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)試點名單共676 個試點縣(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,出現(xiàn)配電網(wǎng)末端電壓越限、諧波含量超標以及保護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)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)成為新形勢下的重點工作任務(wù)[1-2]。隨著我國配電網(wǎng)自動化水平不斷提升,遠程終端單元(Remote Terminal Unit,RTU)被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)配電網(wǎng),實現(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、實時性、準確性較差等問題[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)可以實現(xiàn)調(diào)度端對有源配電網(wǎng)全狀態(tài)運行信息的微秒級監(jiān)測,有利于開展分布式新能源在配電網(wǎng)的運行狀態(tài)分析和新能源設(shè)備建模的驗證工作,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)保護配合

保定配電網(wǎng)保護大多采用階段式電流保護,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)運行可靠性。在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)進程中,迫切需要開展有源配電網(wǎng)運行數(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,可短時運行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),實現(xiàn)配電網(wǎng)故障信息實時精準上傳,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

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)不但能實現(xiàn)對有源配電網(wǎng)全狀態(tài)運行信息的感知,還能精準研判配電網(wǎng)故障位置并上送調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng),進而提高配電網(wǎng)故障處置效率。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲

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)拓撲如圖1所示。

圖1 PMU微觀監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

2.2 基于高精廣域PMU 的采集單元

采集單元負責(zé)完成安裝點電流、溫度、諧波等數(shù)據(jù)的實時采集和遠傳,負責(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、遠程無線通信和物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),實現(xiàn)了配電網(wǎng)運行工況監(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)運行狀態(tài)。具有以下主要特點。

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,高保真保留配電網(wǎng)采集點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,與世界標準時間絕對同步,保證了單一監(jiān)測點零序電流合成的準確性和不同監(jiān)測點同一時刻數(shù)據(jù)的精確同步,方便多點比較,確保具有微弱特征的中高阻單相接地故障研判定位準確。

3)自動錄波上傳:采集單元可以實現(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)運行,適配3G/4G/5G 等多種通信方式,實現(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)存儲帶有時間標簽的瞬時電壓波形,并與采集單元實時交互配電網(wǎng)各節(jié)點電流信息,計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),實現(xiàn)全狀態(tài)下波形召測功能,包括故障錄波自動上送、運行波形周期性召測、運行波形實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行匯總處理,以標準波形文件格式經(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)進行匯總處理,并以標準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),通過運行實踐,采集到大量有源配電網(wǎng)運行信息。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行狀態(tài)下的微秒級微觀數(shù)據(jù)進行分析。

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)實現(xiàn)故障時刻各采集點電流每個周波256點采樣,精準還原配電網(wǎng)故障情況下的暫態(tài)運行信息。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),進行同時刻、同相別下的電流諧波分析。圖4 6號電流采樣點為近變電站側(cè)采集單元錄波,9號電流采樣點為近分布式光伏側(cè)采集單元錄波。可以看出,在9號采樣點的電流諧波含量明顯高于6號采樣點的諧波含量,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(采樣頻率4 k Hz)。文獻[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確性的關(guān)鍵指標,考慮故障點位置、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),對試點區(qū)域配電網(wǎng)運行狀態(tài)進行每日周期性24整點錄波,可實現(xiàn)各安裝點潮流情況、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),實現(xiàn)試點配電網(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)度人員精準隔離接地故障25次,避免了事故進一步擴大,提高了處置效率,達到了防山火、防人身觸電目的。

3.4.3 新能源模型研究

目前正協(xié)同保護定值計算系統(tǒng)廠家開展分布式電源精準等值建模工作。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)實際運行數(shù)據(jù),并結(jié)合配電網(wǎng)拓撲結(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)運行波形,精準指導(dǎo)配電網(wǎng)分界開關(guān)保護定值調(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等負荷,啟動時產(chǎn)生涌流進而造成跳閘,適當(dāng)調(diào)高分界開關(guān)過流保護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)實現(xiàn)了有源配電網(wǎng)全狀態(tài)信息的微秒級感知,并以標準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)運行分析以及分布式新能源精準建模等提供數(shù)據(jù)支撐。