陈雄，张璘璘
上海宝信软件股份有限公司，上海 201900
摘 要：以上海宝山某IDC 数据中心某一个电力调度项目为基础，设计基于最优负责策略的电力调度基础自动化系统。采用西门子400系列PLC，组建冗余SCADA监控网络，实时快速响应电力系统的失电切换的同时满足负载和电网容量的最优负荷匹配，从而保证数据中心核心机房运行的稳定。
关键词：最优负责策略;电力调度;控制系统;
Design of Frequency Control System based on
ModBus communication protocol
CHEN Xiong,ZHANG LIN-LIN
(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 201900, China)
Abstract: Based on a power dispatching project of an IDC data center in Baoshan, Shanghai, a power dispatching basic automation system based on optimal responsibility strategy is designed. Siemens 400 series PLC is used to build a redundant SCADA monitoring network, which can quickly respond to the power system power loss switching and meet the optimal load matching of load and grid capacity at the same time, so as to ensure the stable operation of the core computer room of the data center..
Keywords: Optimal responsibility strategy; power dispatching; control system;
0 引言
上海宝山某数据中心在建设其中某一个电力调度系统时，考虑的是两段柴发母线，两段高压母线。正常供电时每路电源承担约1/2的负荷，当其中任意一路电源失去时，两路柴油发电机根据预定及反馈计算的策略来并网后自动选择向两路10kV母线中的其中一路或者两路进行供电，市电和柴发不并列运行。10kV母线所在的高压柜通过最优负责策略模型来切换系统的运行状态。
1 最优负荷策略模型
动态规划法：
动态规划（dynamic programming）是20世界50年代初提出一个最优性的原理，即：对于最优化的方略，依靠以前的一些决策所得到的的情况开始，对应的最优子策略是由剩下的一系列决策所组成的，与曾经的情景和决策没有关系。先解决单阶段问题，再把其中整合为一个完成的过程。
本文采用动态规划法实时对电力调度系统状态进行采集、分析、梳理、计算，以确定负载所处的高压母线是否出现紧急状态，如出现，则采取智能调度策略来切换系统的运行状态，包括PLC控制系统的冗余切换，控制系统的接触器输出切换，发电机的出力调整，变压器的分合闸等。在切换的过程中就要考虑以核心机房可靠稳定为最优先原则，保证核心机房电力的稳定供应。
在数据中心电力调度系统可靠性计算中，由于受计算精度、负载容量变化时限等影响，在柴发供电时碰到紧急状态下需要进行负载的消减，以避免柴发的解列。数据机房所在的两端10Kv母线各有4组负载，每个负载所对应的重要性及优先级如下表所示。核心负载及重要负载设置最高优先级。
优先级 投运顺序 变压器 高压柜
.png)
模型优先级计算公式如下：
表中设优先级为a，最先投运顺序为k，则计算：
.png)
该项目由单相电流检测变送器的电流I值来计算负载注入有功与线路有功的功率。
有功功率计算公式：
.png)
公式里的电压U为线电压。
从而动态的计算得到每个负载实际功率，是最优负荷策略模型的入口数据源，模型中只有少数紧急情况系必须进行负荷策略模型来消减负载的时候才需要进行模型计算，每次计算所需的计算时间为改电力调度控制系统的2个扫描周期时间，最快可达40ms内计算完毕，在50ms内控制电力调度执行机构来执行运算结果。
2 控制系统架构
该电力调度系统控制系统选用西门子400冗余PLC，配置CP443-1以太网卡和上位机数据通讯，共两台PLC控制柜和两台远程站控制柜。两台HMI-SERVER，型号为DELL OptiPlex XE2，均安装WINCC Sever V7.4服务器端软件，读写冗余PLC中的数据。该系统是最优负荷策略模型的运行硬件基础，同时设置两台HMI客户端供监视人员监控用。该系统具有如下特点：
(l)多CPU处理。
S7-400 PLC具有多CPU处理能力，机架上最多可配置2个CPU。这2个CPU同时运行，可以自动、同步地变换其运行模式。多CPU处理的适用场合是，用户程序太长，存储空间不够，硬件系统可以分开硬件组态。通过通信总线，CPU可以彼此互连通信。
(2)安全型、冗余型系统的工作原理。
“热备用”模式的主动冗余原理，当发生故障时，可以无扰动、自动地进行主备控制系统切换。两个控制器运行相同的用户程序，换收相同的数据，这两个控制器同步地更新数据内容，当主备系统中任何一个系统有故障时，另一个系统接替承担全部控制任务。如果系统出现故障，生产过程能继续执行。
(3)硬件冗余。
数据中心电力调度系统无论是系统故障带来的损失还是系统维修引起的损失都会造成生产的停顿。停电导致的成本损失巨大，故使用容错系统，容错型CPU构成的控制系统可以大大减少生产的损失，容错系统的高投入会很快被挽回的生产损失所补偿。中央功能总是冗余配置的，I/O模块可以是常规配置、切换型配置或冗余配置，常采用冗余供电的方式。
(4)软件冗余。
该数据机房电力调度项目的最大特点就是末端设备需供电稳定及时，对整套电力调度系统的响应速度及稳定性有很高的要求，同时又需要参数设定、状态监控。通过专业的软件设计，来保证系统正常稳定的运行。
3 软件设计
该项目中所涉及的控制软件应用场景较多，本文选取其中某一场景的最优负载策略模型来做应用软件设计开发。示例如下：
1) MN01段市电供电，MN02段柴发供电
2) MN02段低压共4台变压器（T101-2、T102-2、T202-1、T302-1），模拟每台变压器用的功率为1000kW，共4000kW。优先级和顺序模拟设定依次为{[1、1]，[2、1]，[1、3]，[1、4]} 。
3) MN01段低压共4台变压器（T101-1、T102-1、T201-1、T301-1），模拟每台变压器用的功率为1000kW，共4000kW。优先级顺序模拟设定依次为{[1、2]，[2、2]，[1、4]，[2、6]} 。
4) MN02段柴发供电，此时仅2台柴发发并网，每台柴发PRP容量2264kW，总供电容量2*2264*0.95=4300kW。满足02段4台变压器所需4000KW。
5) MN01段模拟市电断电，切换至柴发供电。（切换过程见4.1）
6) MN01段柴发馈线柜合闸后，MN01段柴发供电运行中，柴发供电容量不足，断开02段优先级最低的T102-2变压器低压柜，合闸01段优先级和顺序均最高的T101-1变压器的高压柜和低压柜。
7) 以设备少动作原则，相同优先级的变压器不动作。
限于篇幅下面给出该功能下的部分程序，仅供参考。
#include <config.h>
#include <math.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
……
Main（）
{
Initial();//设备初始化函数
DB1.Seq12[0]:= DB1.Seq12[i+1];
…… DB1.Seq21k:=0;
…… FOR i:=0 TO 39 BY 1 DO
IF DB1.Seq21[i+1]>0.0 AND DB1.Seq21[i+1] > DB1.Seq21[0]
THEN DB1.Seq21[0]:= DB1.Seq21[i+1]; DB1.Seq21k:=i+1;
…… END_IF;
END_FOR;
…… FC210(IN := ( j>0 AND DB1.Seq21k>0 AND ( DB100.Device[44+j-1].Real1 > DB1.KV_01PWR ) AND NOT(DB1.Lock01_6mSet) AND NOT(DB1.Lock01_3mSet) AND NOT(DB1.Lock02_6mSet) AND NOT(DB1.Lock02_3mSet) ) , PT := 2000.0 , CyC :=DB1.CYC , ET:= DB103.FT[402].T[0].ET , OUT := DB103.FT[402].T[0].OUT );
……
IF DB103.FT[402].T[0].OUT THEN
IF ( DB1.Seq12[0] < DB1.Seq21[0] ) AND DB1.Seq21k>0 AND j >0 AND ( DB100.Device[44+j-1].Real1 > DB1.KV_01PWR ) THEN
IF DB100.Device[44+DB1.Seq21k-1].Priority >0.0 AND DB100.Device[44+DB1.Seq21k-1].Priority >DB100.Device[44+j-1].Priority THEN
…… DB100.Device[44+DB1.Seq21k-1].HAOpen:=1;
…… END_IF;
END_IF;
由于程序较长，对程序的其它部分不做详述。本段程序动态采集系统状态，平时处于缄默状态，当电力调度系统触发紧急状态时，在最快20ms内快速调用并执行计算。计算的时间取决于控制系统当前相应速度，正常不超过50ms。
4 结束语
本文采用的最优负荷策略模型来执行数据中心电力调度系统紧急状态下的消减负载计算，实际使用中系统计算响应速度在20ms内，控制系统执行机构在50ms内接收计算结果并执行。从紧急状态触发到电力调度系统设备切换完毕总所需时间1.5分钟内，达到国内领先水平，紧急状态下的触发最优负责策略模型的计算，实时对负载的单相电流监控并计算，保证了核心机房运行的可靠与稳定。
参考文献：
[1]刘媛杰, 李霞, 李云阳. 常用电力负荷模型的分析研究[J]. 塔里木大学学报, 2015, 27(04):99-104.
[2]周静, 吕天光, 陈希,等. 省级电力调度数据网带宽分析与容量规划研究[J]. 电网技术, 2012, 36(005):173-177.
[3]吴昊琛. 探究电力调度自动化系统应用现状与发展趋势[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊), 2009.
[4]苗玉鑫. 电力调度自动化系统实用化应用[J]. 工业C, 2016, 000(004):P.137-137,139.
[5]王为国, 曾伟民, 代伟,等. 基于数据仓库的一体化电力调度自动化系统[J]. 电力系统自动化, 2003, 27(12):67-70.
[6]姜珊珊. 基于数据仓库下一体化电力调度自动化系统的分析[J]. 中国科技投资, 2018(28).
[7]刘佳, 元一平, 万凌云,等. 电网最优负荷削减的动态校正域及Ward等值模型[J]. 重庆大学学报, 2019, v.42(02):46-55.
[8]王韶, 董光德, 晏健. 基于最优负荷削减的小世界电网连锁故障模拟[J]. 电网技术, 2012(06):152-156.
作者简介：
姓名：陈雄，上海宝信软件股份有限公司高级工程；