李 江，徐志臨，李國慶，高亞如，魏文震

（東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012）

0 引言

20世紀60年代SCADA被廣泛應用到能量管理系統(tǒng)（EMS）中來進行狀態(tài)估計，但其實時性較差，表征的只是穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)過程。全球定位系統(tǒng)（GPS）的普及使得同步相量的實時測量成為可能，廣域測量系統(tǒng)（WAMS）就是以相量測量單元（PMU）為基礎構建而成的，該技術以其在電力系統(tǒng)監(jiān)視、保護和控制上的重大影響成為21世紀電力系統(tǒng)的先進技術之一［1］。

同步相量的測量需要有高精度的全球同步衛(wèi)星精確授時。美國GPS導航系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS導航系統(tǒng)以及中國的北斗導航系統(tǒng)在同步衛(wèi)星授時領域占據(jù)主導，其中以GPS最為先進，其終端不需要發(fā)送信號，且授時精度最高。相量測量算法中比較經(jīng)典的有過零檢測法、離散傅里葉變換法、最小二乘法、牛頓法、卡爾曼濾波法、瞬時值法、小波變換法等［2］。

國內(nèi)外部分先進PMU整合了故障錄波功能［3］。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中常用的故障錄波啟動判據(jù)大致采用如下判據(jù)信息：發(fā)電機角速度、瞬時有功功率和電壓的變化、電流瞬時值、電流斜率等。目前廣泛應用的故障錄波裝置普遍采用單一判據(jù)信息來識別故障，有些注重故障識別的快速性，有些則偏重于故障識別的準確度，往往不能兼顧二者。目前，PMU在輸電網(wǎng)和發(fā)電廠中得到了廣泛的應用［4-5］，其技術較成熟。然而隨著分布式電源大規(guī)模接入電網(wǎng)，配電網(wǎng)的雙向潮流、多源故障等諸多問題日益凸顯［6］，如何提高配電網(wǎng)的觀測性成為配電網(wǎng)首先需要解決的問題［7］。

配電網(wǎng)中高滲透率的分布式電源和有源負載會導致傳統(tǒng)電網(wǎng)從緩慢變化的輻射網(wǎng)變?yōu)楦觿討B(tài)化的多源網(wǎng)絡。盡管這在原則上可以改善整個系統(tǒng)的可靠性和電能質量，但是新的控制保護的挑戰(zhàn)可能會更加嚴峻，傳統(tǒng)的處理辦法并不能完全適應這樣的電網(wǎng)。配電網(wǎng)傳統(tǒng)控制和管理中只測量電壓幅值并上傳控制中心進行處理，這不僅可能破壞這些新動態(tài)，還有可能潛在地導致電網(wǎng)操作中更加嚴重的隱患。因此，系統(tǒng)范圍的配電網(wǎng)動態(tài)分析和控制可能需要新的相量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來自PMU，并合并到配電管理系統(tǒng)（DMS）的功能中去。在未來的配電網(wǎng)的監(jiān)視、保護和控制中，PMU極有可能扮演不可或缺的角色。配電網(wǎng)PMU在不同系統(tǒng)狀態(tài)下可以直接測量和提供同步的電壓、電流相量的測量結果，這種能力為探知動態(tài)配電網(wǎng)狀態(tài)和健康的信息提供了巨大可能。

輸電網(wǎng)PMU成本過高，安裝條件苛刻，需要專用通信線路等問題使其難以大范圍應用于配電網(wǎng)［8-9］，同時，普通故障錄波啟動判據(jù)無法兼顧故障識別的速度和準確性。針對以上問題，本文開發(fā)出一種集同步相量測量、電氣量綜合數(shù)據(jù)采集和故障錄波功能于一體的微型同步相量測量單元（μPMU）。

1 μPMU硬件架構及裝置功能

該裝置的硬件架構總體上可分為微控制器模塊、綜合電能監(jiān)測模塊、GPS授時模塊、過零檢測模塊、故障錄波模塊、人機接口模塊和上位機通信模塊等。圖1為該裝置的硬件架構示意圖，各模塊之間相互協(xié)作，完成各個電量的采集計算和顯示。整體硬件封裝在160型鋁型材儀表殼體內(nèi)。

（1）微控制器模塊。

圖1 系統(tǒng)整體架構示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

該裝置以AVR單片機中性能優(yōu)越的ATmega64芯片作為微控制器。ATmega64有如下特點：64K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2K字節(jié)帶電可編程可擦除程序存儲器（EEPROM），4 K字節(jié)靜態(tài)隨機存儲器（SRAM），53個通用I／O口線，32個通用工作寄存器，實時計數(shù)器（RTC），4個具有比較模式的PWM定時器／計數(shù)器（T／C），2個通用同步／異步串行接收／發(fā)送器（USART），面向字節(jié)的兩線串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的模數(shù)轉換器（ADC），具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，1個SPI串行端口，與IEEE1149.1標準兼容的、可用于訪問片上調(diào)試系統(tǒng)及編程的JTAG接口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式。ATmega64為本裝置數(shù)據(jù)處理和控制應用提供了靈活且低成本的解決方案。

（2）綜合電能監(jiān)測模塊。

該裝置選用功能強大、成本低廉的電能計量芯片ATT7022B［10］。ATT7022B是高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線系統(tǒng)。ATT7022B集成了6路二階sigma-delta-ADC，參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路；能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)；支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表；可以對基波有功、無功功率進行測量，提供脈沖輸出，提供瞬時基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校正；提供2類視在能量輸出，即持續(xù)輸出（RMS）視在能量以及有功／無功（PQS）視在能量；提供一個SPI接口，方便與外部微型控制單元（MCU）之間進行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。

（3）GPS 授時模塊。

該裝置選用NEO-7m模塊進行授時。NEO-7m為美國GPS和俄羅斯GLONASS互備系統(tǒng)，自帶高增益有源天線，可自帶可充電后備電池，掉電保持星歷，實現(xiàn)熱啟動，其接口采用TTL電平，兼容3.3 V／5 V系統(tǒng)，工作溫度為-40～85℃，適合在戶外工作，功耗極低，工作電流 35 mA，電壓 2.7～5 V，授時精確，可提供秒脈沖精度誤差為100 ns以內(nèi)，且無累積誤差，讓裝置同步授時成為可能［11-14］。

（4）過零檢測模塊。

該裝置采用互感器前取信號、光耦隔離的過零檢測電路。如圖2所示，直接取工頻信號，正半周時發(fā)光二極管導通并驅動三極管產(chǎn)生低電平防止負半周電流損壞單向光耦，本電路采用光耦隔離，抗干擾性好。每次過零點會產(chǎn)生下降沿，觸發(fā)單片機中斷。

圖2 過零檢測電路Fig.2 Zero-crossing detection circuit

該電路配合GPS授時模塊和綜合電能測量模塊，在MCU中進行處理和計算，可以得到精確的電壓相量。

（5）故障錄波模塊。

本裝置將待測信號直接接入STM32片內(nèi)ADC進行數(shù)模變換，如遇電網(wǎng)故障，故障時的數(shù)據(jù)會被識別出來并打上故障時的時間標簽存入存儲器內(nèi)以進行事故分析，因數(shù)據(jù)量龐大，必須片外擴展存儲芯片，本裝置采用16G工業(yè)SD卡，實現(xiàn)故障波形存儲。

（6）人機接口模塊。

該裝置配有12864 LCD液晶顯示器，可以實時顯示測得的所有數(shù)據(jù)，包括相量、綜合電能監(jiān)測的電量及當前國際標準時間（UTC），設計了5個按鍵分別控制A、B、C相和合相數(shù)據(jù)顯示，人機界面友好，為現(xiàn)場工作人員提供就地顯示，方便調(diào)試。

（7）上位機通信模塊。

該裝置可以通過HL-340串口轉USB數(shù)據(jù)線方便地實現(xiàn)與筆記本等上位機的連接，測得所有數(shù)據(jù)均實時通過串口發(fā)送到上位機上，通過簡單的串口調(diào)試工具即可實現(xiàn)與上位機通信。故障數(shù)據(jù)存于SD卡內(nèi)，便于讀取和事故追憶。

表1為傳統(tǒng)PMU與μPMU各方面的綜合對比。

表1 傳統(tǒng)PMU與微型PMU綜合對比Table 1 Comparison between traditional PMU and micro PMU

2 虛擬過零相量測量算法

電網(wǎng)相量由有效值X和相角φ組成。但同一信號在不同的時間基準點下，得到的測量結果是不一樣的，其大小取決于時間基準點。因此在一個統(tǒng)一的時間基準下，電網(wǎng)的相量測量結果才有意義，高精度的全球同步衛(wèi)星授時可為相角的測量提供一個標準統(tǒng)一的時間基準。在此統(tǒng)一的時間基準之下，可求取兩地的任意2個相量的相角差［15］。

考慮到AVR單片機的運算速度、硬件承受能力、成本等問題，本文對傳統(tǒng)的PMU相量測量算法加以改進，提出虛擬過零相量測量算法。傳統(tǒng)PMU將電壓信號過零時間記錄后，與世紀秒（1970年1月1日午夜）進行比對，即全網(wǎng)設置統(tǒng)一基準過零點，計算所得的電壓相量均以此為參考。本文將GPS秒脈沖（1PPS）信號作為虛擬動態(tài)過零點，全網(wǎng)同一時間下所對應的參考過零點始終保持動態(tài)一致，計算所得相量在精度相同的情況下應與傳統(tǒng)的相量測量算法相同。此算法對于硬件計算速度要求極低，可以滿足實時性。

本文選用互感器前取信號、光耦隔離的過零檢測電路和GPS所提供的秒脈沖相配合，利用單片機內(nèi)部定時器的精確計時能力實現(xiàn)相角實時測量，信號源經(jīng)數(shù)字抗混疊濾波和全周傅里葉變換程序處理，能夠有效濾除噪聲和高次諧波。裝置利用GPS秒脈沖構建出一個虛擬的標準50 Hz工頻信號，即以秒脈沖為虛擬過零點。接收到GPS上精確的秒脈沖信號后立即開啟單片機定時器，此時過零檢測電路正常工作，當秒脈沖信號過后第一個下降沿來臨，立即讀出此時定時器的值，計算出此時所對應的相角，公式如下：

虛擬過零檢測法電壓相角計算原理如圖3所示。

圖3 電壓相角計算原理Fig.3 Principle of voltage phase angle calculation

由于計算速度限制，首次過零時間計算時下次過零信號就會到來，如果處理完首次過零時間再繼續(xù)記錄，那么就會丟失后面幾個周期的過零時間記錄。為解決這個問題，本文在單片機內(nèi)部開辟出一個包含55個元素的數(shù)組，每次過零時間都存放在里面，存放滿之后下一個秒脈沖到來之前，這個數(shù)組就會通過串口發(fā)送到上位機上。由于發(fā)送時可能會丟失下一次秒脈沖，所以本文開辟了2個相同數(shù)組，一個存放滿之后開始通過串口傳輸，同時另一個數(shù)組開始存放數(shù)據(jù)，而第一個數(shù)組傳輸完成之后就會清空并發(fā)送就緒信號，如此循環(huán)。流程圖如圖4所示。

圖4 電壓相角計算流程圖Fig.4 Flowchart of voltage phase angle calculation

計算得到的數(shù)組存放在如圖5所示的數(shù)組元素中。

圖5 數(shù)組 d1、d2Fig.5 Array d1and d2

理論上，當電網(wǎng)頻率為非標準的50 Hz時，相角會隨著時間變化，變化規(guī)律如下［16］：

由于本文所采用的算法中計算得出的相角本身就是一個相對量，同一電網(wǎng)下的所有節(jié)點頻率一致，所以可以抵消相角隨頻率的變化，無需補償。

相角測量結果如表2所示，3次采樣結果基本一致，可見該裝置的相角測量實時性高，準確度好，測得相量與計算所得結果基本吻合，可以滿足配電網(wǎng)對于相量測量的需求，可以提高狀態(tài)估計的冗余度。

表2 相角測量結果Table 2 Results of phase angle measuring

3 故障錄波啟動判據(jù)

本裝置利用stm32單片機內(nèi)部模數(shù)轉換模塊完成對當前相電壓和電流瞬時值的實時采樣，采樣結果經(jīng)過快速一階濾波，所得波形與標準正弦波比對。本文提出了電氣量偏移率與波形曲率相結合的故障錄波啟動判據(jù)。

3.1 電氣量偏移率

現(xiàn)定義工頻電氣量偏移率為：

由過零檢測電路檢測出正弦交流電過零點，該時刻開始記錄AD采樣數(shù)據(jù)，一個周期（20 ms）內(nèi)，采樣64個點，相鄰2個采樣點之間的時間差為20／64=0.3125（ms），角度差為 360°／64=5.625°，那么每個點總會有一個標準值與之對應，例如，220V所對應的的數(shù)字量為100，則第1個點為141.4×sin 0°，第2個點為 141.4×sin5.625°，第 3 個點為 141.4×sin11.250°，依此類推。這64個點對應的數(shù)字量為基準量，構成一個基準量表。各點實際采樣所得的數(shù)字量為實際量，則可求得每個采樣點所對應的電氣量偏移率。

3.2 波形曲率

曲率是用來表征曲線彎曲程度的特征量。如圖6所示，曲線C光滑，點M0作為度量弧s的基點。曲線上點M對應于弧s，在M處切線傾角為α，另外一點M′對應弧s+Δs，在點M′處切線傾角為α+Δα，弧段MM′長度為，當動點從M移動到M′時切線轉過的角度為稱作弧段MM′的平均曲率。當時，平均曲率的極限稱作曲線C在點M處的曲率。平面曲線的曲率表征曲線偏離直線的程度。線路發(fā)生故障時，電流突變點和電流峰值點的曲率大于正常時，因此可以通過計算電流波形曲率來快速識別故障的發(fā)生。

圖6 曲率定義Fig.6 Definition of curvature

根據(jù)曲率定義，得到通過電流采樣點計算電流波形曲率的方法：

其中，I和td分別為采樣電流值和采樣時間間隔，由于兩者單位不同，在進行計算前要進行歸算處理。

3.3 實驗測試

從理論上講，用曲率進行識別的主要優(yōu)勢是可以對故障時刻的電流突變進行識別，在短路電流變化率和瞬時值還未增大到一定數(shù)值時判定故障發(fā)生，可以顯著提高識別速度。但如果故障發(fā)生在峰值點附近，曲率的變化則不能及時完全識別故障，甚至不識別［17］，而電氣量偏移率的變化則可以識別出這種故障。針對這種情況，本文采用電氣量偏移率和波形曲率相結合的故障錄波啟動判據(jù)。

GPS秒脈沖來到后第一個過零點開始進行篩選，直到下一個秒脈沖來臨之前，其間如果波形曲率超過整定值或連續(xù)20個點的電氣量偏移率超過整定值，則判定此時為故障，將此秒脈沖后，下一個秒脈沖前所有采樣數(shù)據(jù)（共50個周期左右）寫入容量為16G的外接SD存儲卡內(nèi)，時間標簽打在每幀數(shù)據(jù)之前。分析故障波形時，讀出存儲卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，在上位機相應軟件上繪制波形圖，利用相應算法，找到精確的故障發(fā)生的時間點，精確度可達0.5 ms。

該測試中，故障發(fā)生在如圖7所示的220 V等效系統(tǒng)中。圖8—11為配電網(wǎng)單相接地故障下該裝置記錄的部分電壓、電流波形。

圖7 單相接地故障測試系統(tǒng)Fig.7 Test system for single-phase grounding fault

圖8 電流偏移率圖Fig.8 Diagram of current deviation rate

圖9 電流波形曲率圖Fig.9 Diagram of current waveform curvature

圖10 故障電壓波形Fig.10 Waveform of fault voltage

圖11 故障電流波形Fig.11 Waveform of fault current

經(jīng)運算可得，在第136個采樣點處發(fā)生故障，每個采樣點之間相距0.3125 ms，由此可知，故障發(fā)生點時刻為2015年6月20日13點27分18秒42.5 ms。

4 結論

本文設計開發(fā)了一種低成本的μPMU與故障錄波裝置，給出了各功能模塊及其硬件選型架構，介紹了該裝置的主要功能和相量測量算法，提出了電氣量偏移率和波形曲率相結合的故障錄波啟動判據(jù)以及故障時間點的確定算法。該裝置經(jīng)測試，充分滿足配電網(wǎng)相量測量的需求，可以準確確定故障發(fā)生的時間點并準確記錄故障波形。未來，隨著分布式電源的大規(guī)模接入配電網(wǎng)，以此數(shù)據(jù)為基礎，將會產(chǎn)生大量的配電網(wǎng)高級應用，具有較高的研究意義和工程應用價值。

參考文獻：

［1］劉取，劉憲林.21世紀電力系統(tǒng)的先進技術［J］.電力自動化設備，2010，30（7）：1-5.LIU Qu，LIU Xianlin.Advanced technologies of power system in the 21st century［J］.Electric Power Automation Equipment，2010，30（7）：1-5.

［2］陳亮，畢天姝，薛安成，等.基于斷路器零阻抗特性的PMU量測狀態(tài)估計方法［J］.電力自動化設備，2014，34（5）：105-110.CHEN Liang，BI Tianshu，XUE Ancheng，et al.State estimation based on PMU measurements considering zero-impedance characteristics of circuit breaker［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（5）：105-110.

［3］蔣長江，劉俊勇，劉友波，等.基于廣域測量系統(tǒng)和CELL理論的強迫振蕩在線感知與定位［J］.電力自動化設備，2015，35（2）：125-132.JIANG Changjiang，LIU Junyong，LIU Youbo，et al.Online forced oscillation detection and identification based on wide area measurement system and CELL theory［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（2）：125-132.

［4］LIU C W.Phasor measurement applications in Taiwan［C］∥2002 IEEE／PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition.Yokohama，Japan：IEEE，2002：490-493.

［5］蔡超，陸于平.一種提高智能變電站PMU相量測量精度的改進采樣值調(diào)整算法［J］.電力自動化設備，2014，34（3）：149-154.CAI Chao，LU Yuping.Improved sampled value adjustment algorithm increasing measurement precision of smart substation PMU［J］.Electric Power Automation Equipment，2014，34（3）：149-154.

［6］別朝紅，李更豐，王錫凡.含微網(wǎng)的新型配電系統(tǒng)可靠性評估綜述［J］.電力自動化設備，2011，31（1）：1-6.BIE Zhaohong，LI Gengfeng，WANG Xifan.Review on reliability evaluation of new distribution system with micro-grid［J］.Electric Power Automation Equipment，2011，31（1）：1-6.

［7］王克英，穆鋼，陳學允.計及 PMU的狀態(tài)估計精度分析及配置研究［J］.中國電機工程學報，2001，21（8）：29-33.WANG Keying，MU Gang，CHEN Xueyun.Precision improvement and PMU placement studies on state estimation of a hybrid measurement system with PMUs［J］.Proceedings of the CSEE，2001，21（8）：29-33.

［8］薛禹勝，徐偉.關于廣域系統(tǒng)及廣域保護系統(tǒng)的評述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31（15）：1-5.XUE Yusheng，XU Wei.Review on wide-area system and wide area protection system［J］.Automation of Electric Power Systems，2007，31（15）：1-5.

［9］王正風，黃太貴，吳迪，等.廣域測量技術在電力系統(tǒng)中的應用［J］.華東電力，2007，35（5）：32-36.WANG Zhengfeng，HUANG Taigui，WU Di，et al.Application of wide area measurement system to power systems［J］.East China Electric Power，2007，35（5）：32-36.

［10］郝靜，尹維春，孫澄宇.基于ATT7022B的多功能防竊電三相電能表［J］.東北電力大學學報，2007，27（1）：46-48.HAO Jing，YIN Weichun，SUN Chengyu.Design of three phase multi-function and stealing power preventing watt-hour meter based on ATT7022B［J］.Journal of Northeast Dianli University，2007，27（1）：46-48.

［11］郎兵，駱平，汪祥.基于全球定位系統(tǒng)和鎖相環(huán)技術的同步相量測量裝置的實現(xiàn)［J］.中國電力，2006，39（7）：84-88.LANG Bing，LUO Ping，WANG Xiang.The realization of synchronized phasor measurement unit based on GPS and PLL［J］.Electric Power，2006，39（7）：84-88.

［12］李建，謝小榮，韓英鐸，等.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS互備授時的分布式相量測量單元［J］.電網(wǎng)技術，2005，29（9）：1-5.LI Jian，XIE Xiaorong，HAN Yingduo，et al. Study on distributed PMU forsynchronousphasormeasurementusing mutually backup synchronization signals from both beidou satellite navigation system and global positioning system ［J］.Power System Technology，2005，29（9）：1-5.

［13］曾祥君，尹項根，LI K K，等.GPS 時鐘在線監(jiān)測與修正方法［J］.中國電機工程學報，2002，22（12）：41-46.ZENG Xiangjun，YIXianggen，LIK K，etal.Methodsfor monitoring and correcting GPS-clock［J］.Proceedings of the CSEE，2002，22（12）：41-46.

［14］王元虎，周東明.衛(wèi)星時鐘在電網(wǎng)中應用的若干技術問題［J］.中國電力，1998，31（2）：10-13.WANG Yuanhu，ZHOU Dongming.Some technical problems of satellite clock applied on power network ［J］.Electric Power，1998，31（2）：10-13.

［15］Working Group H-7 of the Relaying Channels Subcommittee of the IEEE Power System Relaying Committee.Synchronized sampling and phasormeasurementforrelaying and control ［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9（1）：442-452.

［16］盧志剛，穆永民.GPS技術在實時相角測量中的應用［J］.電力自動化設備，2000，20（6）：20-22.LU Zhigang，MU Yongmin.Application of GPS in real-time phasor measurement［J］.Electric Power Automation Equipment，2000，20（6）：20-22.

［17］楊尚謹，武守遠，戴朝波.基于電流波形曲率的短路故障快速識別方法［J］.電網(wǎng)技術，2013，37（2）：551-553.YANG Shangjin，WU Shouyuan，DAIChaobo.Methodtofast recognize short-circuit fault based on curvature of line current waveform［J］.Power System Technology，2013，37（2）：551-553.