熊文 ，危國恩 ，王莉 ，吳任博 ，徐全 ，陳呂鵬

（1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州供電局，廣州510620；2. 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣州510530；3. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

隨著大規(guī)模分布式電源和電動汽車等負荷的接入，配電網(wǎng)運行狀態(tài)更加復雜多變，傳統(tǒng)終端的測量面臨諧波、間諧波、噪聲、階躍等干擾，測量結果的準確性和快速性均面臨巨大挑戰(zhàn)。

同步相量測量裝置（Phasor Mearsurement Unit，PMU）已在電力系統(tǒng)發(fā)電和輸電網(wǎng)中得到廣泛應用，目前也正積極向配電網(wǎng)推廣。不同于傳統(tǒng)的測控裝置，PMU 具備三個顯著的特征：“快”、“準”和“全”。“快”指PMU 需支持的上傳速率和動態(tài)響應速度快；“準”指無論動態(tài)還是穩(wěn)態(tài)情況，PMU 均需滿足嚴格的精度考核指標；“全”指PMU 不僅可以測出幅值、頻率和功率等，同時可測出全網(wǎng)的同步相角和功角，同時量測數(shù)據(jù)帶全網(wǎng)統(tǒng)一的時標。正是由于這三個特征，PMU已不僅僅是其發(fā)明初期僅用來監(jiān)測同步相角的裝置，而已經(jīng)成為電力系統(tǒng)不可或缺的工具。在向配電網(wǎng)進行推廣的過程中，配電網(wǎng)同步相量測量裝置與配網(wǎng)傳統(tǒng)終端進行了融合，形成一種配電網(wǎng)新一代配電網(wǎng)微型同步相量測量裝置（Distribution Mi?cro Synchronous Phasor Measurement Unit， DPMU），具有傳統(tǒng)測控保護類終端的功能，同時具有快速性、準確性、可靠性和擴展性，應用領域也從監(jiān)測推廣到辨識、分析、控制和保護。

為在配電網(wǎng)推廣應用此新技術，亟需設計DPMU 安裝部署方案和典型應用場景的示范工程，本文將從D-PMU 的技術原理及作用、系統(tǒng)及安裝部署方案和工程案例分析三個部分進行介紹。

1 配電網(wǎng)微型同步相量單元的原理和應用

D-PMU 能以微秒級采樣周期采集配電網(wǎng)運行過程中的電流、電壓等相量信息，計算并獲得測點功率、相位、功角等信息，通過GPS/北斗提供時間同步信號，D-PMU可將每個狀態(tài)量同步到同一個時間斷面上，對配電網(wǎng)運行信息進行實時同步監(jiān)測。

通常D-PMU包含以下幾個模塊：

1）處理器模塊。

2）通信模塊。

3）北斗/GPS時鐘授時模塊。

4）模擬和數(shù)字量模塊。

D-PMU的系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 D-PMU的系統(tǒng)總體結構Fig.1 Overall system structure of D-PMU

全面掌握配電網(wǎng)運行狀態(tài)，是協(xié)調(diào)優(yōu)化、正確決策的關鍵前提條件。D-PMU 的量測精度和采樣頻率均高于傳統(tǒng)常規(guī)量測手段。因此，已在配電網(wǎng)多個領域得到關注和研究，主要應用領域包括：

1）配電網(wǎng)的狀態(tài)估計和態(tài)勢感知

配電網(wǎng)中大規(guī)模的風電、光伏等分布式電源以及電動汽車的接入，導致配電網(wǎng)諧波、間諧波、電壓暫升暫降、頻率偏差等電能質量問題更加突出。同時新能源的隨機沖擊和負荷的動態(tài)波動，對配電網(wǎng)的安全可靠運行帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，需要建立以高精度和快響應的同步相量測量裝置為基礎的適用于配電網(wǎng)的新一代狀態(tài)估計和態(tài)勢感知系統(tǒng)，以保障配電網(wǎng)安全可靠運行。配電網(wǎng)狀態(tài)估計的難點主要在于配電網(wǎng)諧波噪聲等干擾嚴重導致量測點的誤差較大，同時量測數(shù)據(jù)較少，而增加高精度的同步相量測量數(shù)據(jù)將有利于解決這些問題。

2）故障診斷和精確定位

當前配電網(wǎng)故障診斷和精確定位難點主要如下：（a）配電網(wǎng)運行方式和網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化，隨著分布式電源接入，線路潮流的方向大小等隨機變化，導致故障機理難以分析；（b）配電網(wǎng)諧波噪聲干擾嚴重，加大了故障信息提取難度；（c）配電網(wǎng)節(jié)點分支較多，增加了故障線路和非故障線路的區(qū)分難度。傳統(tǒng)故障診斷和定位技術是基于電流幅值，并綜合多點的量測結果來確定故障點，但系統(tǒng)中需要的量測節(jié)點眾多，且各節(jié)點不具備同步性，僅能利用故障電流的幅值信息。同步相量測量裝置引入，增加了高速率的量測數(shù)據(jù)和同步相角等信息。

3） 協(xié)調(diào)控制

基于同步量測數(shù)據(jù)的多維信息融合的配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，主要集中在：繼電保護、配網(wǎng)自動化、電壓無功控制和低周減載等方面?？紤]配電網(wǎng)電動汽車和大規(guī)模分布式電源（光伏、風機等）接入及用戶與電網(wǎng)的供需互動，基于PMU 的同步實時數(shù)據(jù)與分布式電源、柔性負荷、用電營銷等系統(tǒng)信息融合的協(xié)調(diào)控制技術，目前也正在研究中。多維信息融合的協(xié)調(diào)控制的一個基礎是準確快速獲取電力系統(tǒng)各節(jié)點的電壓電流信息，而同步相量測量裝置由于其快速的相量上傳和高精度的相量測量，同時可以測出各節(jié)點的同步信息并帶有全網(wǎng)統(tǒng)一的時標，所以可以快速反映電力系統(tǒng)動態(tài)運行狀態(tài)，是多維信息體系中重要的基礎數(shù)據(jù)。

2 配電同步相量測量系統(tǒng)及安裝部署方案

2.1 典型配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜

典型配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜結構如圖2 所示，主要包括柜體500、三相五柱式電壓互感器10、行波傳感器11、進線三相雙繞組電流互感器12、出線三相雙繞組電流互感器13 和同步相量測量裝置14。具體地，三相五柱式電壓互感器10 的第一端連接母線，第二端連接行波傳感器11 的一端，行波傳感器11 的另一端接地；進線三相雙繞組電流互感器12 的第一端連接母線，第二端通過連接電纜23連接外部電力設備；出線三相雙繞組電流互感器13的第一端連接母線，第二端通過出線電纜24 外部設備；三相五柱式電壓互感器10 的第三端、行波傳感器11 的第三端、進線三相雙繞組電流互感器12 的第三端和出線三相雙繞組電壓互感器13 的第三端均通過控制電纜連接到同步相量測量裝置14，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵较嗔繙y量裝置14 進行分析，從而能夠實現(xiàn)對配電網(wǎng)的運行調(diào)度。采用上述配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜對配電網(wǎng)進行監(jiān)控和運行調(diào)度，在適應配電網(wǎng)不斷發(fā)展的需求的同時，能夠不對原有的開關柜進行改造，造成的停電時間較少，大大提高了配電網(wǎng)的可靠性。

圖2 配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜結構示意圖Fig.2 Structure diagram of distribution network operation monitoring switch cabinet

通過航空插頭22 把同步相量測量裝置接入開關柜中，有效地提高了操作便利性，并且，在同步相量測量裝置14 發(fā)生故障時，可以直接替換，不用停電維修。

根據(jù)功能的不一樣，將配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜內(nèi)的各個器件按照功能劃分，分別置于不同的間隔內(nèi)，每一間隔內(nèi)的器件均組成完整電路。電壓互感間隔100 內(nèi)的電路、進線間隔200 內(nèi)的電路、出線間隔300 內(nèi)的電路和二次小室400。相互之間獨立工作，在其中一個間隔內(nèi)的電路出現(xiàn)故障時，不會對另外間隔的電路產(chǎn)生影響，增強了配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜的可靠性。

2.2 配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)安裝部署方案

配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)結構示意圖如圖3 所示，章節(jié)2.1 所述的配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜，還包括待改造開關柜，配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜通過連接電纜23 與待改造開關柜的出線間隔的冷縮電纜頭25相連接。待改造開關柜的進線間隔的冷縮電纜頭26 的一端通過待改造開關柜的進線開關與母線連接，另一端連接進線電纜27，進一步地通過進線電纜27 與外部設備相連。待改造開關柜通過進線間隔的冷縮電纜頭26 與外部電力系統(tǒng)連接，從而采集外部電力系統(tǒng)的電壓與電流，對外部電力系統(tǒng)的電壓與電流進行監(jiān)控。

圖3 配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)結構示意圖Fig.3 Structure diagram of distribution network synchronous phasor measurement system

在將配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜接入配電網(wǎng)時，步驟如下：將待改造開關柜出線間隔的負荷開關打開，使得待改造開關柜的出線電纜失壓斷電；將配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜的進線電纜23 與待改造開關柜的出線間隔的冷縮電纜頭25 相連接；打開待改造開關柜的出線間隔的出線開關閉合。這樣，將配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜接入待改造開關柜，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)的運行監(jiān)控與調(diào)度。通過這種方式接入配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜，只需將配電網(wǎng)的進線電纜23連接，造成很短的停電時間，提高用戶體驗。

配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)還包括以太網(wǎng)交換機，以太網(wǎng)交換機與配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜通信連接，用于配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜與外部設備進行數(shù)據(jù)交互。以太網(wǎng)交換機可以設置在配電網(wǎng)運行監(jiān)控開關柜的內(nèi)部，還可以設置在待改造開關柜的內(nèi)部，可以理解，以太網(wǎng)交換機還可以設置于配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)以外，只要能實現(xiàn)配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)與外部設備之間的數(shù)據(jù)交互即可。通過設置以太網(wǎng)交換機，實現(xiàn)配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)與外部實時進行數(shù)據(jù)交互，提高配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)度能力。

3 示范工程案例

根據(jù)示范區(qū)域的業(yè)務需求，提出配電網(wǎng)廣域測量控制系統(tǒng)的體系架構及部署方案。在終端方面，充分考慮示范區(qū)域配電網(wǎng)的網(wǎng)架架構現(xiàn)狀及規(guī)劃、負荷分布、開關設備情況以及現(xiàn)場實施條件，提出D-PMU 安裝部署方案。在上述基礎上，進行示范工程高級功能設計，并開展示范工程建設工作。

3.1 示范工程概況

以廣州某地區(qū)示范工程系統(tǒng)為例，說明自適應狀態(tài)估計、精確故障定位和源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制功能的應用。示范區(qū)占地約25 km，共涉及變電站3 座，10 kV 饋線13 回，為國家第一批分布式光伏發(fā)電應用示范區(qū)。2020 年光伏發(fā)電總計規(guī)模大于30 MW，電動汽車充換電站（樁）大于5 MW，負荷規(guī)模達到40 MW。示范工程D-PMU 安裝點網(wǎng)絡接線圖如圖4所示。

圖4 示范區(qū)D-PMU安裝點網(wǎng)絡接線Fig.4 Network wiring of D-PMU installation point in the demonstration area

3.2 示范工程高級功能設計

示范工程功能應用主要包括：自適應狀態(tài)估計、精確故障定位、源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制等功能。

3.2.1 自適應狀態(tài)估計

在示范區(qū)分別設置配網(wǎng)同步相量測量裝置覆蓋率達100%、SCADA+PMU 覆蓋率達100%以及量測不足三種情況，用于對比測試不同配置下狀態(tài)估計效果。所以選取WL 站部分和BTF2、BTF3、BTF19 配網(wǎng)PMU 覆蓋率達100%，可驗證量測充足情況下的快速狀態(tài)估計效果。選取BTF9 作為SCA?DA 和配網(wǎng)PMU 覆蓋率達到100%示范區(qū)域，以驗證量測充足情況下的高精度狀態(tài)估計效果。選取BTF1、 BTF4、 BTF8、 BTF10、 BTF13、 BTF14、BTF16 以驗證量測不足情況下的魯棒狀態(tài)估計效果。

3.2.2 精確故障定位功能

示范區(qū)考慮MZF5 線路較長，分支較多，電纜和架空線混合，多T 接，所以選取為從化示范區(qū)的精確故障定位高級應用功能示范點。選取線路首端即MZ 變電站F5 饋線端，分支末端HKCLJLD 配變、HXC 配變、KYXJC 和HXXY 專用高壓房安裝帶有行波功能的同步相量測量裝置，以示范高精度故障定位功能。

3.2.3 源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制及孤島運行

示范區(qū)考慮BT 變電站為主要供電電源，選取BT 變電站及下屬各饋線示范源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制高級應用功能和孤島切換及穩(wěn)定控制功能。考慮工業(yè)園區(qū)含光伏電源容量為17.8 MWp，CCHP （Com?bined Cooling Heating and Power，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)）容量為30 MW，充電樁容量為0.8 MW，工業(yè)大負荷容量為66.1 MW，所以此示范區(qū)重點示范源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制?？紤]BTF8、BTF9、BTF10 涵蓋醫(yī)院、政府、派出所、客運站等重要負荷，選取此示范區(qū)重點示范孤島切換及穩(wěn)定控制功能。

3.3 示范工程建設成效

示范區(qū)建成后，示范區(qū)內(nèi)狀態(tài)估計精度高于95%；故障檢測準確率高于99%；故障定位精度小于0.2 km；源-網(wǎng)-荷快速協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制平均時延小于200 ms。

通過配電網(wǎng)故障診斷與精確定位技術，可大幅提高故障檢測準確率，平均縮短故障處理時間48.25 min，年減少用戶停電損失約314萬元。

通過源荷協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)配電網(wǎng)與用戶的靈活互動，削減示范區(qū)柔性負荷峰值約13%，延緩輸配電基礎設施投資約416 萬元，減少調(diào)峰備用電源建設費用約1 170萬元。

3.4 示范工程意義

建成涵蓋柔性負荷、分布式電源、充電樁等配網(wǎng)典型負荷，涵蓋變電站、配電房、集裝箱、戶外桿塔等配網(wǎng)典型安裝環(huán)境，涵蓋基于D-PMU 的自適應狀態(tài)估計、故障精確定位和源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制及孤島運行等配網(wǎng)典型高級應用功能的示范工程，對國家重點研發(fā)計劃項目相關內(nèi)容進行試驗，為后續(xù)大規(guī)模推廣和復制積累工程經(jīng)驗。

4 結 論

本文詳細介紹了配電網(wǎng)同步相量測量裝置的技術原理及作用、系統(tǒng)及安裝部署方案和工程案例。本文的先進性和主要工作如下：

1）分析了配電網(wǎng)微型同步相量單元的工作原理和典型的應用場景。

2）提出了一種配電網(wǎng)同步相量測量系統(tǒng)及安裝部署方案，該方案不需要對原有的開關柜進行改造，造成的停電時間較少，可大幅提高配電網(wǎng)的可靠性。

3）提出了D-PMU 高級功能示范設計方案，通過關鍵技術的示范應用，全面提升配電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟運行水平，具有顯著的經(jīng)濟效益。

本文工作為D-PMU 進一步與配網(wǎng)其他傳統(tǒng)領域融合推廣提供了豐富的工程經(jīng)驗。在進一步推廣應用時，需要針對不同的區(qū)域特點和功能需求，研究D-PMU的最優(yōu)布點方案，提高經(jīng)濟性。