基于同步量测的配网态势感知技术在新型电力系统中应用与展望

徐全，雷金勇，袁智勇

（1.南方电网科学研究院， 广州 510663；

2.南方电网数字电网研究院，广州 510663）

根据《整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点名单的通知》［1］，目前国家正在大力发展分布式光伏等新能源。《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》［2］中明确到2030年我国风电、太阳能发电总装机容量达到1 200 GW以上的目标，加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，同时要着力提高配电网接纳分布式新能源的能力。所以随着新型电力系统的发展，大规模分布式能源的接入，对新技术的需求越发迫切，对配电网的要求越来越高。

态势感知的概念已在军事以及航空领域得到广泛的应用［3-7］，文献［8］和［9］对态势感知进行了定义，其含有三层含义，第一层是对环境元素的感知，第二层是对现状的理解，第三层是对未来状态的预测。

文献［10-13］介绍了态势感知技术在电力系统中应用情况。安全、规划、生技、调度等主配网多个领域均有态势感知技术的研究。

1）主网领域

在网络安全方面，文献［14］介绍了态势感知技术在电网和信息两个领域研究现状可能的应用场景，并针对攻击的具体案例，给出了电网侧和信息侧协同的态势感知方法。文献［15］介绍了态势感知技术在电力网络安全领域的应用，提出将Q 学习算法应用于系统态势的预测，并提出计及系统损失、攻击成本、防御成本、防御回报、网络状态转移成本的判断标准。

风险评估方面，文献［16］将态势感知技术引入高比例可再生能源电力系统协同优化运行，提出了源荷双重不确定性的交直流混联系统态势感知方法，包括实时状态评估、发展态势的评估以及多维度运行风险评估的态势感知方法体系。

设备方面，文献［17］将态势感知技术引入变压器设备领域，建立了变压器态势感知指标体系和感知方法，提出通过特征值法和G1 法计算一级指标权重，通过层次分析法和信息熵法联合的最小二乘法计算二级指标权重。大数据方面，文献［18］将大数据技术引入态势感知分析，将态势感知大数据技术分为数据采集与预处理、数据存储与管理、数据分析、数据可视化4个方面。

调度方面，文献［19］将态势感知技术引入对特高压交直流混联大电网的感知和掌控领域。提出了安全、优质和经济全维度多层次指标体系，并基于D5000 设计了电网综合态势感知系统。文献［20］将态势感知技术引入智能电网自动调度领域，智能电网的网络安全态势评估，设计基于态势感知的智能电网自动调度方法。

2）配网领域

配网安全方面，文献［21］将态势感知技术和同步相量测量装置引入配电网安全态势感知领域。提出融合信息熵值的支持向量方法辨识异常信息，文中给出安全态势感知的预警指标包括零序电压、电压越限裕度、支路过载严重度和电压相位变化量。文献［22］提出结合输电网信息，实现配电网态势快速感知，评估配电网静态电压稳定态势。

配网规划方面，文献［23］将态势感知技术引入配电网一二次协同规划领域，介绍了高弹性配电网态势全感知的定义，在考虑配电网安全、经济、可靠运行，以及经济、环保效益等条件下，开展规划研究。综合评估方面，文献［24］从系统安全状态感知、智能告警、配电网事故等角度给出了配电网态势感知的目标，介绍了配电网态势感知态势觉察、态势理解、态势预测、态势呈现、态势利导5 个方面的关键技术。文献［25］提出了配网态势感知的综合评估模型，指标包括设备状态监测水平、电能质量监测水平、电网可靠性水平、电网自愈能力、电网消纳可再生能源水平5 个方面，并采用基于二项系数方法和多目标规划方法相结合的综合评估方法进行评估。文献［26］提出了基于加权最小二乘法的配电网状态估计分析方法，建立了配网态势感知经济性、可靠性和安全性的评估指标体系，给出了配电网的实时运行状态的量化方法。

配网电能质量方面，文献［27］将态势感知技术应用于配电网电能质量领域，预测电能质量的态势，建立变流器马尔可夫模型，对微电网变流器主动控制，从而改善配网电能质量。可再生能源接入方面，文献［28］将态势感知技术引入海量可再生能源接入的区域配电网，建立指标体系安全、经济、低碳和调控态势4个方面，提出梯形模糊和MARCOS的评估方法。负荷方面，文献［29］将态势感知技术拓展至需求侧，从觉察、理解、推演、控制4 个层次定义负荷态势感知技术架构。

配网调度方面，文献［30］将配网态势感知技术引入配网调度领域的应用，介绍了配网调度态势感知核心技术，包括配网状态评估、电源和负荷互动协调、风险预警、多维时空信息可视化、智能配电终端与一次设备融合和多元通讯技术，并搭建支撑配网态势感知的调度平台。配网状态估计方面，文献［31］将配电网实时态势感知预测技术引入状态估计领域，提出了配电网多时间尺度递归动态状态估计和基于历史估计状态的方法。

本文提出配电网态势感知控制与保护技术的核心是同步量测包括同步相量、同步波形和同步行波。根据IEEE和国家标准［32-37］，对同步相量有较高快速性和准确性要求。同步量测技术已在主网中大量的研究应用［38-41］，目前正在向配电网推广［42-43］。

同步量测相较于传统配电自动化在技术上具有先进性，参考相关标准［33-37］，结合当前实际应用，具体分析如表1所示。

表1 同步量测技术与传统配电自动化的比较Tab. 1 Comparison between synchronous measurement technology and traditional distribution automation

文献［44-45］开展了综合自适应相量测量算法的研究，所提算法可以解决传统同步相量测量无法同时满足快速性和准确性，为同步量测向配网推广应用提供了理论基础。

针对同步量测装备在配电网推广应用过程中遇到的通信授时以及成本的难题，文献［46］开展了5G+配电网同步相量测量技术的测试，试验结果证明5G 通信不仅可以满足同步量测通信带宽和延时的要求，而且满足同步量测对授时精度的要求。文献［47］开展了同步相量测量技术在微型传感器领域的应用，所提的同步相量传感器有望解决同步量测技术在推广应用中的经济性问题。

针对分布式电源的随机性、波动性和间隙性，考虑同步量测技术的毫秒级的实时动态量测，可以实现分布式能源波动性的监测；
针对分布式能源点多面广，考虑同步量测技术具有全网同步的相量及数据，可以实现广域同一时间断面的分析；
针对新型配电系统的发展、高比例电力电子设备接入，导致宽频域的新形态电能质量问题，考虑同步量测技术具备谐波、间谐波以及高次谐波的高精度测量，可以实现高精度的同步电能质量数据。《“十四五”能源领域科技创新规划》［48-49］明确提出突破新能源发电参与电网频率/电压/惯量调节的主动支撑控制、单相接地故障准确研判和智能传感与智能量测技术。

本文提出配电网态势感知控制与保护技术的关键是包括稳态、动态和暂态3 个层面的配网态势感知传感技术、配网态势感知控制技术和配网态势感知保护技术，主要技术包括电压电流宽频多级同步量测及态势感知、基于配电网态势的多级电压控制、基于配电网态势的分布式资源频率/惯量主动支撑和基于故障态势的诊断与精确定位等。

根据在“站线变户”不同安装位置，本文提出系列配网态势感知控制与保护装备（situation awareness and control unit，SACU）。在用户侧安装态势感知控制传感器（SACU1），在配变处安装融合网关功能的控制终端（SACU2），在线路侧安装态势感知控制终端（SACU3），在变电站里安装集群态势感知控制终端（SACU4），具体如图1所示。

图1 SACU在站线变户的配置Fig. 1 Configuration of SACU in substation-line-transformer-house

2.1 电压电流宽频多级同步量测及态势感知技术

通过电压电流宽频多级同步量测及噪声抑制技术，解决感知难及预测难的问题。随着电力系统的快速建设，大规模分布式能源的接入，配电网的运行状态复杂多变，传统的量测控制手段将面临巨大的挑战。当前配网同步相量测量技术在新型电力系统中彰显了优良性能。如图2 所示，研制适用于太阳能光伏、储能、电动车充电桩等海量分布式可再生能源设备，实现长期稳态和短期暂态特性监测的宽频大量程电压、电流监测终端，解决现场取能、对时、非侵入式安装等关键技术问题。

图2 电压电流宽频多级同步量测Fig. 2 Voltage and current broadband multi-stage synchronous measurement

采用多级部署的技术，关键攻克同步的宽频的非接触量测技术。含大规模分布式能源配电系统波动及功率的提前动态感知，基于动态感知的电气量及非电气量信息，通过人工智能算法，实现电压、功率、频率等的态势感知。

2.2 基于配电网态势的多级电压控制

大规模分布式能源接入后，传统的调压方式难以满足分布式能源高渗透接入的电压运行要求，部分地区出现过电压等问题。

如图3 所示，通过在分布式式能源低压、中压、高压并网点等多处安装态势感知控制装备，实现配电网多层级的电压态势及功率波动的感知。协同考虑就地信息和全局信息，提出考虑多类型手段协调的配电网自适应多级电压控制方法，解决分布式能源接入后复杂多样运行场景下的电压越限问题。并通过基于配电网电压态势的多场景自适应无功-电压多级控制技术，实现大规模分布式能源协同主动电压支撑。

图3 基于配电网态势的多级电压控制Fig. 3 Multilevel voltage control based on distribution network situation

2.3 基于配网态势的分布式资源频率和惯量主动支撑

如图4 所示，考虑分布式电源、储能及柔性负荷的实时互补协同，研发具备分布式协同功能的终端，解决分布式资源有功和频率支撑过程中多资源实时协同难题。如式（1）所示，根据当前电力系统功率、频率、频率变化率的态势，计算各可调节资源的系数，并下发至安装于“站线变户”处的态势感知控制与保护装备，实现多时间尺度多维度的实时闭环协调控制。

图4 分布式资源频率和惯量主动支撑Fig. 4 Distributed resource frequency and inertia active support

式中：P、f、df/dt分别为当前电力系统功率、频率、频率变化率的态势；
a（j）、b（j）、c（j）为电力系统功率、频率、频率变化率的调节系数；
ΔPjSACUi为第j个SACUi的调节量，KLoc=1 表示当前为就地模式；
KLoc=0 表示当前为远方控制模式，此时调节量由主站统筹全局信息计算后下达。

2.4 基于故障态势的诊断与精确定位技术

新能源发电具有随机性、波动性、间歇性等固有特征，将会引起潮流分布不均，电压波动及越限、消纳困难等问题。传统继电保护装置和配电自动化系统在故障识别和精确故障定位方面面临巨大挑战。亟需开展配电网态势感知及自适应故障处理技术研究，提高公司的配电网监视智能化水平，实现高可靠、高精度及经济性故障处理。

如图5 所示，通过高精度时间同步实现的广域相量测量，提出融合泛在感知信息、时频域信息及暂态行波信息的故障精确定位方法，解决故障精确定位难题。基于态势感知传感器广域行波与同步量测的故障处理理论与技术体系，降低用户停电时间，提升配电网供电可靠性。

图5 基于故障态势的诊断与精确定位Fig. 5 Diagnosis and precise location based on fault situation

图6 为示范工程现场安装的SACU 装置获取的毫秒级的相量及微秒级的采样数据，可以满足故障诊断与定位的数据需求。

图6 现场故障时毫秒级相量数据及微秒级采样数据Fig. 6 Millisecond phasor data and microsecond sampling data during field fault

3.1 仿真测试平台

为测试和校验态势感知控制与保护装备及应用的性能和效果，在稳态方面，搭建同步相量测试平台如图7 所示，开展了精度和响应性能的测试；
在动态方面，搭建动模测试平台如图8 所示，开展协调控制及故障定位的测试；
在暂态方面，搭建行波测试平台如图9 所示，开展行波故障定位的测试。各测试平台相互补充，可以有效验证和提升态势感知技术在新型配电系统应用的效果。

图7 同步相量测试平台Fig. 7 Synchronous phasor test platform

图8 动模测试平台Fig. 8 Dynamic simulation test platform

图9 行波测试平台Fig. 9 Traveling wave test platform

3.2 示范工程现场情况

传感方面，开展磁电阻高精度、宽频、大量程、同步电流测量研究，实现经济性及带电安装。终端方面，在手机面积大小的终端上实现同步相量、同步波形及同步行波的监测。

图10 SACU现场安装情况Fig. 10 Site installation for SACU

故障精确定位方面，通过两端定位的行模行波，验证算法的准确性，定位到故障区间，再由传感器进一步缩小故障区间。

在线路AB两端分别安装同步量测终端，AB两端的距离为6 km，通过两端终端的行模行波波头时间差如图11 所示，分析出故障位置在A 端上游，通过现场捕捉的行波时间信息，计算AB 的距离与实际距离误差在300 m 以内如表2 所示，验证了故障定位的精度以及故障定位方案的可行性。

图11 示范工程现场获取的行波信息Fig. 11 Traveling wave information obtained at the demonstration project site

表2 AB两端获取的行模行波的时间Tab. 2 Time of row mode traveling wave obtained at both ends of A and B

随着国家大力推进新型电力系统的建设，配电网在应对分布式能源全面消纳和保障自身安全可靠方面面临诸多挑战。配电网态势感知、控制与保护等技术有助于推进新型配电系统建设。新型配电系统的态势感知控制与保护技术大体上还处于研究阶段，其中以同步量测为基础的态势感知、电压支撑、频率支撑、惯量支撑以及故障处理等技术均有待进一步突破。本文对配网态势感知技术在新型电力系统中的应用进行了分析，并介绍了研究方案与构想，并进行了初步验证，以期为后续的技术研究、装备研制和示范工程建设提供借鉴。