配电网微型PMU与故障录波装置研究与开发

李 江，徐志临，李国庆，高亚如，魏文震

（东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012）

0 引言

20世纪60年代SCADA被广泛应用到能量管理系统（EMS）中来进行状态估计，但其实时性较差，表征的只是稳态或准稳态过程。全球定位系统（GPS）的普及使得同步相量的实时测量成为可能，广域测量系统（WAMS）就是以相量测量单元（PMU）为基础构建而成的，该技术以其在电力系统监视、保护和控制上的重大影响成为21世纪电力系统的先进技术之一［1］。

同步相量的测量需要有高精度的全球同步卫星精确授时。美国GPS导航系统、俄罗斯GLONASS导航系统以及中国的北斗导航系统在同步卫星授时领域占据主导，其中以GPS最为先进，其终端不需要发送信号，且授时精度最高。相量测量算法中比较经典的有过零检测法、离散傅里叶变换法、最小二乘法、牛顿法、卡尔曼滤波法、瞬时值法、小波变换法等［2］。

国内外部分先进PMU整合了故障录波功能［3］。现代电力系统中常用的故障录波启动判据大致采用如下判据信息：发电机角速度、瞬时有功功率和电压的变化、电流瞬时值、电流斜率等。目前广泛应用的故障录波装置普遍采用单一判据信息来识别故障，有些注重故障识别的快速性，有些则偏重于故障识别的准确度，往往不能兼顾二者。目前，PMU在输电网和发电厂中得到了广泛的应用［4-5］，其技术较成熟。然而随着分布式电源大规模接入电网，配电网的双向潮流、多源故障等诸多问题日益凸显［6］，如何提高配电网的观测性成为配电网首先需要解决的问题［7］。

配电网中高渗透率的分布式电源和有源负载会导致传统电网从缓慢变化的辐射网变为更加动态化的多源网络。尽管这在原则上可以改善整个系统的可靠性和电能质量，但是新的控制保护的挑战可能会更加严峻，传统的处理办法并不能完全适应这样的电网。配电网传统控制和管理中只测量电压幅值并上传控制中心进行处理，这不仅可能破坏这些新动态，还有可能潜在地导致电网操作中更加严重的隐患。因此，系统范围的配电网动态分析和控制可能需要新的相量数据，这些数据来自PMU，并合并到配电管理系统（DMS）的功能中去。在未来的配电网的监视、保护和控制中，PMU极有可能扮演不可或缺的角色。配电网PMU在不同系统状态下可以直接测量和提供同步的电压、电流相量的测量结果，这种能力为探知动态配电网状态和健康的信息提供了巨大可能。

输电网PMU成本过高，安装条件苛刻，需要专用通信线路等问题使其难以大范围应用于配电网［8-9］，同时，普通故障录波启动判据无法兼顾故障识别的速度和准确性。针对以上问题，本文开发出一种集同步相量测量、电气量综合数据采集和故障录波功能于一体的微型同步相量测量单元（μPMU）。

1 μPMU硬件架构及装置功能

该装置的硬件架构总体上可分为微控制器模块、综合电能监测模块、GPS授时模块、过零检测模块、故障录波模块、人机接口模块和上位机通信模块等。图1为该装置的硬件架构示意图，各模块之间相互协作，完成各个电量的采集计算和显示。整体硬件封装在160型铝型材仪表壳体内。

（1）微控制器模块。

图1 系统整体架构示意图Fig.1 Schematic diagram of system architecture

该装置以AVR单片机中性能优越的ATmega64芯片作为微控制器。ATmega64有如下特点：64K字节的系统内可编程Flash，2K字节带电可编程可擦除程序存储器（EEPROM），4 K字节静态随机存储器（SRAM），53个通用I／O口线，32个通用工作寄存器，实时计数器（RTC），4个具有比较模式的PWM定时器／计数器（T／C），2个通用同步／异步串行接收／发送器（USART），面向字节的两线串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的模数转换器（ADC），具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，1个SPI串行端口，与IEEE1149.1标准兼容的、可用于访问片上调试系统及编程的JTAG接口，以及6个可以通过软件进行选择的省电模式。ATmega64为本装置数据处理和控制应用提供了灵活且低成本的解决方案。

（2）综合电能监测模块。

该装置选用功能强大、成本低廉的电能计量芯片ATT7022B［10］。ATT7022B是高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线系统。ATT7022B集成了6路二阶sigma-delta-ADC，参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路；能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数；支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表；可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出，提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校正；提供2类视在能量输出，即持续输出（RMS）视在能量以及有功／无功（PQS）视在能量；提供一个SPI接口，方便与外部微型控制单元（MCU）之间进行计量参数以及校表参数的传递。

（3）GPS 授时模块。

该装置选用NEO-7m模块进行授时。NEO-7m为美国GPS和俄罗斯GLONASS互备系统，自带高增益有源天线，可自带可充电后备电池，掉电保持星历，实现热启动，其接口采用TTL电平，兼容3.3 V／5 V系统，工作温度为-40～85℃，适合在户外工作，功耗极低，工作电流 35 mA，电压 2.7～5 V，授时精确，可提供秒脉冲精度误差为100 ns以内，且无累积误差，让装置同步授时成为可能［11-14］。

（4）过零检测模块。

该装置采用互感器前取信号、光耦隔离的过零检测电路。如图2所示，直接取工频信号，正半周时发光二极管导通并驱动三极管产生低电平防止负半周电流损坏单向光耦，本电路采用光耦隔离，抗干扰性好。每次过零点会产生下降沿，触发单片机中断。

图2 过零检测电路Fig.2 Zero-crossing detection circuit

该电路配合GPS授时模块和综合电能测量模块，在MCU中进行处理和计算，可以得到精确的电压相量。

（5）故障录波模块。

本装置将待测信号直接接入STM32片内ADC进行数模变换，如遇电网故障，故障时的数据会被识别出来并打上故障时的时间标签存入存储器内以进行事故分析，因数据量庞大，必须片外扩展存储芯片，本装置采用16G工业SD卡，实现故障波形存储。

（6）人机接口模块。

该装置配有12864 LCD液晶显示器，可以实时显示测得的所有数据，包括相量、综合电能监测的电量及当前国际标准时间（UTC），设计了5个按键分别控制A、B、C相和合相数据显示，人机界面友好，为现场工作人员提供就地显示，方便调试。

（7）上位机通信模块。

该装置可以通过HL-340串口转USB数据线方便地实现与笔记本等上位机的连接，测得所有数据均实时通过串口发送到上位机上，通过简单的串口调试工具即可实现与上位机通信。故障数据存于SD卡内，便于读取和事故追忆。

表1为传统PMU与μPMU各方面的综合对比。

表1 传统PMU与微型PMU综合对比Table 1 Comparison between traditional PMU and micro PMU

2 虚拟过零相量测量算法

电网相量由有效值X和相角φ组成。但同一信号在不同的时间基准点下，得到的测量结果是不一样的，其大小取决于时间基准点。因此在一个统一的时间基准下，电网的相量测量结果才有意义，高精度的全球同步卫星授时可为相角的测量提供一个标准统一的时间基准。在此统一的时间基准之下，可求取两地的任意2个相量的相角差［15］。

考虑到AVR单片机的运算速度、硬件承受能力、成本等问题，本文对传统的PMU相量测量算法加以改进，提出虚拟过零相量测量算法。传统PMU将电压信号过零时间记录后，与世纪秒（1970年1月1日午夜）进行比对，即全网设置统一基准过零点，计算所得的电压相量均以此为参考。本文将GPS秒脉冲（1PPS）信号作为虚拟动态过零点，全网同一时间下所对应的参考过零点始终保持动态一致，计算所得相量在精度相同的情况下应与传统的相量测量算法相同。此算法对于硬件计算速度要求极低，可以满足实时性。

本文选用互感器前取信号、光耦隔离的过零检测电路和GPS所提供的秒脉冲相配合，利用单片机内部定时器的精确计时能力实现相角实时测量，信号源经数字抗混叠滤波和全周傅里叶变换程序处理，能够有效滤除噪声和高次谐波。装置利用GPS秒脉冲构建出一个虚拟的标准50 Hz工频信号，即以秒脉冲为虚拟过零点。接收到GPS上精确的秒脉冲信号后立即开启单片机定时器，此时过零检测电路正常工作，当秒脉冲信号过后第一个下降沿来临，立即读出此时定时器的值，计算出此时所对应的相角，公式如下：

虚拟过零检测法电压相角计算原理如图3所示。

图3 电压相角计算原理Fig.3 Principle of voltage phase angle calculation

由于计算速度限制，首次过零时间计算时下次过零信号就会到来，如果处理完首次过零时间再继续记录，那么就会丢失后面几个周期的过零时间记录。为解决这个问题，本文在单片机内部开辟出一个包含55个元素的数组，每次过零时间都存放在里面，存放满之后下一个秒脉冲到来之前，这个数组就会通过串口发送到上位机上。由于发送时可能会丢失下一次秒脉冲，所以本文开辟了2个相同数组，一个存放满之后开始通过串口传输，同时另一个数组开始存放数据，而第一个数组传输完成之后就会清空并发送就绪信号，如此循环。流程图如图4所示。

图4 电压相角计算流程图Fig.4 Flowchart of voltage phase angle calculation

计算得到的数组存放在如图5所示的数组元素中。

图5 数组 d1、d2Fig.5 Array d1and d2

理论上，当电网频率为非标准的50 Hz时，相角会随着时间变化，变化规律如下［16］：

由于本文所采用的算法中计算得出的相角本身就是一个相对量，同一电网下的所有节点频率一致，所以可以抵消相角随频率的变化，无需补偿。

相角测量结果如表2所示，3次采样结果基本一致，可见该装置的相角测量实时性高，准确度好，测得相量与计算所得结果基本吻合，可以满足配电网对于相量测量的需求，可以提高状态估计的冗余度。

表2 相角测量结果Table 2 Results of phase angle measuring

3 故障录波启动判据

本装置利用stm32单片机内部模数转换模块完成对当前相电压和电流瞬时值的实时采样，采样结果经过快速一阶滤波，所得波形与标准正弦波比对。本文提出了电气量偏移率与波形曲率相结合的故障录波启动判据。

3.1 电气量偏移率

现定义工频电气量偏移率为：

由过零检测电路检测出正弦交流电过零点，该时刻开始记录AD采样数据，一个周期（20 ms）内，采样64个点，相邻2个采样点之间的时间差为20／64=0.3125（ms），角度差为 360°／64=5.625°，那么每个点总会有一个标准值与之对应，例如，220V所对应的的数字量为100，则第1个点为141.4×sin 0°，第2个点为 141.4×sin5.625°，第 3 个点为 141.4×sin11.250°，依此类推。这64个点对应的数字量为基准量，构成一个基准量表。各点实际采样所得的数字量为实际量，则可求得每个采样点所对应的电气量偏移率。

3.2 波形曲率

曲率是用来表征曲线弯曲程度的特征量。如图6所示，曲线C光滑，点M0作为度量弧s的基点。曲线上点M对应于弧s，在M处切线倾角为α，另外一点M′对应弧s+Δs，在点M′处切线倾角为α+Δα，弧段MM′长度为，当动点从M移动到M′时切线转过的角度为称作弧段MM′的平均曲率。当时，平均曲率的极限称作曲线C在点M处的曲率。平面曲线的曲率表征曲线偏离直线的程度。线路发生故障时，电流突变点和电流峰值点的曲率大于正常时，因此可以通过计算电流波形曲率来快速识别故障的发生。

图6 曲率定义Fig.6 Definition of curvature

根据曲率定义，得到通过电流采样点计算电流波形曲率的方法：

其中，I和td分别为采样电流值和采样时间间隔，由于两者单位不同，在进行计算前要进行归算处理。

3.3 实验测试

从理论上讲，用曲率进行识别的主要优势是可以对故障时刻的电流突变进行识别，在短路电流变化率和瞬时值还未增大到一定数值时判定故障发生，可以显著提高识别速度。但如果故障发生在峰值点附近，曲率的变化则不能及时完全识别故障，甚至不识别［17］，而电气量偏移率的变化则可以识别出这种故障。针对这种情况，本文采用电气量偏移率和波形曲率相结合的故障录波启动判据。

GPS秒脉冲来到后第一个过零点开始进行筛选，直到下一个秒脉冲来临之前，其间如果波形曲率超过整定值或连续20个点的电气量偏移率超过整定值，则判定此时为故障，将此秒脉冲后，下一个秒脉冲前所有采样数据（共50个周期左右）写入容量为16G的外接SD存储卡内，时间标签打在每帧数据之前。分析故障波形时，读出存储卡内的数据，在上位机相应软件上绘制波形图，利用相应算法，找到精确的故障发生的时间点，精确度可达0.5 ms。

该测试中，故障发生在如图7所示的220 V等效系统中。图8—11为配电网单相接地故障下该装置记录的部分电压、电流波形。

图7 单相接地故障测试系统Fig.7 Test system for single-phase grounding fault

图8 电流偏移率图Fig.8 Diagram of current deviation rate

图9 电流波形曲率图Fig.9 Diagram of current waveform curvature

图10 故障电压波形Fig.10 Waveform of fault voltage

图11 故障电流波形Fig.11 Waveform of fault current

经运算可得，在第136个采样点处发生故障，每个采样点之间相距0.3125 ms，由此可知，故障发生点时刻为2015年6月20日13点27分18秒42.5 ms。

4 结论

本文设计开发了一种低成本的μPMU与故障录波装置，给出了各功能模块及其硬件选型架构，介绍了该装置的主要功能和相量测量算法，提出了电气量偏移率和波形曲率相结合的故障录波启动判据以及故障时间点的确定算法。该装置经测试，充分满足配电网相量测量的需求，可以准确确定故障发生的时间点并准确记录故障波形。未来，随着分布式电源的大规模接入配电网，以此数据为基础，将会产生大量的配电网高级应用，具有较高的研究意义和工程应用价值。

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