Research on Voltage Sag Source-Locating System Design of Distribution Network Based on Synchronous Phasor Measurement

随着双碳战略目标逐步落地，清洁能源替代和电能替代将进一步推进^［1］。由此带来的广泛分布式能源和电动汽车等新型负荷的接入，使得“源—网—荷”角色定位和行为特征的界限趋于模糊，电力电子化程度逐步加深，系统运行特性发生着变化^［2-3］。配电网作为服务用户的“最后一公里”，其运行状态将直接影响到用户的用电可靠性和电能质量^［4］。

现有的电网SCADA系统无法对动态暂态事件进行有效监测，数据颗粒度一般只能达到秒级或分钟级。虽然能监测保存故障前后的数据，但所采集的数据实时性不强，无法有效对动态事件进行进一步的分析和高级应用^［5］。另外，配电自动化系统中的数据缺乏同步性，无法较好地对系统状态尤其是故障发生后的系统状态进行评估，也无法有效支撑电压暂降等电能质量问题的溯源。

现有电能质量监测装置一般安装在变电站或低压配网用户侧^［6］，中压线路侧布点不足，而且布点往往以投诉事件导向的“被动布点”为主，且一般为单点监测，无法支撑广域电能质量全态势感知。此外，部分电能质量数据没有同步时标，同样无法有效支撑电能质量问题分析、预警等高级功能。

面对新形势下配电网变化趋势和同步电能质量量测需求，亟需研究设计配电网同步相量与电能质量测量一体化体系和建设典型应用场景的示范工程。本文首先介绍了同步相量与电能质量测量一体化基本原理和技术架构设计方案，然后研究基于同步电能质量量测信息的配电网电压暂降溯源方法，最后介绍了广州某地区示范工程的设计方案。

同步相量测量是针对电压电流的正弦量大小和相位进行同步测量，如果无法确定同一的时间基准点，则无法有效实现测量的同步性。在统一的时间基准点下，测量所得的数据将被打上时标，数据之间可以直接进行对比。主网同步相量测量装置采用变电站内统一时钟基准信号进即可完成对时，但配电网环境复杂，分布广泛，受条件约束则需内置北斗/GPS授时模块进行同步对时^［7］。

北斗/GPS同步卫星每秒发射一个同步信号，信号接收器可以为设备提供1PPS脉冲信号，精度不低于±1 μs，对于国内电网50 Hz工频信号而言，相位误差不大于0.018，可以满足功角的测量需要。同步相量测量授时原理如图1所示。

Figure 1.  Timing principle of synchronous phasor measurement

离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）算法是目前同步相量测量广泛采用的测量算法之一。DFT算法首先在频域对非正弦周期信号进行分解，从而得到信号的基波分量和谐波分量，随后利用分解的分量信息对基波和谐波分量的相量进行计算。

快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）是在DFT的基础上发展而来的，是DFT的快速算法。FFT在同步相量测量的作用仍然是实现信号的基波分量和谐波分量的分解，FFT可有效减少算法的乘法次数，大幅降低计算量。但在同步测量时需对输入原始信号进行加窗处理，并对计算结果进行差值修正^［8］。

在同步相量测量和电能质量指标计算中，应用较为广泛的是DFT算法，且在计算上存在一定的相似性，在数据采样和数据初步处理环节存在共同步骤。因此，可以考虑将两者进行融合，减少重复环节，降低计算量。测量算法一体化测量示意图如图2所示。

Figure 2.  Measurement algorithm integration block diagram

测量算法一体化架构包含一体化采样、采样数据处理、同步相量/电能质量计算和暂态事件录波四部分。

采用一体化采样方式获得高频离散的电压/电流数据，可同时满足同步相量测量和电能质量指标计算的需要，可有效降低后续数据处理量。

对采样点数据依据实时电网频率进行波形重构，降低频谱泄露对算法精度的影响。

基于处理后的数据利用基波分量DFT算法，计算得到基波相量的实部与虚部，进而获得基波的幅值和相量。然后进行谐波分量的DFT算法计算，得到各次谐波的有效值。结合基波有效值计算结果可计算总谐波畸变率和各次谐波含有率。最后对剩余两相重复上述计算过程，计算三相电压不平衡度。

当发生暂态事件，算法能够准确地记录该事件，包括事件类型、事件发生时刻、发生相别、特征幅值、暂态发生持续时间等。

传统同步相量测量装置与电能质量测量装置存在相似的架构部分。测量装置一体化架构框图如图3所示。

Figure 3.  Measurement device integration block diagram

一体化量测装置构成一般包括模拟信号输入端口、模数转换芯片（A/D芯片）、一体化测量FPGA、一体化计算DSP、量测数据通信及显示控制ARM处理器、北斗/GPS同步授时模块、通信模块、存储模块等。

主要的公共硬件模块如下：

同步相量测量和电能质量测量都需要从电网侧提取离散电压/电流模拟信号，进而进行模数转换，进行下一步的各类数据计算。

同步相量测量和电能质量测量均需基于电压/电流信号进行DFT变换计算，两者计算存在重叠部分，且计算量较大。均需配置高性能DSP进行计算，因此可将两者计算模块进行一体化融合。

同步授时模块一方面是实现同步相量测量的必要条件。另一方面，可为电能质量测量数据和暂态时间录波数据打上同步时标。提高后续进行电能质量数据分析的可行性和有效性。

电压暂降溯源是指追溯电压暂降扰动源相对于监测点的相对位置。确定其在监测点的上游或是下游。因此，需要对参考方向进行确定。本文参考方向由电压互感器和电流互感器的同名端进行确定。方向为由互感器共同确定的唯一消耗有功的方向，与监测装置实际有功流动方向无关^［9］。

设监测点m的电压、电流相量u_m（t）、i_m（t）为

式中：

um,a(t)、um,b(t)、um,c(t) ——监测点同步测量的三相电压（kV）；

im,a(t)、im,b(t)、im,c(t) ——监测点同步测量的三相电流（kA）。

则三相功率电流I_m，p（t）定义如下：

式中：

Pm(t) ——测量点m的三相瞬间功率，即为监测点处三相电压相量与三相电流的点积（MW）。

当发生三相对称的电压暂降扰动事件时，监测点的三相电压、电流相量保持三相对称，仅有正序分量。通过对比扰动前后正序功率电流变化量即可判断电压暂降源位于监测点相对位置情况。

正序增量功率电流表达如下：

式中：

I+m,p,after——监测点m扰动后正序三相功率电流值（kA）；

I+m,p,before——监测点m扰动前正序三相功率电流值（kA）。

针对对称扰动事件，利用正序增量功率电流进行溯源的判据表述如下：

式中，为防止由于测量误差导致的误判，设置判断阈值ε（ε>0）。

当发生非对称的电压暂降扰动事件时，监测点的电压电流将产生负序分量。由于系统正常稳态运行时，电网三相不平衡度要求小于4%。因此，可忽略稳态时的负序功率电流。通过分析扰动后负序功率电流变化量即可判断电压暂降源位于监测点相对位置情况。

负序增量功率电流表达如下：

式中：

I-m,p,after ——监测点m扰动后负序三相功率电流值（kA）；

I-m,p,before ——监测点m扰动前负序三相功率电流值（kA）。

针对非对称扰动事件，利用负序增量功率电流进行溯源的判据表述如下：

式中：

为防止由于测量误差导致的误判，设置判断阈值ε（ε>0）。

在利用单个监测点的测量数据可准确判断电压暂降源方向的基础上，可以利用多个监测点布点实现电压暂降源区段定位。

可利用拓扑矩阵描述配电网拓扑结构以及监测点的分布信息：

式中：

l ——配电网中区段总数；

m ——配电网中监测点数目；

fij ——矩阵中的元素。

可用观测矩阵来描述所有监测布点的方向判别信息：

当监测装置判断电压暂降源位于上游区域时，si=1；反之则si=-1。

可将配电网拓扑矩阵与观测矩阵结合，实现暂降源的区段定位：

当di=m时，则可判定电压暂降源位于电网的第i个区段。

电压暂降源溯源执行流程如图4所示。

Figure 4.  Implementation process of voltage sag source-locating

根据示范区域的实际情况和需求，提出基于同步相量与电能质量测量一体化的配电网电压暂降溯源设计方案。在终端布点方面，充分考虑示范区域配电网架构现状、电压暂降问题隐患、示范实验方案设计以及实际现场实施可行性条件等，提出设备布点方案。

以广州某地区示范工程案例设计为例，说明同步相量与电能质量一体化测量、电压暂降溯源功能的应用。示范区区域占地面积约为25 km²，区域内线路涉及5座变电站，13回10 kV馈线线路。光伏发电规模约30 MW，区域负荷规模高达40 MW。

在示范区内设置3种方案，对比测试不同设备布点情况下电压暂降溯源效果：

1）配网一体化测量装置覆盖率达100%场景。选取WL站部分和BTF2、BTF3、BTF19实现装置布点覆盖率达100%，验证配网一体化测量装置量测充足情况下的快速溯源效果；

2）配网一体化测量装置+SCADA覆盖率达100%场景。选取BTF9作为SCADA和配网一体化测量装置覆盖率达到100%，以验证整体量测充足，但配网一体化测量装置布点不足情况下的溯源效果；

3）量测不足场景。选取BTF1、BTF4、BTF8、BTF10、BTF13、BTF14、BTF16以验证量测不足情况下的溯源效果。

各场景布点方案的暂降溯源定位结果如表1所示，各场景布点方案具体如图5所示。可见基于高精度且全面的同步测量数据可有效实现暂降事件的捕捉，定位准确度较高。如果缺少高精度的同步测量数据，则无法所有暂降事件的全面感知，定位精度较低甚至无法实现定位。

Figure 5.  The voltage sag source-locating scheme in demonstration

示范区建成后，示范区内配网一体化测量装置100%覆盖率区域，电压暂降定位准确率高于99%；

同时基于同步测量数据，试验区内可实现故障定位、源荷协调控制等高级应用。故障定位精度小于0.2 km；平均缩短故障处理时间48.25 min；源—网—荷快速协调控制系统的闭环控制平均时延小于200 ms；可削减示范区柔性负荷峰值约13%。

该示范工程建成了基于同步相量与电能质量测量一体化的配电网电压暂降溯源系统，为进一步推进配电网同步相量与电能质量测量一体化的应用提供宝贵工程经验。

本文介绍了同步相量与电能质量测量一体化的基本设计架构和方案、电压暂降溯源方法和示范工程案例设计方案。

1）分析了配电网同步相量与电能质量测量一体化设计的可行性，提出了一体化的算法和硬件装置设计架构。集成两类监测量测装置的功能可有效降低装置成本，减少重复多余计算量。

2）分析了基于广域同步电能质量量测数据进行电压暂降溯源定位的方法，该方法可有效解决配电网电压暂降溯源问题，有利于电能质量问题权责划分。

3）提出了基于一体化量测体系的示范工程设计方案，通过关键技术的示范应用，全面提升了配电网的电能质量监测水平。

本文工作为进一步提高配电网电能质量监测和电能质量问题溯源水平提供了工程经验。在下一步的设备及场景推广时，应针对区域特点和需求，优化设备布点方案，提高工程实施的精准性和有效性。