智能配電網(wǎng)廣域同步相量測(cè)量體系設(shè)計(jì)方案研究

熊文 ，危國(guó)恩 ，王莉 ，吳任博 ，徐全 ，陳呂鵬

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州510620；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州510530；3. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663）

隨著大規(guī)模分布式電源和電動(dòng)汽車等負(fù)荷的接入，配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)更加復(fù)雜多變，傳統(tǒng)終端的測(cè)量面臨諧波、間諧波、噪聲、階躍等干擾，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和快速性均面臨巨大挑戰(zhàn)。

同步相量測(cè)量裝置（Phasor Mearsurement Unit，PMU）已在電力系統(tǒng)發(fā)電和輸電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，目前也正積極向配電網(wǎng)推廣。不同于傳統(tǒng)的測(cè)控裝置，PMU 具備三個(gè)顯著的特征：“快”、“準(zhǔn)”和“全”?！翱臁敝窹MU 需支持的上傳速率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；“準(zhǔn)”指無(wú)論動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)情況，PMU 均需滿足嚴(yán)格的精度考核指標(biāo)；“全”指PMU 不僅可以測(cè)出幅值、頻率和功率等，同時(shí)可測(cè)出全網(wǎng)的同步相角和功角，同時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)帶全網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)。正是由于這三個(gè)特征，PMU已不僅僅是其發(fā)明初期僅用來(lái)監(jiān)測(cè)同步相角的裝置，而已經(jīng)成為電力系統(tǒng)不可或缺的工具。在向配電網(wǎng)進(jìn)行推廣的過(guò)程中，配電網(wǎng)同步相量測(cè)量裝置與配網(wǎng)傳統(tǒng)終端進(jìn)行了融合，形成一種配電網(wǎng)新一代配電網(wǎng)微型同步相量測(cè)量裝置（Distribution Mi?cro Synchronous Phasor Measurement Unit， DPMU），具有傳統(tǒng)測(cè)控保護(hù)類終端的功能，同時(shí)具有快速性、準(zhǔn)確性、可靠性和擴(kuò)展性，應(yīng)用領(lǐng)域也從監(jiān)測(cè)推廣到辨識(shí)、分析、控制和保護(hù)。

為在配電網(wǎng)推廣應(yīng)用此新技術(shù)，亟需設(shè)計(jì)DPMU 安裝部署方案和典型應(yīng)用場(chǎng)景的示范工程，本文將從D-PMU 的技術(shù)原理及作用、系統(tǒng)及安裝部署方案和工程案例分析三個(gè)部分進(jìn)行介紹。

1 配電網(wǎng)微型同步相量單元的原理和應(yīng)用

D-PMU 能以微秒級(jí)采樣周期采集配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的電流、電壓等相量信息，計(jì)算并獲得測(cè)點(diǎn)功率、相位、功角等信息，通過(guò)GPS/北斗提供時(shí)間同步信號(hào)，D-PMU可將每個(gè)狀態(tài)量同步到同一個(gè)時(shí)間斷面上，對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行信息進(jìn)行實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。

通常D-PMU包含以下幾個(gè)模塊：

1）處理器模塊。

2）通信模塊。

3）北斗/GPS時(shí)鐘授時(shí)模塊。

4）模擬和數(shù)字量模塊。

D-PMU的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 D-PMU的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall system structure of D-PMU

全面掌握配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，是協(xié)調(diào)優(yōu)化、正確決策的關(guān)鍵前提條件。D-PMU 的量測(cè)精度和采樣頻率均高于傳統(tǒng)常規(guī)量測(cè)手段。因此，已在配電網(wǎng)多個(gè)領(lǐng)域得到關(guān)注和研究，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1）配電網(wǎng)的狀態(tài)估計(jì)和態(tài)勢(shì)感知

配電網(wǎng)中大規(guī)模的風(fēng)電、光伏等分布式電源以及電動(dòng)汽車的接入，導(dǎo)致配電網(wǎng)諧波、間諧波、電壓暫升暫降、頻率偏差等電能質(zhì)量問(wèn)題更加突出。同時(shí)新能源的隨機(jī)沖擊和負(fù)荷的動(dòng)態(tài)波動(dòng)，對(duì)配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，需要建立以高精度和快響應(yīng)的同步相量測(cè)量裝置為基礎(chǔ)的適用于配電網(wǎng)的新一代狀態(tài)估計(jì)和態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)，以保障配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的難點(diǎn)主要在于配電網(wǎng)諧波噪聲等干擾嚴(yán)重導(dǎo)致量測(cè)點(diǎn)的誤差較大，同時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)較少，而增加高精度的同步相量測(cè)量數(shù)據(jù)將有利于解決這些問(wèn)題。

2）故障診斷和精確定位

當(dāng)前配電網(wǎng)故障診斷和精確定位難點(diǎn)主要如下：（a）配電網(wǎng)運(yùn)行方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，隨著分布式電源接入，線路潮流的方向大小等隨機(jī)變化，導(dǎo)致故障機(jī)理難以分析；（b）配電網(wǎng)諧波噪聲干擾嚴(yán)重，加大了故障信息提取難度；（c）配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分支較多，增加了故障線路和非故障線路的區(qū)分難度。傳統(tǒng)故障診斷和定位技術(shù)是基于電流幅值，并綜合多點(diǎn)的量測(cè)結(jié)果來(lái)確定故障點(diǎn)，但系統(tǒng)中需要的量測(cè)節(jié)點(diǎn)眾多，且各節(jié)點(diǎn)不具備同步性，僅能利用故障電流的幅值信息。同步相量測(cè)量裝置引入，增加了高速率的量測(cè)數(shù)據(jù)和同步相角等信息。

3） 協(xié)調(diào)控制

基于同步量測(cè)數(shù)據(jù)的多維信息融合的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，主要集中在：繼電保護(hù)、配網(wǎng)自動(dòng)化、電壓無(wú)功控制和低周減載等方面?？紤]配電網(wǎng)電動(dòng)汽車和大規(guī)模分布式電源（光伏、風(fēng)機(jī)等）接入及用戶與電網(wǎng)的供需互動(dòng)，基于PMU 的同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與分布式電源、柔性負(fù)荷、用電營(yíng)銷等系統(tǒng)信息融合的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，目前也正在研究中。多維信息融合的協(xié)調(diào)控制的一個(gè)基礎(chǔ)是準(zhǔn)確快速獲取電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓電流信息，而同步相量測(cè)量裝置由于其快速的相量上傳和高精度的相量測(cè)量，同時(shí)可以測(cè)出各節(jié)點(diǎn)的同步信息并帶有全網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)，所以可以快速反映電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，是多維信息體系中重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 配電同步相量測(cè)量系統(tǒng)及安裝部署方案

2.1 典型配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜

典型配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括柜體500、三相五柱式電壓互感器10、行波傳感器11、進(jìn)線三相雙繞組電流互感器12、出線三相雙繞組電流互感器13 和同步相量測(cè)量裝置14。具體地，三相五柱式電壓互感器10 的第一端連接母線，第二端連接行波傳感器11 的一端，行波傳感器11 的另一端接地；進(jìn)線三相雙繞組電流互感器12 的第一端連接母線，第二端通過(guò)連接電纜23連接外部電力設(shè)備；出線三相雙繞組電流互感器13的第一端連接母線，第二端通過(guò)出線電纜24 外部設(shè)備；三相五柱式電壓互感器10 的第三端、行波傳感器11 的第三端、進(jìn)線三相雙繞組電流互感器12 的第三端和出線三相雙繞組電壓互感器13 的第三端均通過(guò)控制電纜連接到同步相量測(cè)量裝置14，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵较嗔繙y(cè)量裝置14 進(jìn)行分析，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度。采用上述配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控和運(yùn)行調(diào)度，在適應(yīng)配電網(wǎng)不斷發(fā)展的需求的同時(shí)，能夠不對(duì)原有的開關(guān)柜進(jìn)行改造，造成的停電時(shí)間較少，大大提高了配電網(wǎng)的可靠性。

圖2 配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of distribution network operation monitoring switch cabinet

通過(guò)航空插頭22 把同步相量測(cè)量裝置接入開關(guān)柜中，有效地提高了操作便利性，并且，在同步相量測(cè)量裝置14 發(fā)生故障時(shí)，可以直接替換，不用停電維修。

根據(jù)功能的不一樣，將配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜內(nèi)的各個(gè)器件按照功能劃分，分別置于不同的間隔內(nèi)，每一間隔內(nèi)的器件均組成完整電路。電壓互感間隔100 內(nèi)的電路、進(jìn)線間隔200 內(nèi)的電路、出線間隔300 內(nèi)的電路和二次小室400。相互之間獨(dú)立工作，在其中一個(gè)間隔內(nèi)的電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)對(duì)另外間隔的電路產(chǎn)生影響，增強(qiáng)了配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜的可靠性。

2.2 配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)安裝部署方案

配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，章節(jié)2.1 所述的配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜，還包括待改造開關(guān)柜，配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜通過(guò)連接電纜23 與待改造開關(guān)柜的出線間隔的冷縮電纜頭25相連接。待改造開關(guān)柜的進(jìn)線間隔的冷縮電纜頭26 的一端通過(guò)待改造開關(guān)柜的進(jìn)線開關(guān)與母線連接，另一端連接進(jìn)線電纜27，進(jìn)一步地通過(guò)進(jìn)線電纜27 與外部設(shè)備相連。待改造開關(guān)柜通過(guò)進(jìn)線間隔的冷縮電纜頭26 與外部電力系統(tǒng)連接，從而采集外部電力系統(tǒng)的電壓與電流，對(duì)外部電力系統(tǒng)的電壓與電流進(jìn)行監(jiān)控。

圖3 配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of distribution network synchronous phasor measurement system

在將配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜接入配電網(wǎng)時(shí)，步驟如下：將待改造開關(guān)柜出線間隔的負(fù)荷開關(guān)打開，使得待改造開關(guān)柜的出線電纜失壓斷電；將配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜的進(jìn)線電纜23 與待改造開關(guān)柜的出線間隔的冷縮電纜頭25 相連接；打開待改造開關(guān)柜的出線間隔的出線開關(guān)閉合。這樣，將配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜接入待改造開關(guān)柜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)控與調(diào)度。通過(guò)這種方式接入配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜，只需將配電網(wǎng)的進(jìn)線電纜23連接，造成很短的停電時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)。

配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)還包括以太網(wǎng)交換機(jī)，以太網(wǎng)交換機(jī)與配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜通信連接，用于配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。以太網(wǎng)交換機(jī)可以設(shè)置在配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控開關(guān)柜的內(nèi)部，還可以設(shè)置在待改造開關(guān)柜的內(nèi)部，可以理解，以太網(wǎng)交換機(jī)還可以設(shè)置于配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)以外，只要能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互即可。通過(guò)設(shè)置以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)與外部實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，提高配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)度能力。

3 示范工程案例

根據(jù)示范區(qū)域的業(yè)務(wù)需求，提出配電網(wǎng)廣域測(cè)量控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)及部署方案。在終端方面，充分考慮示范區(qū)域配電網(wǎng)的網(wǎng)架架構(gòu)現(xiàn)狀及規(guī)劃、負(fù)荷分布、開關(guān)設(shè)備情況以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件，提出D-PMU 安裝部署方案。在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)行示范工程高級(jí)功能設(shè)計(jì)，并開展示范工程建設(shè)工作。

3.1 示范工程概況

以廣州某地區(qū)示范工程系統(tǒng)為例，說(shuō)明自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)、精確故障定位和源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制功能的應(yīng)用。示范區(qū)占地約25 km，共涉及變電站3 座，10 kV 饋線13 回，為國(guó)家第一批分布式光伏發(fā)電應(yīng)用示范區(qū)。2020 年光伏發(fā)電總計(jì)規(guī)模大于30 MW，電動(dòng)汽車充換電站（樁）大于5 MW，負(fù)荷規(guī)模達(dá)到40 MW。示范工程D-PMU 安裝點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖4所示。

圖4 示范區(qū)D-PMU安裝點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)接線Fig.4 Network wiring of D-PMU installation point in the demonstration area

3.2 示范工程高級(jí)功能設(shè)計(jì)

示范工程功能應(yīng)用主要包括：自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)、精確故障定位、源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制等功能。

3.2.1 自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)

在示范區(qū)分別設(shè)置配網(wǎng)同步相量測(cè)量裝置覆蓋率達(dá)100%、SCADA+PMU 覆蓋率達(dá)100%以及量測(cè)不足三種情況，用于對(duì)比測(cè)試不同配置下狀態(tài)估計(jì)效果。所以選取WL 站部分和BTF2、BTF3、BTF19 配網(wǎng)PMU 覆蓋率達(dá)100%，可驗(yàn)證量測(cè)充足情況下的快速狀態(tài)估計(jì)效果。選取BTF9 作為SCA?DA 和配網(wǎng)PMU 覆蓋率達(dá)到100%示范區(qū)域，以驗(yàn)證量測(cè)充足情況下的高精度狀態(tài)估計(jì)效果。選取BTF1、 BTF4、 BTF8、 BTF10、 BTF13、 BTF14、BTF16 以驗(yàn)證量測(cè)不足情況下的魯棒狀態(tài)估計(jì)效果。

3.2.2 精確故障定位功能

示范區(qū)考慮MZF5 線路較長(zhǎng)，分支較多，電纜和架空線混合，多T 接，所以選取為從化示范區(qū)的精確故障定位高級(jí)應(yīng)用功能示范點(diǎn)。選取線路首端即MZ 變電站F5 饋線端，分支末端HKCLJLD 配變、HXC 配變、KYXJC 和HXXY 專用高壓房安裝帶有行波功能的同步相量測(cè)量裝置，以示范高精度故障定位功能。

3.2.3 源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制及孤島運(yùn)行

示范區(qū)考慮BT 變電站為主要供電電源，選取BT 變電站及下屬各饋線示范源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制高級(jí)應(yīng)用功能和孤島切換及穩(wěn)定控制功能?？紤]工業(yè)園區(qū)含光伏電源容量為17.8 MWp，CCHP （Com?bined Cooling Heating and Power，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)）容量為30 MW，充電樁容量為0.8 MW，工業(yè)大負(fù)荷容量為66.1 MW，所以此示范區(qū)重點(diǎn)示范源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制?？紤]BTF8、BTF9、BTF10 涵蓋醫(yī)院、政府、派出所、客運(yùn)站等重要負(fù)荷，選取此示范區(qū)重點(diǎn)示范孤島切換及穩(wěn)定控制功能。

3.3 示范工程建設(shè)成效

示范區(qū)建成后，示范區(qū)內(nèi)狀態(tài)估計(jì)精度高于95%；故障檢測(cè)準(zhǔn)確率高于99%；故障定位精度小于0.2 km；源-網(wǎng)-荷快速協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制平均時(shí)延小于200 ms。

通過(guò)配電網(wǎng)故障診斷與精確定位技術(shù)，可大幅提高故障檢測(cè)準(zhǔn)確率，平均縮短故障處理時(shí)間48.25 min，年減少用戶停電損失約314萬(wàn)元。

通過(guò)源荷協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)與用戶的靈活互動(dòng)，削減示范區(qū)柔性負(fù)荷峰值約13%，延緩輸配電基礎(chǔ)設(shè)施投資約416 萬(wàn)元，減少調(diào)峰備用電源建設(shè)費(fèi)用約1 170萬(wàn)元。

3.4 示范工程意義

建成涵蓋柔性負(fù)荷、分布式電源、充電樁等配網(wǎng)典型負(fù)荷，涵蓋變電站、配電房、集裝箱、戶外桿塔等配網(wǎng)典型安裝環(huán)境，涵蓋基于D-PMU 的自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)、故障精確定位和源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制及孤島運(yùn)行等配網(wǎng)典型高級(jí)應(yīng)用功能的示范工程，對(duì)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)，為后續(xù)大規(guī)模推廣和復(fù)制積累工程經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了配電網(wǎng)同步相量測(cè)量裝置的技術(shù)原理及作用、系統(tǒng)及安裝部署方案和工程案例。本文的先進(jìn)性和主要工作如下：

1）分析了配電網(wǎng)微型同步相量單元的工作原理和典型的應(yīng)用場(chǎng)景。

2）提出了一種配電網(wǎng)同步相量測(cè)量系統(tǒng)及安裝部署方案，該方案不需要對(duì)原有的開關(guān)柜進(jìn)行改造，造成的停電時(shí)間較少，可大幅提高配電網(wǎng)的可靠性。

3）提出了D-PMU 高級(jí)功能示范設(shè)計(jì)方案，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的示范應(yīng)用，全面提升配電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

本文工作為D-PMU 進(jìn)一步與配網(wǎng)其他傳統(tǒng)領(lǐng)域融合推廣提供了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。在進(jìn)一步推廣應(yīng)用時(shí)，需要針對(duì)不同的區(qū)域特點(diǎn)和功能需求，研究D-PMU的最優(yōu)布點(diǎn)方案，提高經(jīng)濟(jì)性。