基于同步相量測量的統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相技術(shù)研究

孔 寧

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274012）

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基于同步相量測量的統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相技術(shù)研究

孔 寧

（國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274012）

在電力系統(tǒng)中，核相是一項簡單但又非常重要的工作。新建、改造和擴建后的發(fā)電廠、變電站電氣設(shè)備和輸電線路在投入運行前，必須進(jìn)行核相試驗，以確保相序一致、相位正確。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的核相技術(shù)存在一定的局限性。對基于同步相量測量技術(shù)的統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相方法進(jìn)行研究，此種核相方法通過GPS對時信號來實現(xiàn)不同地域電源信號的同步采樣，通過與電網(wǎng)中某一固定基準(zhǔn)源信號相位比較，確定任意兩不同電源點的相位關(guān)系，從而完成核相工作。基于同步相量測量技術(shù)的統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相方法操作簡便、核相效率高，具有獨特的優(yōu)越性，并且可實現(xiàn)廣域電源核相。

核相；統(tǒng)一基準(zhǔn)源；GPS對時；同步相量測量

0 引言

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，“十三五”電網(wǎng)發(fā)展強調(diào)加快解決電網(wǎng)“兩頭薄弱”問題，增強能源優(yōu)化配置能力?！笆濉逼陂g，將加快同步電網(wǎng)優(yōu)化升級整合，特高壓交流、特高壓直流輸電工程全面大規(guī)模開工建設(shè)。新增農(nóng)網(wǎng)改造升級和城鎮(zhèn)配電網(wǎng)工程投資共計1281億元，電網(wǎng)建設(shè)和改造任務(wù)十分繁重，高強度、大規(guī)模電網(wǎng)建設(shè)將貫穿整個“十三五”［1］。

發(fā)電廠、變電站和輸電線路在新建、改造和擴建后投入運行前，都必須進(jìn)行三相電源核相試驗，以確保投運的電力設(shè)備和線路三相相序一致、相位正確。對于需要并列或合環(huán)運行的三相交流電源系統(tǒng)，則還應(yīng)保證兩三相電源的相位正確［2］。相序不一致，發(fā)電機將無法并網(wǎng)，強行并網(wǎng)會造成發(fā)電設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，如果出現(xiàn)非同期并列或合環(huán)，還將造成相間短路事故，不僅損壞電氣設(shè)備，甚至威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。核相試驗是電力系統(tǒng)中一項基本而重要的工作，供電企業(yè)每年因變電站新改擴建工程，在核相方面投入了大量的人力和物力。因此，研究如何提高核相工作效率、減小成本、降低風(fēng)險非常重要。傳統(tǒng)核相方式最主要的局限性主要在于核相設(shè)備受空間距離的限制，且要求信號采樣的同時性，操作費工費時［3］。

以提高變電站核相試驗效率為目標(biāo)，針對傳統(tǒng)核相方式效率低、操作復(fù)雜、局限性大等問題，提出基于同步相量測量技術(shù)的統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相技術(shù)和方法，以提高核相效率、簡化操作，同時此種核相方法采用GPS統(tǒng)一時鐘對時，核相不受三相電源空間距離的限制，能很好地解決變電站單電源核相問題，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

1 現(xiàn)行核相方式及局限性

1.1 一次核相方式及其原理

一次核相設(shè)備主要由核相儀手持終端和高壓核相探頭兩部分組成，圖1所示為高壓電源一次核相原理圖。高壓探頭與核相儀手持終端之間通常采用無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于核相儀手持終端對采樣數(shù)據(jù)實時性要求較高，并且不同的無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x也不盡相同。因此，就要求核相儀高壓探頭1與探頭2間的距離不能太遠(yuǎn)，應(yīng)在核相儀技術(shù)要求的范圍內(nèi)，否則將無法數(shù)據(jù)采樣的實時性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x要求。

在高壓探頭1、2將采樣數(shù)據(jù)傳輸給手持終端后，手持終端再對數(shù)據(jù)進(jìn)行相位、幅值比較，從而完成對高壓電源1、2的定核相工作。

圖1 一次核相原理

1.2 二次核相方式及原理

二次核相一般利用核相表計在變電站電壓互感器的二次側(cè)進(jìn)行，二次核相原理如圖2所示。二次核相屬于間接核相方式，核相結(jié)果的正確性是以電壓互感器TV1和TV2一、二次側(cè)接線正確性為前提的。即必須保證兩電壓互感器高低壓側(cè)電壓UA與Ua、UA′與 Ua′的相位一致， 這樣才能間接對兩電源進(jìn)行準(zhǔn)確定核相。

二次核相一般采用二線試驗線同時引接電壓互感器TV1和TV2的二次電壓至核相儀G，通過核相儀直接對兩電源進(jìn)行二次定核相試驗。因此，二次核相方式要求兩電源的互感器TV1和TV2二次引線端子距離不能太遠(yuǎn)，否則會造成試驗拖線過長，核相極不方便，或根本無法完成核相。

圖2 二次核相原理

1.3 傳統(tǒng)核相方式的優(yōu)點及其局限性

分析傳統(tǒng)核相方式及其原理，無論是一次核相方式還是二次核相方式，都存在一定的局限性［2］。

需核相的兩路電源信號必須同時采集，保持交流電壓信號采樣的同步性；需核相的兩路電源的空間距離不能太遠(yuǎn)，無法實現(xiàn)廣域電網(wǎng)核相；核相試驗需參與人員較多，核相步驟繁雜，人力和物力成本較高，耗時較長；一次核相存在一定的危險性，必須考慮試驗人員間的協(xié)調(diào)配合和采取相應(yīng)安全防護(hù)措施；對于單電源變電站，無法進(jìn)行準(zhǔn)確的定核相，只能通過核相試驗來保證相序正確。

2 基于同步相量測量的核相方式

為了實現(xiàn)廣域范圍的電網(wǎng)核相，提出一種采用基于GPS同步相量測量技術(shù)的核相方案，原理如圖3所示。電源1和電源2為兩待核相電源，為了確定電源1和電源2的相序、相位關(guān)系，引入該同步電網(wǎng)中的某一電源點作為全網(wǎng)統(tǒng)一核相基準(zhǔn)源，并在此電源點安裝基準(zhǔn)源電壓信號采樣主機。該采樣主機具有網(wǎng)絡(luò)通信和接收衛(wèi)星GPS同步對時脈沖的功能，可以根據(jù)GPS對時脈沖信號對基準(zhǔn)源電壓信號進(jìn)行同步采樣，并將數(shù)據(jù)信息存儲于本地硬盤和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。同時利用便攜式手持核相儀1和2分別對兩待核相電源1和2進(jìn)行電壓信號的采樣，手持核相儀1和2具有與基準(zhǔn)源采樣主機同樣的功能，同時還可以調(diào)取基準(zhǔn)源采樣主機采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比分析的功能。通過對電源點電壓采樣信號的分析，得出以統(tǒng)一基準(zhǔn)源為基準(zhǔn)的電源點1、2的電壓相量關(guān)系。

圖3 統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相儀原理

由于采用了全球定位系統(tǒng)（GPS）的高精度授時信號，因此可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)廣域電源點的同步采樣，使各節(jié)點所測量的電壓量有統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，為不同地點電壓信號采樣數(shù)據(jù)加上對應(yīng)的時標(biāo)，實現(xiàn)同步電網(wǎng)中不同電源點電壓相量的對比分析，并最終完成電源點 1、2 的核相工作［4-7］。

目前GPS用于建立全網(wǎng)統(tǒng)一時間，在99.87%的時間內(nèi)同步誤差可以精確到1 μs，對于50 Hz電力系統(tǒng)來說，相位誤差將不超過0.018°，為核相工作提供了精確度保證［8］。同時應(yīng)用高精度、高速A/D轉(zhuǎn)換器和DSP數(shù)字信號處理器，能夠很好地解決廣域電網(wǎng)電源同步采樣的要求。

3 統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相儀結(jié)構(gòu)及硬件

3.1 核相儀硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相儀中的核心設(shè)備為基準(zhǔn)源采樣主機與便攜式核相終端，基準(zhǔn)源采樣主機與便攜式核相終端在功能上基本一樣，硬件結(jié)構(gòu)也基本相同，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。由高速數(shù)字信號處理器DSP+FPGA構(gòu)成核心板件，并配置有USB、RS485數(shù)據(jù)接口模塊、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、4G無線通信接口模塊、GPS對時和B碼對時模塊、遙信開入和電壓采樣A/D轉(zhuǎn)換模塊以及顯示器、鍵盤人機接口模塊等擴展模塊。GPS對時模塊實現(xiàn)對時脈沖信號輸出，再通過處理器自身晶振完成分頻后產(chǎn)生高精度模擬量同步采樣時鐘，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)同步采樣時鐘完成電壓信號的同步采樣，最終由DSP數(shù)字信號處理器實現(xiàn)對電壓量數(shù)字信號的精確計算和處理，最終通過人機接口設(shè)備將核相結(jié)果輸出給用戶。

圖4 統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相儀硬件結(jié)構(gòu)

3.2 核相儀硬件模塊設(shè)計

核相儀核心設(shè)備硬件主要由直流電源模塊、數(shù)字信號處理器模塊、模擬量采集模塊、GPS對時模塊及顯示器和鍵盤人機接口模塊構(gòu)成。直流電源模塊為信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、DSP數(shù)字信號處理器供電，共有4路電源輸出，分別為5 V、24 V、+12 V、-12 V；電壓互感器、運放IC和14位MAX1320模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等器件組成電壓信號采樣電路，完成電源電壓信號模擬到到數(shù)字量的同步采樣；TMS320F206型DSP數(shù)字信號處理器、FPGA集成電路實現(xiàn)基于DFT算法的電壓幅值、相角測量，并計算出電壓相量。

圖5 統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相儀硬件模塊

4 統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相儀系統(tǒng)實驗

為驗證核相儀整套系統(tǒng)及其核心設(shè)備的運行性能，設(shè)計了核相試驗項目，以證明基于GPS同步相量測量技術(shù)的核相方案的可行性和優(yōu)越性。

核相試驗針對某110 kV變電站的主變壓器高低壓側(cè)電源開展，該變電站的主變壓器繞組接線采用Yd-11接線，高壓側(cè)電壓相量滯后于低壓側(cè)電壓相量約30°。基準(zhǔn)源采樣主機安裝于變電站高壓母線處，對高壓側(cè)母線電壓進(jìn)行采樣，并以此電壓量作為核相基準(zhǔn)源。便攜式核相終端1、2分別對主變壓器高、低壓側(cè)電壓進(jìn)行同步采樣，并得出以高壓側(cè)母線電壓為基準(zhǔn)的主變壓器高、低壓側(cè)電壓相量，結(jié)果如表1所示。

便攜式核相終端1、2的電壓錄波如圖6所示，圖中左右兩標(biāo)尺時間差為1.655 ms，可得主變高、低壓側(cè)電壓相量的相角差約為29.79°。

表1 電源電壓核相結(jié)果

圖6 統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相儀錄波圖

5 結(jié)語

將基于GPS的同步相量測量技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，實現(xiàn)了廣域電網(wǎng)的電源核相，可以使電力系統(tǒng)核相工作變得輕松簡單，能夠滿足單電源變電站高壓電源核相工作的需要，彌補了傳統(tǒng)核相方式存在的諸多缺陷和不足，大大提高了供電企業(yè)專業(yè)技術(shù)人員的定核相工作效率。研制的基于GPS同步相量測量技術(shù)的統(tǒng)一基準(zhǔn)源核相儀，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉、性能優(yōu)越、精度高等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］王根水，潘雷，詹淋松.電力網(wǎng)核相技術(shù)演變及分析比較［J］.高科技與產(chǎn)業(yè)化，2009，5（2）：80-82.

［3］都文蔚.廣義核相技術(shù)研究與其在浦東電網(wǎng)運行工作中的應(yīng)用［D］.上海：上海交通大學(xué)，2013.

［4］張春.遠(yuǎn)程無線核相系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究及工程實現(xiàn)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［5］胡紹謙.電力系統(tǒng)同步相量測量技術(shù)的研究［D］.西安：西南交通大學(xué)，2004.

［6］胡紹謙，王曉茹.基于GPS技術(shù)的電力系統(tǒng)同步相量測量裝置［J］.電子工程師，2003，29（11）：21-23.

［7］孔五陽.基于GPS的電網(wǎng)同步相量測量裝置的研究［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［8］HOFMANN-WELLENHOF B，LICHTENGEGGER H ，and COLLINS J.GPS，Theory and Practice ［C］.Springer-Verlag Wien New York，2003.

Study on Unified Reference Source Phase-Check Technology Based on Synchronized Phasor Measurement

KONG Ning
（State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274012，China）

In the power system，the phase-check is a simple but very important work.The newly built，upgraded and expanded power plant，transformer substation electrical equipment and power transmission lines，before put into operation，must carry out phase-check test，in order to ensure that the voltage phase sequence and phase angle are correct.At present，traditional phasecheck technology used within the country has some limitations.In this paper，the method of unified reference source based on synchronized phasor measurement technology is discussed.The synchronous sampling of the source voltage signal in different regions is realized by comparing the phase of the measured signal to that of a fixed reference source signal in the power network according to the GPS time synchronization signal，so that the phase relationship between any two different power points can be determined.Thus the phase-check can be completed.The unified reference source phase-check method based on the synchronized phasor measurement technique is simple，easy to be carried out and of high efficiency，which has unique advantages.Also，the wide area power grid phase-check can be realized via this method.

phase-check；unified reference source；GPS time；synchronized phasor measurement

TM76；TM93

A

1007－9904（2017）10－0073－04

2017-05-10

孔 寧（1984），男，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。