電力系統(tǒng)同步向量測(cè)量單元測(cè)試方法設(shè)計(jì)

楊彥波，朱建軍

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011； 2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition, SCADA)已經(jīng)不能滿足穩(wěn)定監(jiān)控的要求，基于同步向量測(cè)量單元(phasor measurement unit,PMU)的廣域測(cè)量系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)成為了電網(wǎng)穩(wěn)定監(jiān)控的有效技術(shù)手段[1]。PMU因其所測(cè)量的同步向量在電網(wǎng)故障定位、潮流計(jì)算和控制策略仿真等方面的重要作用得到了大面積的配置應(yīng)用[2]，已成為電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)必要的組成部分[3]，文獻(xiàn)[4]對(duì)并網(wǎng)發(fā)電廠PMU子站運(yùn)行管理作出了明確要求。PMU單元的測(cè)量精度和傳輸可靠性不僅關(guān)系到電網(wǎng)安全穩(wěn)定監(jiān)控分析，而且還影響電力系統(tǒng)調(diào)度管理工作，因此，開展電力系統(tǒng)PMU測(cè)試研究工作具有客觀必要性。

目前，電力系統(tǒng)PMU子站測(cè)試工作基本還是以交流采樣靜態(tài)測(cè)試為主，鮮有對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化過程和傳輸?shù)目煽啃詼y(cè)試進(jìn)行評(píng)估，研究多集中在基于PMU的算法及應(yīng)用設(shè)計(jì)上[5-7]。如何對(duì)動(dòng)態(tài)變化過程的交流采樣精度和通信規(guī)約進(jìn)行測(cè)試，是當(dāng)前亟待解決的問題。依據(jù)文獻(xiàn)[8-10]，設(shè)計(jì)出1種PMU子站測(cè)試方法，對(duì)動(dòng)態(tài)交流采樣精度和傳輸通信規(guī)約進(jìn)行測(cè)試，并首次成功在寧夏某發(fā)電廠PMU子站開展應(yīng)用測(cè)試，為該項(xiàng)工作的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

1 WAMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為典型WAMS系統(tǒng)架構(gòu)。WAMS作為電網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，兼顧了SCADA系統(tǒng)和故障錄波系統(tǒng)功能，其前置單元PMU子站能夠以數(shù)百赫茲的速率采集電流和電壓信號(hào)，通過計(jì)算獲得測(cè)點(diǎn)的功率、相位、功角等信息，并以每秒幾十幀的頻率向主站發(fā)送。PMU通過全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)對(duì)時(shí)，能夠保證全網(wǎng)數(shù)據(jù)的同步性，時(shí)標(biāo)信息與數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)并發(fā)送到主站，調(diào)度人員可以通過WAMS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程。

圖1 典型WAMS系統(tǒng)架構(gòu)

2 PMU測(cè)試方法設(shè)計(jì)

2.1 PMU子站通信連接結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)電源節(jié)點(diǎn)或智能變電站PMU子站設(shè)計(jì)安裝圖紙，確定PMU測(cè)試開展過程中時(shí)鐘選取方式。按照文獻(xiàn)[8-10]測(cè)試要求，確定動(dòng)態(tài)精度測(cè)試儀器連接方案及后臺(tái)模擬調(diào)度控制中心WAMS主站接入方法，確保測(cè)試不會(huì)對(duì)正常運(yùn)行PMU子站工作及調(diào)度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接造成影響。

2.2 PMU子站動(dòng)態(tài)精度測(cè)試設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)測(cè)試考慮到實(shí)際運(yùn)行中頻率變化對(duì)電壓、電流幅值和相位的影響，電壓、電流幅值及相位三相不平衡，幅值頻率調(diào)制過程、電壓幅值相角階躍過程及頻率階躍過程對(duì)測(cè)量精度的影響，設(shè)計(jì)了5項(xiàng)動(dòng)態(tài)精度測(cè)試項(xiàng)目。

2.2.1 幅值、相位隨頻率變化誤差測(cè)試

將裝置各三相電流和電壓回路加入1.0In和1.0Un，無諧波分量，對(duì)稱三相測(cè)試信號(hào)，在額定電壓、電流條件下，分別選取45，49，51，55 Hz 4種頻率，對(duì)電壓、電流幅值和相位進(jìn)行測(cè)量。

2.2.2 電壓、電流幅值相位不平衡測(cè)試

將裝置各三相電壓回路加入1.0Un,50 Hz,無諧波分量，相位對(duì)稱三相測(cè)試信號(hào)。

1)C相電壓幅值測(cè)試點(diǎn)選取為0.8，1.2Un，檢查裝置輸出的三相電壓和正序電壓的幅值和相位。

2)保持A相電壓相位0°，B相電壓相位-120°，C相電壓相角選擇120°，210°，300°。檢查裝置輸出的三相電壓和正序電壓的幅值和相位。

3)Ua，Ub,Uc電壓幅值為1.0Un。Ic，Ib電流幅值為1.0In。Ia電流幅值分別取0.8In和1.2In。測(cè)試三相電流幅值相角誤差。

4)保持A相電流相位0°，B相電流相位-120°，C相電流相角變化范圍為120°，210°，300°。檢查裝置輸出的三相電流和正序電流的幅值和相位。

2.2.3 幅值頻率調(diào)制測(cè)試

輸入裝置三相正序額定電壓，基波頻率選取49.5，50，50.5 Hz。

1)幅值調(diào)制量為10%Un，頻率調(diào)制選取0.1，2.0，4.5 Hz。

2)調(diào)制周期分別為10，2.5，1，0.5 s，調(diào)制信號(hào)的幅度為0.5 Hz。

2.2.4 電壓幅值相角階躍測(cè)試

將裝置三相電壓或電流回路加入1.0Un或1.0In，無諧波分量、對(duì)稱三相測(cè)試信號(hào)。

1)以額定幅值的10%階躍變化，裝置輸出相量幅值的躍變時(shí)刻(即達(dá)到階躍量的90%)的延時(shí)應(yīng)不超過30 ms。

2)任意起始相位角，先保持恒定，然后突變90°。裝置輸出相角的躍變時(shí)刻(即達(dá)到突變量的90%)的延時(shí)應(yīng)不超過30 ms。

2.2.5 頻率階躍測(cè)試

輸入額定頻率，先保持恒定，然后突變0.5 Hz。裝置輸出頻率躍變時(shí)刻(達(dá)到突變量的90%)的延時(shí)應(yīng)不超過60 ms。

2.3 通訊規(guī)約測(cè)試設(shè)計(jì)

依據(jù)文獻(xiàn)[8]要求，通過在PMU數(shù)據(jù)集中器出口模擬調(diào)控中心主站，遠(yuǎn)程控制測(cè)試儀輸出實(shí)現(xiàn)通信規(guī)約測(cè)試。

2.3.1 初始化過程測(cè)試

測(cè)試裝置在結(jié)束與主站的通信過程后，重新進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)服務(wù)準(zhǔn)備完畢狀態(tài)，為一次通信的初始化過程。通信初始化時(shí)間應(yīng)不長(zhǎng)于5 s。

2.3.2 同步相量測(cè)量裝置發(fā)送CFG-1、CFG-2文件檢測(cè)

連接裝置成功后，向裝置發(fā)送CFG-1、CFG-2請(qǐng)求。如果超時(shí)時(shí)間內(nèi)得到CFG-1、CFG-2文件報(bào)文，則測(cè)試成功，否則測(cè)試失敗。

2.3.3 主站下傳CFG-2文件檢測(cè)

測(cè)試系統(tǒng)先下發(fā)“下載CFG-2文件命令”，并等待接收裝置反饋“肯定確認(rèn)”。如果超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到“肯定確認(rèn)”，則本次測(cè)試失敗。接收到“肯定確認(rèn)”后，以CFG-1為模板生成CFG-2文件并下發(fā)到裝置中。最終再下發(fā)“發(fā)送CFG-2文件”命令，查詢裝置的CFG-2文件，并且對(duì)下載CFG-2文件與查詢的CFG-2進(jìn)行對(duì)比。如果對(duì)比一致，則測(cè)試成功，否則測(cè)試失敗。

2.3.4 打開、關(guān)閉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)

測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送“打開實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”命令或“關(guān)閉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”命令，在超時(shí)時(shí)間內(nèi)，如果收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，測(cè)試成功，否則測(cè)試失敗。

2.3.5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率整定檢測(cè)

測(cè)試系統(tǒng)選擇50幀/s實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速率。在該速率下系統(tǒng)會(huì)生成對(duì)應(yīng)速率的CFG-2文件并下載至裝置中。系統(tǒng)向裝置發(fā)送“打開實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”命令后，等待并接收3 s的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，再發(fā)送“關(guān)閉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”命令。計(jì)算接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文條數(shù)。如果報(bào)文數(shù)≥速率×3，則測(cè)試成功；否則測(cè)試失敗。

2.3.6 否定性檢測(cè)

測(cè)試系統(tǒng)向裝置下載錯(cuò)誤的“CFG-2”文件，即分別改變?yōu)椤板e(cuò)誤的IDCODE”和“與CFG-1配置項(xiàng)不符”。發(fā)送成功后，如果裝置反饋了“否定確認(rèn)”且沒有其他行為，則認(rèn)為測(cè)試成功。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試環(huán)境分析

某并網(wǎng)發(fā)電廠2臺(tái)機(jī)組PMU子站共用1個(gè)顯示屏柜，經(jīng)交換機(jī)通過光纖傳送至網(wǎng)控室，與線路側(cè)PMU子站一起由PMU數(shù)據(jù)集中器，通信至調(diào)度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加密網(wǎng)，分別上傳到西北調(diào)控中心和寧夏調(diào)控中心WAMS系統(tǒng)。機(jī)組PMU與網(wǎng)控室距離約500 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀接入機(jī)組PMU。在停機(jī)狀態(tài)下，通過模擬WAMS主站連接在PMU數(shù)據(jù)集中器，遠(yuǎn)程控制PMU測(cè)試儀輸出，并采集集中器輸出進(jìn)行比較，測(cè)試過程中機(jī)組PMU和測(cè)試儀共用外接的同步時(shí)鐘來保證時(shí)間同步，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試連接如圖2所示。

圖2 PMU子站測(cè)試連接

3.2 測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該測(cè)試方法安全可靠，具有良好的通用性。在PMU子站靜態(tài)交流采樣精度測(cè)試合格后開展動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1至表6所示。

表1 PMU子站電壓幅值、電壓相角、頻率階躍測(cè)試結(jié)果

表2 PMU子站動(dòng)態(tài)精度電壓幅值測(cè)試結(jié)果

表3 PMU子站動(dòng)態(tài)精度電流幅值測(cè)試結(jié)果

表4 PMU子站動(dòng)態(tài)精度頻率測(cè)試結(jié)果

表5 PMU子站動(dòng)態(tài)精度相角測(cè)試結(jié)果

表6 PMU子站通訊規(guī)約測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，PMU子站通訊規(guī)約滿足要求，電壓幅值階躍測(cè)試、頻率調(diào)制測(cè)試不滿足國(guó)標(biāo)要求。

4 結(jié) 論

1)開展PMU動(dòng)態(tài)精度測(cè)試及子站通信規(guī)約測(cè)試，對(duì)常規(guī)測(cè)試方法進(jìn)行完善補(bǔ)充，可消除以往靜態(tài)精度測(cè)試對(duì)數(shù)據(jù)變化過程和傳輸過程不可測(cè)量的弊端，能夠更好地滿足電網(wǎng)對(duì)PMU子站測(cè)量精度和通訊可靠性的要求。

2)PMU動(dòng)態(tài)精度及子站通訊規(guī)約測(cè)試方法，依據(jù)《GB/T 26862-2011 電力系統(tǒng)同步向量測(cè)量裝置檢測(cè)規(guī)范》和《GB/T 26865.2-2011 電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng) 第2部分：數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》設(shè)計(jì)，充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)子站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，測(cè)試過程安全可靠，為該項(xiàng)工作的后續(xù)開展奠定了基礎(chǔ)。