智能配电网广域同步相量测量体系设计方案研究

2021-06-30熊文危国恩王莉吴任博徐全陈吕鹏

南方能源建设 2021年2期

熊文，危国恩，王莉，吴任博，徐全，陈吕鹏

（1. 广东电网有限责任公司广州供电局，广州510620；2. 南方电网科学研究院有限责任公司，广州510530；3. 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663）

随着大规模分布式电源和电动汽车等负荷的接入，配电网运行状态更加复杂多变，传统终端的测量面临谐波、间谐波、噪声、阶跃等干扰，测量结果的准确性和快速性均面临巨大挑战。

同步相量测量装置（Phasor Mearsurement Unit，PMU）已在电力系统发电和输电网中得到广泛应用，目前也正积极向配电网推广。不同于传统的测控装置，PMU 具备三个显著的特征：“快”、“准”和“全”。“快”指PMU 需支持的上传速率和动态响应速度快；“准”指无论动态还是稳态情况，PMU 均需满足严格的精度考核指标；“全”指PMU 不仅可以测出幅值、频率和功率等，同时可测出全网的同步相角和功角，同时量测数据带全网统一的时标。正是由于这三个特征，PMU已不仅仅是其发明初期仅用来监测同步相角的装置，而已经成为电力系统不可或缺的工具。在向配电网进行推广的过程中，配电网同步相量测量装置与配网传统终端进行了融合，形成一种配电网新一代配电网微型同步相量测量装置（Distribution Mi⁃cro Synchronous Phasor Measurement Unit， DPMU），具有传统测控保护类终端的功能，同时具有快速性、准确性、可靠性和扩展性，应用领域也从监测推广到辨识、分析、控制和保护。

为在配电网推广应用此新技术，亟需设计DPMU 安装部署方案和典型应用场景的示范工程，本文将从D-PMU 的技术原理及作用、系统及安装部署方案和工程案例分析三个部分进行介绍。

1 配电网微型同步相量单元的原理和应用

D-PMU 能以微秒级采样周期采集配电网运行过程中的电流、电压等相量信息，计算并获得测点功率、相位、功角等信息，通过GPS/北斗提供时间同步信号，D-PMU可将每个状态量同步到同一个时间断面上，对配电网运行信息进行实时同步监测。

通常D-PMU包含以下几个模块：

1）处理器模块。

2）通信模块。

3）北斗/GPS时钟授时模块。

4）模拟和数字量模块。

D-PMU的系统总体结构如图1所示。

图1 D-PMU的系统总体结构Fig.1 Overall system structure of D-PMU

全面掌握配电网运行状态，是协调优化、正确决策的关键前提条件。D-PMU 的量测精度和采样频率均高于传统常规量测手段。因此，已在配电网多个领域得到关注和研究，主要应用领域包括：

1）配电网的状态估计和态势感知

配电网中大规模的风电、光伏等分布式电源以及电动汽车的接入，导致配电网谐波、间谐波、电压暂升暂降、频率偏差等电能质量问题更加突出。同时新能源的随机冲击和负荷的动态波动，对配电网的安全可靠运行带来了新的挑战。因此，需要建立以高精度和快响应的同步相量测量装置为基础的适用于配电网的新一代状态估计和态势感知系统，以保障配电网安全可靠运行。配电网状态估计的难点主要在于配电网谐波噪声等干扰严重导致量测点的误差较大，同时量测数据较少，而增加高精度的同步相量测量数据将有利于解决这些问题。

2）故障诊断和精确定位

当前配电网故障诊断和精确定位难点主要如下：（a）配电网运行方式和网络拓扑动态变化，随着分布式电源接入，线路潮流的方向大小等随机变化，导致故障机理难以分析；（b）配电网谐波噪声干扰严重，加大了故障信息提取难度；（c）配电网节点分支较多，增加了故障线路和非故障线路的区分难度。传统故障诊断和定位技术是基于电流幅值，并综合多点的量测结果来确定故障点，但系统中需要的量测节点众多，且各节点不具备同步性，仅能利用故障电流的幅值信息。同步相量测量装置引入，增加了高速率的量测数据和同步相角等信息。

3）协调控制

基于同步量测数据的多维信息融合的配电网协调控制，主要集中在：继电保护、配网自动化、电压无功控制和低周减载等方面。考虑配电网电动汽车和大规模分布式电源（光伏、风机等）接入及用户与电网的供需互动，基于PMU 的同步实时数据与分布式电源、柔性负荷、用电营销等系统信息融合的协调控制技术，目前也正在研究中。多维信息融合的协调控制的一个基础是准确快速获取电力系统各节点的电压电流信息，而同步相量测量装置由于其快速的相量上传和高精度的相量测量，同时可以测出各节点的同步信息并带有全网统一的时标，所以可以快速反映电力系统动态运行状态，是多维信息体系中重要的基础数据。

2 配电同步相量测量系统及安装部署方案

2.1 典型配电网运行监控开关柜

典型配电网运行监控开关柜结构如图2 所示，主要包括柜体500、三相五柱式电压互感器10、行波传感器11、进线三相双绕组电流互感器12、出线三相双绕组电流互感器13 和同步相量测量装置14。具体地，三相五柱式电压互感器10 的第一端连接母线，第二端连接行波传感器11 的一端，行波传感器11 的另一端接地；进线三相双绕组电流互感器12 的第一端连接母线，第二端通过连接电缆23连接外部电力设备；出线三相双绕组电流互感器13的第一端连接母线，第二端通过出线电缆24 外部设备；三相五柱式电压互感器10 的第三端、行波传感器11 的第三端、进线三相双绕组电流互感器12 的第三端和出线三相双绕组电压互感器13 的第三端均通过控制电缆连接到同步相量测量装置14，将所采集的数据传输到同步相量测量装置14 进行分析，从而能够实现对配电网的运行调度。采用上述配电网运行监控开关柜对配电网进行监控和运行调度，在适应配电网不断发展的需求的同时，能够不对原有的开关柜进行改造，造成的停电时间较少，大大提高了配电网的可靠性。

图2 配电网运行监控开关柜结构示意图Fig.2 Structure diagram of distribution network operation monitoring switch cabinet

通过航空插头22 把同步相量测量装置接入开关柜中，有效地提高了操作便利性，并且，在同步相量测量装置14 发生故障时，可以直接替换，不用停电维修。

根据功能的不一样，将配电网运行监控开关柜内的各个器件按照功能划分，分别置于不同的间隔内，每一间隔内的器件均组成完整电路。电压互感间隔100 内的电路、进线间隔200 内的电路、出线间隔300 内的电路和二次小室400。相互之间独立工作，在其中一个间隔内的电路出现故障时，不会对另外间隔的电路产生影响，增强了配电网运行监控开关柜的可靠性。

2.2 配电网同步相量测量系统安装部署方案

配电网同步相量测量系统结构示意图如图3 所示，章节2.1 所述的配电网运行监控开关柜，还包括待改造开关柜，配电网运行监控开关柜通过连接电缆23 与待改造开关柜的出线间隔的冷缩电缆头25相连接。待改造开关柜的进线间隔的冷缩电缆头26 的一端通过待改造开关柜的进线开关与母线连接，另一端连接进线电缆27，进一步地通过进线电缆27 与外部设备相连。待改造开关柜通过进线间隔的冷缩电缆头26 与外部电力系统连接，从而采集外部电力系统的电压与电流，对外部电力系统的电压与电流进行监控。

图3 配电网同步相量测量系统结构示意图Fig.3 Structure diagram of distribution network synchronous phasor measurement system

在将配电网运行监控开关柜接入配电网时，步骤如下：将待改造开关柜出线间隔的负荷开关打开，使得待改造开关柜的出线电缆失压断电；将配电网运行监控开关柜的进线电缆23 与待改造开关柜的出线间隔的冷缩电缆头25 相连接；打开待改造开关柜的出线间隔的出线开关闭合。这样，将配电网运行监控开关柜接入待改造开关柜，从而实现对配电网的运行监控与调度。通过这种方式接入配电网运行监控开关柜，只需将配电网的进线电缆23连接，造成很短的停电时间，提高用户体验。

配电网同步相量测量系统还包括以太网交换机，以太网交换机与配电网运行监控开关柜通信连接，用于配电网运行监控开关柜与外部设备进行数据交互。以太网交换机可以设置在配电网运行监控开关柜的内部，还可以设置在待改造开关柜的内部，可以理解，以太网交换机还可以设置于配电网同步相量测量系统以外，只要能实现配电网同步相量测量系统与外部设备之间的数据交互即可。通过设置以太网交换机，实现配电网同步相量测量系统与外部实时进行数据交互，提高配电网同步相量测量系统对电力系统的监控和调度能力。

3 示范工程案例

根据示范区域的业务需求，提出配电网广域测量控制系统的体系架构及部署方案。在终端方面，充分考虑示范区域配电网的网架架构现状及规划、负荷分布、开关设备情况以及现场实施条件，提出D-PMU 安装部署方案。在上述基础上，进行示范工程高级功能设计，并开展示范工程建设工作。

3.1 示范工程概况

以广州某地区示范工程系统为例，说明自适应状态估计、精确故障定位和源网荷协调控制功能的应用。示范区占地约25 km，共涉及变电站3 座，10 kV 馈线13 回，为国家第一批分布式光伏发电应用示范区。2020 年光伏发电总计规模大于30 MW，电动汽车充换电站（桩）大于5 MW，负荷规模达到40 MW。示范工程D-PMU 安装点网络接线图如图4所示。

图4 示范区D-PMU安装点网络接线Fig.4 Network wiring of D-PMU installation point in the demonstration area

3.2 示范工程高级功能设计

示范工程功能应用主要包括：自适应状态估计、精确故障定位、源网荷协调控制等功能。

3.2.1 自适应状态估计

在示范区分别设置配网同步相量测量装置覆盖率达100%、SCADA+PMU 覆盖率达100%以及量测不足三种情况，用于对比测试不同配置下状态估计效果。所以选取WL 站部分和BTF2、BTF3、BTF19 配网PMU 覆盖率达100%，可验证量测充足情况下的快速状态估计效果。选取BTF9 作为SCA⁃DA 和配网PMU 覆盖率达到100%示范区域，以验证量测充足情况下的高精度状态估计效果。选取BTF1、 BTF4、 BTF8、 BTF10、 BTF13、 BTF14、BTF16 以验证量测不足情况下的鲁棒状态估计效果。

3.2.2 精确故障定位功能

示范区考虑MZF5 线路较长，分支较多，电缆和架空线混合，多T 接，所以选取为从化示范区的精确故障定位高级应用功能示范点。选取线路首端即MZ 变电站F5 馈线端，分支末端HKCLJLD 配变、HXC 配变、KYXJC 和HXXY 专用高压房安装带有行波功能的同步相量测量装置，以示范高精度故障定位功能。

3.2.3 源网荷协调控制及孤岛运行

示范区考虑BT 变电站为主要供电电源，选取BT 变电站及下属各馈线示范源网荷协调控制高级应用功能和孤岛切换及稳定控制功能。考虑工业园区含光伏电源容量为17.8 MWp，CCHP （Com⁃bined Cooling Heating and Power，冷热电联产系统）容量为30 MW，充电桩容量为0.8 MW，工业大负荷容量为66.1 MW，所以此示范区重点示范源网荷协调控制。考虑BTF8、BTF9、BTF10 涵盖医院、政府、派出所、客运站等重要负荷，选取此示范区重点示范孤岛切换及稳定控制功能。