电力系统同步向量测量单元测试方法设计

2021-09-23杨彦波朱建军

宁夏电力 2021年4期

杨彦波，朱建军

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏银川 750011； 2.国网宁夏电力有限公司，宁夏银川 750001)

0 引言

随着电力系统的不断发展，监控和数据采集系统(supervisory control and data acquisition, SCADA)已经不能满足稳定监控的要求，基于同步向量测量单元(phasor measurement unit,PMU)的广域测量系统(wide area measurement system，WAMS)成为了电网稳定监控的有效技术手段[1]。PMU因其所测量的同步向量在电网故障定位、潮流计算和控制策略仿真等方面的重要作用得到了大面积的配置应用[2]，已成为电力调度自动化系统必要的组成部分[3]，文献[4]对并网发电厂PMU子站运行管理作出了明确要求。PMU单元的测量精度和传输可靠性不仅关系到电网安全稳定监控分析，而且还影响电力系统调度管理工作，因此，开展电力系统PMU测试研究工作具有客观必要性。

目前，电力系统PMU子站测试工作基本还是以交流采样静态测试为主，鲜有对运行数据动态变化过程和传输的可靠性测试进行评估，研究多集中在基于PMU的算法及应用设计上[5-7]。如何对动态变化过程的交流采样精度和通信规约进行测试，是当前亟待解决的问题。依据文献[8-10]，设计出1种PMU子站测试方法，对动态交流采样精度和传输通信规约进行测试，并首次成功在宁夏某发电厂PMU子站开展应用测试，为该项工作的进一步研究奠定了基础。

1 WAMS系统结构

图1为典型WAMS系统架构。WAMS作为电网动态测量系统，兼顾了SCADA系统和故障录波系统功能，其前置单元PMU子站能够以数百赫兹的速率采集电流和电压信号，通过计算获得测点的功率、相位、功角等信息，并以每秒几十帧的频率向主站发送。PMU通过全球定位系统(global positioning system，GPS)对时，能够保证全网数据的同步性，时标信息与数据同时存储并发送到主站，调度人员可以通过WAMS系统实时监控电网动态过程。

图1 典型WAMS系统架构

2 PMU测试方法设计

2.1 PMU子站通信连接结构分析

根据电源节点或智能变电站PMU子站设计安装图纸，确定PMU测试开展过程中时钟选取方式。按照文献[8-10]测试要求，确定动态精度测试仪器连接方案及后台模拟调度控制中心WAMS主站接入方法，确保测试不会对正常运行PMU子站工作及调度实时数据网络连接造成影响。

2.2 PMU子站动态精度测试设计

动态测试考虑到实际运行中频率变化对电压、电流幅值和相位的影响，电压、电流幅值及相位三相不平衡，幅值频率调制过程、电压幅值相角阶跃过程及频率阶跃过程对测量精度的影响，设计了5项动态精度测试项目。

2.2.1 幅值、相位随频率变化误差测试

将装置各三相电流和电压回路加入1.0In和1.0Un，无谐波分量，对称三相测试信号，在额定电压、电流条件下，分别选取45，49，51，55 Hz 4种频率，对电压、电流幅值和相位进行测量。

2.2.2 电压、电流幅值相位不平衡测试

将装置各三相电压回路加入1.0Un,50 Hz,无谐波分量，相位对称三相测试信号。

1)C相电压幅值测试点选取为0.8，1.2Un，检查装置输出的三相电压和正序电压的幅值和相位。

2)保持A相电压相位0°，B相电压相位-120°，C相电压相角选择120°，210°，300°。检查装置输出的三相电压和正序电压的幅值和相位。

3)Ua，Ub,Uc电压幅值为1.0Un。Ic，Ib电流幅值为1.0In。Ia电流幅值分别取0.8In和1.2In。测试三相电流幅值相角误差。

4)保持A相电流相位0°，B相电流相位-120°，C相电流相角变化范围为120°，210°，300°。检查装置输出的三相电流和正序电流的幅值和相位。

2.2.3 幅值频率调制测试

输入装置三相正序额定电压，基波频率选取49.5，50，50.5 Hz。

1)幅值调制量为10%Un，频率调制选取0.1，2.0，4.5 Hz。

2)调制周期分别为10，2.5，1，0.5 s，调制信号的幅度为0.5 Hz。

2.2.4 电压幅值相角阶跃测试

将装置三相电压或电流回路加入1.0Un或1.0In，无谐波分量、对称三相测试信号。

1)以额定幅值的10%阶跃变化，装置输出相量幅值的跃变时刻(即达到阶跃量的90%)的延时应不超过30 ms。

2)任意起始相位角，先保持恒定，然后突变90°。装置输出相角的跃变时刻(即达到突变量的90%)的延时应不超过30 ms。

2.2.5 频率阶跃测试

输入额定频率，先保持恒定，然后突变0.5 Hz。装置输出频率跃变时刻(达到突变量的90%)的延时应不超过60 ms。

2.3 通讯规约测试设计

依据文献[8]要求，通过在PMU数据集中器出口模拟调控中心主站，远程控制测试仪输出实现通信规约测试。

2.3.1 初始化过程测试

测试装置在结束与主站的通信过程后，重新进入下一次数据服务准备完毕状态，为一次通信的初始化过程。通信初始化时间应不长于5 s。

2.3.2 同步相量测量装置发送CFG-1、CFG-2文件检测

连接装置成功后，向装置发送CFG-1、CFG-2请求。如果超时时间内得到CFG-1、CFG-2文件报文，则测试成功，否则测试失败。

2.3.3 主站下传CFG-2文件检测

测试系统先下发“下载CFG-2文件命令”，并等待接收装置反馈“肯定确认”。如果超时时间内未收到“肯定确认”，则本次测试失败。接收到“肯定确认”后，以CFG-1为模板生成CFG-2文件并下发到装置中。最终再下发“发送CFG-2文件”命令，查询装置的CFG-2文件，并且对下载CFG-2文件与查询的CFG-2进行对比。如果对比一致，则测试成功，否则测试失败。

2.3.4 打开、关闭实时数据检测

测试系统发送“打开实时数据”命令或“关闭实时数据”命令，在超时时间内，如果收到实时数据，测试成功，否则测试失败。

2.3.5 实时数据传输速率整定检测

测试系统选择50帧/s实时数据传输速率。在该速率下系统会生成对应速率的CFG-2文件并下载至装置中。系统向装置发送“打开实时数据”命令后，等待并接收3 s的实时数据后，再发送“关闭实时数据”命令。计算接收到的实时数据报文条数。如果报文数≥速率×3，则测试成功；否则测试失败。

2.3.6 否定性检测

测试系统向装置下载错误的“CFG-2”文件，即分别改变为“错误的IDCODE”和“与CFG-1配置项不符”。发送成功后，如果装置反馈了“否定确认”且没有其他行为，则认为测试成功。

3 现场测试验证

3.1 测试环境分析

某并网发电厂2台机组PMU子站共用1个显示屏柜，经交换机通过光纤传送至网控室，与线路侧PMU子站一起由PMU数据集中器，通信至调度实时数据加密网，分别上传到西北调控中心和宁夏调控中心WAMS系统。机组PMU与网控室距离约500 m，现场测试仪接入机组PMU。在停机状态下，通过模拟WAMS主站连接在PMU数据集中器，远程控制PMU测试仪输出，并采集集中器输出进行比较，测试过程中机组PMU和测试仪共用外接的同步时钟来保证时间同步，现场测试连接如图2所示。