WAMS及其支撐通信技術探討

湯一達

（長沙理工大學，湖南長沙410114）

WAMS及其支撐通信技術探討

湯一達

（長沙理工大學，湖南長沙410114）

基于相量測量裝置（PMU）的廣域監(jiān)測和保護控制正成為智能電網(wǎng)的關鍵技術，在國內(nèi)外都得到了廣泛的關注。而通信的可靠性和技術指標對其功能的實現(xiàn)起到關鍵的作用。文中介紹了PMU/廣域測量系統(tǒng)（WAMS）在美國的發(fā)展歷史、研究和應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，根據(jù)國內(nèi)外的標準和規(guī)范，總結(jié)了WAMS對通信的具體要求。并基于國內(nèi)電力通信網(wǎng)絡的現(xiàn)狀和通信技術的發(fā)展趨勢，提出了在不同的WAMS應用場景和應用功能下的可行的通信方式及過渡方案。

PMU；WAMS；廣域保護控制；通信技術

由于缺乏高精度的時間源以及受數(shù)據(jù)通信條件的限制，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)是一個分散處理系統(tǒng)，在時間上是異步的，在空間上是局部的。以其為基礎的能量管理系統(tǒng)（EMS）不能滿足超大規(guī)模電力系統(tǒng)精確的分析和保護控制方面的需求。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）的發(fā)展，為電力系統(tǒng)分散的測量裝置提供了高精度的時間基準源。同時隨著以太網(wǎng)技術和光纖技術的發(fā)展，當前的電力通信網(wǎng)具有高可用性、高可靠性和高安全性，各個電廠、變電站內(nèi)部以及它們與調(diào)度中心之間有可能實時地交換大量信息。正是在這樣的技術背景下，廣域測量系統(tǒng)（WAMS）和廣域保護控制成為研究和開發(fā)的熱點［1］。但在實際應用中，由于網(wǎng)絡阻塞、設備問題或信息攻擊，WAMS的通信系統(tǒng)往往會造成數(shù)據(jù)的延時或不完整。這將使得WAMS系統(tǒng)的可靠性降低，并進而影響基于WAMS高級應用的可靠性和安全性［2，3］。

1　PMU/WAMS在美國的發(fā)展及應用簡介

1.1PMU/WAMS在美國的發(fā)展

1988年，Bonneville能源管理局（BPA）在美國西部 電 網(wǎng)（Western Electric Coordinating Council，WECC）首次安裝了相量測量裝置（PMU），并對這些裝置進行了室內(nèi)和現(xiàn)場測試。1993年，弗吉尼亞理工成功研制了全球第一臺商用的同步相量測量裝置，它可以輸出帶GPS時標的正序電壓、電流相量、有功和無功功率值，采樣頻率為2880 Hz。1994年，EPRI在其一個研究項目中，將這些PMU裝置在WECC投入商業(yè)運行。1995年，在美國能源部的支持下，廣域電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)/動態(tài)運行監(jiān)測系統(tǒng)在WECC投入試運行。

2002年，美國東部互聯(lián)網(wǎng)的相量項目（Eastern Interconnection Phasor Project，EIPP）在美國東部互聯(lián)電網(wǎng)啟動，希望在東部互聯(lián)網(wǎng)安裝PMU，并形成一個相量測量網(wǎng)絡。2007年，美國能源部（U.S.Department of Energy，DOE）和北美電力可靠性公司（North American Electric Reliability Corporation，NERC）倡導實施了北美電力同步相量倡議計劃 （North American Synchrophasor Initiative，NASPI）。其目的在于將北美電力系統(tǒng)的多個相量發(fā)展計劃進行整合，實現(xiàn)信息的共享，并最終形成北美統(tǒng)一的相量測量網(wǎng)絡，便于DOE 和NERC能更好地地支持WAMS的發(fā)展。

1988年到2008年的20年，PMU在北美的發(fā)展相對較緩，主要是安裝的PMU數(shù)量有限。到2008年底僅有200套實驗用的PMU裝置。2009年，受美國政府的American Recovery and Reinvestment Act的資助，共有

3.28億美元的資金投向和PMU相關的14個項目。如圖1所示。計劃新安裝超過1000套PMU裝置。

圖1　美國ARRA資助的PMU相關項目

2014年，北美共安裝了近1700套PMU裝置，覆蓋了100%的大電網(wǎng)，如圖2所示。同時在美國能源部和工業(yè)界的投資下，建立了高速相量數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、PMU測量、功能和數(shù)據(jù)格式的交換標準等。美國能源部也資助了各類PMU高級分析和應用的研究和開發(fā)項目。

NASPI最近提出了PMU在北美應用的遠景，希望通過建立NASPInet（見圖3），利用分布式數(shù)據(jù)分享和

交換結(jié)構，實現(xiàn)PMU數(shù)據(jù)在電力公司、區(qū)域可靠性委員會和北美可靠性公司（NERC）間的共享和應用，從而可以充分利用PMU提供的信息。

圖2　2014年底北美PMU的分布圖

圖3　NASPInet遠景

PMU/WAMS在北美主要應用在狀態(tài)感知（Situational Awareness）、監(jiān)測報警（Monitoring Alarming）、分析估計 （Analysis Assessment）、高級應用（Advanced Application）等領域。目前研究和應用的重點：

（1）在研究方面，主要是失步保護、中短期穩(wěn)定控制、反饋控制等；

（2）在規(guī)劃應用方面，主要是事故分析、模型校核、相量測量網(wǎng)絡行為和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測、新的實時應用的測試等；

（3）在調(diào)度應用方面，主要是狀態(tài)感知（通過調(diào)度屏顯示）、實時合規(guī)（compliance）監(jiān)測、頻率失穩(wěn)的判別和解列等；

（4）在運行應用方面，主要是系統(tǒng)實時行為監(jiān)測、實時告警和報警、事件判別、故障點判斷、預防控制和緊急控制策略制定、線路動態(tài)容量確定、互聯(lián)電網(wǎng)狀態(tài)估計等。

PMU/WAMS的其他應用還包括［4］動態(tài)過程記錄和事后分析、電力系統(tǒng)動態(tài)模型辨識、暫態(tài)穩(wěn)定預測及控制、電壓和頻率穩(wěn)定監(jiān)視及控制、低頻振蕩分析及抑制、故障定位及線路參數(shù)測量、擾動重演與仿真校核，同時還可以對新型繼電保護、安全自動裝置、測量和控制裝置進行在線測試。

1.2廣域頻率監(jiān)測網(wǎng)絡（FNET）

從2000年開始，田納西大學的Yilu Liu教授主導建立了一個基于120 V用戶側(cè)測量的廣域頻率監(jiān)測網(wǎng)絡（frequency monitoring network，F(xiàn)NET）。它橫跨了3個北美電網(wǎng)：東部互聯(lián)電網(wǎng) （Eastern Interconnection，EI），西部電力協(xié)調(diào)聯(lián)盟WECC和德克薩斯電網(wǎng)的電力可靠聯(lián)盟（Electric Reliability Council of Texas system，ERCOT），目前的信息收集和分析系統(tǒng)在田納西大學。與常規(guī)PMU不同，F(xiàn)NET中帶有GPS同步時鐘的頻率測量單元 （Frequency Disturbance Recorders，F(xiàn)DR）安裝在用戶側(cè)（110/220 V），測量電壓相量和頻率。目前安裝了200多個FDR。經(jīng)過對安裝在變電站的PMU和安裝在辦公室的FDR對統(tǒng)一擾動記錄的實測數(shù)據(jù)分析，在低壓側(cè)測得的頻率信息與高壓側(cè)的頻率動態(tài)行為高度一致。FNET頻率測量準確度達到± 0.000 5 Hz［5］。測量信息通過Internet迅速傳送到信息管理系統(tǒng)。

記錄的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果顯示了在較低的電壓等級上也能夠得到大量有價值的大電網(wǎng)動態(tài)信息。FNET系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能包括事件檢測和定位；振蕩檢測；設備開斷和系統(tǒng)解列檢測；系統(tǒng)失穩(wěn)預測和停電預防；提供系統(tǒng)控制輸入信號；頻率和相角變化動態(tài)演示；支持新能源接入等。FDR在北美的分布情況如圖4所示。由廣域頻率監(jiān)測網(wǎng)絡提供的北美地區(qū)實時等相角圖如圖5所示。該網(wǎng)絡亦可提供系統(tǒng)實時等頻率圖。

圖4　FDR在北美分布圖

圖5　FNET提供的北美地區(qū)實時等相角圖

1.3配網(wǎng)側(cè)μPMU

美國能源部的Advanced Research Projects Agency 的ARPA-E計劃于2012年資助加州大學伯克利分校400萬美元開發(fā)用于配電網(wǎng)的微電網(wǎng)同步相量研究。主要是考慮到分布式電源，特別是屋頂光伏和風能主要在配電網(wǎng)接入。相比現(xiàn)在的配網(wǎng)，今后的配網(wǎng)將有電源，潮流也將是雙向的。因此在配網(wǎng)側(cè)安裝μ PMU可以提高配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，促進可再生能源的接入。

與輸電側(cè)的PMU相比，安裝在配電網(wǎng)策的μPMU面臨一些新的挑戰(zhàn)，如配電網(wǎng)的電壓相角差別小，μ PMU需有較高的靈敏度；配網(wǎng)測量側(cè)噪聲多；X/R比值不一樣；三相不對稱；測量點多，因而成本要低。配網(wǎng)側(cè)μPMU項目的主要目標：

（1）開發(fā)高精度的μPMUs，可以測量小于0.05°范圍的電壓相角；

（2）理解電壓相角作為配電網(wǎng)狀態(tài)量的作用和意義；

（3）研究如何利用配電網(wǎng)的μ PMU數(shù)據(jù)優(yōu)化系統(tǒng)運行，提高可靠性，促進可再生能源和其他分布式能源的接入；

（4）評估特殊的分析和控制功能對μ PMU數(shù)據(jù)的要求；

（5）推動該技術的實際應用（規(guī)劃、監(jiān)視和診斷、運行和控制）。

目前該項目開發(fā)的第一代μ PMU（PQube）具有如下的性能指標：16 GB存儲空間；采用基于TCP/IP協(xié)議以太網(wǎng)方式通信；Certifications（UL，emissions，CE，etc）；Five±1000 V，0.01%voltage channels；Eight 0.01%current channels；“Class A”電能質(zhì)量記錄儀；“Class 0.2”電能收益計量表；可拔插擴展模塊。

加州大學伯克利分校建設的μ PMU實驗網(wǎng)絡如圖6所示。在一條 12.47 kV的線路上安裝了 4個μPMU。

圖6　μ PMU實驗網(wǎng)絡

2　WAMS對通信的要求

廣域測量系統(tǒng)由3部分組成：分布在廠站的同步PMU，PMU數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)和安裝在調(diào)度端的監(jiān)測中心。

PMU對安裝點的電壓和電流進行實時測量，并給測量數(shù)據(jù)加上時標。帶有時標的相量數(shù)據(jù)按通信規(guī)約實時上傳監(jiān)測中心，監(jiān)測中心對實時相量數(shù)據(jù)進行分析處理和存儲，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、分析和控制決策的制定。因而通信在其中起到了非常關鍵的作用。WAMS由于應用場景不同（輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、用戶側(cè)）和實現(xiàn)功能不同（監(jiān)視記錄、實時分析、實時控制），其對通信的需求也不一樣。國家電網(wǎng)公司220～750 kV相量測量裝置對通信的要求：

（1）通道要求。相量測量裝置與主站通信通道帶寬不低于2 M，宜采用電力系統(tǒng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）與主站通信的底層傳輸協(xié)議。在網(wǎng)絡通信方式下底層傳輸協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議。

（3）與主站通信的應用層協(xié)議。相量測量裝置與主站通信的應用層協(xié)議符合 《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范》的要求。與主站、當?shù)亟换⒄针娏ο到y(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

（4）與當?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)的通信。相量測量裝置向當?shù)貜S站監(jiān)控系統(tǒng)傳送裝置的狀態(tài)信息時宜采用符合相關國標、行標的標準。

（5）通信接口。相量測量單元具有不少于2個100 M網(wǎng)絡接口和不少于2個RS-232/RS-485接口，數(shù)據(jù)集中器具有不少于4個100 M網(wǎng)絡接口和不少于2個RS-232/RS-485接口，接入主站數(shù)量且不少于4個。

南方電網(wǎng)公司在其同步相量測量裝置配置和運行管理規(guī)定中，要求PMU裝置應具有不少于3個網(wǎng)絡接口，支持接入2 M專線通道（接入MSTP口或經(jīng)路由設備接入 E1口），支持接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。IEEE Standard C37.118［6］將PMU分為2類：P類PMU和M 類PMU。P類要求通信的延時較小，主要用于廣域保護控制；M類要求精度高，而對延時要求較低，主要用于測量類的應用。在該標準中，對PMU測量數(shù)據(jù)的精度，提出了要求，對2類PMU都要求其TVE（total vector error）小于1%。用LTVE表示，則：

式（1）中：Xr（n）和Xi（n）是輸入信號在時刻n的真值，（n）和（n）是其估計值。

北美電力同步相量倡議計劃（NASPI）將PMU的應用分為4類：閉環(huán)控制、開環(huán)控制、事件分析、監(jiān)視和可視化。每一類的應用對通信延時、數(shù)據(jù)精度和完整性有不同的要求，如表1所示。

表1　PMU應用分類

3　支撐WAMS的通信技術

3.1電力通信網(wǎng)

國家電網(wǎng)公司的電力通信網(wǎng)（見圖7）是公司除電網(wǎng)外的另一張實體網(wǎng)，由多級骨干通信網(wǎng)和終端通信接入網(wǎng)組成，是全球最大的電力專用通信網(wǎng)絡。通信網(wǎng)承載能力正在由10 G提升到400 G。

電力通信網(wǎng)基本實現(xiàn)傳輸技術手段光纖化、業(yè)務承載方式網(wǎng)絡化。與運營商相比，在用戶終端、服務對象、承載業(yè)務、網(wǎng)絡架構等方面均存在顯著差異。

（1）調(diào)度的通信支撐。調(diào)度的通信需求主要是傳輸EMS，PMU以及繼電保護、安全自動裝置、故障錄波等信息，實現(xiàn)對電網(wǎng)調(diào)度一體化的實時監(jiān)控、在線穩(wěn)定分析、安全預警、調(diào)度輔助決策?；谡{(diào)度的通信需求，主要的通信方式：基于SDH技術建設繼電保護通道專線，提供高可靠、低時延繼保、安穩(wěn)信號傳輸要求；基于TDM技術構建的SDH/MSTP電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，提供電網(wǎng)調(diào)度、PMU等電網(wǎng)生產(chǎn)控制業(yè)務。

（2）配電網(wǎng)的通信支撐。以光通信 （無源光網(wǎng)絡EPON和工業(yè)以太網(wǎng)）為主干技術，中壓載波、無線專網(wǎng)（光載無線）和無線公網(wǎng)為輔助手段，多種通信技術相結(jié)合，形成安全、可靠、多點、實時的智能電網(wǎng)通信信息網(wǎng)絡。實現(xiàn)配電網(wǎng)能量流、信息流、業(yè)務流的雙向運作與高度整合，構建具備集成、互動、自愈、兼容、優(yōu)化等特征的智能配電系統(tǒng)，促使配電網(wǎng)網(wǎng)架堅強、網(wǎng)絡智能。

3.2配電網(wǎng)各類通信方式的優(yōu)缺點

（1）載波通信（Power line Communication，PLC）。PLC利用電力架空明線或地埋電纜，通過配電載波設備來傳遞信號，其優(yōu)點是可用現(xiàn)有的配電線路傳輸不需另鋪線路，而且便于管理。缺點是電力線環(huán)境帶來嚴重信號衰減、噪聲干擾及輸入阻抗不匹配，制約信號傳輸距離，不適于信號遠距離傳輸。

（2）同步數(shù)字體系（SynchronousDigitalHierarchy，SDH）。SDH在傳統(tǒng)電力傳輸網(wǎng)中的應用非常廣泛，它以優(yōu)異的性能為電力通信提供了一個健壯的平臺。但在配電網(wǎng)通信中，SDH應用的缺點和它的優(yōu)點一樣的突出。

優(yōu)點：① 高帶寬；② 多種環(huán)網(wǎng)保護協(xié)議；③ 光纖通信方式。

缺點：① 工作環(huán)境要求高；② 高帶寬同時帶來了帶寬的浪費；③ 施工難度大，實現(xiàn)困難；④ 成本投入不切實際。

（3）通用無線分組業(yè)務 （General Packet Radio Service，GPRS）。GPRS通信方式目前在電力集中抄表系統(tǒng)中應用廣泛。它依靠租借駐地移動運營商的無線資源組建電力無線專網(wǎng)，這種方式不需要電力投資線纜資源，而且組網(wǎng)靈活。

優(yōu)點：① 基礎資源豐富，不需要投資線路建設；②組網(wǎng)方便靈活。

圖7　國網(wǎng)公司電力通信網(wǎng)架結(jié)構

缺點：① 帶寬較低，最大帶寬114 kb/s，很難滿足配網(wǎng)終端接入需求；② 實時性和擴展性較差，受制于運營商；③ 適合遙測、遙信上行采集信號傳輸，不滿足主站下發(fā)遙控、遙調(diào)控制信號的可靠性傳輸要求。

（4）以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡 （Ethernet passive optical network，EPON）。EPON基于以太網(wǎng)無源（光的傳輸及分配無需電源）光網(wǎng)絡，是一種采用點到多點（P2MP）結(jié)構的單纖數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)墓饫w通信技術。EPON技術特性：在物理結(jié)構和數(shù)據(jù)流上均實現(xiàn)了點到多點；在光傳輸上使用無源分光器（無需電源）；采用WDM（波分復用）技術實現(xiàn)單纖雙向傳輸。

優(yōu)點：① 通過EPON分光器可以形成點到多點網(wǎng)絡模式，適應復雜的線路資源情況；② EPON分光器不需要電源，對惡劣的環(huán)境的適應能力非常強，工作穩(wěn)定、不易損壞；③ EPON網(wǎng)絡在擴展新終端和新線路的時候?qū)W(wǎng)絡的影響很小，無源分光器的設計使EPON網(wǎng)絡擴容變得簡單、靈活；④ 各ONU采用并聯(lián)方式接入。單點或多點故障不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行；⑤強大的網(wǎng)管功能，管理到ONU的PON每個端口業(yè)務。

缺點：① 全網(wǎng)改造難度大；② 低接入率時覆蓋成本高；③ 維護人員素質(zhì)要求高。

3.3適應WAMS的通信技術探討

WAMS系統(tǒng)既可以用于輸電網(wǎng)，亦可以應用于配電網(wǎng)（如μPMU）和用戶側(cè)（如FNET）。當其應用于輸電網(wǎng)時，既可以作為廣域測量系統(tǒng)，也可以作為廣域控制系統(tǒng)。WAMS安裝的網(wǎng)絡不同，所起的作用不同，對通信的要求也不同。根據(jù)前面的分析，對以下各類應用場景，建議采用的通信方式：

（1）輸電網(wǎng)的廣域測量系統(tǒng)。對延時要求不高，可以采用現(xiàn)有的基于TCP/IP的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。

（2）輸電網(wǎng)的廣域控制系統(tǒng)。對延時和測量精度要求都很高，需要采用點對點光纖通信，保證延時的確定性和控制的可靠性。

（3）配電網(wǎng)的廣域測量系統(tǒng)。初期可以采用PLC或GPRS，投資小，見效快。當大規(guī)模使用后而且EPON網(wǎng)絡發(fā)展后，可以采用EPON網(wǎng)絡，以保證系統(tǒng)的可靠性。

（4）用戶側(cè)的廣域測量系統(tǒng)?？紤]成本的因素，適于通過Internet進行數(shù)據(jù)的通信。

4　結(jié)束語

基于PMU的廣域監(jiān)測和保護控制正成為智能電網(wǎng)的關鍵技術，在國內(nèi)外都得到了廣泛關注。其應用已從最初的輸電網(wǎng)向配電網(wǎng)和用戶側(cè)發(fā)展；從單一的監(jiān)測功能向保護和控制功能發(fā)展。而作為廣域信息傳輸?shù)募~帶，通信系統(tǒng)的可靠性和技術指標對將對廣域監(jiān)測和保護控制的功能實現(xiàn)起到關鍵作用。

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［3］HUANG C，XIAO C，YI F，et al.A Method to Deal With Packet Transfer Delay of Sampled Value in Smart Substation［J］.Power System Technology，2011，35（1）：5-10.

［4］路志剛.基于PMU的廣域測量系統(tǒng)綜述［A］.ABB杯第三屆全國自動化系統(tǒng)工程師論文大賽論文集［C］.中國自動化學會，2008：4.

［5］WANG L，BURGETT J，ZUO J，et al.Frequency Disturbance Recorder Design and Developments［J］.2007：1-7.

［6］C37.118.1—2011 IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems［S］.

湯一達（1995），男，江蘇南京人，本科大三在讀。

Discussions on WAMS and Its Supporting Communication Technologies

TANG Yida
（Changsha University of Science&Technology，Changsha 410114，China）

The wide-area measurement systems（WAMS）and control/protection systems based on phasor measurement units （PMU）are key technologies of smart grid.The reliability and effectiveness of communication infrastructure play a key role in realizing the functions of WAMS.To address the above issues，this paper first reviews the state of art of PMU/WAMS in terms of scholar research and practical application in the United States.Then，the communication requirements for WAMS according to the corresponding standards and specifications are summarized.Finally，given the developing status and trends of electric power communication in China，this paper proposes specific communication technologies and evolution schemes for WAMS under different scenarios.

PMU；WAMS；wide area control and protection；communication technology

TM93

B

1009-0665（2016）04-0071-05

2016-05-05；修回日期：2016-06-21