基于同步相量測量的配電網(wǎng)電壓暫降溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

勞永釗，吳任博，?，肖健，徐全，陳呂鵬

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東廣州 510600；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510663；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

隨著雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)逐步落地，清潔能源替代和電能替代將進(jìn)一步推進(jìn)［1］。由此帶來的廣泛分布式能源和電動汽車等新型負(fù)荷的接入，使得“源—網(wǎng)—荷”角色定位和行為特征的界限趨于模糊，電力電子化程度逐步加深，系統(tǒng)運(yùn)行特性發(fā)生著變化［2-3］。配電網(wǎng)作為服務(wù)用戶的“最后一公里”，其運(yùn)行狀態(tài)將直接影響到用戶的用電可靠性和電能質(zhì)量［4］。

現(xiàn)有的電網(wǎng)SCADA 系統(tǒng)無法對動態(tài)暫態(tài)事件進(jìn)行有效監(jiān)測，數(shù)據(jù)顆粒度一般只能達(dá)到秒級或分鐘級。雖然能監(jiān)測保存故障前后的數(shù)據(jù)，但所采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，無法有效對動態(tài)事件進(jìn)行進(jìn)一步的分析和高級應(yīng)用［5］。另外，配電自動化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)缺乏同步性，無法較好地對系統(tǒng)狀態(tài)尤其是故障發(fā)生后的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評估，也無法有效支撐電壓暫降等電能質(zhì)量問題的溯源。

現(xiàn)有電能質(zhì)量監(jiān)測裝置一般安裝在變電站或低壓配網(wǎng)用戶側(cè)［6］，中壓線路側(cè)布點(diǎn)不足，而且布點(diǎn)往往以投訴事件導(dǎo)向的“被動布點(diǎn)”為主，且一般為單點(diǎn)監(jiān)測，無法支撐廣域電能質(zhì)量全態(tài)勢感知。此外，部分電能質(zhì)量數(shù)據(jù)沒有同步時(shí)標(biāo)，同樣無法有效支撐電能質(zhì)量問題分析、預(yù)警等高級功能。

面對新形勢下配電網(wǎng)變化趨勢和同步電能質(zhì)量量測需求，亟需研究設(shè)計(jì)配電網(wǎng)同步相量與電能質(zhì)量測量一體化體系和建設(shè)典型應(yīng)用場景的示范工程。本文首先介紹了同步相量與電能質(zhì)量測量一體化基本原理和技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，然后研究基于同步電能質(zhì)量量測信息的配電網(wǎng)電壓暫降溯源方法，最后介紹了廣州某地區(qū)示范工程的設(shè)計(jì)方案。

1 基于同步相量的電能暫降測量

1.1 同步相量測量原理

1.1.1 同步授時(shí)原理

同步相量測量是針對電壓電流的正弦量大小和相位進(jìn)行同步測量，如果無法確定同一的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，則無法有效實(shí)現(xiàn)測量的同步性。在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)下，測量所得的數(shù)據(jù)將被打上時(shí)標(biāo)，數(shù)據(jù)之間可以直接進(jìn)行對比。主網(wǎng)同步相量測量裝置采用變電站內(nèi)統(tǒng)一時(shí)鐘基準(zhǔn)信號進(jìn)即可完成對時(shí)，但配電網(wǎng)環(huán)境復(fù)雜，分布廣泛，受條件約束則需內(nèi)置北斗/GPS授時(shí)模塊進(jìn)行同步對時(shí)［7］。

北斗/GPS 同步衛(wèi)星每秒發(fā)射一個(gè)同步信號，信號接收器可以為設(shè)備提供1PPS 脈沖信號，精度不低于±1 μs，對于國內(nèi)電網(wǎng)50 Hz 工頻信號而言，相位誤差不大于0.018，可以滿足功角的測量需要。同步相量測量授時(shí)原理如圖1所示。

圖1 同步相量測量授時(shí)原理Fig.1 Timing principle of synchronous phasor measurement

1.1.2 同步相量測量算法

離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）算法是目前同步相量測量廣泛采用的測量算法之一。DFT 算法首先在頻域?qū)Ψ钦抑芷谛盘栠M(jìn)行分解，從而得到信號的基波分量和諧波分量，隨后利用分解的分量信息對基波和諧波分量的相量進(jìn)行計(jì)算。

快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）是在DFT 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是DFT 的快速算法。FFT 在同步相量測量的作用仍然是實(shí)現(xiàn)信號的基波分量和諧波分量的分解，F(xiàn)FT 可有效減少算法的乘法次數(shù)，大幅降低計(jì)算量。但在同步測量時(shí)需對輸入原始信號進(jìn)行加窗處理，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行差值修正［8］。

1.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 測量算法一體化架構(gòu)

在同步相量測量和電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算中，應(yīng)用較為廣泛的是DFT算法，且在計(jì)算上存在一定的相似性，在數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)初步處理環(huán)節(jié)存在共同步驟。因此，可以考慮將兩者進(jìn)行融合，減少重復(fù)環(huán)節(jié)，降低計(jì)算量。測量算法一體化測量示意圖如圖2所示。

圖2 測量算法一體化架構(gòu)框圖Fig.2 Measurement algorithm integration block diagram

測量算法一體化架構(gòu)包含一體化采樣、采樣數(shù)據(jù)處理、同步相量/電能質(zhì)量計(jì)算和暫態(tài)事件錄波四部分。

1）一體化采樣

采用一體化采樣方式獲得高頻離散的電壓/電流數(shù)據(jù)，可同時(shí)滿足同步相量測量和電能質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算的需要，可有效降低后續(xù)數(shù)據(jù)處理量。

2）采樣數(shù)據(jù)處理

對采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)時(shí)電網(wǎng)頻率進(jìn)行波形重構(gòu)，降低頻譜泄露對算法精度的影響。

3）同步相量/電能質(zhì)量計(jì)算

基于處理后的數(shù)據(jù)利用基波分量DFT算法，計(jì)算得到基波相量的實(shí)部與虛部，進(jìn)而獲得基波的幅值和相量。然后進(jìn)行諧波分量的DFT算法計(jì)算，得到各次諧波的有效值。結(jié)合基波有效值計(jì)算結(jié)果可計(jì)算總諧波畸變率和各次諧波含有率。最后對剩余兩相重復(fù)上述計(jì)算過程，計(jì)算三相電壓不平衡度。

4）暫態(tài)事件錄波

當(dāng)發(fā)生暫態(tài)事件，算法能夠準(zhǔn)確地記錄該事件，包括事件類型、事件發(fā)生時(shí)刻、發(fā)生相別、特征幅值、暫態(tài)發(fā)生持續(xù)時(shí)間等。

1.2.2 測量裝置一體化架構(gòu)

傳統(tǒng)同步相量測量裝置與電能質(zhì)量測量裝置存在相似的架構(gòu)部分。測量裝置一體化架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 測量裝置一體化架構(gòu)框圖Fig.3 Measurement device integration block diagram

一體化量測裝置構(gòu)成一般包括模擬信號輸入端口、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（A/D芯片）、一體化測量FPGA、一體化計(jì)算DSP、量測數(shù)據(jù)通信及顯示控制ARM處理器、北斗/GPS同步授時(shí)模塊、通信模塊、存儲模塊等。

主要的公共硬件模塊如下：

1）電壓/電流模擬信號采集模塊

同步相量測量和電能質(zhì)量測量都需要從電網(wǎng)側(cè)提取離散電壓/電流模擬信號，進(jìn)而進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行下一步的各類數(shù)據(jù)計(jì)算。

2）一體化計(jì)算DSP模塊

同步相量測量和電能質(zhì)量測量均需基于電壓/電流信號進(jìn)行DFT變換計(jì)算，兩者計(jì)算存在重疊部分，且計(jì)算量較大。均需配置高性能DSP 進(jìn)行計(jì)算，因此可將兩者計(jì)算模塊進(jìn)行一體化融合。

3）北斗/GPS同步授時(shí)模塊

同步授時(shí)模塊一方面是實(shí)現(xiàn)同步相量測量的必要條件。另一方面，可為電能質(zhì)量測量數(shù)據(jù)和暫態(tài)時(shí)間錄波數(shù)據(jù)打上同步時(shí)標(biāo)。提高后續(xù)進(jìn)行電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析的可行性和有效性。

2 基于同步電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的電壓暫降溯源

2.1 電壓暫降源方向判別方法

2.1.1 參考方向

電壓暫降溯源是指追溯電壓暫降擾動源相對于監(jiān)測點(diǎn)的相對位置。確定其在監(jiān)測點(diǎn)的上游或是下游。因此，需要對參考方向進(jìn)行確定。本文參考方向由電壓互感器和電流互感器的同名端進(jìn)行確定。方向?yàn)橛苫ジ衅鞴餐_定的唯一消耗有功的方向，與監(jiān)測裝置實(shí)際有功流動方向無關(guān)［9］。

2.1.2 三相功率電流

設(shè)監(jiān)測點(diǎn)m的電壓、電流相量um（t）、im（t）為

式中：

um，a(t)、um，b(t)、um，c(t) ——監(jiān)測點(diǎn)同步測量的三相電壓（kV）；

im，a(t)、im，b(t)、im，c(t) ——監(jiān)測點(diǎn)同步測量的三相電流（kA）。

則三相功率電流Im，p（t）定義如下：

式中：

Pm(t) ——測量點(diǎn)m的三相瞬間功率，即為監(jiān)測點(diǎn)處三相電壓相量與三相電流的點(diǎn)積（MW）。

2.1.3 基于序增量功率電流的電壓暫降源方向判據(jù)

1）對稱擾動事件

當(dāng)發(fā)生三相對稱的電壓暫降擾動事件時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)的三相電壓、電流相量保持三相對稱，僅有正序分量。通過對比擾動前后正序功率電流變化量即可判斷電壓暫降源位于監(jiān)測點(diǎn)相對位置情況。

正序增量功率電流表達(dá)如下：

式中：

——監(jiān)測點(diǎn)m擾動后正序三相功率電流值（kA）；

——監(jiān)測點(diǎn)m擾動前正序三相功率電流值（kA）。

針對對稱擾動事件，利用正序增量功率電流進(jìn)行溯源的判據(jù)表述如下：

式中，為防止由于測量誤差導(dǎo)致的誤判，設(shè)置判斷閾值ε（ε＞0）。

2）非對稱擾動事件

當(dāng)發(fā)生非對稱的電壓暫降擾動事件時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)的電壓電流將產(chǎn)生負(fù)序分量。由于系統(tǒng)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)三相不平衡度要求小于4%。因此，可忽略穩(wěn)態(tài)時(shí)的負(fù)序功率電流。通過分析擾動后負(fù)序功率電流變化量即可判斷電壓暫降源位于監(jiān)測點(diǎn)相對位置情況。

負(fù)序增量功率電流表達(dá)如下：

式中：

針對非對稱擾動事件，利用負(fù)序增量功率電流進(jìn)行溯源的判據(jù)表述如下：

式中：

為防止由于測量誤差導(dǎo)致的誤判，設(shè)置判斷閾值ε（ε＞0）。

2.2 電壓暫降源區(qū)段定位方法

在利用單個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確判斷電壓暫降源方向的基礎(chǔ)上，可以利用多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)布點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電壓暫降源區(qū)段定位。

可利用拓?fù)渚仃嚸枋雠潆娋W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及監(jiān)測點(diǎn)的分布信息：

式中：

l——配電網(wǎng)中區(qū)段總數(shù)；

m——配電網(wǎng)中監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目；

fij——矩陣中的元素。

可用觀測矩陣來描述所有監(jiān)測布點(diǎn)的方向判別信息：

當(dāng)監(jiān)測裝置判斷電壓暫降源位于上游區(qū)域時(shí)，si=1；反之則si=-1。

可將配電網(wǎng)拓?fù)渚仃嚺c觀測矩陣結(jié)合，實(shí)現(xiàn)暫降源的區(qū)段定位：

當(dāng)di=m時(shí)，則可判定電壓暫降源位于電網(wǎng)的第i個(gè)區(qū)段。

2.3 電壓暫降源溯源流程

電壓暫降源溯源執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 電壓暫降源溯源執(zhí)行流程Fig.4 Implementation process of voltage sag source-locating

3 示范工程案例設(shè)計(jì)

根據(jù)示范區(qū)域的實(shí)際情況和需求，提出基于同步相量與電能質(zhì)量測量一體化的配電網(wǎng)電壓暫降溯源設(shè)計(jì)方案。在終端布點(diǎn)方面，充分考慮示范區(qū)域配電網(wǎng)架構(gòu)現(xiàn)狀、電壓暫降問題隱患、示范實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)以及實(shí)際現(xiàn)場實(shí)施可行性條件等，提出設(shè)備布點(diǎn)方案。

3.1 示范工程概況

以廣州某地區(qū)示范工程案例設(shè)計(jì)為例，說明同步相量與電能質(zhì)量一體化測量、電壓暫降溯源功能的應(yīng)用。示范區(qū)區(qū)域占地面積約為25 km2，區(qū)域內(nèi)線路涉及5 座變電站，13 回10 kV 饋線線路。光伏發(fā)電規(guī)模約30 MW，區(qū)域負(fù)荷規(guī)模高達(dá)40 MW。

3.2 示范工程電壓暫降溯源功能設(shè)計(jì)

在示范區(qū)內(nèi)設(shè)置3 種方案，對比測試不同設(shè)備布點(diǎn)情況下電壓暫降溯源效果：

1）配網(wǎng)一體化測量裝置覆蓋率達(dá)100%場景。選取WL 站部分和BTF2、BTF3、BTF19 實(shí)現(xiàn)裝置布點(diǎn)覆蓋率達(dá)100%，驗(yàn)證配網(wǎng)一體化測量裝置量測充足情況下的快速溯源效果；

2）配網(wǎng)一體化測量裝置+SCADA 覆蓋率達(dá)100%場景。選取BTF9 作為SCADA 和配網(wǎng)一體化測量裝置覆蓋率達(dá)到100%，以驗(yàn)證整體量測充足，但配網(wǎng)一體化測量裝置布點(diǎn)不足情況下的溯源效果；

3）量測不足場景。選取BTF1、BTF4、BTF8、BTF10、BTF13、BTF14、BTF16 以驗(yàn)證量測不足情況下的溯源效果。

各場景布點(diǎn)方案的暫降溯源定位結(jié)果如表1 所示，各場景布點(diǎn)方案具體如圖5 所示?？梢娀诟呔惹胰娴耐綔y量數(shù)據(jù)可有效實(shí)現(xiàn)暫降事件的捕捉，定位準(zhǔn)確度較高。如果缺少高精度的同步測量數(shù)據(jù)，則無法所有暫降事件的全面感知，定位精度較低甚至無法實(shí)現(xiàn)定位。

圖5 示范區(qū)電壓暫降溯源功能布點(diǎn)方案Fig.5 The voltage sag source-locating scheme in demonstration

表1 各方案暫降溯源定位結(jié)果Tab.1 Traceability and positioning results of voltage sag of each scheme

3.3 示范工程建設(shè)成效

示范區(qū)建成后，示范區(qū)內(nèi)配網(wǎng)一體化測量裝置100%覆蓋率區(qū)域，電壓暫降定位準(zhǔn)確率高于99%；

同時(shí)基于同步測量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)故障定位、源荷協(xié)調(diào)控制等高級應(yīng)用。故障定位精度小于0.2 km；平均縮短故障處理時(shí)間48.25 min；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；可削減示范區(qū)柔性負(fù)荷峰值約13%。

3.4 示范工程意義

該示范工程建成了基于同步相量與電能質(zhì)量測量一體化的配電網(wǎng)電壓暫降溯源系統(tǒng)，為進(jìn)一步推進(jìn)配電網(wǎng)同步相量與電能質(zhì)量測量一體化的應(yīng)用提供寶貴工程經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文介紹了同步相量與電能質(zhì)量測量一體化的基本設(shè)計(jì)架構(gòu)和方案、電壓暫降溯源方法和示范工程案例設(shè)計(jì)方案。

1）分析了配電網(wǎng)同步相量與電能質(zhì)量測量一體化設(shè)計(jì)的可行性，提出了一體化的算法和硬件裝置設(shè)計(jì)架構(gòu)。集成兩類監(jiān)測量測裝置的功能可有效降低裝置成本，減少重復(fù)多余計(jì)算量。

2）分析了基于廣域同步電能質(zhì)量量測數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓暫降溯源定位的方法，該方法可有效解決配電網(wǎng)電壓暫降溯源問題，有利于電能質(zhì)量問題權(quán)責(zé)劃分。

3）提出了基于一體化量測體系的示范工程設(shè)計(jì)方案，通過關(guān)鍵技術(shù)的示范應(yīng)用，全面提升了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量監(jiān)測水平。

本文工作為進(jìn)一步提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測和電能質(zhì)量問題溯源水平提供了工程經(jīng)驗(yàn)。在下一步的設(shè)備及場景推廣時(shí)，應(yīng)針對區(qū)域特點(diǎn)和需求，優(yōu)化設(shè)備布點(diǎn)方案，提高工程實(shí)施的精準(zhǔn)性和有效性。