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基于同步仿真控制系统的广域测量系统现场检测方法

0 引言 广域测量系统(WAMS)为大区域互联电网的 安全稳定运行提供了重要的数据基础,在北美、法国 及中国大部分区域的电网公司都已安装该系统_1 ]。 但在WAMS实际应用过程中也发现不少问题,主 要有传输通道的故障问题、同步相量测量单元 (PMu)上传信息格式不统一问题、不同厂家PMu 越限指标不一致问题等。而wAMS的实验室检测 基本上都是在传输通道极度简化、PMU数量及生 产厂家单一化、主站后台简单化的情况下进行的,无 法模拟现场的实际情况,也就无法发现这些问题。 同时无法做到现场安装的每台PMU都在实验室进 行过检测,因此,开展在实际应用环境中wAMS系 统现场检测,对提高电网的稳定性具有十分重要的 意义。由于缺少能够直接应用于现场的WAMS检 测装置及检测方法,导致wAMS在实际运行中的 测量数据及功能的可靠性无法保证,极大制约了 WAMS作用的发挥。文献E4]设计了一种实验室测 试平台,用于WAMS的稳态及暂态性能评估,但是 由于所采用的标准设备CMC256p!us Omicron测试 仪与全球定位系统(GPS)时钟存在约一7.5。~9.5。 的相移错误,影响了平台测试效果。 本文提出了一种基于同步仿真控制系统的 WAMS现场检测方法,通过同步仿真控制系统实现 收稿日期:2012-03—19;修回日期:2012-04-25。 国家电网公司科技项目(201150605);江西省科学技术厅项 目(201IZBBE50017);已申请发明专利(专利申请号: 20120047132.0,201220070198.7,201210047147.7)。 一9O — WAMS的单点同步检测和多点同步检测,使其根据 GPS时钟同步控制输出稳态三相交流信号量值、暂 态信号量值、故障模拟信号量值等,实现WAMS稳 态及暂态性能的现场检测。 1 同步仿真控制系统构架及其实现 同步仿真控制系统由多台同步相控仿真装置及 仿真控制中心构成,如图1所示。仿真控制中心通 过无线方式传输测试指令和数据,多点分布的同步 相控仿真装置接收测试指令后,按要求在GPS时钟 信号的控制下输出三相交流仿真信号到PMU,模 拟各种实际运行工况,进行同步仿真测试。 tGPS Y无线 L_f丽 通信 l仿真装置l cGPS Y无线 L_r面 通信 l堕塞墨墨l fGPS Y无线 L_f 通信 I控制中心I 图1 同步仿真控制系统 Fig.1 Synchronous simulation and control system 1.1 同步相控仿真装置 同步相控仿真装置的结构如图2所示。图2 中,控制模块通过人机接口或者无线通信模块接收 测试指令,根据测试指令的要求和GPS模块提供的 协调世界时(UTC)时钟,控制同步数字信号频率源 输出同步交流信号量值;同步数字信号频率源在接 收到控制信号后,读取存储器中存储的交流信号每 个采样点的幅值,形成离散交流频率信号,经过数模 信号转换输出模拟小信号,同时获取GPS模块 万方数据·研制与开发· 裴茂林,等 基于同步仿真控制系统的广域测量系统现场检测方法 UTC时钟输出作为模拟信号的时标;然后将模拟小 信号输入高速功率放大器模块进行信号快速放大, 并用高速采样模块形成反馈稳定信号,最终通过输 出接口实现同步三相交流模拟信号输出。 图2 同步相控仿真装置结构 Fig.2 Structure of synchronous phase control instrument 同步相控仿真装置完全能满足Q/GDW 416- 2010E 中关于测试设备性能及指标的要求。 1.2 同步测试控制中心 同步测试控制中心由硬件和软件组成,其硬件 主要由基准时钟模块、无线通信模块、同步测试控制 模块及输入/输出(I/O)接口4个部分构成,结构如 图3所示。 图3 同步测试控制中心硬件结构 Fig.3 Hardware structure of synchronous test control center 同步测试控制中心的软件部分包括测试控制程 序、无线通信程序、测试结果计算及报告处理程序, 主要完成同步测试项目的制定、测试控制数据的传 输、实际仿真结果的获取与计算功能。 2 WAMS现场检测实现方案 2.1 WAMS现场检测内容 从系统设计角度出发,wAMs的设计包含4个 基本要素:数据、平台、应用和性能指标 ]。从 WAMS构架角度出发,WAMS现场检测主要内容 包括:PMU性能检测、PMU功能检测、传输通道及 WAMS平台检测、WAMS应用功能检测。 2.1.1 PMU性能测试 1)静态精度测试 PMU的静态精度测试包括电流和电压的幅 值、频率、绝对相角及发电机功角测量精度的测试、 谐波对测量精度的影响试验。其中,同步相控仿真 装置通过模拟键相脉冲信号输出,实现PMU功角 测量精度的测试。 采用同步相量矢量误差E-r、, 表征PMU对于相 量幅值测试的误差 ],其计算方法表示为: 一 /(X (to)一X ) +(X。(t0)一X。)。 /Y-"TVE一√————■再干 ———一 (1) 式中:x 和x.分别为测试信号相量的实部和虚部; X ( )和Xi( 。)分别为PMU测试结果相量的实部 和虚部。 2)动态精度测试 PMU的动态精度测试项目包括电压、电流、频 率、相角突变测试及低频(调幅、调频)振荡测试,用 以检测PMU在系统发生各种突变或者复杂信号下 的响应特性,保证PMU的动态精度能满足规范的 要求。 2.1.2 PMU功能、传输通道及WAMS后台检测 PMU功能检测项目包括PMU触发启动测试、 传输规约测试、WAMS平台及PMU运行监测功能 检查、报文格式测试、实时记录功能检查等。 传输通道及WAMS后台检测主要包括传输通 道时延检测、传输正确性检测、wAMS平台显示正 确性检测。 2.1.3 wAMS应用功能检测 由于WAMS在广域控制保护系统(WACS)、 电压和频率稳定监视及控制、低频振荡分析及抑制 等方面都得到了广泛的应用 ],而且WAMS的应 用分析功能都基于多点PMU数据进行分析判断, 因此,需要通过多点同步模拟实际运行故障情况,检 测wAMS的应用功能。其检测内容包括多点单相 短路故障、多点三相短路故障、多点区域低频振荡、 多点区域电压失稳等。 2.2 WAMS现场检测实现方案 根据WAMS现场检测内容,本文提出了单点 同步检测方法和多点同步检测方法,通过这2种检 测方法实现WAMS的现场检测。从功能上而言, 多点同步检测可以实现单点同步检测的内容,但是 相对复杂。 单点同步检测方法用于PMU的静态精度测 试、动态精度测试、传输通道及WAMS后台检测 时,其主要通过同步相控仿真装置直接测试实现。 同步相控仿真装置作为高性能标准源,直接输出三 相电压、电流、开关量至被测的PMU,并采集PMU 的输出,通过比较获得测量结果。 基于同步仿真控制系统的多点同步检测,是以 GPS时间为时间基准,通过同步测试控制中心远程 控制分布在多个节点的同步相控仿真装置,在统一 时间断面,同步输出二次侧交流仿真信号,模拟各种 实际运行工况,对不同地点分布的PMU进行同步 一91 — 万方数据电 力 系 统 自 动 仿真测试,实现对WAMS应用功能检测。 2.2.1 单点同步检测方法 单点同步检测的依据为Q/GDW 416—2Ol0[ ] 和Q/GDW 131—2O06《电力系统实时动态监测系 统技术规范》。 1)PMU的静态精度测试实现 静态精度测试利用同步相控仿真装置输出的高 精度带时标、参数可控的三相交流电流、电压信号, 与PMU在该时刻点的测量值进行比较,获得PMU 的测量精度。 2)PMU的动态精度测试实现 同步相控仿真装置采用了与传统变压器输出方 式不同的高压集成运算放大器构成的高速功率放大 电路,并使用16位四象限高速乘法器作为采样芯片 使同步相控仿真装置的输出具有精度高、频带窄、线 性度好、响应速度快的特点,其可以输出多种突变信 号,具有满足阶跃响应试验的能力和波形复现功能, 可实现对PMU的动态精度测试。 3)PMU功能、传输通道及WAMS后台检测 实现 PMU功能检测由同步相控仿真装置输出的不 同要求的信号,与同时接收的PMU上传显示的信 号对比即可实现。 传输通道的传输正确性及WAMS后台显示正 确性检测可以同时完成,其通过同步相控仿真装置 输出的幅值、频率、相位稳定的三相交流电流、电压 信号,与在通信前置机和wAMS后台分别采集的 PMU上传的信号进行比较即可完成。 根据文献E9-1o~,WAMS数据的延迟由PMU 延迟和传输通道延迟构成。由于PMU延迟固定, 而传输通道延迟动态变化,直接影响WAMS数据 通信的速度和可靠性, 由于同步相控仿真装置具有与GPS时钟同步 的三相交流信号输出功能,且同步精度能保证小于 20“S,因此,从通过同步相控仿真装置输出带时标 的相量值,到子站数据集中器接收到该数据的时间 差,即为PMU延迟;而子站数据集中器接收到该数 据的时间与WAMS主站端接收到该数据的时间 差,即为传输通道延迟。 2.2.2多点同步检测 多点同步仿真测试可以模拟系统发生区域多点 低频振荡、多点单相接地故障 多点三相接地故障、 多点金属性瞬时故障及多点单相永久性故障,测试 WAMS对故障发生的事件识别及正确分析处理的 能力。多点同步检测示意图如图4所示。 省调度中心 发电厂 __1 I GPsI无线通信 嘀 __1仿真装置广 无线通信 变电站1 1 oPs A无线通信 I 丽 __1仿真装置I- 变电站3 变电站2 一通信线路;——电力线路 图4多点同步现场测试方法 Fig.4 Multi nodes synchronous test method on scene 2.2.3多点同步检测步骤 1)选择进行同步仿真测试的多个测试节点。选 择的原则为至少包括一个重要电源侧节点、多个电 网侧节点(最好与电源侧相连,连接较多支路)。仿 真控制中心可以布置在其中某个中心节点范围内, 或者能够监测数据的系统主站上。 2)建立通信连接。通信连接由控制中心发起, 通过无线方式建立同步相控仿真装置与同步测试控 制中心之间的点对点连接。如果通信中断发生在测 试触发之前,则可以更换无线网卡或者借用无线路 由器进行信号中继;如果发生在测试过程中,由于每 个节点测试数据都在本地有存储备份,只需要在测 试结束后以其他方式传输至同步测试控制中心。 3)开展系统对时工作,确保系统时间同步。其 包括GPS时间装置对时和指令通信对时,用以验证 各节点GPS时间装置的正确性,确定各节点间的指 令传输延时。 4)制定多点同步现场测试方案。同步测试控制 中心在仿真测试时间之前要向各个仿真节点下发各 点的测试方案,主要包括测试发起时间、不同时间断 面的低频振荡信号(通过信号调制方法实现)或者其 他故障波形信号(以电力系统暂态数据交换格式存 储)、测试结束时间等。由于各个节点的电力线路参 数不一致,因此需要通过实时数字仿真器(RTDs) 建模仿真提前获取各节点的故障波形,从而达到运 行故障模拟的最佳效果。 黼 一 ]通一控置 万方数据·研制与开发· 裴茂林,等 基于同步仿真控制系统的广域测量系统现场检测方法 5)实施多点同步现场测试。在测试过程中各个 节点的同步相控仿真装置自动执行本节点的仿真测 试内容,并将输出的测试数据传输到同步测试控制 中心,在所有节点完成仿真测试内容之后,同步测试 控制中心发布测试结束指令。测试过程中,如果某 个节点的同步相控仿真装置发生故障,必须重新开 始测试。最后与主站系统接收到的实际数据进行分 析计算比较,得到测试结果,完成整个测试。 3 WAMS现场检测方法的验证 3.1 单点同步检测的验证 单点同步检测可以通过现场检测直接验证,单 点同步检测示意图如图5所示。 WAMS主站 一一~一一一, 电力光纤通信网络l l网络连接 J网络连接 电压l开关I I电流 回路l信号1 l回路 同步相控仿真装置 无线网络 连接 图5单点同步检测示意图 Fig.5 Schematic diagram of single node synchronous test 3.2多点同步检测的验证 多点同步检测方法通过MATLAB建模仿真验 证。通过Prony算法分析低频振荡来模拟WAMS 应用,即以多点同步相控仿真装置输出的低频振荡 信号为测试信号,用Prony算法对多点同步测试信 号进行分析,从而确定算法分析的正确性。 MATLAB建立的仿真系统模型为一电厂通过 2回220 kV线路分别与对侧两变电站相连的区域 系统模型,如图6所示。 图6系统模型 Fig.6 System model 线路1和2的参数分别为:Z 一(5.47+ j30.54)Q;Z2一(28.37+j81.83)Q。 布置在电厂端的同步相控仿真装置输出的低频 振荡信号由信号调制产生,其表达式为: Y—lOe一。 sin(2 ×2t)+20e一。·。‘sin(2~×0.St) (2) 通过MATLAB仿真可得到对侧两变电站的低 频振荡信号。采用MATLAB提供的Prony算法工 具对发电厂端、对侧两变电站端的低频振荡信号进 行分析,采样频率为10 Hz,时间长度为20 S,数据 点数为200,初始阶数为60,辨识阶数为2,得到分 析结果如表1,图7一图9所示。表1中,模式1和 模式2分别对应式(2)等式右边第2和第1项式子。 表1 Prony分析参数 Table 1 Prony analysis parameter 菩 褰 。 时间/s 图7发电厂端原始数据和Prony拟合数据曲线 Fig.7 Curves of power plant original data and Pronyfitting data 1 菩 褰 - .1 图8变电站1原始数据和Prony拟合数据曲线 Fig.8 Curves of transformer 1 original data and Prony fitting data 图9变电站2原始数据和Prony拟合数据曲线 Fig.9 Curves of transformer 2 original data and Prony fitting data 从以上分析结果可知,Prony算法模拟的 WAMS应用能够正确识别多点同步相控仿真装置 输出的低频振荡信号,验证了多点同步检测的可行 性,说明其可以实现对WAMS应用的现场检测 功能。 万方数据2012,36(17) 电 力 拳 统 自 动 化 4 结语 本文以同步仿真控制系统为基础,提出单点现 场检测与多点现场检测方法,实现了wAMS稳态 及暂态性能的现场检测,并对WAMS现场检测方 法进行了验证,确定了方法的可行性 WAMS现场 检测对于区域互联电网的稳定、可靠运行具有十分 重要的意义。基于同步仿真控制系统的多点现场检 测方法还可以应用到广域保护系统、解列控制装置 等设备及系统的现场测试,具有广泛的应用前景。

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