配電網(wǎng)微型PMU與故障錄波裝置研究與開發(fā)

李 江，徐志臨，李國慶，高亞如，魏文震

（東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引言

20世紀(jì)60年代SCADA被廣泛應(yīng)用到能量管理系統(tǒng)（EMS）中來進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，但其實(shí)時性較差，表征的只是穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。全球定位系統(tǒng)（GPS）的普及使得同步相量的實(shí)時測量成為可能，廣域測量系統(tǒng)（WAMS）就是以相量測量單元（PMU）為基礎(chǔ)構(gòu)建而成的，該技術(shù)以其在電力系統(tǒng)監(jiān)視、保護(hù)和控制上的重大影響成為21世紀(jì)電力系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)之一［1］。

同步相量的測量需要有高精度的全球同步衛(wèi)星精確授時。美國GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)以及中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在同步衛(wèi)星授時領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)，其中以GPS最為先進(jìn)，其終端不需要發(fā)送信號，且授時精度最高。相量測量算法中比較經(jīng)典的有過零檢測法、離散傅里葉變換法、最小二乘法、牛頓法、卡爾曼濾波法、瞬時值法、小波變換法等［2］。

國內(nèi)外部分先進(jìn)PMU整合了故障錄波功能［3］。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中常用的故障錄波啟動判據(jù)大致采用如下判據(jù)信息：發(fā)電機(jī)角速度、瞬時有功功率和電壓的變化、電流瞬時值、電流斜率等。目前廣泛應(yīng)用的故障錄波裝置普遍采用單一判據(jù)信息來識別故障，有些注重故障識別的快速性，有些則偏重于故障識別的準(zhǔn)確度，往往不能兼顧二者。目前，PMU在輸電網(wǎng)和發(fā)電廠中得到了廣泛的應(yīng)用［4-5］，其技術(shù)較成熟。然而隨著分布式電源大規(guī)模接入電網(wǎng)，配電網(wǎng)的雙向潮流、多源故障等諸多問題日益凸顯［6］，如何提高配電網(wǎng)的觀測性成為配電網(wǎng)首先需要解決的問題［7］。

配電網(wǎng)中高滲透率的分布式電源和有源負(fù)載會導(dǎo)致傳統(tǒng)電網(wǎng)從緩慢變化的輻射網(wǎng)變?yōu)楦觿討B(tài)化的多源網(wǎng)絡(luò)。盡管這在原則上可以改善整個系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量，但是新的控制保護(hù)的挑戰(zhàn)可能會更加嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的處理辦法并不能完全適應(yīng)這樣的電網(wǎng)。配電網(wǎng)傳統(tǒng)控制和管理中只測量電壓幅值并上傳控制中心進(jìn)行處理，這不僅可能破壞這些新動態(tài)，還有可能潛在地導(dǎo)致電網(wǎng)操作中更加嚴(yán)重的隱患。因此，系統(tǒng)范圍的配電網(wǎng)動態(tài)分析和控制可能需要新的相量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自PMU，并合并到配電管理系統(tǒng)（DMS）的功能中去。在未來的配電網(wǎng)的監(jiān)視、保護(hù)和控制中，PMU極有可能扮演不可或缺的角色。配電網(wǎng)PMU在不同系統(tǒng)狀態(tài)下可以直接測量和提供同步的電壓、電流相量的測量結(jié)果，這種能力為探知動態(tài)配電網(wǎng)狀態(tài)和健康的信息提供了巨大可能。

輸電網(wǎng)PMU成本過高，安裝條件苛刻，需要專用通信線路等問題使其難以大范圍應(yīng)用于配電網(wǎng)［8-9］，同時，普通故障錄波啟動判據(jù)無法兼顧故障識別的速度和準(zhǔn)確性。針對以上問題，本文開發(fā)出一種集同步相量測量、電氣量綜合數(shù)據(jù)采集和故障錄波功能于一體的微型同步相量測量單元（μPMU）。

1 μPMU硬件架構(gòu)及裝置功能

該裝置的硬件架構(gòu)總體上可分為微控制器模塊、綜合電能監(jiān)測模塊、GPS授時模塊、過零檢測模塊、故障錄波模塊、人機(jī)接口模塊和上位機(jī)通信模塊等。圖1為該裝置的硬件架構(gòu)示意圖，各模塊之間相互協(xié)作，完成各個電量的采集計(jì)算和顯示。整體硬件封裝在160型鋁型材儀表殼體內(nèi)。

（1）微控制器模塊。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

該裝置以AVR單片機(jī)中性能優(yōu)越的ATmega64芯片作為微控制器。ATmega64有如下特點(diǎn)：64K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2K字節(jié)帶電可編程可擦除程序存儲器（EEPROM），4 K字節(jié)靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM），53個通用I／O口線，32個通用工作寄存器，實(shí)時計(jì)數(shù)器（RTC），4個具有比較模式的PWM定時器／計(jì)數(shù)器（T／C），2個通用同步／異步串行接收／發(fā)送器（USART），面向字節(jié)的兩線串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，1個SPI串行端口，與IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容的、可用于訪問片上調(diào)試系統(tǒng)及編程的JTAG接口，以及6個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。ATmega64為本裝置數(shù)據(jù)處理和控制應(yīng)用提供了靈活且低成本的解決方案。

（2）綜合電能監(jiān)測模塊。

該裝置選用功能強(qiáng)大、成本低廉的電能計(jì)量芯片ATT7022B［10］。ATT7022B是高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線系統(tǒng)。ATT7022B集成了6路二階sigma-delta-ADC，參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路；能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)；支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表；可以對基波有功、無功功率進(jìn)行測量，提供脈沖輸出，提供瞬時基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校正；提供2類視在能量輸出，即持續(xù)輸出（RMS）視在能量以及有功／無功（PQS）視在能量；提供一個SPI接口，方便與外部微型控制單元（MCU）之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。

（3）GPS 授時模塊。

該裝置選用NEO-7m模塊進(jìn)行授時。NEO-7m為美國GPS和俄羅斯GLONASS互備系統(tǒng)，自帶高增益有源天線，可自帶可充電后備電池，掉電保持星歷，實(shí)現(xiàn)熱啟動，其接口采用TTL電平，兼容3.3 V／5 V系統(tǒng)，工作溫度為-40～85℃，適合在戶外工作，功耗極低，工作電流 35 mA，電壓 2.7～5 V，授時精確，可提供秒脈沖精度誤差為100 ns以內(nèi)，且無累積誤差，讓裝置同步授時成為可能［11-14］。

（4）過零檢測模塊。

該裝置采用互感器前取信號、光耦隔離的過零檢測電路。如圖2所示，直接取工頻信號，正半周時發(fā)光二極管導(dǎo)通并驅(qū)動三極管產(chǎn)生低電平防止負(fù)半周電流損壞單向光耦，本電路采用光耦隔離，抗干擾性好。每次過零點(diǎn)會產(chǎn)生下降沿，觸發(fā)單片機(jī)中斷。

圖2 過零檢測電路Fig.2 Zero-crossing detection circuit

該電路配合GPS授時模塊和綜合電能測量模塊，在MCU中進(jìn)行處理和計(jì)算，可以得到精確的電壓相量。

（5）故障錄波模塊。

本裝置將待測信號直接接入STM32片內(nèi)ADC進(jìn)行數(shù)模變換，如遇電網(wǎng)故障，故障時的數(shù)據(jù)會被識別出來并打上故障時的時間標(biāo)簽存入存儲器內(nèi)以進(jìn)行事故分析，因數(shù)據(jù)量龐大，必須片外擴(kuò)展存儲芯片，本裝置采用16G工業(yè)SD卡，實(shí)現(xiàn)故障波形存儲。

（6）人機(jī)接口模塊。

該裝置配有12864 LCD液晶顯示器，可以實(shí)時顯示測得的所有數(shù)據(jù)，包括相量、綜合電能監(jiān)測的電量及當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC），設(shè)計(jì)了5個按鍵分別控制A、B、C相和合相數(shù)據(jù)顯示，人機(jī)界面友好，為現(xiàn)場工作人員提供就地顯示，方便調(diào)試。

（7）上位機(jī)通信模塊。

該裝置可以通過HL-340串口轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線方便地實(shí)現(xiàn)與筆記本等上位機(jī)的連接，測得所有數(shù)據(jù)均實(shí)時通過串口發(fā)送到上位機(jī)上，通過簡單的串口調(diào)試工具即可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。故障數(shù)據(jù)存于SD卡內(nèi)，便于讀取和事故追憶。

表1為傳統(tǒng)PMU與μPMU各方面的綜合對比。

表1 傳統(tǒng)PMU與微型PMU綜合對比Table 1 Comparison between traditional PMU and micro PMU

2 虛擬過零相量測量算法

電網(wǎng)相量由有效值X和相角φ組成。但同一信號在不同的時間基準(zhǔn)點(diǎn)下，得到的測量結(jié)果是不一樣的，其大小取決于時間基準(zhǔn)點(diǎn)。因此在一個統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)下，電網(wǎng)的相量測量結(jié)果才有意義，高精度的全球同步衛(wèi)星授時可為相角的測量提供一個標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)。在此統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)之下，可求取兩地的任意2個相量的相角差［15］。

考慮到AVR單片機(jī)的運(yùn)算速度、硬件承受能力、成本等問題，本文對傳統(tǒng)的PMU相量測量算法加以改進(jìn)，提出虛擬過零相量測量算法。傳統(tǒng)PMU將電壓信號過零時間記錄后，與世紀(jì)秒（1970年1月1日午夜）進(jìn)行比對，即全網(wǎng)設(shè)置統(tǒng)一基準(zhǔn)過零點(diǎn)，計(jì)算所得的電壓相量均以此為參考。本文將GPS秒脈沖（1PPS）信號作為虛擬動態(tài)過零點(diǎn)，全網(wǎng)同一時間下所對應(yīng)的參考過零點(diǎn)始終保持動態(tài)一致，計(jì)算所得相量在精度相同的情況下應(yīng)與傳統(tǒng)的相量測量算法相同。此算法對于硬件計(jì)算速度要求極低，可以滿足實(shí)時性。

本文選用互感器前取信號、光耦隔離的過零檢測電路和GPS所提供的秒脈沖相配合，利用單片機(jī)內(nèi)部定時器的精確計(jì)時能力實(shí)現(xiàn)相角實(shí)時測量，信號源經(jīng)數(shù)字抗混疊濾波和全周傅里葉變換程序處理，能夠有效濾除噪聲和高次諧波。裝置利用GPS秒脈沖構(gòu)建出一個虛擬的標(biāo)準(zhǔn)50 Hz工頻信號，即以秒脈沖為虛擬過零點(diǎn)。接收到GPS上精確的秒脈沖信號后立即開啟單片機(jī)定時器，此時過零檢測電路正常工作，當(dāng)秒脈沖信號過后第一個下降沿來臨，立即讀出此時定時器的值，計(jì)算出此時所對應(yīng)的相角，公式如下：

虛擬過零檢測法電壓相角計(jì)算原理如圖3所示。

圖3 電壓相角計(jì)算原理Fig.3 Principle of voltage phase angle calculation

由于計(jì)算速度限制，首次過零時間計(jì)算時下次過零信號就會到來，如果處理完首次過零時間再繼續(xù)記錄，那么就會丟失后面幾個周期的過零時間記錄。為解決這個問題，本文在單片機(jī)內(nèi)部開辟出一個包含55個元素的數(shù)組，每次過零時間都存放在里面，存放滿之后下一個秒脈沖到來之前，這個數(shù)組就會通過串口發(fā)送到上位機(jī)上。由于發(fā)送時可能會丟失下一次秒脈沖，所以本文開辟了2個相同數(shù)組，一個存放滿之后開始通過串口傳輸，同時另一個數(shù)組開始存放數(shù)據(jù)，而第一個數(shù)組傳輸完成之后就會清空并發(fā)送就緒信號，如此循環(huán)。流程圖如圖4所示。

圖4 電壓相角計(jì)算流程圖Fig.4 Flowchart of voltage phase angle calculation

計(jì)算得到的數(shù)組存放在如圖5所示的數(shù)組元素中。

圖5 數(shù)組 d1、d2Fig.5 Array d1and d2

理論上，當(dāng)電網(wǎng)頻率為非標(biāo)準(zhǔn)的50 Hz時，相角會隨著時間變化，變化規(guī)律如下［16］：

由于本文所采用的算法中計(jì)算得出的相角本身就是一個相對量，同一電網(wǎng)下的所有節(jié)點(diǎn)頻率一致，所以可以抵消相角隨頻率的變化，無需補(bǔ)償。

相角測量結(jié)果如表2所示，3次采樣結(jié)果基本一致，可見該裝置的相角測量實(shí)時性高，準(zhǔn)確度好，測得相量與計(jì)算所得結(jié)果基本吻合，可以滿足配電網(wǎng)對于相量測量的需求，可以提高狀態(tài)估計(jì)的冗余度。

表2 相角測量結(jié)果Table 2 Results of phase angle measuring

3 故障錄波啟動判據(jù)

本裝置利用stm32單片機(jī)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊完成對當(dāng)前相電壓和電流瞬時值的實(shí)時采樣，采樣結(jié)果經(jīng)過快速一階濾波，所得波形與標(biāo)準(zhǔn)正弦波比對。本文提出了電氣量偏移率與波形曲率相結(jié)合的故障錄波啟動判據(jù)。

3.1 電氣量偏移率

現(xiàn)定義工頻電氣量偏移率為：

由過零檢測電路檢測出正弦交流電過零點(diǎn)，該時刻開始記錄AD采樣數(shù)據(jù)，一個周期（20 ms）內(nèi)，采樣64個點(diǎn)，相鄰2個采樣點(diǎn)之間的時間差為20／64=0.3125（ms），角度差為 360°／64=5.625°，那么每個點(diǎn)總會有一個標(biāo)準(zhǔn)值與之對應(yīng)，例如，220V所對應(yīng)的的數(shù)字量為100，則第1個點(diǎn)為141.4×sin 0°，第2個點(diǎn)為 141.4×sin5.625°，第 3 個點(diǎn)為 141.4×sin11.250°，依此類推。這64個點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)字量為基準(zhǔn)量，構(gòu)成一個基準(zhǔn)量表。各點(diǎn)實(shí)際采樣所得的數(shù)字量為實(shí)際量，則可求得每個采樣點(diǎn)所對應(yīng)的電氣量偏移率。

3.2 波形曲率

曲率是用來表征曲線彎曲程度的特征量。如圖6所示，曲線C光滑，點(diǎn)M0作為度量弧s的基點(diǎn)。曲線上點(diǎn)M對應(yīng)于弧s，在M處切線傾角為α，另外一點(diǎn)M′對應(yīng)弧s+Δs，在點(diǎn)M′處切線傾角為α+Δα，弧段MM′長度為，當(dāng)動點(diǎn)從M移動到M′時切線轉(zhuǎn)過的角度為稱作弧段MM′的平均曲率。當(dāng)時，平均曲率的極限稱作曲線C在點(diǎn)M處的曲率。平面曲線的曲率表征曲線偏離直線的程度。線路發(fā)生故障時，電流突變點(diǎn)和電流峰值點(diǎn)的曲率大于正常時，因此可以通過計(jì)算電流波形曲率來快速識別故障的發(fā)生。

圖6 曲率定義Fig.6 Definition of curvature

根據(jù)曲率定義，得到通過電流采樣點(diǎn)計(jì)算電流波形曲率的方法：

其中，I和td分別為采樣電流值和采樣時間間隔，由于兩者單位不同，在進(jìn)行計(jì)算前要進(jìn)行歸算處理。

3.3 實(shí)驗(yàn)測試

從理論上講，用曲率進(jìn)行識別的主要優(yōu)勢是可以對故障時刻的電流突變進(jìn)行識別，在短路電流變化率和瞬時值還未增大到一定數(shù)值時判定故障發(fā)生，可以顯著提高識別速度。但如果故障發(fā)生在峰值點(diǎn)附近，曲率的變化則不能及時完全識別故障，甚至不識別［17］，而電氣量偏移率的變化則可以識別出這種故障。針對這種情況，本文采用電氣量偏移率和波形曲率相結(jié)合的故障錄波啟動判據(jù)。

GPS秒脈沖來到后第一個過零點(diǎn)開始進(jìn)行篩選，直到下一個秒脈沖來臨之前，其間如果波形曲率超過整定值或連續(xù)20個點(diǎn)的電氣量偏移率超過整定值，則判定此時為故障，將此秒脈沖后，下一個秒脈沖前所有采樣數(shù)據(jù)（共50個周期左右）寫入容量為16G的外接SD存儲卡內(nèi)，時間標(biāo)簽打在每幀數(shù)據(jù)之前。分析故障波形時，讀出存儲卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，在上位機(jī)相應(yīng)軟件上繪制波形圖，利用相應(yīng)算法，找到精確的故障發(fā)生的時間點(diǎn)，精確度可達(dá)0.5 ms。

該測試中，故障發(fā)生在如圖7所示的220 V等效系統(tǒng)中。圖8—11為配電網(wǎng)單相接地故障下該裝置記錄的部分電壓、電流波形。

圖7 單相接地故障測試系統(tǒng)Fig.7 Test system for single-phase grounding fault

圖8 電流偏移率圖Fig.8 Diagram of current deviation rate

圖9 電流波形曲率圖Fig.9 Diagram of current waveform curvature

圖10 故障電壓波形Fig.10 Waveform of fault voltage

圖11 故障電流波形Fig.11 Waveform of fault current

經(jīng)運(yùn)算可得，在第136個采樣點(diǎn)處發(fā)生故障，每個采樣點(diǎn)之間相距0.3125 ms，由此可知，故障發(fā)生點(diǎn)時刻為2015年6月20日13點(diǎn)27分18秒42.5 ms。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種低成本的μPMU與故障錄波裝置，給出了各功能模塊及其硬件選型架構(gòu)，介紹了該裝置的主要功能和相量測量算法，提出了電氣量偏移率和波形曲率相結(jié)合的故障錄波啟動判據(jù)以及故障時間點(diǎn)的確定算法。該裝置經(jīng)測試，充分滿足配電網(wǎng)相量測量的需求，可以準(zhǔn)確確定故障發(fā)生的時間點(diǎn)并準(zhǔn)確記錄故障波形。未來，隨著分布式電源的大規(guī)模接入配電網(wǎng)，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將會產(chǎn)生大量的配電網(wǎng)高級應(yīng)用，具有較高的研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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