同步相量测量技术在配电网中应用.docx

同步相量测量技术在配电网中的应用王继豪1，裴茂林2，熊茹2，汪芙平1，严勤2，谢三军2，赵伟1(1. 清华大学电机系，北京 100084；2. 国网江西电力科学研究院，南昌 330096）摘要：随着智能电网建设的不断深入，配电网的智能化升级改造也步入正轨。同步相量测量技术不仅适用于输电系统，在实现配电网智能化方面也能发挥积极作用。基于美国FNET系统和国内WAMS Light系统，给出国内外配电网同步相量测量系统概念；从状态估计、故障定位、谐波估计、孤岛检测角度，介绍同步相量测量技术在配电网诊断方面的应用，并从微电网协调、电能质量控制、控制与保护角度论及它在配电网保护方面的应用。最终，针对配电网同步相量测量技术发展所遇问题，试提出明确的解决思路。关键词：配电网；同步相量测量系统；状态估计；谐波估计；孤岛检测；微电网协调中图分类号：TM93 文献标识码：A 文章编号：1001-1390（2017）17-0000-00Applications of synchronized phasor measurement technology in distribution systems Wang Jihao1, Pei Maolin2, Xiong Ru2, Wang Fuping1, Yan Qin2, Xie Sanjun2, Zhao Wei1(1. (1. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China. ;2. State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute, Nanchang 330096, China)Abstract：: With the development of smart grid construction, the smart distribution system is also constantly upgrading. The synchronized phasor measurement technology not only applies to transmission system,s, it will also plays an active role in achieving smart distribution systems. This paper introduces the concept of synchronized phasor measurement system in distribution system s based on American FNET system and domestic WAMS Light system. Then, a review on diagnostic applications of synchronized phasor measurement technology in distribution systems is presented from the following aspects：state estimation, fault location, harmonic estimation and island detection. Meanwhile, a review on control applications of synchronized phasor measurement technology is presented from following aspects: micro-grid coordination, power quality control, control and protection. Finally, some solutions are proposed to deal with problems encountered in the development of synchronized phasor measurement technology.Key Wordswords：: distribution systemnetwork, synchronized phasor measurement system, state estimation, harmonic estimation, island detection, micro-grid coordination0 前言随着智能电网建设的不断深入，配电网也向着智能化方向发展，出现了“配电网自动化”、“主动配电网”1、“网格配电网”等概念。但配电网的升级改造过程面临着很多挑战，例如：1）以光伏发电为代表的分布式电源大规模接入，可能导致配电网电压和功率的振荡；2）电动汽车的大规模无序充电，可能致使配电网电压跌落；3）电动汽车和分布式电源大规模应用，可能造成配电网谐波含量上升；4）配电网拓扑结构日益复杂，逐渐由辐射型向网络化演变2，使得配电网保护和控制难度增大；5）负荷类型、架空线/电缆混合线路、中心点接地方式以及负荷运行方式更为多样化，造成配电网的运行状态更为复杂。为解决这些问题，需要新的技术手段，以切实提高配电网的供电可靠性和安全性。同步相量测量技术自1980年提出以来，日趋成熟，并已成功应用到基于同步相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）的广域测量系统，在电力系统状态估计、电压稳定性监视、模型和参数辨识、低频振荡分析、暂态稳定性分析和控制等多个方面发挥着重要作用。而与此同时，国内外正积极探索同步相量测量技术在配电网中的应用。例如，美国的Yilu Liu等人研发出了基于同步相量测量技术的频率测量网络（Frequency Monitoring Network，FNET），并将其应用于110 V的低压配电网，实现了供电系统的电压稳定分析、频率稳定分析、低频振荡分析、故障辨识、系统解列以及优化闭环控制3-4。该成果证明，同步相量测量技术有望在解决配电网面临的问题和实现配电网智能化方面发挥积极作用。本文从配电网同步测量系统概念、配电网同步相量测量高级应用技术两方面，阐述同步相量测量技术在配电网中的成功应用，并针对该领域中存在的问题，试提出明确的解决思路。1 配电网同步相量测量系统同步相量测量技术在输电系统中发挥了不可替代的作用，这也使人想到，如果能将其引入配电网，很可能会提高配电网供电的安全性和可靠性。但将同步相量测量技术应用到配电网，面临以下问题3, 5：1）由于馈线线路长度较短，配电网线路两端电压相位差的测量误差必须小于0.1。而这仅为输电系统线路两端电压相位差测量误差的十分之一或几十分之一；2）配电线路受噪声和谐波影响严重，电压相量的计算难度很大；3）配电网络节点众多，若想大量安装PMU，那PMU的成本必须大幅下降；4）配电网中，PMU的通信十分关键，直接决定着PMU的实用性，必须有效地与配电网多样化的通信系统相融合。为将同步相量技术应用到配电网中，美国的Yilu Liu等人研发出了FNET系统，如图1所示。该系统是一个广域传感器网络，由两大部分构成4：高精度的频率扰动记录仪，可将带GPS时标的相量测量数据上传到服务器；信息管理系统，可实现数据收集和存储、数据通信、数据库操作以及网络服务等功能。该系统依托电压传感器采集居民住户110 V电源插座电压信号，然后，通过网络上传数据到信息管理系统，以实现信息共享。第一代FNET系统的采样频率达1 440 Hz，频率测量误差小于0.000 5 Hz，在美国工频60 Hz处的频率测量误差为零。第二代FNET系统采用多重采样技术，有望在52 Hz70 Hz频率范围内使频率测量误差为零，并能满足动态条件下同步相量测量的要求。目前的数据通信技术基本能够保证实时上传数据，但随着该系统规模的不断扩大，有必要研究新的数据通信技术，以满足实时通信的要求4。图1 FNET系统的原理结构Fig.1 Architecture of Frequency frequency monitoring network system architectureFNET系统属于配电网测量系统，但其测量数据已成功应用于电力系统的区域振荡分析、扰动分析、事故后反演以及模型识别。相比于WMAS，该系统具有成本低、可快速布置等优点。FNET系统的成功应用，说明低压侧的测量信息，完全可用于实时监测和辨识大电网高压侧的动态过程3。美国加利福尼亚大学、美国电力标准实验室和加州伯克利大学国家实验室合作完成了PMU（micro-phasor measurement unit）项目，他们提出并使用PMU，构建了一个Pnet网络，其相角测量误差小于0.01，可实现连续采样和触发采样，并可应用于配电网孤岛及振荡检测、网络拓扑验证、逆功率检测、继电保护、微电网协调控制等5。除美国外，德国西门子公司较早论证了配电网同步相量测量技术，拟定了技术发展时间图，并给出了研发的SIGUARD同步相量测量系统在孤岛监测中应用的成功案例。德国马格德堡大学研发出了可用于工厂配电网低压侧的同步相量测量装置，能有效反映系统高压侧运行的稳态、异常状态以及动态变化过程3。捷克已将PMU布置在含配电网的多个电压等级的电网中。巴西在小范围内建立了低压电网同步相量测量系统，并与WAMS混合组网，用于电网状态检测。日本将常规PMU安装在大学校园，用以监测低频振荡，并命名为Camps WAMS6。在国内，山东大学率先研发出基于轻型相量测量装置（PMU Light）的轻型广域测量系统（WAMS Light）6，并已在几十所高效/中科院实验室安装，已覆盖华北-华中、东北、西北、华东、华南等六大电网。该系统可对配电网用户220V侧单相交流电压的幅值、相位和频率进行同步测量；第二代WAMS Light采用Internet/3G无线通信，已实现频率安全评估、低频振荡在线监测及三维可视化等功能。该系统已记录了大量就地扰动、系统大扰动和低频振荡数据，验证了高压和低压电网的动态过程具有强相关性。扩展WAMS Light的功能，提高其在线分析能力，为电网运行和控制提供决策支持，是其后续工作重点。2 配电网同步相量测量高级应用技术2.1诊断应用（1） 状态估计所谓电网的状态估计，是指利用已知的网络模型和测量数据，尽可能准确地识别电网的运行情况。相比于输电系统，配电网的状态估计要困难得多，原因是：1）配电网建模困难（配电网三相通常不平衡、X/R比值小、负荷节点多、测量数据冗余度不够）；2）配电网状态估计是一个高维的数学问题，而测量数据相对过少。同步相量测量数据的增加，将有助于上述问题的解决3。在这方面，已有人进行了初步尝试。在对配电网状态进行估计时，一般是将复杂的数学求解过程转化为优化问题。首先，定义状态量与测量量之间的关系为： （1）其中，z表示测量量；h()表征状态量x与测量量z之间的非线性关系；e代表测量误差。状态估计的目标函数定义为：（2）其中，R表示测量误差的协方差矩阵。基于上述方程，文献7将PMU量测数据应用到状态估计算法中，结果，明显提高了配电网状态估计结果的准确性。该文献指出，若在配电网状态估计算法中考虑PMU的测量准确度，还可进一步提高配电网状态估计的准确性。文献8提出在平衡点附近对式（1）做线性化近似，并利用式（2）对状态变量的实部和虚部分别进行优化。仿真结果表明，该方法可很好地适用于配电网的状态估计。目前，配电网中安装有大量智能电表，对配电网状态估计起到了一定作用，而PMU难以在短时间内替代它们。因此，有必要研究PMU与智能电表如何优化配置。为此，文献9设计了一种优化算法，以解决智能电表与PMU的优化配置问题。研究表明，该算法可在实现配电网状态估计前提下，减少测量设备安装成本，具有很好的实用价值。（2）故障定位随着配电网规模的不断扩大，配电网发生故障的概率大大增加。传统的配电网故障检测和定位技术只适用于辐射型配电网，而不适用于网络型配电网；当接入大量新能源的配电网发生故障时，线路上可能出现逆功率，可能导致保护装置误动或拒动，故难以依靠保护装置的动作来准确定位故障源。因此，需要研发新的配电网故障定位技术，以切实保证配电网的供电可靠性和安全性。为此，文献10中将发生故障的配电网分为负荷节点和电源节点，首先假设各负荷节点依次发生故障；然后，利用该配电网故障前PMU采集的数据，计算故障后电源节点的电压，并与实测值进行比较。当电源节点的电压实测值与计算值误差之和为零时，即可确定对应的负荷节点为故障点；若误差之和取得最小值但不为零，就再将输电线路进行细分，仍可定位输电线路的故障位置。该方法仅利用PMU测量数据，无需考虑保护设备误动作，可提高故障定位准确度。输电线路和电缆参数受环境影响发生变化，会导致故障定位不准确。为此，文献11提出可在线路两端安装PMU，利用分布式线路模型和模态转换理论实现故障定位。研究表明，在不同的配电网拓扑结构和故障情况下，该方法均可实现对故障的准确定位。文献12介绍了Alstom公司提出的一种基于配电网PMU的故障定位法。具体地，基于阻抗法确定出多个可能的故障位置点，再利用PMU测量数据计算主干线路各分支点的电压值。若线路两端的计算结果在可接受范围内，则表明故障点在其下游；否则，意味着故障点在计算路径范围内。（3）谐波估计配电网谐波问题由来已久，过去主要关注工矿企业和运输机械等非线性负荷。作为新的谐波源，分布式电源和电动汽车大规模接入配电网，无疑会进一步加剧配电网的谐波污染。因此，在治理配电网谐波前，有必要精确估计配电网的谐波水平。过去，人们往往依靠各种谐波测量仪检测分析配电网中单个节点的谐波，且通常只能得到非同步的测量结果，故难以评估配电网的整体谐波水平。而同步相量测量技术的发展，为有效解决上述问题提供了技术手段。对配电网谐波进行测量时，为保证分布式测量结果的同步性，测量子系统需要配备同步时钟，而基于GPS的PMU正好可满足该要求。为此，文献13基于谐波同步相量概念，设计了测量谐波同步相量幅值和相角的模型和算法，并将其成功应用到三相配电系统中。该文献还提出了对测量子系统进行分区的方案，以进一步降低测量子系统的构建成本。其基本思想是：每个分区只配备一台GPS接收器，该分区中的测量设备经以太网连接，使用IEEE 1588标准规定的PTP协议进行数据通信和时钟同步，如图2（b）所示。(a) GPS； (b) IEEE 1588同步图2 分布式测量系统Fig.2 Distributed measurement system 在配电网谐波估计算法上，加权最小二乘法、卡尔曼滤波法、奇异值分解法等传统算法存在计算量过大、通用性不强等缺点。为此，人们又将神经网络法、遗传算法、粒子群算法等引入到配电网谐波估计中。例如文献14基于改进粒子群算法（MPSO），并考虑谐波测量装置、配电网输电线路参数以及分布式发电机等的不确定性影响，设计了一种配电网谐波同步相量计算方法。相对于其他算法，该谐波估计算法在计算的速度和准确性方面均有明显优势。配电网间谐波问题突出，FFT、自适应滤波器、小波变换方法等传统间谐波算法计算量大，在非同步采样条件下测量误差大。为了提高在系统存在动态波动和频率偏移情况下对间谐波测量的准确性，文献15提出了基于频域动态模型的间谐波相量测量方法，能够跟随系统频率的实时变化提取信号的动态特性，减小频率点偏移带来的误差。（4）孤岛检测微电网的构建，可提高电力系统供电的可靠性和灵活性，并能减小故障持续时间和故障影响范围。但微电网常运行在孤岛状态，故，快速检测孤岛效应对保证微电网安全稳定运行至关重要。研究表明，同步相量测量数据在应对这些挑战过程中，可发挥积极的作用。孤岛检测的被动法，包括频率变化率法和相位偏移法，它们的灵敏性取决于孤岛与主电网之间不平衡功率的大小。相比于输电系统，微电网孤岛与主电网之间的不平衡功率要小得多，如此，以上述方法检测微电网孤岛效应的灵敏度是很低的。而如果基于同步相量测量数据，通过比较微电网孤岛与主电网之间电压的相位差，则可显著提高微电网孤岛检测的灵敏度16。鉴于微电网与主电网分开前后系统的等值短路阻抗相差较大，文献17指出，可基于同步相量测量数据实时地计算系统的等值短路阻抗，以准确检测微电网的孤岛效应。2.2 控制应用（1）微电网协调微电网可以运行在并网和脱网状态，但如何让微电网在两种状态之间平稳转换是一个关键问题。传统的控制手段是采用有差调节方式，但该方式控制误差大，响应时间长。若在此基础上，利用PMU量测数据实时计算微电网与主电网之间的不平衡功率，实时控制分布式发电输出功率，则可减小系统的暂态过程，实现微电网的快速平稳过渡18。同时，利用PMU还可直接获得微电网与主电网之间的相角差，并以此控制孤岛中的发电机组去调节频率和电压幅值，以实现孤岛与主电网的再同步。（2）电能质量控制配电网中存在大量非线性负荷和电力电子设备，谐波污染严重。除对接入电网的非线性负荷要有必要的限制外，还应主动采取控制措施。而PMU量测数据不仅可以反映配电网的谐波含量，还可辅助提升供电电能质量。文献19提出一种电能质量调整方式，具体是利用PMU和智能电表量测数据，分别计算基波电能和谐波电能，并将两者的比值作为目标函数，然后通过FACTS调整可变电感和电容，从而实现对目标节点电能质量的在线监测和调整。（3）控制和保护随着配电网结构越来越复杂，基于本地信息的传统后备保护整定变得困难。而PMU提供的同步量测数据，可为后备保护提供重要信息来源。在算法研究上，有学者提出了基于PMU的广域后备保护算法、布点算法等，以提高保护的准确性和容错性。在新方案设计上，文献20提出一种结合局域网和广域网的控制保护方法，针对单位保护，采用局部量测值，并检测广域控制和保护信息，以确定转移的流量，可有效防止级间跳闸导致的电压崩溃。考虑到含有新能源的配电网的结构并不固定，为加强保护的可靠性和选择性，文献21提出利用PMU量测数据实时监测配电网的结构，并按照预先设定的策略表，实时在线更新继电器的整定参数，从而实现一种自适应的保护。3 配电网同步相量测量技术发展中遇到的问题及解决思路（1）同步相量测量装置的优化配置若想将同步相量测量技术广泛应用于配电网测控，同步相量测量装置必须满足经济可靠、安装简便等要求。为保证配电网状态可观性前提下降低测量成本，需要考虑配电网中同步相量测量装置的安装配置问题。目前配电网中已安装有大量智能电表，而同步相量测量装置难以在短期内广泛布置。因此，很有必要在最大化应用智能电表数据的同时，研究同步相量测量装置优化配置问题。（2）发展通信和信息处理技术随着量测数据的急剧增加，配电网通信将面临巨大挑战。为此，应研发高效的配电网通信和信息处理技术。考虑到部分同步相量测量高级应用需要实时处理数据，而另一些高级应用则只需利用历史数据，因此，应区别对待不同的高级应用，并研发相应的数据处理算法，以提高配电网通信系统的整体性能。同时，为提高通信信道的利用率，提升实施复杂测控功能的效率，增加管理系统的灵活性和故障容错能力，还可考虑按分层架构设计配电网控制系统，例如，将其分为系统控制层、区域控制层和局部控制层，等等。（3）提高同步相量测量的准确性主动配电网有效缓解了分布式发电对主电网的负面影响，但电力电子装置等非线性负荷的大量使用，导致配电网出现大量间谐波。间谐波不仅影响电能质量，还影响同步相量测量的准确性。若间谐波频率与基波频率足够接近，相量测量中的滤波过程就难以将该间谐波有效滤除，同步相量测量的准确性就会受到影响。为消除间谐波的干扰，一方面可采用更长的数据窗，以改善滤波效果。但这会增加计算量，同时延长测量响应时间。另一方面，可以设计有针对性的滤波器，但间谐波的频率并不固定，导致该方法的通用性不强。因此，有必要研究如何在存在间谐波条件下，提高同步相量测量的准确性和时效性。4 结束语本文归纳了国内外开展配电网同步测量技术的研究情况，梳理了同步相量测量技术在配电网中应用的现状，并以FNET、WAMS Light等系统的成功实施，说明了同步相量测量技术同样适用于配电网，且同步相量测量技术在实现配电网智能化方面有望发挥重要作用。本文注意到，同步相量测量技术在配电网诊断、控制与保护方面已发挥积极作用，但该技术仍主要作为一种监测辅助手段，在主配电网控制与保护方面的应用和研究仍然有待进加强。目前，国外对同步相量测量技术在配电网中应用的研究在不断深入，而我国在配电网同步相量测量技术应用和研究方面起步较晚，十分必要加强研究。若期望尽快将同步相量测量技术广泛应用于配电网中，对同步相量测量装置与智能仪表如何优化配置、量测数据急增背景下配电网通信和信息处理效率如何提高、强间谐波和强噪声环境下配电网同步相量测量数据准确性如何保障等问题，均值得增加投入，开展深入、系统的专门研究。参考文献1 程林, 刘琛, 吴强. 主动配电网关键技术分析与展望J. 电力建设, 2015, 36(1): 26-32. 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