新型配電網(wǎng)同步相量裝置測試與實際電網(wǎng)應(yīng)用

朱 征， 李依澤， 顧黎強， 陸 超， 劉 舒， 王印峰

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院， 上海 200437；2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室， 清華大學(xué)電機系， 北京 100084； 3. 國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司， 上海 200122)

1 引言

近年來，隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，我國配電網(wǎng)自動化水平也有了很大程度的提高[1，2]。面向未來新能源高比例滲透，源荷互動頻繁的智能配電網(wǎng)，構(gòu)建實時動態(tài)監(jiān)測與控制網(wǎng)絡(luò)成為目前配電網(wǎng)建設(shè)和研究的重點工作之一，并已得到國家的大力支持——目前有數(shù)個國家級重點項目支撐[3，4]。

現(xiàn)有輸電網(wǎng)的同步相量測量裝置(Phasor Measurement Unit，PMU)能夠提供相角測量和系統(tǒng)全局動態(tài)狀態(tài)信息，已經(jīng)在輸電網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測和穩(wěn)定控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5,6]。然而由于配電網(wǎng)節(jié)點包括居民負荷、大型工業(yè)負荷以及分布式新能源接入點等，配電網(wǎng)諧波及間諧波等干擾復(fù)雜且嚴重，信號動態(tài)特性豐富，配電網(wǎng)測量環(huán)境惡劣，同時由于配電網(wǎng)線路通常很短，線路兩端母線電壓的相角差較小，對配電網(wǎng)PMU裝置精度提出了更高的要求?，F(xiàn)有關(guān)于配電網(wǎng)電能質(zhì)量[7-9]和相量測量[10,11]等方面研究成果也從不同方面說明了配電網(wǎng)的這一特點。

近幾年，配電網(wǎng)同步測量技術(shù)與配電網(wǎng)PMU裝置得到了快速發(fā)展。美國PSL公司研制的μPMU裝置[12]在結(jié)構(gòu)和功能上比較貼近配電網(wǎng)實際需求。該裝置相角測量誤差標稱不高于0.01°，但仍存在裝置成本高、防護等級不夠，動態(tài)響應(yīng)性能欠佳等問題。美國Yilu Liu團隊研制的頻率擾動記錄儀裝置[13]，測頻精度可以達到0.000 5 Hz，但對實際配電網(wǎng)中間諧波干擾抑制能力不足。上述PMU裝置與算法雖考慮到了配電網(wǎng)的高精度測量需求，但無法同時兼顧測量精度和動態(tài)響應(yīng)性能。同時未對實際配電網(wǎng)系統(tǒng)的信號進行分析，難以應(yīng)對實際配電網(wǎng)復(fù)雜多變的場景，缺乏依靠實際裝置對算法進行驗證分析。

本文提出一種基于頻率分析和自適應(yīng)濾波器的新型配電網(wǎng)同步相量算法，并在基于片上系統(tǒng)的微型多功能同步相量測量單元(Multifunctional Micro Phasor Measurement Unit，μM-PMU)中實現(xiàn)了該算法。搭建了高精度同步相量測試平臺，并利用此平臺對測量裝置進行符合配電網(wǎng)環(huán)境特征的多場景測試驗證。上述μM-PMU裝置已在上海臨港地區(qū)進行示范應(yīng)用，并進一步建立了配電網(wǎng)同步測量系統(tǒng)。利用該實際系統(tǒng)的信號數(shù)據(jù)對配電網(wǎng)信號特征進行分析，并對本文所提的相量算法的有效性與準確性進行驗證。

2 高精度新型配電網(wǎng)同步相量算法

2.1 頻率成分在線分析與自適應(yīng)FIR濾波器設(shè)計

基于窗函數(shù)設(shè)計FIR濾波器在相量算法應(yīng)用普遍。然而配電網(wǎng)中具有較多難以濾除的頻率成分，這些頻率成分處于濾波器的過渡帶，使得現(xiàn)有相量算法難以應(yīng)用于配電網(wǎng)環(huán)境中。本文應(yīng)用一種基于頻率成分在線分析的帶陷波齒的FIR濾波器，根據(jù)配電網(wǎng)頻率成分的在線分析結(jié)果，實現(xiàn)濾波器中心頻率和陷波齒位置的自適應(yīng)調(diào)整，有效提高配電網(wǎng)多干擾場景下的相量計算精度。

在頻率成分在線分析方面由于現(xiàn)代譜估計技術(shù)的旋轉(zhuǎn)時不變技術(shù)(Estimating Signal Parameters via Rotational Invariance Technique， ESPRIT)[14,15]，具有頻率分辨率高，抗噪性好的特點。因此本文采用ESPRIT方法對信號的頻率成分進行在線分析。

由于Cosh窗函數(shù)[16]過渡帶相對較窄，旁瓣衰減幅度較大，綜合性能優(yōu)異，本文濾波器設(shè)計采用該Cosh窗。其次，由于窗函數(shù)階數(shù)越高，其主瓣寬度和旁瓣衰減特性均可以改善，但會導(dǎo)致動態(tài)過渡過程變長。因此，在穩(wěn)態(tài)情況下，選擇4周波的Cosh窗，動態(tài)情況下選擇2周波的Cosh窗來設(shè)計濾波器。4周波FIR濾波器的頻域衰減特性如圖1所示。

圖1 帶陷波齒FIR濾波器的頻域特性

2.2 動/穩(wěn)態(tài)切換相量算法框架

因此，本文將FIR濾波器、頻率分析和狀態(tài)識別等融為一體，設(shè)計了可在線自適應(yīng)調(diào)整的相量算法框架，如圖2所示。

圖2 動態(tài)切換相量算法的整體框架

算法主要包括四個通道：穩(wěn)態(tài)相量計算，動態(tài)相量計算，頻率分析和狀態(tài)識別，各通道功能及其之間的關(guān)系介紹如下：

穩(wěn)態(tài)相量算法通道：基于考慮帶外干擾影響的穩(wěn)態(tài)FIR濾波器，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)場景下基波相量的高精度計算。進而，利用相位差計算頻率和頻率變化率，并對頻率和頻率變化率進行濾波。

動態(tài)相量算法通道：基于動態(tài)FIR濾波器，估計動態(tài)信號場景下的基波相量及其導(dǎo)數(shù)，并計算出基波幅值/相位的一階和二階導(dǎo)數(shù)，進一步得到頻率和頻率變化率。

信號頻率分析通道：進行信號頻率成分的在線分析，本文利用六周波數(shù)據(jù)。使用ESPRIT方法，對信號頻率成分進行分析。

狀態(tài)識別通道：利用動態(tài)相量導(dǎo)數(shù)的估計值，通過對幅值和相位導(dǎo)數(shù)在一段時間內(nèi)積分，若積分F大于一定閾值，則可以判斷信號幅值和相位是否發(fā)生了突變。

(1)

式中，A(t)′為基于動態(tài)FIR濾波器計算得到的相量幅值一階導(dǎo)數(shù)；φ(t)′為相量相位一階導(dǎo)數(shù)；積分時間間隔t0～t一般設(shè)置為200 ms。

3 高精度同步相量測試平臺

3.1 高精度測試平臺介紹

因現(xiàn)有PMU測試儀、繼保測試儀等裝置相角精度不高，不適用于配電網(wǎng)同步相量算法與配電網(wǎng)PMU裝置的測試和研發(fā)需要。為此，搭建了具備高精度相量測試能力的物理試驗平臺。該平臺的設(shè)計原理圖如圖3所示，主要由高精度同步波形發(fā)生器、模擬主站系統(tǒng)、高精度時鐘、衛(wèi)星天線、待測PMU和待測同步時鐘等裝置等組成。

圖3 配電網(wǎng)高精度同步相量測量裝置綜合測試平臺

(1)高精度同步波形發(fā)生器。采用OMICRON(CMC 256 plus)6相電流+4相電壓測試裝置與通用校準儀器，該儀器支持含多諧波、間諧波信號及幅值/相位階躍等動態(tài)信號的發(fā)生，可為PMU測試提供帶時標的多種測試信號。頻率誤差不高于0.000 5 Hz，幅值誤差不高于0.02%，相位誤差不高于0.005°。

(2)高精度同步時鐘裝置。PMU測試平臺高精度時鐘信號源，外接北斗/GPS天線，內(nèi)部采用銣原子鐘，具有遠高于普通恒溫晶振的頻率穩(wěn)定度、溫漂和老化率。授時精度不低于10 ns，為PMU裝置內(nèi)置時鐘模塊與高精度同步波形發(fā)生器提供精準時鐘信號。

(3)模擬主站系統(tǒng)。是測試平臺的控制和分析中心。主站以實際電網(wǎng)的WAMS主站為基礎(chǔ)開發(fā)實現(xiàn)，具有前置通信和各類數(shù)據(jù)分析服務(wù)功能。其中，可以對實時測量數(shù)據(jù)進行觀察和分析。服務(wù)數(shù)據(jù)庫包括實時庫和時序庫模塊等。實時庫初始化從商用庫中加載配置信息，保存有前置通信系統(tǒng)所需的配置信息。時序庫主要存儲PMU實時和歷史數(shù)據(jù)，并通過時間選取歷史存儲數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)曲線查詢或轉(zhuǎn)換為CSV文件保存，便于離線分析。

實驗室高精同步相量測試平臺的測試原理為在基于北斗/GPS的高精度同步時鐘授時的情況下，高精度同步波形發(fā)生器根據(jù)主站系統(tǒng)設(shè)定的波形曲線發(fā)出帶時標的模擬信號，由經(jīng)由待測PMU測量并將測量值送回模擬主站系統(tǒng)進行誤差分析。

3.2 符合配電網(wǎng)環(huán)境特征測試與驗證

配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)測量信號的區(qū)別就是前者含有更加豐富的諧波和間諧波干擾成分，且這些成分可能會同時存在。因此，本文相量算法的設(shè)計的目標就是能夠滿足含多諧波/間諧波干擾場景下的高精度測量需求。

這里根據(jù)實際某電動車快充站接入點處電流信號的干擾特征，模擬構(gòu)建一個含有多個諧波、間諧波干擾的測試信號：其中測量信號的基波頻率設(shè)為49.98 Hz，含有8.96% 的5次諧波、4.40%的7次諧波、2.32% 的11次諧波、0.96% 的13次諧波和1.36% 的17次諧波。此外，在信號中增加兩種間諧波干擾成分，分別是：1%的0.5次間諧波和1%的1.5次間諧波。計算得到模擬信號的諧波/間諧波總畸變率THD為10.48%。在此基礎(chǔ)上，考慮實際信號中可能還含有50 dB噪聲。

此外，為了更加直觀地反映本文所提出的帶陷波齒自適應(yīng)FIR相量算法(Notch-Tooth attached FIR，NT-FIR)在各種場景下性能水平，這里分別選擇IEEE標準[17]中推薦的M級濾波算法(M-FIR)[18，19]以及目前相關(guān)研究中具有代表性的兩種方法——擴展卡爾曼濾波方法(EKF)[20]和遞歸小波變換方法(RWT)[21]作為對比。各方法性能對比結(jié)果見表1。

表1 多諧波、間諧波場景下各相量算法性能對比

可以明顯看出，含有多種干擾成分的信號對現(xiàn)有的同步相量算法提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，M-FIR、RWT和EKF相量算法的TVE指標均超過1%。因為，這些算法常常只考慮一種間諧波干擾成分，且該干擾成分的頻率通常是假設(shè)已知的，這顯然與實際情況不符。相比之下，本文所提出的NT-FIR算法，TVE指標僅為0.19%，幅值誤差為0.14%，相位誤差也在0.09°左右，充分顯示了該算法的高精度計算性能。

此外，基于測試平臺所具備的故障場景模擬功能，模擬了配電網(wǎng)多種故障場景，對所研制的PMU原理樣機進行測試。值得注意的是應(yīng)該認識到，配電網(wǎng)短路故障應(yīng)該是在多干擾場景下的動態(tài)過程，這里設(shè)置一個典型的三相短路故障場景對算法的整體性能進行評估：信號頻率50.5 Hz，其中含有3、5、7次諧波以及135 Hz間諧波，諧波/間諧波總畸變率為11.2%。系統(tǒng)電壓在0.4 s時發(fā)生三相短路故障，電壓跌落到0.3 pu，0.8 s保護動作清除故障，電壓恢復(fù)到0.9 pu，由于系統(tǒng)阻尼不足，電壓信號伴有調(diào)制頻率5.0 Hz，初始為0.1 pu，時間常數(shù)為0.50的指數(shù)衰減振蕩過程。下面給出電壓A相的幅值測試結(jié)果，如圖4所示。

圖4 單相短路故障場景下的測試結(jié)果

可以看出，PMU原理樣機在電壓跌落和恢復(fù)過程中具有較快的響應(yīng)速度，其中故障跌落過程響應(yīng)時間僅為27.8 ms，在恢復(fù)后的衰減振蕩過程中，其TVE誤差也不大于0.2%。在上述動態(tài)場景下，為進一步驗證所提算法的有效性，分別與EEE標準中推薦的P級濾波算法(P-FIR)，RW和EKF方法的仿真結(jié)果進行對比，結(jié)果見表2。

表2 動態(tài)場景下各相量算法性能對比

由上述結(jié)果可知，所提算法的結(jié)果具有更快的階躍響應(yīng)速度與動態(tài)調(diào)制過程中的精度。該結(jié)果有效驗證了該裝置具備快速、準確響應(yīng)測量信號動態(tài)變化的能力。

4 配電網(wǎng)同步測量系統(tǒng)

受國家重點研發(fā)計劃項目《基于微型同步相測量的智能配電網(wǎng)運行關(guān)鍵技術(shù)》支持，在上海市臨港地區(qū)建立了以配電網(wǎng)PMU裝置為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)同步測量系統(tǒng)。臨港地區(qū)區(qū)內(nèi)陽光充足，近遠海風(fēng)電資源豐富，電力大用戶數(shù)量在500余戶，電動汽車接入發(fā)展迅速。該系統(tǒng)覆蓋220 kV～400 V全部配電網(wǎng)電壓等級，電動汽車快充電站接入點、分布式光伏/風(fēng)電并網(wǎng)點共計20余個。預(yù)期將會共部署近百臺配電網(wǎng)PMU裝置，測點數(shù)量百余個。

同時為滿足系統(tǒng)對于配電網(wǎng)運行狀態(tài)的感知和控制需求，建立了基于同步相量信息的智能配電網(wǎng)運行分析與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主站。除接受配電網(wǎng)PMU發(fā)送的同步相量外，該系統(tǒng)還集成了EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)、DMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)、用采系統(tǒng)數(shù)據(jù)和PMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，滿足智能配電網(wǎng)運行與控制需求。其主站系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能配電網(wǎng)運行分析與控制系統(tǒng)主站架構(gòu)圖

5 配電網(wǎng)實測同步相量數(shù)據(jù)分析

5.1 不同場景信號特征分析

配電網(wǎng)PMU的安裝位置可能是居民負荷、大型工業(yè)負荷以及分布式新能源接入點等，相對輸電網(wǎng)更加復(fù)雜多樣。不同測量點的諧波、間諧波等干擾成分以及信號的動態(tài)變化特征各不相同，這些進一步增加了配電網(wǎng)同步相量高精度測量實現(xiàn)的難度。

基于從上述配電同步測量系統(tǒng)收集到的配電網(wǎng)實測數(shù)據(jù)，對配電網(wǎng)具有代表性場景下的測量信號特征進行全面地分析。包括新能源發(fā)電接入點、電動車充電站接入點、工業(yè)負荷接入點。

5.1.1 新能源發(fā)電接入點

新能源發(fā)電大多通過換流器等電力電子裝置接入電網(wǎng)，由于交直流轉(zhuǎn)換間的非線性相互作用，給系統(tǒng)注入了大量諧波和間諧波等干擾成分。對第4節(jié)所述系統(tǒng)10 kV電壓等級下的新能源接入點測量信號干擾情況分析，利用配電網(wǎng)PMU裝置對接入點的電壓、電流模擬采集量進行連續(xù)錄波。

信號頻率成分分析結(jié)果顯示，觀測時間段內(nèi)，以某接入點A相電壓和電流為例，干擾成分數(shù)目及含量情況如圖6所示。由于觀測時間正處于中午光伏出力較大的時刻，電流信號中諧波數(shù)量及其含量均遠高于電壓信號，其中5次、7次、11次和17次諧波含量較高。電壓、電流信號中5次諧波的含量最高，電流5次諧波含量超過了5.2 %。3次諧波含量也在2.5 %以上。

圖6 該光伏接入點的電壓和電流的諧波/間諧波分析結(jié)果

5.1.2 電動汽車快充站接入點

對某630 kW電動公交快充站點的10 kV母線電壓和出線電流實測數(shù)據(jù)進行分析，其諧波和噪聲含量如表3所示。

表3 電動車充電站點諧波畸變率和噪聲水平

可以看出，該測點電流無論是諧波畸變率還是噪聲水平均高于電壓，電流的SNR為52 dB左右，低于電壓SNR 67 dB的噪聲水平。對比電壓和電流B相和其余兩相的干擾水平可以看出，B相的諧波含量和噪聲干擾水平均低于A、C兩相，說明同一測點，由于三相負載不對稱，可能會導(dǎo)致不同相的干擾水平存在差異。

對A相電流的諧波和間諧波干擾成分進行分析，其種類和含量如圖7所示。

圖7 電動車充電站接入點電流信號干擾成分

可見，電流信號中不僅含有大量諧波干擾，還含有0.89%的25 Hz、0.6%的75 Hz、0.66%的870 Hz和0.52%的945 Hz間諧波干擾。這些種類豐富、含量較高的干擾成分，尤其是間諧波成分，對電流基頻相量的計算提出了嚴峻地挑戰(zhàn)。

5.1.3 工業(yè)負荷接入點

以某35 kV變電站接入某化工負荷的10 kV出線為例，分析由于工業(yè)負荷投切導(dǎo)致的配電網(wǎng)電壓波動情況。其電壓波動情況如圖8所示。

圖8 某化工負荷接入點電壓幅值波動曲線

可以看出，該化工負荷具有沖擊負荷類似的特性，由于功率短時間內(nèi)增加導(dǎo)致電壓出現(xiàn)跌落，跌落幅度最大達到1.5%。值得注意的是，即使在電壓沒有出現(xiàn)跌落的時刻，除去系統(tǒng)測量噪聲(圖8中密集的波動變化)，電壓幅值也存在小幅波動趨勢，說明實際信號常伴隨小幅波動。

5.2 算法運行性能評估

下面結(jié)合實際系統(tǒng)安裝配電網(wǎng)PMU裝置運行數(shù)據(jù)，算法與裝置的現(xiàn)場運行的性能進行分析評估。首先，選取配電網(wǎng)多條線路，對線路兩端PMU數(shù)據(jù)進行連續(xù)1h動態(tài)錄波(216萬點數(shù)據(jù))，分析各線路的兩端電壓相位曲線，發(fā)現(xiàn)裝置運行具有很好的測量穩(wěn)定性，以某兩條10 kV線路兩端三相電壓相位差連續(xù)錄波數(shù)據(jù)為例，如圖9所示。

圖9 配電網(wǎng)某條10 kV線路端電壓相位差曲線

可以看出兩條線路各相電壓相位差均運行平穩(wěn)，經(jīng)過統(tǒng)計，99%以上的相位差位于其趨勢線(經(jīng)過濾波得到，反映了變化趨勢)±0.01°范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)偏差較大的壞數(shù)據(jù)，說明了現(xiàn)場安裝PMU具有較高測量穩(wěn)定性和可靠性。

其次，某條10 kV線路PMU布點較密集，其布點間隔均在100～200 m之間，隨機選擇三個時間斷面，對沿出線方向部署的四臺PMU裝置電壓相位測量關(guān)系進行分析，顯示了相對于線路起始點的A相電壓相位關(guān)系。結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯兄频呐潆娋W(wǎng)高精度PMU裝置能夠準確地表征配電線路電壓沿線下降的特性，且測量精度足以區(qū)分出短線路的相位差，顯示了其高精度測量性能。

圖10 某10 kV線路沿線電壓相位關(guān)系

6 結(jié)論

根據(jù)配電網(wǎng)同步相量測量的應(yīng)用背景和特殊要求，提出了一種兼顧測量精度和動態(tài)響應(yīng)性能新型配電網(wǎng)同步相量算法。在實際配電網(wǎng)PMU裝置中實現(xiàn)了該算法并在實際配電系統(tǒng)中應(yīng)用。根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，實際配電系統(tǒng)中具有較高含量的諧波與間諧波。由于負荷的波動性，電壓產(chǎn)生頻繁的波動。同時由實測數(shù)據(jù)可知，本文所提算法在實際運行中保持了良好的穩(wěn)定性與優(yōu)秀的準確性。對算法在標準場景及配電網(wǎng)實際測量環(huán)境下的性能進行了全面的測試，驗證了本文所設(shè)計算法的高精度和快響應(yīng)特性。