广域同步测量技术在智能电网保护与控制中的应用

王　亮，裘愉涛，李　力，方愉冬，李园园，胡铁军(.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京0；.浙江省电力公司，浙江杭州3007)



广域同步测量技术在智能电网保护与控制中的应用

王亮1，裘愉涛2，李力1，方愉冬2，李园园1，胡铁军2
(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京211102；2.浙江省电力公司，浙江杭州310072)

摘要：以同步相量测量装置为基础构建的广域测量系统不断扩大和完善，为电力系统的观测提供了重要的数据支撑。随着智能电网建设的不断推进，对同步相量测量的实现方式及其应用提出了许多新的思路，这些思路都是来自于现实应用的需求，但总体上呈发散的状态，没有统一的原则。文中建立了时—空协调分析的原则，从系统能观和能控2个方面，对广域同步测量的物理条件和协议支撑进行了深入地分析，提出了广域同步测量技术在智能电网中的实现方式以及电网保护与控制中的应用。

关键词：广域测量；智能电网；同步相量

同步相量测量技术在现代电力系统中已大量应用，测点分布广泛的PMU装置通过以太网构成了广域测量系统（WAMS），所采用通信协议主要是基于IEEE C37.118。IEEE C37.118标准起源于IEEE 1344—1995，2001年做过修订，随后被IEEE C37.118—2005替代，该标准对电力系统同步相量的定义、测量、测试、传输进行了规范和描述。2011年标准被拆分为2部分，第一部分IEEE C37.118.1主要对同步相量的定义、测量、测试进行了描述；第二部分IEEE C37.118.2对同步相量数据传输协议进行了描述，规定了WAMS，PCD，PMU之间数据交换协议，大部分的同步相量数据交互都是基于这一标准。随着智能变电站建设的不断推进，IEC又推出了适用于同步相量传输的IEC 61850-90-5技术标准，描述了在IEC 61850体系内同步相量数据传输以及在保护控制方面应用的相关内容[1-3]。

同步相量数据的获取以及应用研究由来已久，许多文献都对此进行了有益的探讨[4-9]，特别是智能变电站建设进程中出现了许多PMU与其他IED设备相互融合应用的技术方案和实践探索[10，11]，例如多功能测控装置附带PMU功能，基于同步相量的广域低频振荡解列系统、基于PMU的广域阻尼控制等应用，这些应用大多是现实需求驱动下做的探索工作，尚未找到一种主流的应用方向或领域，一方面是同步相量数据在保护控制方面应用的研究尚待拓展，另一方面广域的同步相量数据在现有的保护控制体系中的作用有限。现代电网保护和控制方案非常复杂，这是由大电网的复杂性决定的，各种保护控制方案都有所针对并遵循着各自的理论和实践体系，从微观的角度看各专业之间呈现明显的差异，但从宏观的角度看，保护控制各专业在电网中的应用自觉或不自觉都遵循了同样的规律，即时间和空间协调配合的规律。具体来说，继电保护装置的保护范围、自动装置的动作顺序、三道防线的协调配合，各种调控手段都是在时间尺度和空间尺度上有所针对并相互配合。因此，可以从时空协调配合的角度来进行观察，研究基于同步相量数据的保护控制措施其可能作用的时间、空间尺度是什么，研究实现控制目标所依赖的物理条件是什么，从而确定其在保护控制上应用的可行性（这里的同步相量数据是指IEEE C37.118.2中包含的相量、频率、频率变化率模拟量等数据）。

1　同步相量数据时空尺度分析

能观性和能控性是现代控制理论中最重要和最基本的概念，也适用于电力系统。以电力系统能观性与能控性为目标，以安全效益、经济效益、社会效益以及环境效益等因素为约束条件，在基于时间、空间、任务3个维度上分析同步相量数据所涉及的时空范围[12，13]，如图1所示。

图1　同步相量数据的时空分析

（1）时间维。电力系统的变化过程在时间尺度上有快慢之别，在变化顺序有先后之别，对此实施的观测和控制可以归属到时间维度的问题；

（2）空间维。从变电站的过程层开始到整个互联的电网构架，其一二次设备的安装、分布、厂站的地理布局、互联的形式可以归属到空间维度的问题；

（3）任务维。电力系统的能观性与能控性是最终的任务，同时考虑安全效益、经济效益、社会效益和环境效益等约束条件，自动进行多约束条件、多空间维度、多时间尺度的观测和控制。

由同步相量数据的特点可知，在时间尺度上同步相量数据是在工频周波级别上观察电力系统，在空间尺度上，其范围可覆盖整个互联的大电网。因此，理论上同步相量数据可用于在20 ms的尺度、整个网络范围内的保护和控制应用，但受到具体条件的影响或约束，并不是所有这个时空尺度的控制都适合用基于同步相量数据来完成。

2　实现保护与控制的条件

利用广域同步测量技术实现保护与控制应用涉及到多方面的内容，包括适用的保护控制原理等，但本文重点讨论必须具备的基本条件，从数据的来源、传输协议、通信条件这3个方面进行阐述，只有具备了这3个方面的条件才有可能实现保护和控制的目的。

2.1同步相量数据来源

同步相量数据的主要来源是PMU，其数据具有如下核心特征：一是具有全网同步时间标签；二是失去同步时钟后有一定守时能力；三是可通过网络进行大范围的交换。很多的IED设备都具备条件提供此特征的数据，例如接入卫星同步时钟源的保护、测控、稳控装置都可以计算出同步相量数据，通过以太网进行数据交换，实施基于同步相量数据的保护和控制功能。一些国外的保护装置已经实现了这一功能，并以此为基础形成了完整的保护控制体系。

2.2同步相量数据传输协议IEEE C37.118.2

IEEE C37.118.2规定了PMU可以和主站交换的4种类型信息：数据帧、配置帧、头帧和命令帧。数据帧是PMU的测量结果；配置帧描述PMU发出的数据转换因子和元数据信息，是可以被计算机读取的格式。头帧由使用者提供，是人可直接识别的文本内容。命令帧是计算机读取的信息，它包括PMU的控制、配置信息。所有的帧都以2个字节的SYNC字开始，其后紧随2字节的FRAMESIZE字，2字节IDCODE字，4字节的SOC时标和4字节的FRACSEC时间品质和秒等分，中间是数据部分，所有帧以CRC16的校验字结束。所有帧的传输都没有分界符。SYNC字首先传送，校验字最后传送。多字节字最高位首先传送，所有的帧都使用同样的次序和格式。该标准仅定义数据帧、配置帧、头帧和命令帧，以后可以扩充其他的帧。这里就其中的数据帧和命令帧作一个简要介绍，其他相关细节可参考具体标准内容。数据帧包含测量信息，数据帧和命令帧的具体格式如表1、表2所示的定义。可以看出，这些帧结构能够满足保护、控制所需的内容要求。

表1　数据帧的结构

表2　命令帧结构

2.3通信通道时延等特点分析

电力系统的电压、电流相量，通过广域测量系统传输和交换，先后要经过传感器、同步采样、相量计算、数据封装、通信模块、通信链路等环节，每一个环节都会产生延迟。由于传感器、采样、计算、通信模块的延迟相对固定，这里不做重点讨论，本文重点讨论广域IP网络中的链路和节点之间进行数据传输产生延迟。不同PMU通信链路、通信延迟如表3所示。研究表明在100 Mbit/s以太网内，不经IP路由，从PMU装置到主站通信前置一般延迟为1 ms左右，且延迟较为固定，通信品质很好。

在某省电力公司155 Mbit/s的SDH数字微波电路和光纤为媒介的省级ATM交换网（核心网622 Mbit/s，骨干网155 Mbit/s），多个PMU子站通过2 Mbit/s的带宽连接与WAMS主站连接[14]。

对于同步相量实时传输的通信链路，一般情况通信流量占带宽的25%以下，网络实时性好，可认为空闲，超过25%以上，网络实时性下降，可认为繁忙。上述统计表明通信业务繁忙的1和6通信延迟明显较差，与实际情况相符，通信链路不能独享是造成延迟不确定性的主要原因。对于单个PMU在不同条件下的测试结果如表4所示。

表4　通信链路不同时段的PMU通信延时

研究表明，若要获得稳定的延时品质，必须提供独享的通信链路。

2.4IEEE C37.118在IEC 61850的实现

随着智能电网建设的深入开展，基于IEC 61850过程层总线的智能变电站大量投入，对传统变电站的广域测量和控制实现方案提出了许多挑战，需要实现SMV和GOOSE的接收和处理。当前PMU、数据集中器在智能变电站应用的系统框架如图2所示。智能变电站内，PMU应支持接入合并单元和智能终端，接收SV报文和GOOSE报文，获得电压、电流同步采样值和带同步时间的开关量；计算出的电压相量、电流相量、有功功率、无功功率、频率、频率变化率等数据；应支持向数据集中器PDC、变电站监控系统、主站系统等客户端提供数据服务。

智能变电站PMU通信协议如图3所示。根据不同的应用需求，智能变电站的同步相量通信应有选择地支持以下几种服务。

2.4.1变电站内的通信

（1）PMU与过程层设备（合并单元、智能终端）之间的通信遵循DL/T 860中关于SV，GOOSE规定的内容，对应于图3中的①，②；

（2）PDC与站控层之间的通信遵循DL/T 860中关于MMS规定的内容，对应于图3中的③；

图2　智能变电站WAMS系统信构架

图3　智能变电站PMU通信协议

（3）PMU与PDC之间的通信遵循GB/T 26865.2—2011中规定的内容，对应于图3中的④。2.4.2变电站与主站之间的通信

PDC与主站之间的通信遵循GB/T 26865.2—2011中规定的内容，对应于图3中的④。

可以看出，当前同步相量数据的传输仍旧采用传统的IEEE C37.118.2的协议，虽不是完全意义上的IEC 61850实现，但是能满足现实需求。随着IEC 61850-90-5的不断推进，提出了新的实现方案，其核心思想是SMV和GOOSE数据通过IP交换实现站间通信。要实现IEEE C37.118到IEC 61850的映射，本质上是实现相量数据、事件数据的站间传输，而现有的IEC 61850体系对实现站间交换的支持不充分。

因此，IEC 61850-90-5中定义了Sampled Values over IP Control Bloc。R-MSVCB和GOOSE over IP Control Block: R-GOCB，这些新的控制块与原来的MSVCB，GOCB十分近似，但在安全和UDP的支持方面补充了新的属性。R-MSVCB用来实现等间隔相量、模拟量数据的等间隔传输，R-GOCB用来实现事件、命令的交互。IEEE C37.118体系中的CFG1（PMU能提供的全部数据）和CFG2（主站从CFG1中选取订阅的数据）由IEC 61850体系中的动态数据集方案来实现。这样就完成了IEEE C37.118到IEC 61850的基本映射。可以看出，基于IEC 61850-90-5实现方案面临着网络通信以及安全等方面的挑战，仍然有许多工作要做。

3　广域同步测量在保护和控制的应用领域

（1）检同期。PMU把同步相量数据发送给同期检查继电器，继电器利用这些数据判断两侧的电压相角足够接近，确保合闸时对断路器不造成损害。

（2）自适应继电器。PMU把同步相量数据发送给具有保护监视功能的系统，收到数据的设备利用这些信息调整保护参数和定值，根据真实系统的配置做出优化的动作策略。这类应用一般在对动作速度要求低的领域使用。

（3）失步保护。2个或多个PMU的数据被送到失步判别控制器，用以判断两个变电站或系统之间的失步情况。通过相角和频率的测量判断功角的加速或减速以采取相应的措施。

（4）状态预警。PMU数据被送到调度控制中心进行振荡或断面负荷极限的判断，通过与预先设定的策略比较进行状态预警，提醒调度人员采取措施。

（5）状态估计和在线安全评估。PMU数据被送到调度中心的状态估计和安全评估系统，状态估计确定电网的电压和潮流，安全评估利用状态估计以及各种标准确定故障风险。状态估计利用PMU数据作为SCADA数据的一个补充。

（6）稳定控制。PMU数据被送到变电站的控制设备、调度中心或其他合适的设备。这些数据可以直接发送给控制设备或经过数据集中区转发。控制设备基于测量数据按照预先设定的策略采取措施。这些控制功能可包括：电容器、电抗器投切，切机、切负荷，SVC阻尼控制。甚至除了包含传统的广域控制外，还可以进行其他更加复杂的基于响应而非预定策略的控制措施。

（7）频率电压紧急控制。当发送非常严重的故障时，例如断面断开，机组跳闸等情况会导致变压器或线路过载、发电和受电断失去平衡，利用广域的测量、保护控制系统的数据进行切机、切负荷的措施维护电网的安全和稳定。

4　结束语

本文以保护与控制时—空协调的原则为出发点，从能观和能控2个方面分析了广域测量应用于保护、控制领域应具备的基本条件。研究表明，在采用专用通道的条件下，广域同步相量测量适用于20 ms时间尺度、整个广域电网的保护和控制；在采用广域IP交换网络且通道延时不确定的条件下，适用于实时性要求不高的整个广域电网的保护与控制应用。可以看出，通信是广域保护与控制实施的关键因素。

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王亮（1973），男，江苏盐城人，高级工程师，研究方向为电网安全稳定控制；

裘愉涛（1967），男，浙江杭州人，高级工程师，从事继电保护专业管理和技术管理工作；

李力（1970），男，福建福州人，研究员级高级工程师，从事继电保护产品研制与开发工作；

方愉冬（1977），男，浙江杭州人，高级工程师，从事继电保护专业管理和技术管理工作；

李园园（1974），女，河南济源人，高级工程师，研究方向为继电保护及电网安全稳定控制；

胡铁军（1975），男，浙江杭州人，高级工程师，从事继电保护专业管理和技术管理工作。

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

作者简介：

收稿日期：2015-10-15；修回日期：2015-11-29

中图分类号：TM933

文献标志码：A

文章编号：1009-0665（2016）02-0043-04