基于同步相量测量的统一基准源核相技术研究

孔 宁

（国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274012）

·班组创新·

基于同步相量测量的统一基准源核相技术研究

孔 宁

（国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274012）

在电力系统中，核相是一项简单但又非常重要的工作。新建、改造和扩建后的发电厂、变电站电气设备和输电线路在投入运行前，必须进行核相试验，以确保相序一致、相位正确。目前，国内传统的核相技术存在一定的局限性。对基于同步相量测量技术的统一基准源核相方法进行研究，此种核相方法通过GPS对时信号来实现不同地域电源信号的同步采样，通过与电网中某一固定基准源信号相位比较，确定任意两不同电源点的相位关系，从而完成核相工作。基于同步相量测量技术的统一基准源核相方法操作简便、核相效率高，具有独特的优越性，并且可实现广域电源核相。

核相；统一基准源；GPS对时；同步相量测量

0 引言

随着全球能源互联网概念的提出，“十三五”电网发展强调加快解决电网“两头薄弱”问题，增强能源优化配置能力。“十三五”期间，将加快同步电网优化升级整合，特高压交流、特高压直流输电工程全面大规模开工建设。新增农网改造升级和城镇配电网工程投资共计1281亿元，电网建设和改造任务十分繁重，高强度、大规模电网建设将贯穿整个“十三五”［1］。

发电厂、变电站和输电线路在新建、改造和扩建后投入运行前，都必须进行三相电源核相试验，以确保投运的电力设备和线路三相相序一致、相位正确。对于需要并列或合环运行的三相交流电源系统，则还应保证两三相电源的相位正确［2］。相序不一致，发电机将无法并网，强行并网会造成发电设备严重损坏，如果出现非同期并列或合环，还将造成相间短路事故，不仅损坏电气设备，甚至威胁电力系统的安全稳定运行。核相试验是电力系统中一项基本而重要的工作，供电企业每年因变电站新改扩建工程，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、减小成本、降低风险非常重要。传统核相方式最主要的局限性主要在于核相设备受空间距离的限制，且要求信号采样的同时性，操作费工费时［3］。

以提高变电站核相试验效率为目标，针对传统核相方式效率低、操作复杂、局限性大等问题，提出基于同步相量测量技术的统一基准源核相技术和方法，以提高核相效率、简化操作，同时此种核相方法采用GPS统一时钟对时，核相不受三相电源空间距离的限制，能很好地解决变电站单电源核相问题，具有较高的推广应用价值。

1 现行核相方式及局限性

1.1 一次核相方式及其原理

一次核相设备主要由核相仪手持终端和高压核相探头两部分组成，图1所示为高压电源一次核相原理图。高压探头与核相仪手持终端之间通常采用无线通信方式进行数据传输，由于核相仪手持终端对采样数据实时性要求较高，并且不同的无线通信方式进行数据传输的距离也不尽相同。因此，就要求核相仪高压探头1与探头2间的距离不能太远，应在核相仪技术要求的范围内，否则将无法数据采样的实时性和数据传输的距离要求。

在高压探头1、2将采样数据传输给手持终端后，手持终端再对数据进行相位、幅值比较，从而完成对高压电源1、2的定核相工作。

图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计在变电站电压互感器的二次侧进行，二次核相原理如图2所示。二次核相属于间接核相方式，核相结果的正确性是以电压互感器TV1和TV2一、二次侧接线正确性为前提的。即必须保证两电压互感器高低压侧电压UA与Ua、UA′与 Ua′的相位一致， 这样才能间接对两电源进行准确定核相。

二次核相一般采用二线试验线同时引接电压互感器TV1和TV2的二次电压至核相仪G，通过核相仪直接对两电源进行二次定核相试验。因此，二次核相方式要求两电源的互感器TV1和TV2二次引线端子距离不能太远，否则会造成试验拖线过长，核相极不方便，或根本无法完成核相。

图2 二次核相原理

1.3 传统核相方式的优点及其局限性

分析传统核相方式及其原理，无论是一次核相方式还是二次核相方式，都存在一定的局限性［2］。

需核相的两路电源信号必须同时采集，保持交流电压信号采样的同步性；需核相的两路电源的空间距离不能太远，无法实现广域电网核相；核相试验需参与人员较多，核相步骤繁杂，人力和物力成本较高，耗时较长；一次核相存在一定的危险性，必须考虑试验人员间的协调配合和采取相应安全防护措施；对于单电源变电站，无法进行准确的定核相，只能通过核相试验来保证相序正确。

2 基于同步相量测量的核相方式

为了实现广域范围的电网核相，提出一种采用基于GPS同步相量测量技术的核相方案，原理如图3所示。电源1和电源2为两待核相电源，为了确定电源1和电源2的相序、相位关系，引入该同步电网中的某一电源点作为全网统一核相基准源，并在此电源点安装基准源电压信号采样主机。该采样主机具有网络通信和接收卫星GPS同步对时脉冲的功能，可以根据GPS对时脉冲信号对基准源电压信号进行同步采样，并将数据信息存储于本地硬盘和网络服务器。同时利用便携式手持核相仪1和2分别对两待核相电源1和2进行电压信号的采样，手持核相仪1和2具有与基准源采样主机同样的功能，同时还可以调取基准源采样主机采样数据并进行对比分析的功能。通过对电源点电压采样信号的分析，得出以统一基准源为基准的电源点1、2的电压相量关系。

图3 统一基准源核相仪原理

由于采用了全球定位系统（GPS）的高精度授时信号，因此可以实现对电力系统广域电源点的同步采样，使各节点所测量的电压量有统一的时间标准，为不同地点电压信号采样数据加上对应的时标，实现同步电网中不同电源点电压相量的对比分析，并最终完成电源点 1、2 的核相工作［4-7］。

目前GPS用于建立全网统一时间，在99.87%的时间内同步误差可以精确到1 μs，对于50 Hz电力系统来说，相位误差将不超过0.018°，为核相工作提供了精确度保证［8］。同时应用高精度、高速A/D转换器和DSP数字信号处理器，能够很好地解决广域电网电源同步采样的要求。

3 统一基准源核相仪结构及硬件

3.1 核相仪硬件系统结构

统一基准源核相仪中的核心设备为基准源采样主机与便携式核相终端，基准源采样主机与便携式核相终端在功能上基本一样，硬件结构也基本相同，硬件结构如图4所示。由高速数字信号处理器DSP+FPGA构成核心板件，并配置有USB、RS485数据接口模块、TCP/IP网络、4G无线通信接口模块、GPS对时和B码对时模块、遥信开入和电压采样A/D转换模块以及显示器、键盘人机接口模块等扩展模块。GPS对时模块实现对时脉冲信号输出，再通过处理器自身晶振完成分频后产生高精度模拟量同步采样时钟，A/D模数转换模块根据同步采样时钟完成电压信号的同步采样，最终由DSP数字信号处理器实现对电压量数字信号的精确计算和处理，最终通过人机接口设备将核相结果输出给用户。

图4 统一基准源核相仪硬件结构

3.2 核相仪硬件模块设计

核相仪核心设备硬件主要由直流电源模块、数字信号处理器模块、模拟量采集模块、GPS对时模块及显示器和键盘人机接口模块构成。直流电源模块为信号调理电路、模数转换电路、DSP数字信号处理器供电，共有4路电源输出，分别为5 V、24 V、+12 V、-12 V；电压互感器、运放IC和14位MAX1320模数转换芯片等器件组成电压信号采样电路，完成电源电压信号模拟到到数字量的同步采样；TMS320F206型DSP数字信号处理器、FPGA集成电路实现基于DFT算法的电压幅值、相角测量，并计算出电压相量。

图5 统一基准源核相仪硬件模块

4 统一基准源核相仪系统实验

为验证核相仪整套系统及其核心设备的运行性能，设计了核相试验项目，以证明基于GPS同步相量测量技术的核相方案的可行性和优越性。

核相试验针对某110 kV变电站的主变压器高低压侧电源开展，该变电站的主变压器绕组接线采用Yd-11接线，高压侧电压相量滞后于低压侧电压相量约30°。基准源采样主机安装于变电站高压母线处，对高压侧母线电压进行采样，并以此电压量作为核相基准源。便携式核相终端1、2分别对主变压器高、低压侧电压进行同步采样，并得出以高压侧母线电压为基准的主变压器高、低压侧电压相量，结果如表1所示。

便携式核相终端1、2的电压录波如图6所示，图中左右两标尺时间差为1.655 ms，可得主变高、低压侧电压相量的相角差约为29.79°。

表1 电源电压核相结果

图6 统一基准源核相仪录波图

5 结语

将基于GPS的同步相量测量技术应用于电力系统，实现了广域电网的电源核相，可以使电力系统核相工作变得轻松简单，能够满足单电源变电站高压电源核相工作的需要，弥补了传统核相方式存在的诸多缺陷和不足，大大提高了供电企业专业技术人员的定核相工作效率。研制的基于GPS同步相量测量技术的统一基准源核相仪，具有结构简单、操作方便、成本低廉、性能优越、精度高等优点，在电力系统中具有广阔的应用前景。

［1］刘振亚.全球能源互联网［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］王根水，潘雷，詹淋松.电力网核相技术演变及分析比较［J］.高科技与产业化，2009，5（2）：80-82.

［3］都文蔚.广义核相技术研究与其在浦东电网运行工作中的应用［D］.上海：上海交通大学，2013.

［4］张春.远程无线核相系统的关键技术研究及工程实现［D］.杭州：浙江大学，2006.

［5］胡绍谦.电力系统同步相量测量技术的研究［D］.西安：西南交通大学，2004.

［6］胡绍谦，王晓茹.基于GPS技术的电力系统同步相量测量装置［J］.电子工程师，2003，29（11）：21-23.

［7］孔五阳.基于GPS的电网同步相量测量装置的研究［D］.南京：河海大学，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 宁（1984），男，工程师，研究方向为电力系统继电保护。