廣域同步測量技術在智能電網保護與控制中的應用

王　亮，裘愉濤，李　力，方愉冬，李園園，胡鐵軍(.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京0；.浙江省電力公司，浙江杭州3007)

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廣域同步測量技術在智能電網保護與控制中的應用

王亮1，裘愉濤2，李力1，方愉冬2，李園園1，胡鐵軍2
(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.浙江省電力公司，浙江杭州310072)

摘要：以同步相量測量裝置為基礎構建的廣域測量系統不斷擴大和完善，為電力系統的觀測提供了重要的數據支撐。隨著智能電網建設的不斷推進，對同步相量測量的實現方式及其應用提出了許多新的思路，這些思路都是來自于現實應用的需求，但總體上呈發散的狀態，沒有統一的原則。文中建立了時—空協調分析的原則，從系統能觀和能控2個方面，對廣域同步測量的物理條件和協議支撐進行了深入地分析，提出了廣域同步測量技術在智能電網中的實現方式以及電網保護與控制中的應用。

關鍵詞：廣域測量；智能電網；同步相量

同步相量測量技術在現代電力系統中已大量應用，測點分布廣泛的PMU裝置通過以太網構成了廣域測量系統（WAMS），所采用通信協議主要是基于IEEE C37.118。IEEE C37.118標準起源于IEEE 1344—1995，2001年做過修訂，隨后被IEEE C37.118—2005替代，該標準對電力系統同步相量的定義、測量、測試、傳輸進行了規范和描述。2011年標準被拆分為2部分，第一部分IEEE C37.118.1主要對同步相量的定義、測量、測試進行了描述；第二部分IEEE C37.118.2對同步相量數據傳輸協議進行了描述，規定了WAMS，PCD，PMU之間數據交換協議，大部分的同步相量數據交互都是基于這一標準。隨著智能變電站建設的不斷推進，IEC又推出了適用于同步相量傳輸的IEC 61850-90-5技術標準，描述了在IEC 61850體系內同步相量數據傳輸以及在保護控制方面應用的相關內容[1-3]。

同步相量數據的獲取以及應用研究由來已久，許多文獻都對此進行了有益的探討[4-9]，特別是智能變電站建設進程中出現了許多PMU與其他IED設備相互融合應用的技術方案和實踐探索[10，11]，例如多功能測控裝置附帶PMU功能，基于同步相量的廣域低頻振蕩解列系統、基于PMU的廣域阻尼控制等應用，這些應用大多是現實需求驅動下做的探索工作，尚未找到一種主流的應用方向或領域，一方面是同步相量數據在保護控制方面應用的研究尚待拓展，另一方面廣域的同步相量數據在現有的保護控制體系中的作用有限。現代電網保護和控制方案非常復雜，這是由大電網的復雜性決定的，各種保護控制方案都有所針對并遵循著各自的理論和實踐體系，從微觀的角度看各專業之間呈現明顯的差異，但從宏觀的角度看，保護控制各專業在電網中的應用自覺或不自覺都遵循了同樣的規律，即時間和空間協調配合的規律。具體來說，繼電保護裝置的保護范圍、自動裝置的動作順序、三道防線的協調配合，各種調控手段都是在時間尺度和空間尺度上有所針對并相互配合。因此，可以從時空協調配合的角度來進行觀察，研究基于同步相量數據的保護控制措施其可能作用的時間、空間尺度是什么，研究實現控制目標所依賴的物理條件是什么，從而確定其在保護控制上應用的可行性（這里的同步相量數據是指IEEE C37.118.2中包含的相量、頻率、頻率變化率模擬量等數據）。

1　同步相量數據時空尺度分析

能觀性和能控性是現代控制理論中最重要和最基本的概念，也適用于電力系統。以電力系統能觀性與能控性為目標，以安全效益、經濟效益、社會效益以及環境效益等因素為約束條件，在基于時間、空間、任務3個維度上分析同步相量數據所涉及的時空范圍[12，13]，如圖1所示。

圖1　同步相量數據的時空分析

（1）時間維。電力系統的變化過程在時間尺度上有快慢之別，在變化順序有先后之別，對此實施的觀測和控制可以歸屬到時間維度的問題；

（2）空間維。從變電站的過程層開始到整個互聯的電網構架，其一二次設備的安裝、分布、廠站的地理布局、互聯的形式可以歸屬到空間維度的問題；

（3）任務維。電力系統的能觀性與能控性是最終的任務，同時考慮安全效益、經濟效益、社會效益和環境效益等約束條件，自動進行多約束條件、多空間維度、多時間尺度的觀測和控制。

由同步相量數據的特點可知，在時間尺度上同步相量數據是在工頻周波級別上觀察電力系統，在空間尺度上，其范圍可覆蓋整個互聯的大電網。因此，理論上同步相量數據可用于在20 ms的尺度、整個網絡范圍內的保護和控制應用，但受到具體條件的影響或約束，并不是所有這個時空尺度的控制都適合用基于同步相量數據來完成。

2　實現保護與控制的條件

利用廣域同步測量技術實現保護與控制應用涉及到多方面的內容，包括適用的保護控制原理等，但本文重點討論必須具備的基本條件，從數據的來源、傳輸協議、通信條件這3個方面進行闡述，只有具備了這3個方面的條件才有可能實現保護和控制的目的。

2.1同步相量數據來源

同步相量數據的主要來源是PMU，其數據具有如下核心特征：一是具有全網同步時間標簽；二是失去同步時鐘后有一定守時能力；三是可通過網絡進行大范圍的交換。很多的IED設備都具備條件提供此特征的數據，例如接入衛星同步時鐘源的保護、測控、穩控裝置都可以計算出同步相量數據，通過以太網進行數據交換，實施基于同步相量數據的保護和控制功能。一些國外的保護裝置已經實現了這一功能，并以此為基礎形成了完整的保護控制體系。

2.2同步相量數據傳輸協議IEEE C37.118.2

IEEE C37.118.2規定了PMU可以和主站交換的4種類型信息：數據幀、配置幀、頭幀和命令幀。數據幀是PMU的測量結果；配置幀描述PMU發出的數據轉換因子和元數據信息，是可以被計算機讀取的格式。頭幀由使用者提供，是人可直接識別的文本內容。命令幀是計算機讀取的信息，它包括PMU的控制、配置信息。所有的幀都以2個字節的SYNC字開始，其后緊隨2字節的FRAMESIZE字，2字節IDCODE字，4字節的SOC時標和4字節的FRACSEC時間品質和秒等分，中間是數據部分，所有幀以CRC16的校驗字結束。所有幀的傳輸都沒有分界符。SYNC字首先傳送，校驗字最后傳送。多字節字最高位首先傳送，所有的幀都使用同樣的次序和格式。該標準僅定義數據幀、配置幀、頭幀和命令幀，以后可以擴充其他的幀。這里就其中的數據幀和命令幀作一個簡要介紹，其他相關細節可參考具體標準內容。數據幀包含測量信息，數據幀和命令幀的具體格式如表1、表2所示的定義。可以看出，這些幀結構能夠滿足保護、控制所需的內容要求。

表1　數據幀的結構

表2　命令幀結構

2.3通信通道時延等特點分析

電力系統的電壓、電流相量，通過廣域測量系統傳輸和交換，先后要經過傳感器、同步采樣、相量計算、數據封裝、通信模塊、通信鏈路等環節，每一個環節都會產生延遲。由于傳感器、采樣、計算、通信模塊的延遲相對固定，這里不做重點討論，本文重點討論廣域IP網絡中的鏈路和節點之間進行數據傳輸產生延遲。不同PMU通信鏈路、通信延遲如表3所示。研究表明在100 Mbit/s以太網內，不經IP路由，從PMU裝置到主站通信前置一般延遲為1 ms左右，且延遲較為固定，通信品質很好。

在某省電力公司155 Mbit/s的SDH數字微波電路和光纖為媒介的省級ATM交換網（核心網622 Mbit/s，骨干網155 Mbit/s），多個PMU子站通過2 Mbit/s的帶寬連接與WAMS主站連接[14]。

對于同步相量實時傳輸的通信鏈路，一般情況通信流量占帶寬的25%以下，網絡實時性好，可認為空閑，超過25%以上，網絡實時性下降，可認為繁忙。上述統計表明通信業務繁忙的1和6通信延遲明顯較差，與實際情況相符，通信鏈路不能獨享是造成延遲不確定性的主要原因。對于單個PMU在不同條件下的測試結果如表4所示。

表4　通信鏈路不同時段的PMU通信延時

研究表明，若要獲得穩定的延時品質，必須提供獨享的通信鏈路。

2.4IEEE C37.118在IEC 61850的實現

隨著智能電網建設的深入開展，基于IEC 61850過程層總線的智能變電站大量投入，對傳統變電站的廣域測量和控制實現方案提出了許多挑戰，需要實現SMV和GOOSE的接收和處理。當前PMU、數據集中器在智能變電站應用的系統框架如圖2所示。智能變電站內，PMU應支持接入合并單元和智能終端，接收SV報文和GOOSE報文，獲得電壓、電流同步采樣值和帶同步時間的開關量；計算出的電壓相量、電流相量、有功功率、無功功率、頻率、頻率變化率等數據；應支持向數據集中器PDC、變電站監控系統、主站系統等客戶端提供數據服務。

智能變電站PMU通信協議如圖3所示。根據不同的應用需求，智能變電站的同步相量通信應有選擇地支持以下幾種服務。

2.4.1變電站內的通信

（1）PMU與過程層設備（合并單元、智能終端）之間的通信遵循DL/T 860中關于SV，GOOSE規定的內容，對應于圖3中的①，②；

（2）PDC與站控層之間的通信遵循DL/T 860中關于MMS規定的內容，對應于圖3中的③；

圖2　智能變電站WAMS系統信構架

圖3　智能變電站PMU通信協議

（3）PMU與PDC之間的通信遵循GB/T 26865.2—2011中規定的內容，對應于圖3中的④。2.4.2變電站與主站之間的通信

PDC與主站之間的通信遵循GB/T 26865.2—2011中規定的內容，對應于圖3中的④。

可以看出，當前同步相量數據的傳輸仍舊采用傳統的IEEE C37.118.2的協議，雖不是完全意義上的IEC 61850實現，但是能滿足現實需求。隨著IEC 61850-90-5的不斷推進，提出了新的實現方案，其核心思想是SMV和GOOSE數據通過IP交換實現站間通信。要實現IEEE C37.118到IEC 61850的映射，本質上是實現相量數據、事件數據的站間傳輸，而現有的IEC 61850體系對實現站間交換的支持不充分。

因此，IEC 61850-90-5中定義了Sampled Values over IP Control Bloc。R-MSVCB和GOOSE over IP Control Block: R-GOCB，這些新的控制塊與原來的MSVCB，GOCB十分近似，但在安全和UDP的支持方面補充了新的屬性。R-MSVCB用來實現等間隔相量、模擬量數據的等間隔傳輸，R-GOCB用來實現事件、命令的交互。IEEE C37.118體系中的CFG1（PMU能提供的全部數據）和CFG2（主站從CFG1中選取訂閱的數據）由IEC 61850體系中的動態數據集方案來實現。這樣就完成了IEEE C37.118到IEC 61850的基本映射。可以看出，基于IEC 61850-90-5實現方案面臨著網絡通信以及安全等方面的挑戰，仍然有許多工作要做。

3　廣域同步測量在保護和控制的應用領域

（1）檢同期。PMU把同步相量數據發送給同期檢查繼電器，繼電器利用這些數據判斷兩側的電壓相角足夠接近，確保合閘時對斷路器不造成損害。

（2）自適應繼電器。PMU把同步相量數據發送給具有保護監視功能的系統，收到數據的設備利用這些信息調整保護參數和定值，根據真實系統的配置做出優化的動作策略。這類應用一般在對動作速度要求低的領域使用。

（3）失步保護。2個或多個PMU的數據被送到失步判別控制器，用以判斷兩個變電站或系統之間的失步情況。通過相角和頻率的測量判斷功角的加速或減速以采取相應的措施。

（4）狀態預警。PMU數據被送到調度控制中心進行振蕩或斷面負荷極限的判斷，通過與預先設定的策略比較進行狀態預警，提醒調度人員采取措施。

（5）狀態估計和在線安全評估。PMU數據被送到調度中心的狀態估計和安全評估系統，狀態估計確定電網的電壓和潮流，安全評估利用狀態估計以及各種標準確定故障風險。狀態估計利用PMU數據作為SCADA數據的一個補充。

（6）穩定控制。PMU數據被送到變電站的控制設備、調度中心或其他合適的設備。這些數據可以直接發送給控制設備或經過數據集中區轉發。控制設備基于測量數據按照預先設定的策略采取措施。這些控制功能可包括：電容器、電抗器投切，切機、切負荷，SVC阻尼控制。甚至除了包含傳統的廣域控制外，還可以進行其他更加復雜的基于響應而非預定策略的控制措施。

（7）頻率電壓緊急控制。當發送非常嚴重的故障時，例如斷面斷開，機組跳閘等情況會導致變壓器或線路過載、發電和受電斷失去平衡，利用廣域的測量、保護控制系統的數據進行切機、切負荷的措施維護電網的安全和穩定。

4　結束語

本文以保護與控制時—空協調的原則為出發點，從能觀和能控2個方面分析了廣域測量應用于保護、控制領域應具備的基本條件。研究表明，在采用專用通道的條件下，廣域同步相量測量適用于20 ms時間尺度、整個廣域電網的保護和控制；在采用廣域IP交換網絡且通道延時不確定的條件下，適用于實時性要求不高的整個廣域電網的保護與控制應用。可以看出，通信是廣域保護與控制實施的關鍵因素。

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王亮（1973），男，江蘇鹽城人，高級工程師，研究方向為電網安全穩定控制；

裘愉濤（1967），男，浙江杭州人，高級工程師，從事繼電保護專業管理和技術管理工作；

李力（1970），男，福建福州人，研究員級高級工程師，從事繼電保護產品研制與開發工作；

方愉冬（1977），男，浙江杭州人，高級工程師，從事繼電保護專業管理和技術管理工作；

李園園（1974），女，河南濟源人，高級工程師，研究方向為繼電保護及電網安全穩定控制；

胡鐵軍（1975），男，浙江杭州人，高級工程師，從事繼電保護專業管理和技術管理工作。

Application of Wide Area Synchronized Measurement in Protection and Control of Smart Grid

WANG Liang1, QIU Yutao2, LIli1, FANG Yudong2, LI Yuanyuan1, HU Tiejun2
(1.Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China; 2.Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310072, China)

Abstract：The synchronized phasor measurement based the Wide Area Measurement System is expanding and improving constantly, which provides important data to support power system observing. With the development of the Smart Grid, many new ideas about the synchronized phaosr measurement and application are proposed for reality applications. But those ideas are not systematized due to there isn't a unified principle to follow. This paper proposes a principle of time-space coordination based on the physical conditions and protocol support from the aspect of observability and controllability, and then introduces the application of wide area synchronized measurement in the protection and control of Smart Grid.

Key words：wide area measurement; smart grid; synchronized phasor

作者簡介：

收稿日期：2015-10-15；修回日期：2015-11-29

中圖分類號：TM933

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）02-0043-04