基于同步量測的配網(wǎng)態(tài)勢感知技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用與展望

徐全，雷金勇，袁智勇

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院， 廣州 510663； 2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院，廣州 510663）

0 引言

根據(jù)《整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點名單的通知》［1］，目前國家正在大力發(fā)展分布式光伏等新能源。《關(guān)于促進新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》［2］中明確到2030年我國風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到1 200 GW以上的目標，加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，同時要著力提高配電網(wǎng)接納分布式新能源的能力。所以隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，大規(guī)模分布式能源的接入，對新技術(shù)的需求越發(fā)迫切，對配電網(wǎng)的要求越來越高。

態(tài)勢感知的概念已在軍事以及航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［3-7］，文獻［8］和［9］對態(tài)勢感知進行了定義，其含有三層含義，第一層是對環(huán)境元素的感知，第二層是對現(xiàn)狀的理解，第三層是對未來狀態(tài)的預(yù)測。

文獻［10-13］介紹了態(tài)勢感知技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用情況。安全、規(guī)劃、生技、調(diào)度等主配網(wǎng)多個領(lǐng)域均有態(tài)勢感知技術(shù)的研究。

1）主網(wǎng)領(lǐng)域

在網(wǎng)絡(luò)安全方面，文獻［14］介紹了態(tài)勢感知技術(shù)在電網(wǎng)和信息兩個領(lǐng)域研究現(xiàn)狀可能的應(yīng)用場景，并針對攻擊的具體案例，給出了電網(wǎng)側(cè)和信息側(cè)協(xié)同的態(tài)勢感知方法。文獻［15］介紹了態(tài)勢感知技術(shù)在電力網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的應(yīng)用，提出將Q 學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于系統(tǒng)態(tài)勢的預(yù)測，并提出計及系統(tǒng)損失、攻擊成本、防御成本、防御回報、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移成本的判斷標準。

風險評估方面，文獻［16］將態(tài)勢感知技術(shù)引入高比例可再生能源電力系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化運行，提出了源荷雙重不確定性的交直流混聯(lián)系統(tǒng)態(tài)勢感知方法，包括實時狀態(tài)評估、發(fā)展態(tài)勢的評估以及多維度運行風險評估的態(tài)勢感知方法體系。

設(shè)備方面，文獻［17］將態(tài)勢感知技術(shù)引入變壓器設(shè)備領(lǐng)域，建立了變壓器態(tài)勢感知指標體系和感知方法，提出通過特征值法和G1 法計算一級指標權(quán)重，通過層次分析法和信息熵法聯(lián)合的最小二乘法計算二級指標權(quán)重。大數(shù)據(jù)方面，文獻［18］將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入態(tài)勢感知分析，將態(tài)勢感知大數(shù)據(jù)技術(shù)分為數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化4個方面。

調(diào)度方面，文獻［19］將態(tài)勢感知技術(shù)引入對特高壓交直流混聯(lián)大電網(wǎng)的感知和掌控領(lǐng)域。提出了安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟全維度多層次指標體系，并基于D5000 設(shè)計了電網(wǎng)綜合態(tài)勢感知系統(tǒng)。文獻［20］將態(tài)勢感知技術(shù)引入智能電網(wǎng)自動調(diào)度領(lǐng)域，智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢評估，設(shè)計基于態(tài)勢感知的智能電網(wǎng)自動調(diào)度方法。

2）配網(wǎng)領(lǐng)域

配網(wǎng)安全方面，文獻［21］將態(tài)勢感知技術(shù)和同步相量測量裝置引入配電網(wǎng)安全態(tài)勢感知領(lǐng)域。提出融合信息熵值的支持向量方法辨識異常信息，文中給出安全態(tài)勢感知的預(yù)警指標包括零序電壓、電壓越限裕度、支路過載嚴重度和電壓相位變化量。文獻［22］提出結(jié)合輸電網(wǎng)信息，實現(xiàn)配電網(wǎng)態(tài)勢快速感知，評估配電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定態(tài)勢。

配網(wǎng)規(guī)劃方面，文獻［23］將態(tài)勢感知技術(shù)引入配電網(wǎng)一二次協(xié)同規(guī)劃領(lǐng)域，介紹了高彈性配電網(wǎng)態(tài)勢全感知的定義，在考慮配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、可靠運行，以及經(jīng)濟、環(huán)保效益等條件下，開展規(guī)劃研究。綜合評估方面，文獻［24］從系統(tǒng)安全狀態(tài)感知、智能告警、配電網(wǎng)事故等角度給出了配電網(wǎng)態(tài)勢感知的目標，介紹了配電網(wǎng)態(tài)勢感知態(tài)勢覺察、態(tài)勢理解、態(tài)勢預(yù)測、態(tài)勢呈現(xiàn)、態(tài)勢利導(dǎo)5 個方面的關(guān)鍵技術(shù)。文獻［25］提出了配網(wǎng)態(tài)勢感知的綜合評估模型，指標包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測水平、電能質(zhì)量監(jiān)測水平、電網(wǎng)可靠性水平、電網(wǎng)自愈能力、電網(wǎng)消納可再生能源水平5 個方面，并采用基于二項系數(shù)方法和多目標規(guī)劃方法相結(jié)合的綜合評估方法進行評估。文獻［26］提出了基于加權(quán)最小二乘法的配電網(wǎng)狀態(tài)估計分析方法，建立了配網(wǎng)態(tài)勢感知經(jīng)濟性、可靠性和安全性的評估指標體系，給出了配電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)的量化方法。

配網(wǎng)電能質(zhì)量方面，文獻［27］將態(tài)勢感知技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)電能質(zhì)量領(lǐng)域，預(yù)測電能質(zhì)量的態(tài)勢，建立變流器馬爾可夫模型，對微電網(wǎng)變流器主動控制，從而改善配網(wǎng)電能質(zhì)量。可再生能源接入方面，文獻［28］將態(tài)勢感知技術(shù)引入海量可再生能源接入的區(qū)域配電網(wǎng)，建立指標體系安全、經(jīng)濟、低碳和調(diào)控態(tài)勢4個方面，提出梯形模糊和MARCOS的評估方法。負荷方面，文獻［29］將態(tài)勢感知技術(shù)拓展至需求側(cè)，從覺察、理解、推演、控制4 個層次定義負荷態(tài)勢感知技術(shù)架構(gòu)。

配網(wǎng)調(diào)度方面，文獻［30］將配網(wǎng)態(tài)勢感知技術(shù)引入配網(wǎng)調(diào)度領(lǐng)域的應(yīng)用，介紹了配網(wǎng)調(diào)度態(tài)勢感知核心技術(shù)，包括配網(wǎng)狀態(tài)評估、電源和負荷互動協(xié)調(diào)、風險預(yù)警、多維時空信息可視化、智能配電終端與一次設(shè)備融合和多元通訊技術(shù)，并搭建支撐配網(wǎng)態(tài)勢感知的調(diào)度平臺。配網(wǎng)狀態(tài)估計方面，文獻［31］將配電網(wǎng)實時態(tài)勢感知預(yù)測技術(shù)引入狀態(tài)估計領(lǐng)域，提出了配電網(wǎng)多時間尺度遞歸動態(tài)狀態(tài)估計和基于歷史估計狀態(tài)的方法。

1 研究現(xiàn)狀

本文提出配電網(wǎng)態(tài)勢感知控制與保護技術(shù)的核心是同步量測包括同步相量、同步波形和同步行波。根據(jù)IEEE和國家標準［32-37］，對同步相量有較高快速性和準確性要求。同步量測技術(shù)已在主網(wǎng)中大量的研究應(yīng)用［38-41］，目前正在向配電網(wǎng)推廣［42-43］。

同步量測相較于傳統(tǒng)配電自動化在技術(shù)上具有先進性，參考相關(guān)標準［33-37］，結(jié)合當前實際應(yīng)用，具體分析如表1所示。

表1 同步量測技術(shù)與傳統(tǒng)配電自動化的比較Tab. 1 Comparison between synchronous measurement technology and traditional distribution automation

文獻［44-45］開展了綜合自適應(yīng)相量測量算法的研究，所提算法可以解決傳統(tǒng)同步相量測量無法同時滿足快速性和準確性，為同步量測向配網(wǎng)推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

針對同步量測裝備在配電網(wǎng)推廣應(yīng)用過程中遇到的通信授時以及成本的難題，文獻［46］開展了5G+配電網(wǎng)同步相量測量技術(shù)的測試，試驗結(jié)果證明5G 通信不僅可以滿足同步量測通信帶寬和延時的要求，而且滿足同步量測對授時精度的要求。文獻［47］開展了同步相量測量技術(shù)在微型傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，所提的同步相量傳感器有望解決同步量測技術(shù)在推廣應(yīng)用中的經(jīng)濟性問題。

2 研究方案與展望

針對分布式電源的隨機性、波動性和間隙性，考慮同步量測技術(shù)的毫秒級的實時動態(tài)量測，可以實現(xiàn)分布式能源波動性的監(jiān)測；針對分布式能源點多面廣，考慮同步量測技術(shù)具有全網(wǎng)同步的相量及數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)廣域同一時間斷面的分析；針對新型配電系統(tǒng)的發(fā)展、高比例電力電子設(shè)備接入，導(dǎo)致寬頻域的新形態(tài)電能質(zhì)量問題，考慮同步量測技術(shù)具備諧波、間諧波以及高次諧波的高精度測量，可以實現(xiàn)高精度的同步電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》［48-49］明確提出突破新能源發(fā)電參與電網(wǎng)頻率/電壓/慣量調(diào)節(jié)的主動支撐控制、單相接地故障準確研判和智能傳感與智能量測技術(shù)。

本文提出配電網(wǎng)態(tài)勢感知控制與保護技術(shù)的關(guān)鍵是包括穩(wěn)態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)3 個層面的配網(wǎng)態(tài)勢感知傳感技術(shù)、配網(wǎng)態(tài)勢感知控制技術(shù)和配網(wǎng)態(tài)勢感知保護技術(shù)，主要技術(shù)包括電壓電流寬頻多級同步量測及態(tài)勢感知、基于配電網(wǎng)態(tài)勢的多級電壓控制、基于配電網(wǎng)態(tài)勢的分布式資源頻率/慣量主動支撐和基于故障態(tài)勢的診斷與精確定位等。

根據(jù)在“站線變戶”不同安裝位置，本文提出系列配網(wǎng)態(tài)勢感知控制與保護裝備（situation awareness and control unit，SACU）。在用戶側(cè)安裝態(tài)勢感知控制傳感器（SACU1），在配變處安裝融合網(wǎng)關(guān)功能的控制終端（SACU2），在線路側(cè)安裝態(tài)勢感知控制終端（SACU3），在變電站里安裝集群態(tài)勢感知控制終端（SACU4），具體如圖1所示。

圖1 SACU在站線變戶的配置Fig. 1 Configuration of SACU in substation-line-transformer-house

2.1 電壓電流寬頻多級同步量測及態(tài)勢感知技術(shù)

通過電壓電流寬頻多級同步量測及噪聲抑制技術(shù)，解決感知難及預(yù)測難的問題。隨著電力系統(tǒng)的快速建設(shè)，大規(guī)模分布式能源的接入，配電網(wǎng)的運行狀態(tài)復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的量測控制手段將面臨巨大的挑戰(zhàn)。當前配網(wǎng)同步相量測量技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中彰顯了優(yōu)良性能。如圖2 所示，研制適用于太陽能光伏、儲能、電動車充電樁等海量分布式可再生能源設(shè)備，實現(xiàn)長期穩(wěn)態(tài)和短期暫態(tài)特性監(jiān)測的寬頻大量程電壓、電流監(jiān)測終端，解決現(xiàn)場取能、對時、非侵入式安裝等關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖2 電壓電流寬頻多級同步量測Fig. 2 Voltage and current broadband multi-stage synchronous measurement

采用多級部署的技術(shù)，關(guān)鍵攻克同步的寬頻的非接觸量測技術(shù)。含大規(guī)模分布式能源配電系統(tǒng)波動及功率的提前動態(tài)感知，基于動態(tài)感知的電氣量及非電氣量信息，通過人工智能算法，實現(xiàn)電壓、功率、頻率等的態(tài)勢感知。

2.2 基于配電網(wǎng)態(tài)勢的多級電壓控制

大規(guī)模分布式能源接入后，傳統(tǒng)的調(diào)壓方式難以滿足分布式能源高滲透接入的電壓運行要求，部分地區(qū)出現(xiàn)過電壓等問題。

如圖3 所示，通過在分布式式能源低壓、中壓、高壓并網(wǎng)點等多處安裝態(tài)勢感知控制裝備，實現(xiàn)配電網(wǎng)多層級的電壓態(tài)勢及功率波動的感知。協(xié)同考慮就地信息和全局信息，提出考慮多類型手段協(xié)調(diào)的配電網(wǎng)自適應(yīng)多級電壓控制方法，解決分布式能源接入后復(fù)雜多樣運行場景下的電壓越限問題。并通過基于配電網(wǎng)電壓態(tài)勢的多場景自適應(yīng)無功-電壓多級控制技術(shù)，實現(xiàn)大規(guī)模分布式能源協(xié)同主動電壓支撐。

圖3 基于配電網(wǎng)態(tài)勢的多級電壓控制Fig. 3 Multilevel voltage control based on distribution network situation

2.3 基于配網(wǎng)態(tài)勢的分布式資源頻率和慣量主動支撐

如圖4 所示，考慮分布式電源、儲能及柔性負荷的實時互補協(xié)同，研發(fā)具備分布式協(xié)同功能的終端，解決分布式資源有功和頻率支撐過程中多資源實時協(xié)同難題。如式（1）所示，根據(jù)當前電力系統(tǒng)功率、頻率、頻率變化率的態(tài)勢，計算各可調(diào)節(jié)資源的系數(shù)，并下發(fā)至安裝于“站線變戶”處的態(tài)勢感知控制與保護裝備，實現(xiàn)多時間尺度多維度的實時閉環(huán)協(xié)調(diào)控制。

圖4 分布式資源頻率和慣量主動支撐Fig. 4 Distributed resource frequency and inertia active support

式中：P、f、df/dt分別為當前電力系統(tǒng)功率、頻率、頻率變化率的態(tài)勢；a（j）、b（j）、c（j）為電力系統(tǒng)功率、頻率、頻率變化率的調(diào)節(jié)系數(shù)；ΔPjSACUi為第j個SACUi的調(diào)節(jié)量，KLoc=1 表示當前為就地模式；KLoc=0 表示當前為遠方控制模式，此時調(diào)節(jié)量由主站統(tǒng)籌全局信息計算后下達。

2.4 基于故障態(tài)勢的診斷與精確定位技術(shù)

新能源發(fā)電具有隨機性、波動性、間歇性等固有特征，將會引起潮流分布不均，電壓波動及越限、消納困難等問題。傳統(tǒng)繼電保護裝置和配電自動化系統(tǒng)在故障識別和精確故障定位方面面臨巨大挑戰(zhàn)。亟需開展配電網(wǎng)態(tài)勢感知及自適應(yīng)故障處理技術(shù)研究，提高公司的配電網(wǎng)監(jiān)視智能化水平，實現(xiàn)高可靠、高精度及經(jīng)濟性故障處理。

如圖5 所示，通過高精度時間同步實現(xiàn)的廣域相量測量，提出融合泛在感知信息、時頻域信息及暫態(tài)行波信息的故障精確定位方法，解決故障精確定位難題。基于態(tài)勢感知傳感器廣域行波與同步量測的故障處理理論與技術(shù)體系，降低用戶停電時間，提升配電網(wǎng)供電可靠性。

圖5 基于故障態(tài)勢的診斷與精確定位Fig. 5 Diagnosis and precise location based on fault situation

圖6 為示范工程現(xiàn)場安裝的SACU 裝置獲取的毫秒級的相量及微秒級的采樣數(shù)據(jù)，可以滿足故障診斷與定位的數(shù)據(jù)需求。

圖6 現(xiàn)場故障時毫秒級相量數(shù)據(jù)及微秒級采樣數(shù)據(jù)Fig. 6 Millisecond phasor data and microsecond sampling data during field fault

3 方案初步驗證

3.1 仿真測試平臺

為測試和校驗態(tài)勢感知控制與保護裝備及應(yīng)用的性能和效果，在穩(wěn)態(tài)方面，搭建同步相量測試平臺如圖7 所示，開展了精度和響應(yīng)性能的測試；在動態(tài)方面，搭建動模測試平臺如圖8 所示，開展協(xié)調(diào)控制及故障定位的測試；在暫態(tài)方面，搭建行波測試平臺如圖9 所示，開展行波故障定位的測試。各測試平臺相互補充，可以有效驗證和提升態(tài)勢感知技術(shù)在新型配電系統(tǒng)應(yīng)用的效果。

圖7 同步相量測試平臺Fig. 7 Synchronous phasor test platform

圖8 動模測試平臺Fig. 8 Dynamic simulation test platform

圖9 行波測試平臺Fig. 9 Traveling wave test platform

3.2 示范工程現(xiàn)場情況

傳感方面，開展磁電阻高精度、寬頻、大量程、同步電流測量研究，實現(xiàn)經(jīng)濟性及帶電安裝。終端方面，在手機面積大小的終端上實現(xiàn)同步相量、同步波形及同步行波的監(jiān)測。

圖10 SACU現(xiàn)場安裝情況Fig. 10 Site installation for SACU

故障精確定位方面，通過兩端定位的行模行波，驗證算法的準確性，定位到故障區(qū)間，再由傳感器進一步縮小故障區(qū)間。

在線路AB兩端分別安裝同步量測終端，AB兩端的距離為6 km，通過兩端終端的行模行波波頭時間差如圖11 所示，分析出故障位置在A 端上游，通過現(xiàn)場捕捉的行波時間信息，計算AB 的距離與實際距離誤差在300 m 以內(nèi)如表2 所示，驗證了故障定位的精度以及故障定位方案的可行性。

圖11 示范工程現(xiàn)場獲取的行波信息Fig. 11 Traveling wave information obtained at the demonstration project site

表2 AB兩端獲取的行模行波的時間Tab. 2 Time of row mode traveling wave obtained at both ends of A and B

4 結(jié)語

隨著國家大力推進新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，配電網(wǎng)在應(yīng)對分布式能源全面消納和保障自身安全可靠方面面臨諸多挑戰(zhàn)。配電網(wǎng)態(tài)勢感知、控制與保護等技術(shù)有助于推進新型配電系統(tǒng)建設(shè)。新型配電系統(tǒng)的態(tài)勢感知控制與保護技術(shù)大體上還處于研究階段，其中以同步量測為基礎(chǔ)的態(tài)勢感知、電壓支撐、頻率支撐、慣量支撐以及故障處理等技術(shù)均有待進一步突破。本文對配網(wǎng)態(tài)勢感知技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了分析，并介紹了研究方案與構(gòu)想，并進行了初步驗證，以期為后續(xù)的技術(shù)研究、裝備研制和示范工程建設(shè)提供借鑒。