三相不平衡、諧波、閃變、電壓驟降和突升等。
用電設備的數字化對電能質量越來越敏感，電能質量問題可以導致生產線的停產，對社會經濟發展造成重大的損失;因此，提供能滿足21世紀用戶需求的電能質量，是智能電網的又一重要特征。
但是電能質量問題又不是電力公司一家的問題，因此需要制定新的電能質量標準，對電能質量進行分級，因為并非所有的商業企業用戶和居民用戶都需要相同的電能質量。
電能質量可以從"標準"到"優質"進行分級，這取決于消費者的需求。它將在一個合理的價格水平上平衡負載的敏感度與供電的電能質量。
智能電網將以不同的價格水平提供不同等級的電能質量，以滿足用戶對不同電能質量水平的需求，同時要將優質優價寫入電力服務的合同中。
智能電網將減輕來自輸電和配電系統中的電能質量事件。通過先進的監控電網基本元件，快速診斷并準確地提出解決任何電能質量事件的方案。
此外，智能電網的設計還要考慮減少由于閃電、開關涌流、線路故障和諧波源引起的電能質量的擾動，同時應用超導材料、儲能以及改善電能質量的電力電子技術的最新研究成果來解決電能質量的問題。
另外，智能電網將采取技術和管理手段，使電網免受由用戶的電子負載所造成的電能質量的影響，將通過監測和執行相關的標準，限制用戶負荷產生的諧波電流注入電網。除此之外，智能電網將采用適當的濾波器，以防止諧波污染送入電網，惡化電網的電能質量。
(5)智能電網容許各種不同類型發電和儲能系統接入
智能電網將安全、無縫地容許各種不同類型的發電和儲能系統接入系統，簡化聯網的過程，類似于"即插即用"，這一特征對電網提出了嚴峻的挑戰。改進的互聯標準將使各種各樣的發電和儲能系統容易接入。
各種不同容量的發電和儲能在所有的電壓等級上都可以互聯，包括分布式電源如光伏發電、風電、先進的電池系統、即插式混合動力汽車和燃料電池。
商業用戶安裝自己的發電設備(包括高效熱電聯產裝置)和電力儲能設施將變得更加容易和更加有利可圖。在智能電網中，大型集中式發電廠(包括環境友好型電源，如風電、大型太陽能電廠和先進的核電廠)將繼續發揮重要的作用。
加強輸電系統的建設，使這些大型電廠仍然能夠遠距離輸送電力。同時各種各樣的分布式電源的接入一方面減少對外來能源的依賴，另一方面提高供電可靠性和電能質量，特別是對應對戰爭和恐怖襲擊具有重要的意義。
(6)智能電網會促使電力市場蓬勃發展
在智能電網中，先進的設備和廣泛的通信系統在每個時間段內支持市場的運作，并為市場參與者提供了充分的數據，因此電力市場的基礎設施及其技術支持系統是電力市場蓬勃發展的關鍵因素。
智能電網通過市場上供給和需求的互動，可以最有效地管理如能源、容量、容量變化率、潮流阻塞等參量，降低潮流阻塞，擴大市場，匯集更多的買家和賣家。
用戶通過實時報價來感受到價格的增長從而將降低電力需求，推動成本更低的解決方案以及新技術的開發，新型潔凈的能源產品也將給市場提供更多選擇的機會。
(7)智能電網使運行更加高效
智能電網優化調整其電網資產的管理和運行，以實現用最低的成本提供所期望的功能。這并不意味著資產將被連續不斷地用到極限，而是有效地管理需要什么資產以及何時需要，每個資產將和所有其他資產進行很好的整合，以最大限度地發揮其功能，同時降低成本。
智能電網將應用最新技術以優化其資產的應用。例如，通過動態評估技術使資產發揮其最佳的能力，通過連續不斷地監測和評價其能力，使資產能夠在更大的負荷下使用。
(8)智能電網高速通信在線監測
智能電網通過高速通信網絡實現對運行設備的在線狀態監測，以獲取設備的運行狀態，在最恰當的時間給出需要維修設備的信號，實現設備的狀態檢修，同時使設備運行在最佳狀態。系統的控制裝置可以被調整到降低損耗和消除阻塞的狀態。通過對系統控制裝置的調整，選擇最小成本的能源輸送系統，可以提高運行的效率。最佳的容量、最佳的狀態和最佳的運行將大大降低電網運行的費用。
此外，先進的信息技術將提供大量的數據和資料，并將集成到現有的企業范圍的系統中，大大加強其能力，以優化運行和維修過程。這些信息將為設計人員提供更好的工具，創造出最佳的設計，為規劃人員提供所需的數據，從而提高其電網規劃的能力和水平。
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