物理學科研究論文
物理學科研究論文
物理學科是當今最精密的一門自然科學學科。下面是小編想跟大家分享的物理學科研究論文，歡迎大家瀏覽。
【摘 要】
嵌入式系統、計算機技術、網路通訊技術的快速發展使構建未來智慧電網成為了可能，基於資訊物理系統(CPS)技術構建電力資訊物理融合系統(CPPS)為實現未來智慧電網提供了新的思路。本文對CPPS平臺進行了初步研究分析，介紹了應用於CPPS中的同步PMU技術、開放式通訊網路、分散式控制。
【關鍵詞】
CPPS;同步PMU;開放式通訊;分散式控制
引言
受能源危機、環保壓力的推動，以及使用者對電能質量(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，智慧電網(Smart Grid)成為未來電力系統的發展方向。智慧電網的發展原因主要有以下幾個方面：
1)分散式電源(Distributed Generation，DG)大量接入電網導致的系統穩定性問題。由於DG的大量接入使電網變成一個故障電流和執行功率雙向流動的有源網路，增加了系統的複雜度和脆弱度，因此亟需發展智慧電網以解決DG大量接入電網導致的系統穩定性問題。
2)電力使用者對電能質量(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鉅額的經濟損失，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慧電網以提供優質的電力服務。
論文主體結構如下：第1部分介紹了近年來資訊物理系統(Cyber Physical System ，CPS)技術的發展以及CPS與智慧電網的相互關係;第2部分介紹了電力資訊物理融合系統(Cyber-Physical Power System，CPPS)的硬體平臺模型;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中的開放式通訊網路進行了初步分析;第5部分對CPPS的分散式控制技術進行了簡單介紹;最後第6部分做出全文總結。
1 CPS與智慧電網的相互關係
CPS技術的發展得益於近年來嵌入式系統技術、計算機技術以及網路通訊技術等的高速發展，其最終目標是實現對物理世界隨時隨地的控制。CPS透過嵌入數量巨大、種類繁多的無線感測器而實現對物理世界的環境感知，透過高效能、開放式的通訊網路實現系統內部安全、及時、可靠地通訊，透過高精度、可靠的資料處理系統實現自主協調、遠端精確控制的目標[1]。
CPS技術已經在倉儲物流、自主導航汽車、無人飛機、智慧交通管理、智慧樓宇以及智慧電網等領域得以初步研究應用[2]。
將CPS技術引入到智慧電網中，可以得到電力資訊物理融合系統(Cyber-Physical Power System，CPPS)的概念。為了分析CPPS與智慧電網的相互關係，首先簡單回顧一下智慧電網的概念。目前關於智慧電網的概念較多，並且未達成一致結論。IBM中國公司高階電力專家Martin Hauske認為智慧電網有3個層面的含義：首先利用感測器對發電、輸電、配電、供電等環節的`關鍵裝置的執行狀況進行實時監控;然後把獲得的資料透過網路系統進行傳輸、收集、整合;最後透過對實時資料的分析、挖掘，達到對整個電力系統執行進行最佳化管理的目的[3-4]。
從上文關於CPS和智慧電網的介紹中可以看出，CPS與智慧電網在概念上有相通之處，它們均強調利用前沿通訊技術和高階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資訊系統的深度融合，最終實現構建完整的智慧電網提供了新的思路和實現途徑。
2 CPPS的硬體平臺架構
基於分散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慧電網的總體目標，建立安全、穩定、可靠的智慧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於電力系統穩態監測的SCADA/EMS系統和側重於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於SCADA主站的集中控制方式和基於保護控制裝置安裝處的就地控制方式[5]。就地控制方式易於實現，並且響應速度快，但是由於利用的資訊有限，控制性能不夠完善，不能預測和解決系統未知故障，對於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域性資訊，能夠最佳化系統控制性能，但是計算資料龐大、通訊環節多，系統響應速度慢，並且現有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執行進行有效地控制。
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慧電網，必須建立相應的廣域保護的實時動態監控系統，CPPS的硬體平臺就是在此基礎上建立起來的。
CPPS的硬體平臺6層體系架構如圖1所示，主要包括：物理層(電力一次裝置)、感測驅動層(同步PMU)、分散式控制層(智慧終端單元STU、智慧電子裝置IED等)、過程控制層(控制子站PLC)、高階最佳化控制層(SCADA主站控制中心)和資訊層(開放式通訊網路)。
其中，底層的物理層是指電力系統的一次裝置，如發電廠、輸配電網等。感測驅動層主要用於對電力系統的動態執行引數進行實時監控，測量引數包括電流、電壓、相角等，在CPPS中廣泛使用的測量裝置是同步PMU。分散式控制層主要包括各STU/IED，為廣域保護的分散式就地控制提供反饋控制迴路。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，透過收集多個測量節點的資料資訊，建立系統層面的控制迴路，並做出相應的控制決策。高階最佳化控制層是指排程中心控制主站，主要為電力系統的動態執行提供人工輔助最佳化控制。頂層的資訊層即智慧電網的開放式通訊網路，注意資訊層並不是單獨的一層，而是重疊搭接CPPS的各個分層，為CPPS內部各元件提供安全、及時、可靠的通訊。
上文給出了CPPS的硬體平臺模型，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、開放式通訊網路以及分散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資料。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、重要負荷連線點以及HVDC、SVC等控制系統，測量資料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、勵磁訊號、氣門開度訊號、AGC、AVC、PSS等控制訊號[6]。利用測得的資料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的硬體結構框圖如圖2所示。
其中，GPS接收模組將精度在±1微秒之內的秒脈衝對時脈衝與標準時間訊號送入A/D轉換器和CPU單元，作為資料採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轉換後，送到CPU單元進行離散傅立葉計算，求出同步相量後再進行輸出。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，還需接入鍵相脈衝訊號用以測量發電機功角[7]。
4 CPPS的開放式通訊網路
建立CPPS的開放式通訊網路，應該在保證安全、及時、可靠的通訊的基礎上，使系統具有高度的開放性，支援自動化裝置與應用軟體的即插即用，支援分散式控制與集中控制的結合。對於建立的開放式通訊網路，需要進行通訊實時性分析、網路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路通訊標準而運用於智慧變電站中，支援裝置的即插即用和互操作，使智慧變電站具有高度的開放性。IEC 61850標準是智慧變電站的網路通訊標準，同時正在進一步發展成為智慧電網的通訊標準[8]，因此，使用IEC 61850作為CPPS通訊網路的通訊標準是最佳選擇。
IEC 61850的核心技術[9]包括面向物件建模技術、XML(可擴充套件標記語言)技術、軟體複用技術、嵌入式作業系統技術以及高速乙太網技術等。
4.2 通訊網路配置與分析
對於CPPS開放式通訊網路的網路配置，可參考智慧變電站的三層二網式網路結構配置，構建CPPS的3層式通訊網路，如圖3所示。
其中，底層為位於發電廠、變電站和重要負荷處的大量PMU、STU/IED，分別負責採集實時資訊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，以完成該分割槽系統層面的保護控制，並根據需要將資料上傳到SCADA主站控制中心。SCADA主站控制中心接收各控制子站的上傳資料，處理以後將控制資訊下發到各控制子站，以實現CPPS的廣域保護控制功能。注意，各層裝置均嵌入GPS實現精確對時，保證全系統的同步資料取樣。
5 CPPS的分散式控制機理
要建立堅強自愈的智慧電網，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範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禦框架，建立了電力系統的3道防線，為實現智慧電網的廣域動態保護控制奠定了良好的基礎。
電力系統的分散式控制(Distributed Control，DC)是相對於傳統的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)分別控制不同的裝置和物件(如發電機、負荷、保護裝置等)，各自構成獨立的子系統，各子系統之間透過通訊網路互聯，透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]。分散式控制的核心特徵就是“分散控制，集中管理”。在電力系統的3道防線的基礎上，結合分散式控制技術，建立CPPS的3層控制架構，如圖4所示。
其中，分散式控制層主要是在故障發生的起始階段(緩慢開斷階段)採取的控制措施，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)所採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裝置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。最佳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後所採取的控制措施，通常需要進行多輪次的切負荷和振盪解列。在電力恢復階段，要有自適應的黑啟動和自痊癒的控制方案。
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慧電網提供新的思路。文中對CPPS中的同步PMU測量技術、開放式通訊網路技術、分散式控制技術分別進行了簡單介紹。