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第1卷第1期中国电机工程学报V ol.01 No.01 . 2013 文章编号：0258-8013 (2009) 07-0001-06 中图分类号：TM 85 文献标志码：A 学科分类号：470·40 简述网络控制在电力系统方面的应用

康云云

（东北大学信息科学与工程学院，辽宁省沈阳市和平区，10145）

Descriptions the Application of Network Control in Power System Monitoring

KANG Yunyun

(Heping District of Liaoning province Shenyang City College of information science and engineering, Northeastern University)

ABSTRACT:

Now the safety control of large power grid is still an

unsolved problem of the complex, at present, many control systems have existed in power system. If the introduction of power system control system network, the safety control problem solving system better. Considering the special network construction in power system of huge investment, is unlikely to build independent network respective for specific functions, various control information, and other information of the power system will be operating in the same power information network platform. Therefore, the network control in power system based on a network of integrated information transmission based on control. If the power system network control connection mode can greatly simplify the control equipment, realize the sharing of heterogeneous control devices in network integration and information,the control function and stability control of global and the global relay protection can be realized.

KEY WORDS：Power system; network control;Grid monitoring; network control system

摘要：目前，电力系统中已经存在了很多控制系统。如果把网络的控制系统技术引入电力系统，将更好的解决大系统的安全控制问题。考虑到电力系统专用网络建设的投资巨大，不太可能为各种特定的功能建设各自的独立网络，各种控制信息，甚至与电力系统的其它运行信息将运行于同一电力信息专用网络平台上。因此，基于电力系统中的网络化控制是一种基于信息综合传输的网络化控制。电力系统如果实现网络化控制可大大简化控制设备的连接方式，实现各种异构控制设备的网络集成和信息共享，使全局稳定控制和全局继电保护等控制功能得以实现。

关键词：电力系统；网络控制；电网监控；网络控制系统0 引言

我们知道，电力系统是一种快速分布式实时系统，它对于可靠性的要求是相当高的，为了有效解决电力系统中的安全控制问题，在电力系统中引入网络化控制系统已经成为当下一个十分重要的研究方向。本文就电力系统中网络化控制系统的应用问题对典型的网络化控制系统在电力系统中的应用进行了介绍，对电力系统网络化控制的关键问题进行了探讨和分析。

现在大型电网的安全控制仍然是一个没有得到很好解决的复杂问题，目前，电力系统中已经存在了很多控制系统。如果把网络的控制系统技术引入电力系统，将更好的解决大系统的安全控制问题。考虑到电力系统专用网络建设的投资巨大，不太可能为各种特定的功能建设各自的独立网络，各种控制信息，甚至与电力系统的其它运行信息将运行于同一电力信息专用网络平台上。因此，基于电力系统中的网络化控制是一种基于信息综合传输的网络化控制。电力系统如果实现网络化控制可大大简化控制设备的连接方式，实现各种异构控制设备的网络集成和信息共享，使全局稳定控制和全局继电保护等控制功能得以实现。

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973计划) (2006CB200303，2006CB2003056)。

The National Basic Research Program (973 Program) (2006CB2003- 03, 2006CB2003056).

中国电机工程学报第1卷2

1 网络控制系统

网络控制系统是一种分布式、网络化实时反馈控制系统，是指某个区域现场传感器、控制器及执行器和通信网络的集合，用以提供设备之间的数据传输，是该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作，网络化控制系统通过网络在传感器之间、控制器和被控对象的执行器之间传输数据，完成控制功能，实现控制目标。

网络化控制系统示意图如图1所示：

图1：网络控制系统示意图

Figure 1: Schematic Network Control System 从闭环控制角度看，网络控制系统中的控制器、执行器、被控对象、传感器是通过通信网络实现闭环的，因此网络控制系统的结构图可以表示为图2：

图2：闭环网络控制结构图

Figure 2: Closed Loop Network Control Structure

网络控制系统就是通过实时网络形成闭环的反馈控制系统。网络控制系统与传统的点对点的控制系统相比更加灵活、功能更为强大、也更加复杂的控制体系，能够提高生产效率，降低生产成本、可靠性高、易于安装与维护。网络控制系统还实现了资源的共享，扩大了网络和控制系统的应用领域。

但由于网络通信能力的限制，不可避免地会带来网络时滞、数据丢包及时序错乱等问题，这些问题是恶化系统性能以及导致NCSs不稳定的重要原因。同时为了节省网络资源，要利用量化器对通信信号进行处理，因此要考虑量化误差对系统的影响。

Figure 3: a quantitative and multi-packet loss network control

system structure

被控对象可表示为

1122,1

22

,,d1,....,1,0,

k

k k k d c k k

k k

i j

x A x A x B u B w

z Dx

x j d

ψ

+-

=+++

?

?

=

?

?==--+-

?（1）

其中：

n

k

x R

∈是状态向量，n

,c k

u R

∈

是控制输入，

中 国 电 机 工 程 学 报 第1卷

3

r k w R ∈是外部扰动，q k z R ∈是受控输出，1A ，2A ,1B ，2B 和D 是已知实常数矩阵，k d 表示满足12k d d d ≤≤的时变时滞，1d 和 2d 是已知正常数，

是系统初始条件。

量化级表示为

{}

{}00,,0,1,2,....0,

01,0.i i i u u u i u ρρ?Ω=±==±±???

<<>??（2）

具有量化和多包都是的测量输出可描述为 k ,,1x ,(1)(),k c k k k k c k y C y a q y a y -=?

?

=-+?（3）

其中：p

k y R ∈是输出向量，,p

c k y R

∈是测量输出向

量，C 为适当维数的已知实矩阵，k a R ∈随机变量是一个白噪声序列。

通过通信信道从控制器传送到系统的具有多丢包的控制输入描述为

,,1

(1)()c k k k k c k u q u u ββ-=-+（4）

量测输出

,c k

y 和控制输入

,c k

u 可表示为

,1,,1,2,,1

(1)(1)(1)(1)c k k k k k c k c k k k k k c k y a y a y u u u ββ--=-+?+??

=-+?+?（5）

其中观测器方程如下

{}112,,,,?????k k c k c k c k c k k x A x B u L y y y Cx +?=++-??

=??（6） 控制器方程为

?k k u Kx =（7）

本例讲了利用对数量化器来量化测量输出信

号和控制输入信号，同时考虑时变时滞及传感器-控制器以及控制器-执行器网络通道中多包丢失，给出了系统均方指数稳定并满足一定性能的条件。

2网络控制在电力系统中的应用

对电力系统来说，既有基于局域网的厂站自动

化系统，也有基于广域网的电压控制、稳定控制、

广域保护等系统。因此，电力系统网络化控制比普通网络化控制系统更加复杂。

2.1 电力系统中典型网络化控制系统的应用介绍

当下，在控制领域应用中较为常见的网络化控制系统有三种，即现场总线控制系统、工业以太网控制系统和无线网控制系统。

1) 现场总线控制系统。所谓现场总线控制系统，就是以现场总线为基础发展起来的数字控制系统。现场总线是指安装在现场装置与控制室内自动控制装置之间以及制造或过程区域现场装置之间的一种串行、数字式及多点通信的数据总线 现场总线自身的技术特性决定了它主要在低层设备通信中应用较多，诸如通常应用在电厂、变电站以及配电开关电器等中。在此从三方面进行简单介绍：(1)基于现场总线的变电站自动化系统。(2 基于现场总线的智能化配电与控制系统。智能化配电与控制系统主要通过采用现场总线将带有通信接口的控制设备和开关电器等与计算机进行连接，并由计算机实现遥测、遥控和通信功能的一种新型的配电与控制系统。该系统主要由智能化开关电器和控制设备、通信网络以及主控制器三部分组成，该系统拥有较完善的控制与监测能力，能够实现对故障、关时以及维护的报警，并可以对故障进行诊断。同时，它还拥有较先进的电能管理系统。(3)基于现场总线的供电和电业管理系统。能够实现现场测控与企业内部信息系统的集成化，实现企业外部信息连通的集成化等。

2) 工业以太网控制系统。在电力系统中，其业务主要以专线业务为主，随着以太网技术的不断发展以及IP 技术的广泛应用，电力系统的网络化接口也逐步向基于以太网的TCP ／IP~-向转变。工业以太网控制系统在电力系统中的应用主要体现在以下四个方面：(1)在变电站自动化中应用。有效确保能够随时随地向用户提供不间断的稳定的电能是供电部门的主要工作任务，在对电力系统进行通讯网络搭建时，越来越多的供电单位开始采用以太网作为整体解决方案。(2)在电厂辅助监控系统中的应用。计算机网络科学技术的不断发展，使得建立基于工业网络的火电厂辅助车间监控系统成为可能，一些单位已开始尝试建立和应用这样的系统。(3)在电网

中国电机工程学报第1卷4

监控与管理中的应用。当下，随着生产过程自动化水平的不断提高，企业用户对于供电系统的安全可靠性以及对于电力质量的要求提出了更高的要求，对供电系统的监控与管理也逐渐成为确保企业生产自动化的—个很重要的因素。(4)在配电自动化中的应用。近年来，以太网已成为配电自动化的众多通信手段中的热点，它凭借其良好的特性将逐步成为配电网通信系统未来发展的主流方向之一。

3) 无线局域网控制系统。当下，无线网技术在网络化控制系统中的应用还处在探索阶段，控制系统自身性能方面的因素，使得无线网还不能短时间内在网络化控制系统中得以广泛应用。但宽带无线网络技术的快速发展，对于有线网与宽带无线网的融合在工业自动化的应用起到较积极的作用，无线局域网技术的发展将会大大弥补有线局域网中存在的不足之处。

2.2网络控制在电网监控方面的应用

本文主要例举网络控制系统在电网监控中的应用例子。

电力系统的智能监控是电力系统智能化发展过程中的一个全新的概念。随着电子技术和电力电子器件的发展，半导体器件等其他非线性负荷在电力系统中的应用越来越广泛．电力系统谐波“污染”越来越复杂。严重的谐波“污染”对某些行业构成了巨大的威胁。对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响，显然电力系统中信号的快速、可靠、准确监测对电能质量的治理具有十分重要的意义电力系统智能监控的目的是当系统中出现故障时。控制电路控制断路器动作。快速切除系统中的故

障部分肪止故障扩大。保证设备与人身的安全。且不影响系统其它部分的正常运行智能控制器是实现智能控制的核心部件。其基本任务是通过对电网参数的采集和处理。给出相应的控制信息。此外，智能控制器通过现场总线或工业以太网可以和计算机连接。进行远程监控管理。

该控制器的主要工作原理是通过电流互感器和电压互感器采集电网上的电流和电压信号。经过信号处理电路的调理后。使信号变换到控制器通过对采集来的信号进行分析，然后对电网的状态做出判断，通过液晶显示器实时显示出信号的波形和参数。并且通过以太网向监控计算机发送相关数据，实现远程监控管理。智能控制器主要由ARM及其

1）ARM最小系统

此设计中采用PHILIPS公司的LPC2290型ARM处理器．LPC2290是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI—STM CPU，144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路1O 位ADC、2路CAN、PWM通道以及多达9个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制领域。通过配置内部总线．LPC2290最多可提供76个GPIO。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用ARM的外围电路包括晶振、滤波回路和片外RAM连接选择存储空间时使用的一些门电路ARM的外围电路结构变化通常不是太大．但是对相关参数的选择要慎重。否则会影响ARM正常工作的稳定。

2）信号采集与处理电路

数据采集电路包括滤波、放大、隔直、较准等功能。本文在设计中采用两级RC滤波电路来滤除6次以上的高次谐波。由于互感器二次侧电压向量比电流向量超前90度左右．所以通过两级RC滤波电路进行硬件滤波的同时也进行了向量调整．使电压向量和电流向量角度大致相同．为了以后的有效值计算提供了条件，考虑到小信号和大信号采集的不同需要．本文采用不同的放大倍数，对小信号采用12倍放大，而对大信号采用3倍放大．同时对放大的信号进行较准以满足AD转换的要求。

3）液晶显示和触摸屏电路

中国电机工程学报第1卷5

图形用户接口GUI是当前嵌入式系统研究中的一个重要内容．而液晶显示屏更以其显示直观便于操作的特点被用作各种控制系统的显示终端。触摸屏技术也已经在自动控制领域得到了广泛的应用本文提出了设计一个基于ARM平台的图形用户界面为自动控制系统提供一个良好的人机界面。3）以太网通信电路

为了实现对信号的远程采集．在设计中使用工业以太网将上位机和控制器连接起来，通信采用全双工方式．实现了“四遥”功能．通过上位机可以实时的看到控制器发送的

信息，并且可以通过监控计算机对控制器进行远程操作。系统设计如图5所示

图5：以太网通信电路

Figure 5: Ethernet communication circuits

电力系统采用以太网来完成监控计算机和智能控制器之间的通信，上位机的作用主要是实现“四遥”功能．在基于Winsock控件的基础上，采用VB软件进行编程．实现了以下功能：1)实时接收智能控制器节点上传的数据．智能控制器节点发送包括正常情况下的定时发送和异常情况下的实时发送2)随时读取智能控制器节点的数据．即工作人员可从上位监控计算机上根据需要随时向智能控制器节点发送命令，索取相关数据。3)具有远程在线设置智能控制器节点相关参数的能力。

智能控制器不仅实现了准确地测量与显示功能。而且实现了基于以太网的通信与远程监控功能。实时性能良好．指标达到预期要求。

3总结

在电力系统中，网路化控制系统的引入，为解决大系统的安全控制问题提供了一条新的可靠的方法和途径。网路化控制系统自身巨大的优良特性使得它在电力系统中得到了越来越广泛的应用。参考文献

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交稿日期：2013-11-25。

作者简介：康云云硕士研究生电力系统及其自动化

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