基于同步相量測量的統一基準源核相技術研究

孔 寧

（國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274012）

·班組創新·

基于同步相量測量的統一基準源核相技術研究

孔 寧

（國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274012）

在電力系統中，核相是一項簡單但又非常重要的工作。新建、改造和擴建后的發電廠、變電站電氣設備和輸電線路在投入運行前，必須進行核相試驗，以確保相序一致、相位正確。目前，國內傳統的核相技術存在一定的局限性。對基于同步相量測量技術的統一基準源核相方法進行研究，此種核相方法通過GPS對時信號來實現不同地域電源信號的同步采樣，通過與電網中某一固定基準源信號相位比較，確定任意兩不同電源點的相位關系，從而完成核相工作。基于同步相量測量技術的統一基準源核相方法操作簡便、核相效率高，具有獨特的優越性，并且可實現廣域電源核相。

核相；統一基準源；GPS對時；同步相量測量

0 引言

隨著全球能源互聯網概念的提出，“十三五”電網發展強調加快解決電網“兩頭薄弱”問題，增強能源優化配置能力。“十三五”期間，將加快同步電網優化升級整合，特高壓交流、特高壓直流輸電工程全面大規模開工建設。新增農網改造升級和城鎮配電網工程投資共計1281億元，電網建設和改造任務十分繁重，高強度、大規模電網建設將貫穿整個“十三五”［1］。

發電廠、變電站和輸電線路在新建、改造和擴建后投入運行前，都必須進行三相電源核相試驗，以確保投運的電力設備和線路三相相序一致、相位正確。對于需要并列或合環運行的三相交流電源系統，則還應保證兩三相電源的相位正確［2］。相序不一致，發電機將無法并網，強行并網會造成發電設備嚴重損壞，如果出現非同期并列或合環，還將造成相間短路事故，不僅損壞電氣設備，甚至威脅電力系統的安全穩定運行。核相試驗是電力系統中一項基本而重要的工作，供電企業每年因變電站新改擴建工程，在核相方面投入了大量的人力和物力。因此，研究如何提高核相工作效率、減小成本、降低風險非常重要。傳統核相方式最主要的局限性主要在于核相設備受空間距離的限制，且要求信號采樣的同時性，操作費工費時［3］。

以提高變電站核相試驗效率為目標，針對傳統核相方式效率低、操作復雜、局限性大等問題，提出基于同步相量測量技術的統一基準源核相技術和方法，以提高核相效率、簡化操作，同時此種核相方法采用GPS統一時鐘對時，核相不受三相電源空間距離的限制，能很好地解決變電站單電源核相問題，具有較高的推廣應用價值。

1 現行核相方式及局限性

1.1 一次核相方式及其原理

一次核相設備主要由核相儀手持終端和高壓核相探頭兩部分組成，圖1所示為高壓電源一次核相原理圖。高壓探頭與核相儀手持終端之間通常采用無線通信方式進行數據傳輸，由于核相儀手持終端對采樣數據實時性要求較高，并且不同的無線通信方式進行數據傳輸的距離也不盡相同。因此，就要求核相儀高壓探頭1與探頭2間的距離不能太遠，應在核相儀技術要求的范圍內，否則將無法數據采樣的實時性和數據傳輸的距離要求。

在高壓探頭1、2將采樣數據傳輸給手持終端后，手持終端再對數據進行相位、幅值比較，從而完成對高壓電源1、2的定核相工作。

圖1 一次核相原理

1.2 二次核相方式及原理

二次核相一般利用核相表計在變電站電壓互感器的二次側進行，二次核相原理如圖2所示。二次核相屬于間接核相方式，核相結果的正確性是以電壓互感器TV1和TV2一、二次側接線正確性為前提的。即必須保證兩電壓互感器高低壓側電壓UA與Ua、UA′與 Ua′的相位一致， 這樣才能間接對兩電源進行準確定核相。

二次核相一般采用二線試驗線同時引接電壓互感器TV1和TV2的二次電壓至核相儀G，通過核相儀直接對兩電源進行二次定核相試驗。因此，二次核相方式要求兩電源的互感器TV1和TV2二次引線端子距離不能太遠，否則會造成試驗拖線過長，核相極不方便，或根本無法完成核相。

圖2 二次核相原理

1.3 傳統核相方式的優點及其局限性

分析傳統核相方式及其原理，無論是一次核相方式還是二次核相方式，都存在一定的局限性［2］。

需核相的兩路電源信號必須同時采集，保持交流電壓信號采樣的同步性；需核相的兩路電源的空間距離不能太遠，無法實現廣域電網核相；核相試驗需參與人員較多，核相步驟繁雜，人力和物力成本較高，耗時較長；一次核相存在一定的危險性，必須考慮試驗人員間的協調配合和采取相應安全防護措施；對于單電源變電站，無法進行準確的定核相，只能通過核相試驗來保證相序正確。

2 基于同步相量測量的核相方式

為了實現廣域范圍的電網核相，提出一種采用基于GPS同步相量測量技術的核相方案，原理如圖3所示。電源1和電源2為兩待核相電源，為了確定電源1和電源2的相序、相位關系，引入該同步電網中的某一電源點作為全網統一核相基準源，并在此電源點安裝基準源電壓信號采樣主機。該采樣主機具有網絡通信和接收衛星GPS同步對時脈沖的功能，可以根據GPS對時脈沖信號對基準源電壓信號進行同步采樣，并將數據信息存儲于本地硬盤和網絡服務器。同時利用便攜式手持核相儀1和2分別對兩待核相電源1和2進行電壓信號的采樣，手持核相儀1和2具有與基準源采樣主機同樣的功能，同時還可以調取基準源采樣主機采樣數據并進行對比分析的功能。通過對電源點電壓采樣信號的分析，得出以統一基準源為基準的電源點1、2的電壓相量關系。

圖3 統一基準源核相儀原理

由于采用了全球定位系統（GPS）的高精度授時信號，因此可以實現對電力系統廣域電源點的同步采樣，使各節點所測量的電壓量有統一的時間標準，為不同地點電壓信號采樣數據加上對應的時標，實現同步電網中不同電源點電壓相量的對比分析，并最終完成電源點 1、2 的核相工作［4-7］。

目前GPS用于建立全網統一時間，在99.87%的時間內同步誤差可以精確到1 μs，對于50 Hz電力系統來說，相位誤差將不超過0.018°，為核相工作提供了精確度保證［8］。同時應用高精度、高速A/D轉換器和DSP數字信號處理器，能夠很好地解決廣域電網電源同步采樣的要求。

3 統一基準源核相儀結構及硬件

3.1 核相儀硬件系統結構

統一基準源核相儀中的核心設備為基準源采樣主機與便攜式核相終端，基準源采樣主機與便攜式核相終端在功能上基本一樣，硬件結構也基本相同，硬件結構如圖4所示。由高速數字信號處理器DSP+FPGA構成核心板件，并配置有USB、RS485數據接口模塊、TCP/IP網絡、4G無線通信接口模塊、GPS對時和B碼對時模塊、遙信開入和電壓采樣A/D轉換模塊以及顯示器、鍵盤人機接口模塊等擴展模塊。GPS對時模塊實現對時脈沖信號輸出，再通過處理器自身晶振完成分頻后產生高精度模擬量同步采樣時鐘，A/D模數轉換模塊根據同步采樣時鐘完成電壓信號的同步采樣，最終由DSP數字信號處理器實現對電壓量數字信號的精確計算和處理，最終通過人機接口設備將核相結果輸出給用戶。

圖4 統一基準源核相儀硬件結構

3.2 核相儀硬件模塊設計

核相儀核心設備硬件主要由直流電源模塊、數字信號處理器模塊、模擬量采集模塊、GPS對時模塊及顯示器和鍵盤人機接口模塊構成。直流電源模塊為信號調理電路、模數轉換電路、DSP數字信號處理器供電，共有4路電源輸出，分別為5 V、24 V、+12 V、-12 V；電壓互感器、運放IC和14位MAX1320模數轉換芯片等器件組成電壓信號采樣電路，完成電源電壓信號模擬到到數字量的同步采樣；TMS320F206型DSP數字信號處理器、FPGA集成電路實現基于DFT算法的電壓幅值、相角測量，并計算出電壓相量。

圖5 統一基準源核相儀硬件模塊

4 統一基準源核相儀系統實驗

為驗證核相儀整套系統及其核心設備的運行性能，設計了核相試驗項目，以證明基于GPS同步相量測量技術的核相方案的可行性和優越性。

核相試驗針對某110 kV變電站的主變壓器高低壓側電源開展，該變電站的主變壓器繞組接線采用Yd-11接線，高壓側電壓相量滯后于低壓側電壓相量約30°。基準源采樣主機安裝于變電站高壓母線處，對高壓側母線電壓進行采樣，并以此電壓量作為核相基準源。便攜式核相終端1、2分別對主變壓器高、低壓側電壓進行同步采樣，并得出以高壓側母線電壓為基準的主變壓器高、低壓側電壓相量，結果如表1所示。

便攜式核相終端1、2的電壓錄波如圖6所示，圖中左右兩標尺時間差為1.655 ms，可得主變高、低壓側電壓相量的相角差約為29.79°。

表1 電源電壓核相結果

圖6 統一基準源核相儀錄波圖

5 結語

將基于GPS的同步相量測量技術應用于電力系統，實現了廣域電網的電源核相，可以使電力系統核相工作變得輕松簡單，能夠滿足單電源變電站高壓電源核相工作的需要，彌補了傳統核相方式存在的諸多缺陷和不足，大大提高了供電企業專業技術人員的定核相工作效率。研制的基于GPS同步相量測量技術的統一基準源核相儀，具有結構簡單、操作方便、成本低廉、性能優越、精度高等優點，在電力系統中具有廣闊的應用前景。

［1］劉振亞.全球能源互聯網［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］王根水，潘雷，詹淋松.電力網核相技術演變及分析比較［J］.高科技與產業化，2009，5（2）：80-82.

［3］都文蔚.廣義核相技術研究與其在浦東電網運行工作中的應用［D］.上海：上海交通大學，2013.

［4］張春.遠程無線核相系統的關鍵技術研究及工程實現［D］.杭州：浙江大學，2006.

［5］胡紹謙.電力系統同步相量測量技術的研究［D］.西安：西南交通大學，2004.

［6］胡紹謙，王曉茹.基于GPS技術的電力系統同步相量測量裝置［J］.電子工程師，2003，29（11）：21-23.

［7］孔五陽.基于GPS的電網同步相量測量裝置的研究［D］.南京：河海大學，2007.

［8］HOFMANN-WELLENHOF B，LICHTENGEGGER H ，and COLLINS J.GPS，Theory and Practice ［C］.Springer-Verlag Wien New York，2003.

Study on Unified Reference Source Phase-Check Technology Based on Synchronized Phasor Measurement

KONG Ning
（State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274012，China）

In the power system，the phase-check is a simple but very important work.The newly built，upgraded and expanded power plant，transformer substation electrical equipment and power transmission lines，before put into operation，must carry out phase-check test，in order to ensure that the voltage phase sequence and phase angle are correct.At present，traditional phasecheck technology used within the country has some limitations.In this paper，the method of unified reference source based on synchronized phasor measurement technology is discussed.The synchronous sampling of the source voltage signal in different regions is realized by comparing the phase of the measured signal to that of a fixed reference source signal in the power network according to the GPS time synchronization signal，so that the phase relationship between any two different power points can be determined.Thus the phase-check can be completed.The unified reference source phase-check method based on the synchronized phasor measurement technique is simple，easy to be carried out and of high efficiency，which has unique advantages.Also，the wide area power grid phase-check can be realized via this method.

phase-check；unified reference source；GPS time；synchronized phasor measurement

TM76；TM93

A

1007－9904（2017）10－0073－04

2017-05-10

孔 寧（1984），男，工程師，研究方向為電力系統繼電保護。