基于高精廣域PMU 的微觀監(jiān)測系統(tǒng)在有源配電網(wǎng)中的應(yīng)用

崔 良,高 巖,胡文麗,張 雷

(國網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司,河北 保定 071051)

0 引言

2021年9月,國家能源局公布了整縣(市、區(qū))屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)名單共676 個試點(diǎn)縣(市、區(qū)),其中保定電網(wǎng)涉及6個縣(市、區(qū))。整縣屋頂光伏建設(shè)相關(guān)政策出臺后,大量分布式新能源在距離用戶更近的配電網(wǎng)末端接入,保定電網(wǎng)呈現(xiàn)“分布式裝機(jī)規(guī)模高速發(fā)展、低壓并網(wǎng)比重大幅提升、局部地區(qū)滲透率超高”等特點(diǎn),出現(xiàn)配電網(wǎng)末端電壓越限、諧波含量超標(biāo)以及保護(hù)配合困難等一系列問題。因此,構(gòu)建面向新能源高比例滲透、源荷互動的有源配電網(wǎng)實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)成為新形勢下的重點(diǎn)工作任務(wù)[1-2]。隨著我國配電網(wǎng)自動化水平不斷提升,遠(yuǎn)程終端單元(Remote Terminal Unit,RTU)被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)配電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對有功/無功潮流、電壓、電流等測量數(shù)據(jù)的監(jiān)視,但存在數(shù)據(jù)可靠性、實(shí)時性、準(zhǔn)確性較差等問題[3]。

目前同步相量測量裝置(Phasor Mearsurement Unit,PMU)已在電力系統(tǒng)發(fā)電、變電和輸電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[4]。適用風(fēng)電、新能源、儲能等慣性時間常數(shù)小的快速響應(yīng)系統(tǒng)變化過程的監(jiān)測[5],正向有源配電網(wǎng)推廣[67]。因此,建設(shè)基于高精廣域PMU 的微觀監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度端對有源配電網(wǎng)全狀態(tài)運(yùn)行信息的微秒級監(jiān)測,有利于開展分布式新能源在配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)分析和新能源設(shè)備建模的驗(yàn)證工作,對新型電力系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。

1 基于高精廣域PMU的微觀監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用需求

1.1 配電網(wǎng)保護(hù)配合

保定配電網(wǎng)保護(hù)大多采用階段式電流保護(hù),在分布式電源高滲透接入電網(wǎng)后面臨新的挑戰(zhàn)。分布式電源接入后由于出力的間歇性、隨機(jī)波動性以及發(fā)電利用方式等,導(dǎo)致配電系統(tǒng)潮流方向、變化范圍改變,造成配電系統(tǒng)保護(hù)配合困難。同時,由于分布式電源大量采用電力電子技術(shù),使得配電系統(tǒng)故障特征發(fā)生變化,出現(xiàn)故障電流特征以及故障計(jì)算模型不明確等問題。當(dāng)分布式電源所在線路發(fā)生故障,電網(wǎng)側(cè)保護(hù)動作跳閘后,此時分布式電源未能脫網(wǎng),將造成故障線路非同期重合閘,可能引發(fā)配電網(wǎng)設(shè)備受損或線路無法及時恢復(fù),增加了用戶停電時間,降低了配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進(jìn)程中,迫切需要開展有源配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集以及設(shè)備模型建立工作。

1.2 配電網(wǎng)調(diào)度管理

保定配電網(wǎng)多為小電流接地系統(tǒng),當(dāng)配電網(wǎng)線路發(fā)生接地故障后,系統(tǒng)線電壓和相位不變(仍對稱),且設(shè)備絕緣按線電壓設(shè)計(jì),可短時運(yùn)行1～2 h。單相接地故障一般伴隨有電弧,若能及時有效地熄滅電弧,大部分情況下不至于發(fā)展成為永久性故障,隨著電弧的熄滅,故障也就自愈了。如果電弧長期不能熄滅或者長期存在間歇性弧光接地,或者永久性穩(wěn)定單相接地長期存在,則有可能引發(fā)嚴(yán)重的后果[8]。

傳統(tǒng)電纜型、架空型故障指示器,在確定線路故障發(fā)生的位置方面精準(zhǔn)度太低,無法給出具體的定位信息,無法自動化地監(jiān)測配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行[9]。在調(diào)度端構(gòu)建基于高精廣域PMU 微觀監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障信息實(shí)時精準(zhǔn)上傳,可有效解決調(diào)度人員逐一拉路查找故障線路效率低下,以及易引發(fā)變電站內(nèi)斷路器設(shè)備故障的問題。

2 基于高精廣域PMU的微觀監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于高精廣域同步技術(shù)的PMU 微觀監(jiān)測系統(tǒng)包含感知層、接入層和應(yīng)用層三部分。高精廣域PMU 采集單元組成系統(tǒng)的感知層,變電站有源配電網(wǎng)微觀采集系統(tǒng)作為接入層,調(diào)度主站的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為應(yīng)用層。微觀監(jiān)測系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)對有源配電網(wǎng)全狀態(tài)運(yùn)行信息的感知,還能精準(zhǔn)研判配電網(wǎng)故障位置并上送調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng),進(jìn)而提高配電網(wǎng)故障處置效率。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

選取保定電網(wǎng)戶用分布式光伏安裝容量大且分散性特征明顯的10 k V 線路,在線路典型位置安裝基于高精廣域同步技術(shù)的PMU 設(shè)備,并在線路所屬變電站部署微觀采集系統(tǒng),通過網(wǎng)絡(luò)安全加密裝置和無線路由設(shè)備,經(jīng)電力無線專網(wǎng)接入調(diào)度主站安全接入?yún)^(qū),并轉(zhuǎn)發(fā)至站端微觀采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的展示與分析。安全接入?yún)^(qū)包括正向隔離裝置、反向隔離裝置、千兆縱向加密裝置和前置服務(wù)器等設(shè)備。PMU 微觀監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 PMU微觀監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.2 基于高精廣域PMU 的采集單元

采集單元負(fù)責(zé)完成安裝點(diǎn)電流、溫度、諧波等數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和遠(yuǎn)傳,負(fù)責(zé)接收站端采集系統(tǒng)下發(fā)的召測指令、匯集當(dāng)前時刻錄波數(shù)據(jù)并上傳至站端微觀采集系統(tǒng)。

配電網(wǎng)PMU 測量單元基于北斗/GPS的絕對時間戳,實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)內(nèi)高精度電壓和電流信號的分布式廣域同步錄波,在保留原始錄波信息的同時,還可得到各個測量點(diǎn)電氣量的幅值、相位、頻率及頻率變化測量率。該測量單元采用無源自取電、遠(yuǎn)程無線通信和物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)運(yùn)行工況監(jiān)測、全息狀態(tài)感知、異常主動檢測、故障診斷定位、潮流方向辨識等功能,數(shù)字化、智能化的全面監(jiān)測配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。具有以下主要特點(diǎn)。

1)數(shù)據(jù)采樣頻率:12.8 k Hz采樣頻率,每個周波可采集256個點(diǎn),高保真保留配電網(wǎng)采集點(diǎn)處任意時刻下的暫態(tài)以及穩(wěn)態(tài)信息。

2)1μs廣域同步:每臺設(shè)備都含有北斗/GPS雙模模塊,與世界標(biāo)準(zhǔn)時間絕對同步,保證了單一監(jiān)測點(diǎn)零序電流合成的準(zhǔn)確性和不同監(jiān)測點(diǎn)同一時刻數(shù)據(jù)的精確同步,方便多點(diǎn)比較,確保具有微弱特征的中高阻單相接地故障研判定位準(zhǔn)確。

3)自動錄波上傳:采集單元可以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)信息周期性定時上送、本地事件觸發(fā)上送以及響應(yīng)主站召測上送等多場景應(yīng)用,支持雙向潮流以及環(huán)網(wǎng)運(yùn)行,適配3G/4G/5G 等多種通信方式,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)信息全狀態(tài)監(jiān)測。

2.3 站端微觀采集系統(tǒng)

站端微觀采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)10 k V 母線零序電壓和三相電壓的采集,連續(xù)存儲帶有時間標(biāo)簽的瞬時電壓波形,并與采集單元實(shí)時交互配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電流信息,計(jì)算基波和各次諧波有效值,檢測零序電壓突變或越限,動態(tài)研判配電網(wǎng)運(yùn)行狀況。然后,按規(guī)定方式將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給調(diào)度主站,可有效減少傳感器與主站之間的數(shù)據(jù)通信量。該微觀監(jiān)測系統(tǒng)支持多種安裝方式,具有啟動觸發(fā)電流傳感器的暫態(tài)錄波、支持101/104等調(diào)度通用通信規(guī)約和安全接入規(guī)定等功能。

2.4 調(diào)度主站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

調(diào)度主站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)站端微觀采集系統(tǒng)的配置管理和數(shù)據(jù)存儲,并通過集成的智能算法分析配電網(wǎng)微秒級采集數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)下波形召測功能,包括故障錄波自動上送、運(yùn)行波形周期性召測、運(yùn)行波形實(shí)時一鍵召測和錄波文件下載功能。通過調(diào)度端系統(tǒng)界面可以實(shí)現(xiàn)故障波形短路、接地、召測等不同類型波形篩選、錄波文件電流/電壓等通道篩選、任意通道組合分析和錄制波形諧波分析展示等功能。

2.5 微觀監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

2.5.1 故障狀態(tài)主動上送模式

站端微觀采集系統(tǒng)通過母線電壓或采集單元電流情況,判斷配電網(wǎng)是否發(fā)生故障。當(dāng)監(jiān)測到配電網(wǎng)發(fā)生故障時,記錄時刻t1并下發(fā)指令至線路采集單元,采集單元將此時刻前5個周波和后45個周波的微秒級錄波數(shù)據(jù)打包,并通過電力無線專網(wǎng)發(fā)送至站端微觀采集系統(tǒng)。微觀采集系統(tǒng)將所有采集單元電流采樣以及自身采集到的同時刻電壓采樣進(jìn)行匯總處理,以標(biāo)準(zhǔn)波形文件格式經(jīng)主站安全接入?yún)^(qū),傳送至調(diào)度主站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2.5.2 調(diào)度主站主動召測模式

調(diào)度主站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度員操作或周期性生成召測指令,通過電力無線專網(wǎng)傳輸至站端微觀采集系統(tǒng),采集系統(tǒng)記錄當(dāng)下時刻t1下發(fā)至線路采集單元,采集單元將此時刻下前4個周波和后8個周波的微秒級錄波數(shù)據(jù)打包,發(fā)送至站端微觀采集系統(tǒng),采集系統(tǒng)進(jìn)行匯總處理,并以標(biāo)準(zhǔn)波形文件的格式通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳送至調(diào)度主站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

3 基于高精廣域PMU的微觀監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

選取保定電網(wǎng)戶用分布式光伏安裝容量大且分散性特征明顯的22 條10 k V 線路安裝47 套PMU 采集單元,并在相應(yīng)變電站部署站端微觀采集系統(tǒng),通過運(yùn)行實(shí)踐,采集到大量有源配電網(wǎng)運(yùn)行信息。針對系統(tǒng)監(jiān)測到的有源配電網(wǎng)接地、相間故障以及正常運(yùn)行狀態(tài)下的微秒級微觀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 單相接地

2021年7月30日08:47:08,該站某10 k V出線發(fā)生接地故障,通過錄波發(fā)現(xiàn)513線路零序電壓微分與零序電流反向,其余線路均為同向,判斷接地故障發(fā)生在513線路。

選定故障過程的某一時刻分析各線路零序電流情況,如圖2所示,513間隔零序電流與其他線路的零序電流方向相反,峰值為250 A,其他線路峰值分別為27 A、7 A、83 A、75 A、50 A。滿足中心點(diǎn)不接地系統(tǒng)中接地故障線路電容電流等于非故障線路電容電流之和的結(jié)論[10],判斷接地點(diǎn)在513線路。分析微觀監(jiān)測系統(tǒng)錄制的故障波形以及軟件形成的線路零序電流波形圖可發(fā)現(xiàn),通過采集單元1μs廣域同步技術(shù),本系統(tǒng)保障了同一時刻下配電網(wǎng)不同監(jiān)測點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的精確同步,確保了配電網(wǎng)單相接地故障研判準(zhǔn)確定位。

圖2 各線路零序電流情況

3.2 相間故障

2021年09月15日13:56:58,該站514出線發(fā)生AB相相間短路故障,故障位置如圖3所示,其中6號采集單元安裝點(diǎn)分布式屋頂光伏總?cè)萘考s1 104 k W。通過錄制波形可知,整體故障持續(xù)時間約110 ms,最終故障點(diǎn)上級分支斷路器跳開,系統(tǒng)恢復(fù)正常。

圖3 514線路相間故障情況

故障發(fā)生時2號采集單元處電流為系統(tǒng)提供的短路電流,6號采集單元處電流為分布式光伏提供的故障電流(6號采集單元無其他電源類設(shè)備)。故障發(fā)生后6號采集單元處電流明顯增加,并出現(xiàn)負(fù)序特征(由故障前的ABC相序轉(zhuǎn)變?yōu)锳CB),電流變化時間與2 號采集單元故障持續(xù)時間一致,由此判斷故障過程中分布式屋頂光伏可對故障點(diǎn)提供故障電流。該波形顯示故障過程中分布式光伏提供電流未超出其穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下輸出電流2倍。分析微觀監(jiān)測系統(tǒng)錄制到的故障波形可發(fā)現(xiàn),通過采集單元12.8 k Hz采樣頻率,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障時刻各采集點(diǎn)電流每個周波256點(diǎn)采樣,精準(zhǔn)還原配電網(wǎng)故障情況下的暫態(tài)運(yùn)行信息。整個故障過程系統(tǒng)錄波文件完整,采集精度滿足故障分析需求。

3.3 諧波分析

選定某站511線路不同安裝位置采集單元數(shù)據(jù),進(jìn)行同時刻、同相別下的電流諧波分析。圖4 6號電流采樣點(diǎn)為近變電站側(cè)采集單元錄波,9號電流采樣點(diǎn)為近分布式光伏側(cè)采集單元錄波。可以看出,在9號采樣點(diǎn)的電流諧波含量明顯高于6號采樣點(diǎn)的諧波含量,主要以奇次諧波為主,且5、7次諧波含量居多。

目前保定電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備多安裝于變電站內(nèi),暫未在農(nóng)村配電網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用,只能開展變電站側(cè)諧波含量數(shù)據(jù)分析,部分配電網(wǎng)暫態(tài)信息監(jiān)測功能可由錄波型故障指示器實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)行DL/T 1157—2019《配電線路故障指示器通用技術(shù)條件》規(guī)定,錄波型指示器采集單元應(yīng)具備每周波不少于80個采樣點(diǎn)(采樣頻率4 k Hz)。文獻(xiàn)[11]中指出錄波裝置采樣頻率是影響配電網(wǎng)故障指示器采集波形準(zhǔn)確性的關(guān)鍵指標(biāo),考慮故障點(diǎn)位置、過渡電阻以及故障相位角等因素,建議配網(wǎng)故障指示器采樣頻率達(dá)到6 k Hz及以上。本系統(tǒng)中采集單元采樣頻率為12.8 k Hz,是常規(guī)錄波型指示器采樣頻率的3倍。同時期同步廣域同步為1μs,超出DL/T 1157—2019規(guī)定的三相錄波同步誤差不大于100 μs要求,相比于傳統(tǒng)錄波型故障指示器,可高保真還原有源配電網(wǎng)暫態(tài)波形,便于更精準(zhǔn)的開展高次諧波含量數(shù)據(jù)分析。

3.4 應(yīng)用效果

3.4.1 配電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測

應(yīng)用高精廣域PMU 微觀監(jiān)測系統(tǒng),對試點(diǎn)區(qū)域配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行每日周期性24整點(diǎn)錄波,可實(shí)現(xiàn)各安裝點(diǎn)潮流情況、三相不平衡以及電網(wǎng)諧波等全狀態(tài)數(shù)字化監(jiān)測,為電網(wǎng)人員定量開展有源配電網(wǎng)運(yùn)行分析提供了數(shù)據(jù)支撐。

3.4.2 故障快速處置

應(yīng)用高精廣域PMU 微觀監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)試點(diǎn)配電網(wǎng)線路故障自主研判、故障區(qū)段定位,并將信息上傳至調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng),指導(dǎo)調(diào)度人員精準(zhǔn)隔離接地故障25次,避免了事故進(jìn)一步擴(kuò)大,提高了處置效率,達(dá)到了防山火、防人身觸電目的。

3.4.3 新能源模型研究

目前正協(xié)同保護(hù)定值計(jì)算系統(tǒng)廠家開展分布式電源精準(zhǔn)等值建模工作。后續(xù)將依托微觀采集系統(tǒng)收集到的有源配電網(wǎng)中分布式光伏全狀態(tài)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),并結(jié)合配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分布式電源模型、接入位置、容量等因素,綜合考慮MPPT、孤島檢測技術(shù)和逆變器控制策略,深入探究有源配電網(wǎng)不同故障的演化路徑及故障電流、電壓特征。

3.4.4 指導(dǎo)配電網(wǎng)分界開關(guān)定值調(diào)整

通過高精廣域PMU 微觀監(jiān)測系統(tǒng)采集到的暫態(tài)運(yùn)行波形,精準(zhǔn)指導(dǎo)配電網(wǎng)分界開關(guān)保護(hù)定值調(diào)整2次。其中某10 k V 線路57號桿處分界開關(guān)多次出現(xiàn)無規(guī)律性跳閘情況,通過下端采集單元錄到的波形發(fā)現(xiàn),跳閘時電流出現(xiàn)突增且呈衰減趨勢,判斷為下端存在電動機(jī)等負(fù)荷,啟動時產(chǎn)生涌流進(jìn)而造成跳閘,適當(dāng)調(diào)高分界開關(guān)過流保護(hù)定值后問題得到解決。

4 結(jié)束語

基于高精度廣域PMU 的微觀監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有源配電網(wǎng)全狀態(tài)信息的微秒級感知,并以標(biāo)準(zhǔn)波形文件格式上傳調(diào)度主站系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于保定電網(wǎng)后,在配電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測和暫態(tài)波形采集方面均取得了良好的效果?？蔀槎块_展有源配電網(wǎng)運(yùn)行分析以及分布式新能源精準(zhǔn)建模等提供數(shù)據(jù)支撐。