基于同步相量的电力系统广域控制系统实现平台

SoftwareX 7（2018）294原始软件出版物Audur-基于同步相量的电力系统广域控制系统实现平台L. Vanfrettia，*，G.M.Jónsdóttirb，M.S.Almasc，E.Rebellod，S.R.Firouzic，M.博德特ea美国纽约州特洛伊市伦斯勒理工学院工程学院电气、计算机系统工程系B 爱尔兰都柏林大学电气电子工程学院c瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院电气工程和计算机科学学院d加拿大爱德华王子岛加拿大风能研究所美国加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室储能分布式资源部电网集成组ar t i cl e i nf o文章历史记录：2017年2月28日收到收到修订版，2018年5月30日接受，2018年保留字：电力系统广域控制系统振荡阻尼区域间振荡a b st ra ct电力系统的规模和复杂性持续增长，导致控制和稳定它们的新挑战基于测量的广域控制系统（WACS）在过去的十年中得到了广泛的研究，以提高电力系统的稳定性。然而，到目前为止，很少有WACS在该领域的实施。为了弥合这一差距的LabVIEW软件包，Audur，在本文中介绍，允许用户轻松地实现他们的自定义WACS设计的国家仪器硬件平台上。硬件控制器接收符合IEEE C37.118.2协议的同步相量测量，并生成控制信号，该控制信号原则上可以被配置为辅助控制系统以驱动电力系统中的任何有源部件版权所有©2018作者.由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前软件版本v1.0.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-17-00019法律软件许可证GNU通用公共许可证版本3计算平台/操作系统National Instruments Compact Reconfigurable I/O（NI-cRIO）&LabVIEW 2013 SP1，LabVIEW Real-Time，LabVIEW FPGA，NI-cRIO驱动程序快速入门指南和文档https://github.com/ALSETLab/Audur问题支持电子邮件luigi. gmail.com1. 动机和意义在过去几年中，随着可再生能源的整合，更多的互联和电力需求的增加，电力系统经历了巨大的变化2003年美国东北部停电[1]等恶性事件表明，传统的监测系统和自动控制并不总是足够的。一个特定的控制器，广域功率振荡阻尼（WAPOD）1在过去几年中得到了广泛的研究[2，3]。广域通讯作者。电子邮件地址：vanfrl@rpi.edu（L. Vanfretti）。控制系统被认为是提高系统稳定性的关键手段[4]。WACS可用于不同的控制目的，机电振荡的阻尼对于系统范围内的TSO操作非常重要[5]。尽管该技术具有巨大的潜力，并且对系统运营商具有极大的兴趣，但只有少数广域控制系统（WACS）实施在实际电力系统中进行了测试[6，7]，而同时对不同类型的WACS进行离线仿真研究继续出现在文献中这个项目背后的主要动机是创建一个平台，可以弥合WACS的理论/仿真研究和实际实施的挑战今天可用的WACS不仅数量少，而且是专有的。1从历史上看，广域阻尼稳定器被称为WAPOD，P表示通过线路的有功功率的测量值在这个术语中，这里的有功功率被用作控制器输入信号。虽然这个词不是当其他信号用作控制输入或反馈信号时，该术语在此用于保持与现有文献的一致性。https://doi.org/10.1016/j.softx.2018.08.0032352-7110/©2018作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx*L. Vanfretti等人/SoftwareX 7（2018）294295图1.一、（a）显示了Audur平台的软件架构。（b）S3 DK模板的LabVIEW项目（c）科尔金样板的LabVIEW项目图二. （a）利用S3DK的模板的软件功能。(b)使用Khorjin的模板的软件功能。它们是封闭的系统，如果没有销售商/供应商的干预，很难或不可能进行Audur平台是一个通用的WACS，允许用户创建使用National Instruments LabVIEW环境的硬件控制器[8]。它是可定制的，它可以利用不同的同步相量输入信号，很容易适应控制不同的电力系统组件。硬件控制器从作为广域监视保护和控制（WAMPAC）系统的基本部分的市售相量测量单元（PMU）和/或相量数据集中器（PDC）接收符合IEEE C37.118.2 [9]标准的同步相量流Audur的输出是一个基于同步相量的控制信号，原则上可以配置为控制电力系统中的任何有源设备。2. 软件描述Audur是一个LabVIEW软件包，主要在National InstrumentsCompact Reconfigurable I/O（NI-cRIO）控制器上执行[8]。选择NI-cRIO作为开发平台是因为它允许快速算法开发和部署，简化嵌入式控制设计，并提供WACS所需的网络功能。原则上，它可以在NI提供的任何其他硬件平台上运行，前提是它们满足某些软件/硬件要求（参见代码元数据表）。Audur允许用户创建定制的硬件广域控制系统（WACS），该系统利用两种不同的同步相量数据调解工具包（也开发了由作者实验室提供）、S3 DK [10]和Khorjin [11]，其根据应用提供不同的功能。S3DK是一个用户友好的工具包，它提供拖放功能块，并包括允许用户轻松实现他们需要的代码的S3 DK的缺点是它不能直接在NI-cRIO上执行，而是必须在具有非实时操作系统（RTOS）的外部PC如果用于WACS，它会给控制回路增加一个不确定的时间延迟另一方面，Khorjin是一个基于C的库，允许在运行不同操作系统的平台上部署一个LabVIEW实时软件包已经围绕Khorjin的核心构建，并包含在Audur软件包中用于WACS开发。这允许Khorjin直接在NI-cRIO上运行，从而减少控制回路延迟，并允许控制器延迟。通过使用S3 DK或Khorjin，用户可以访问原始同步相量测量，这些测量可以进一步用于自定义控制算法。振荡是电力系统中固有的，并且当扰动发生并且系统被激励时，在同步相量测量中振荡是可消除的这些振荡的性质是由电力系统的特性决定的因此，在大多数情况下，振荡频率是明确定义的。作为如何使用Audur部署自定义WACS的示例，包中包含相量POD算法使用递归最小二乘滤波器（或低通滤波器）将平均值与给定振荡频率的输入信号的振荡内容分离[12]。该算法可用于为电力系统中的任何有源设备创建阻尼控制信号296L. Vanfretti等人/SoftwareX 7（2018）294图3.第三章。 （a）空的FPGA.vi模板，用户可以在其中添加自定义控制算法。（b）FPGA中包含的相量POD代码（c）在LabVIEW中使用相量POD算法的负载控制见图4。 实时硬件在环设置。使用来自功率系统的不同同步相量测量这种控制算法的应用是实际的，因为它不依赖于电力系统模型，所以可以使用它，而不需要通过广泛的控制设计研究。由于这些原因，它是一个合适的选择，创建一个通用的阻尼控制器。该算法仅在文献中报道，并且仅在控制系统原型的专有软件中可用[6]。随着这篇论文的发布，它首次开放源代码，并包含在Audur包中。Rebello在[13]中创建了Phasor POD算法的LabVIEW实现此外，作为如何使用相量POD设计自定义控制算法的示例，包括[14]中报告的负载控制算法2.1. 软件构架Audur的两个模板的软件架构如图1所示。架构细化过程记录在[13]中。在那里，它显示了初始软件架构是如何由于硬件和软件限制而修改的使用S3 DK的模板的软件架构分为三层，一层在非RTOS（UImain.vi）上运行，第二层在实时处理器（RT.vi）上运行，第三层在NI-cRIO的FPGA（FPGA.vi利用Khorjin的模板的软件架构更接近于两层软件架构的初始设计，所有软件架构均可在NI-cRIO上运行，使其独立、紧凑且快速。L. Vanfretti等人/SoftwareX 7（2018）294297图五. （a）当区域2中的负载被控制以阻尼振荡时的有功功率响应。(b)当SVC被控制以阻尼振荡时的有功功率响应。图六、 RT-HIL测试设置，用于分析时间同步信号丢失对广域控制应用的影响。阻尼控制器是基于Audur和显示概述。见图7。基于同步相量的阻尼控制器在时间同步信号丢失时的性能。2.2. 软件功能利用S3DK的模板如图所示. 2（a）. 第一层（UImain.vi）在PC上执行，其中S3DK用于在LabVIEW并使用LabVIEW共享变量将其转发到NI-cRIO的实时处理器。第二层（RT.vi）在NI-cRIO的实时处理器上运行。它从PC接收原始PMU测量值并管理输入信号选择。所选输入信号被转发到NI-cRIO的FPGA第三层也是最后一层（FPGA.vi ）在NI-cRIO的FPGA上运行，并从实时处理器接收选定的输入信号在此实施控制算法，并将控制信号馈送至NI-cRIO的模拟输出使用Khorjin的第二个模板与S3 DK模板几乎相同，只是删除了UImain.vi，而Khorjin包含在NI-cRIO实时处理器上运行的RT.vi中。这在图中以图形方式示出。第2段（b）分段。2.3. 示例代码段分析Audur软件包为用户提供了一个模板，除了在FPGA.vi中实现控制算法之外，无需进行任何修改即可图3显示了Audur软件包中包含的www.example.com的三个版本的LabVIEW代码FPGA.vi。在图3（a）中，示出了空的FPGA.vi。用户可以完全自由地创建自定义控制算法。图3（b）示出了其中包括相位器POD算法的FPGA.vi它可用于为电力系统中的不同设备创建自定义控制信号这方面的一个例子如图所示。 3（c），其中298L. Vanfretti等人/SoftwareX 7（2018）294见图8。RT-HIL测试设置，用于分析时间同步信号欺骗对广域控制应用的影响。阻尼控制器是基于Audur和显示概述。见图9。基于同步相量的阻尼控制器在时间同步信号欺骗下的性能。已经包括了使用相量POD算法的负载控制算法。3. 说明性实例为了说明Audur的使用，控制算法的实现，以及如何测试平台，图1所示的实时硬件在环（RT-HIL）设置。 四是使用。用于测试控制算法的电力系统模型是两区域四机该模型在OPAL-RT的eMEGASIM实时模拟器（RTS）中执行系统中所需母线的三相电压和电流测量值被发送到实验室中的商用PMUPMU计算同步相量，并使用IEEE C37.118.2协议将其传输到PDCPDC时间对齐测量值并创建连接的输出流。接下来，S3DK或Khorjin将PDC流解包为原始数值，以便在LabVIEW环境中使用。然后将原始数据值馈送到在NI-cRIO上实施最后，生成模拟控制信号并与RTS接口，以向运行在RTS上的电力系统模型该测试设置在瑞典斯德哥尔摩KTH皇家理工学院的SmarTS实验室中配置[15]。在三个步骤中测试控制算法首先，在实时软件在环（RT-SIL）中，控制算法和电力系统模型都在RTS上仿真，但是在通过仿真器的数字输入和输出连接在一起的单独的核上。在RT-SIL中测试算法是创建硬件控制器的第一步。它用于验证设计并推导硬件实现的要求。第二步和第三步用于使用S3 DK和Khorjin在RT-HIL中测试为了测试算法的阻尼性能，在电力系统模型中施加发电机1的电压参考中5%变化的小扰动。受控SVC位于区域1和区域2之间的线的中点处。负载控制算法用于调节区域2中的负载[14]。图 5，显示了RT-SIL和RT-HIL结果。单独测试控制，而不是同时测试，即SVC或负载一次控制。4. 影响该项目背后的主要动机是促进设计，实施和测试基于PMU的广域监测保护和控制（WAMPAC）应用程序[15]。为了能够开发基于PMU的应用程序，必须实现协议解析器以从IEEE C37.118.2格式流中提取原始同步相量值解析器和同步相量工具的工作始于2011年，产生了S3 DK [10]，BabelFish [16，17]和Khorjin [11]，它们都慢慢地作为开源软件提供Audur软件包是潜在用户使用完全开源的软件解决方案实现实时控制器所需的最后一块。通过提供这套软件包，2011年开始的工作就结束了，这是多年工作和研究的顶峰。几个项目已经使用S3 DK创建了不同的监测工具，[18，19]，包括模式估计工具[20]。在这些项目中，有可能将监控工具与WACS应用程序结合起来，其中可以使用Audur平台，如下所述为了进一步确定开发的软件包Audur的重要性，下面简要总结了使用该软件包的各种研究1. Audur用于研究分析时间同步信号丢失对基于同步相量的控制应用的影响[21]。利用Audur软件包部署基于同步相量的功率振荡阻尼器，为发电机励磁控制提供阻尼控制信号。用于本研究的实验装置如图6所示，而阻尼L. Vanfretti等人/SoftwareX 7（2018）294299见图10。基于Audur的广域阻尼控制器（WADC）原型设计WADC利用同步相量测量来产生阻尼信号，该阻尼信号被直接馈送到商用励磁控制系统（ECS）以提供振荡阻尼。见图11。实验结果：使用内部PSS和来自WADC的外部阻尼信号控制器时，受到时间同步信号丢失如图所示。7.第一次会议。研究表明，时间同步信号的丢失会降低广域控制器的性能.2. 在随后的研究中，Audur被用来研究时间同步欺骗对广域阻尼控制器的影响[22]。在这方面，用于本研究的实验装置如图8所示，而阻尼控制器在受到时间同步信号欺骗时的性能如图8所示。9.第九条。研究表明，时间同步信号的丢失会降低广域控制器的性能本研究的结论是，广域控制器上的时间同步欺骗攻击可以在系统中引入负阻尼，从而导致系统不稳定。3. 在类似的情况下，Audur被扩展为广域阻尼控制器的原型，该控制器向商业励磁控制系统提供基于同步相量的阻尼信号[23]。该控制器由以下组件组成：（i）实时模式估计模块，（ii）同步相量的通信延迟计算模块，以及（iii）在实时硬件原型控制器中执行的基于相量的 实验设置用于原型这种控制器如图所示。 10，而该WADC阻尼多个振荡模式的性能如图10所示。十一岁通过实时硬件在环仿真，得出的结论是，所开发的控制器有效地识别电力系统中的关键振荡模式，并补偿与同步器测量相关的通信延迟，以提供足够的阻尼电力系统中的本地4. 在另一项研究中，Audur用于部署广域控制器，该控制器能够利用同步相量测量，通过调制励磁升压器电压来提高系统的瞬态稳定性[24]。该控制器使用Audur部署，其主要功能如图所示。 12个。本研究的结论是，开发的控制器可以提高系统的临界清除时间高达60%。值得注意的是，如果没有Audur，这些研究将无法进行，或者需要完全不同的设计和实现策略，从而增加了复杂性和总体测试/部署时间。目前，希望实施WACS的用户可用的选项仅限于电力行业中传统供应商的专有设备，其倾向于专有软件开发方法，并且仅提供如[12]中的封闭系统。这将研究人员和最终用户锁定在特定的供应商系统和低级功能（例如，相量POD [12]）不可访问。此外，用户没有自行或通过第三方修改和调整实现的自由。尽管Audur支持的平台将用户锁定在使用LabVIEW和cRIO上，但它仍然为用户提供了使用其选择的National Instruments平台和修改控制器300L. Vanfretti等人/SoftwareX 7（2018）294图12个。使用Audur部署AVR、EB和WACS控制。功能协调发展的这提供了对控制系统的所有功能的完全访问，因此可以根据用户的要求对其进行分析和修改，从而进一步促进了以较低成本进行快速硬件原型设计。随着对同步相量技术和实时仿真研究的增长，在过去十年中，世界各地出现了开发电力系统应用的实验室[25]。Audur平台可以让这些实验室在创建自己的自定义硬件WACS以及用于广域保护系统（WAPS）的其他广域同步相量应用方面有一个跳跃式的开始。5. 结论本文概述了Audur平台，该平台是经过多年研究和工作开发的最后一个闭环，专注于开发用于阻尼区域间振荡的自定义WACS这项工作是第一作者以前和现在的学生共同努力的结果。该软件包是基于LabVIEW的，使用户能够在NI平台上创建硬件WACS尽管这需要用户采用NI产品，但它为用户提供了根据其需求修改和定制实施的自由，这在使用当今极少数商业专有WACS时是不可能的Audur平台包括可以轻松修改的示例由用户指定在National Instruments硬件上部署自定义WACS该软件的进一步开发是基于第一作者致谢L的工作。Vanfretti部分得到了美国国家科学基金会工程研究中心计划和美国能源部的支持，并获得了EEC-1041877奖，部分得到了美国CUMENTO行业合作伙伴计划的这项工作的一部分由北欧能源研究（NER）通过Strong2 rid项目提供资金支持。作者要感谢冰岛电力系统运营商Landsnet和挪威电力系统运营商Statnett SF的支持奉献这篇论文和OSS的发布是为了纪念Statnett SF的前研发副总裁Jan Ove Gjerde，他是第一个相信和支持第一作者及其研究团队的人。R.I.P. 21-08-2016。引用[1] HauerJF，Bhatt NB，Shah K，Kolluri S.“WAMSEast”在为2003年8月14日东北停电提供动态信息方面的表现。20 0 4 年：电力工程学会会员大会。美国电气与电子工程师协会。IEEE;2004年。p. 1 6 8 5 -90年。[2] Pierre B，Elliott R，Schoenwald D，Neely J，Byrne R，Trudnowski D，Colwell J.使用PDCI调制和实时PMU反馈的广域阻尼控制器的监控系统在：2016 年 IEEE 电 力 和 能 源 协 会 大 会 ;2016 年 。 第 1-5 页 。http://dx.doi.org/10.1109/PESGM.2016.7741594网站。[3] Schoenwald DA，Byrne RH，Elliott RT，Neely JC，Trudnowski D.广域阻尼控制概念验证演示;2014年。网址http://www.osti。gov/scitech/servlets/purl/1140311.[4] Juan Sanchez-Gasca（工作组主席），[5] 欧洲电力传输系统运营商网络（ENTSOE），系统保护和动态工作组，“广域监控-当前欧洲TSO应用概述（第5版）”，2015年9月[6] UhlénK，Vanfretti L，De Oliveira M，Leirbukt A，Aarstrand VH，GjerdeJO.挪威输电网中广域功率振荡阻尼器的实施和试验. 2012 IEEE Power andEnergy Society GeneralMeeting. 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