電力系統同步向量測量單元測試方法設計

2021-09-23 14:00:40楊彥波朱建軍

寧夏電力 2021年4期

楊彥波，朱建軍

(1.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏銀川 750011； 2.國網寧夏電力有限公司，寧夏銀川 750001)

0 引言

隨著電力系統的不斷發展，監控和數據采集系統(supervisory control and data acquisition, SCADA)已經不能滿足穩定監控的要求，基于同步向量測量單元(phasor measurement unit,PMU)的廣域測量系統(wide area measurement system，WAMS)成為了電網穩定監控的有效技術手段[1]。PMU因其所測量的同步向量在電網故障定位、潮流計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用[2]，已成為電力調度自動化系統必要的組成部分[3]，文獻[4]對并網發電廠PMU子站運行管理作出了明確要求。PMU單元的測量精度和傳輸可靠性不僅關系到電網安全穩定監控分析，而且還影響電力系統調度管理工作，因此，開展電力系統PMU測試研究工作具有客觀必要性。

目前，電力系統PMU子站測試工作基本還是以交流采樣靜態測試為主，鮮有對運行數據動態變化過程和傳輸的可靠性測試進行評估，研究多集中在基于PMU的算法及應用設計上[5-7]。如何對動態變化過程的交流采樣精度和通信規約進行測試，是當前亟待解決的問題。依據文獻[8-10]，設計出1種PMU子站測試方法，對動態交流采樣精度和傳輸通信規約進行測試，并首次成功在寧夏某發電廠PMU子站開展應用測試，為該項工作的進一步研究奠定了基礎。

1 WAMS系統結構

圖1為典型WAMS系統架構。WAMS作為電網動態測量系統，兼顧了SCADA系統和故障錄波系統功能，其前置單元PMU子站能夠以數百赫茲的速率采集電流和電壓信號，通過計算獲得測點的功率、相位、功角等信息，并以每秒幾十幀的頻率向主站發送。PMU通過全球定位系統(global positioning system，GPS)對時，能夠保證全網數據的同步性，時標信息與數據同時存儲并發送到主站，調度人員可以通過WAMS系統實時監控電網動態過程。

圖1 典型WAMS系統架構

2 PMU測試方法設計

2.1 PMU子站通信連接結構分析

根據電源節點或智能變電站PMU子站設計安裝圖紙，確定PMU測試開展過程中時鐘選取方式。按照文獻[8-10]測試要求，確定動態精度測試儀器連接方案及后臺模擬調度控制中心WAMS主站接入方法，確保測試不會對正常運行PMU子站工作及調度實時數據網絡連接造成影響。

2.2 PMU子站動態精度測試設計

動態測試考慮到實際運行中頻率變化對電壓、電流幅值和相位的影響，電壓、電流幅值及相位三相不平衡，幅值頻率調制過程、電壓幅值相角階躍過程及頻率階躍過程對測量精度的影響，設計了5項動態精度測試項目。

2.2.1 幅值、相位隨頻率變化誤差測試

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，對稱三相測試信號，在額定電壓、電流條件下，分別選取45，49，51，55 Hz 4種頻率，對電壓、電流幅值和相位進行測量。

2.2.2 電壓、電流幅值相位不平衡測試

將裝置各三相電壓回路加入1.0Un,50 Hz,無諧波分量，相位對稱三相測試信號。

1)C相電壓幅值測試點選取為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 幅值頻率調制測試

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)幅值調制量為10%Un，頻率調制選取0.1，2.0，4.5 Hz。

2)調制周期分別為10，2.5，1，0.5 s，調制信號的幅度為0.5 Hz。

2.2.4 電壓幅值相角階躍測試

將裝置三相電壓或電流回路加入1.0Un或1.0In，無諧波分量、對稱三相測試信號。

1)以額定幅值的10%階躍變化，裝置輸出相量幅值的躍變時刻(即達到階躍量的90%)的延時應不超過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刻(即達到突變量的90%)的延時應不超過30 ms。

2.2.5 頻率階躍測試

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刻(達到突變量的90%)的延時應不超過60 ms。

2.3 通訊規約測試設計

依據文獻[8]要求，通過在PMU數據集中器出口模擬調控中心主站，遠程控制測試儀輸出實現通信規約測試。

2.3.1 初始化過程測試

測試裝置在結束與主站的通信過程后，重新進入下一次數據服務準備完畢狀態，為一次通信的初始化過程。通信初始化時間應不長于5 s。

2.3.2 同步相量測量裝置發送CFG-1、CFG-2文件檢測

連接裝置成功后，向裝置發送CFG-1、CFG-2請求。如果超時時間內得到CFG-1、CFG-2文件報文，則測試成功，否則測試失敗。

2.3.3 主站下傳CFG-2文件檢測

測試系統先下發“下載CFG-2文件命令”，并等待接收裝置反饋“肯定確認”。如果超時時間內未收到“肯定確認”，則本次測試失敗。接收到“肯定確認”后，以CFG-1為模板生成CFG-2文件并下發到裝置中。最終再下發“發送CFG-2文件”命令，查詢裝置的CFG-2文件，并且對下載CFG-2文件與查詢的CFG-2進行對比。如果對比一致，則測試成功，否則測試失敗。

2.3.4 打開、關閉實時數據檢測

測試系統發送“打開實時數據”命令或“關閉實時數據”命令，在超時時間內，如果收到實時數據，測試成功，否則測試失敗。

2.3.5 實時數據傳輸速率整定檢測

測試系統選擇50幀/s實時數據傳輸速率。在該速率下系統會生成對應速率的CFG-2文件并下載至裝置中。系統向裝置發送“打開實時數據”命令后，等待并接收3 s的實時數據后，再發送“關閉實時數據”命令。計算接收到的實時數據報文條數。如果報文數≥速率×3，則測試成功；否則測試失敗。

2.3.6 否定性檢測

測試系統向裝置下載錯誤的“CFG-2”文件，即分別改變為“錯誤的IDCODE”和“與CFG-1配置項不符”。發送成功后，如果裝置反饋了“否定確認”且沒有其他行為，則認為測試成功。

3 現場測試驗證

3.1 測試環境分析

某并網發電廠2臺機組PMU子站共用1個顯示屏柜，經交換機通過光纖傳送至網控室，與線路側PMU子站一起由PMU數據集中器，通信至調度實時數據加密網，分別上傳到西北調控中心和寧夏調控中心WAMS系統。機組PMU與網控室距離約500 m，現場測試儀接入機組PMU。在停機狀態下，通過模擬WAMS主站連接在PMU數據集中器，遠程控制PMU測試儀輸出，并采集集中器輸出進行比較，測試過程中機組PMU和測試儀共用外接的同步時鐘來保證時間同步，現場測試連接如圖2所示。