第3章 测量系统与保护控制

3.1 测量系统与保护控制的原理和分类

电力系统保护和控制是支撑电网安全可靠运行的技术保障。测量技术在电力系统保护和控制中起着基础性作用。随着同步相量测量单元（PMU）、保护新原理、电子式互感器，以及网络、通信等技术在智能电网中逐渐应用，电力系统的保护和控制技术将发生重大突破。本章将对智能电网中的广域测量技术、继电保护和控制技术的原理及产业技术的发展现状和未来发展趋势加以介绍。

3.1.1 继电保护的原理和分类

1. 继电保护的作用和分类

电力系统发生短路故障是不可避免的，当发生短路时，电流迅速增大、电压很快降低，从而导致设备损坏、绝缘构件损坏、断电和稳定性被破坏，甚至使整个电力系统瘫痪。此外，电力系统还会出现不正常运行情况，如过负荷、频率降低、过电压等。当某一设备发生故障时，必须靠自动装置来完成切除故障的任务，这就是继电保护装置。继电保护装置的作用是：自动、迅速、有选择地向断路器发出跳闸命令，将故障元件从电力系统中切除，保证其他无故障部分迅速地恢复正常运行；反映元件的不正常运行状态，发出信号或进行自动调整甚至跳闸。

继电保护及自动装置是电力系统的重要组成部分。

动作于跳闸的继电保护，在技术上应满足四个基本要求（简称四性）：

1）可靠性。可靠性是指在设定的保护范围内发生了应该动作的故障时应可靠动作，不应拒绝动作；在不需要动作时应可靠不动，不应误动作。可靠性是继电保护的最基本要求。

2）选择性。选择性是指仅将故障元件从电力系统中切除。当最靠近故障点的保护或断路器拒动时，由相邻的远处后备保护切除故障，也属于有选择性。

3）速动性。速动性是指尽快地切除故障，以便提高系统的稳定性，降低设备的损坏程度，缩小故障波及范围，提高恢复供电的效果。

4）灵敏性。灵敏性是指对被保护范围内发生故障或不正常状态的反应能力。通常采用灵敏系数来衡量，并留有一定的裕度。

继电保护可按结构、原理、保护对象和保护范围等分类。

按保护装置的结构不同，继电保护可分为电磁式、感应式、整流式、晶体管式、集成电路式和微机式等。

按原理不同，继电保护可分为电流保护、距离保护、纵联保护和行波保护等。

按照保护对象不同，继电保护可分为：线路保护（中低压线路、高压线路、超/特高压线路保护），设备或系统保护（变压器、发电机、母线及电容器保护），直流系统保护（直流侧、交流侧和直流线路保护）等。

按保护作用和范围不同，继电保护可分为主保护、后备保护（近后备、远后备）、辅助保护和异常运行保护。

2. 继电保护配置及相关标准

（1）输电线路保护 输电线路（一般指交流输电线路）应当配置主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。保护的配置应当结合被保护线路在电力系统中的作用和地位，满足保护四性的要求。GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》（以下简称规程）中规定了我国各个电压等级输电线路的保护配置及相关要求。表3-1中列出了各个电压等级交流输电线路的典型保护配置。

针对3～66kV电压等级中性点经低阻接地系统的单侧电源线路，宜装设一段或两段三相式电流保护，作为相间故障的主保护和后备保护；装设一段或两段零序电流保护，作为接地故障的主保护和后备保护。

（2）设备或系统保护 交流系统的设备或系统保护包括电力变压器保护、发电机保护、母线保护、断路器失灵保护、电力电容器组保护、并联电抗器保护和电动机保护。规程中规定了各设备或系统的保护配置及相关要求。表3-2列出了变压器、发电机、母线三种主要设备或系统的典型保护配置。

（3）直流输电系统保护 直流输电系统的控制保护可以是独立的结构，其中保护部分的主要功能是检测发生于直流输电系统中交直流开关场或整流逆变两端交流系统的故障，并发出相应的处理指令，以保护直流系统免受过电流、过电压、过热和过大电动力的危害，避免系统事故的进一步扩大。

直流输电系统主要保护配置见表3-3。各保护区的保护范围应是重叠的，不允许存在死区。

3.1.2 同步相量测量单元（PMU）/广域测量系统（WAMS）技术简介

本部分主要从相量测量技术、同步对时技术、广域测量系统技术以及电力系统稳定四个方面加以介绍。

1. 相量测量技术

相量的描述包含幅值A、相位θ和频率f或ω各个量，进一步，系统动态过程的相量描述则表现为相量幅值、相位和频率的时变行为。因此，相量测量实际上是对其幅值、相位和频率的测量。

相量测量技术由来已久，其中对幅值的测量技术发展较早，目前已比较成熟，而相位和频率的测量技术研究相对落后。早期的相位测量方法是将交流电压波形送到控制中心进行比较确定相位，但因延时存在不确定性问题，无法确定不同地点共同的参考相量，该方法测量精度太低，只在局部有效。卫星技术、计算机技术和通信技术的发展，为相位测量提供了成熟的基础。1980年，加拿大G·Missout首次采用无线电导航定位系统——罗兰·C提供的时间作为同步时钟，进行相位测量；由于罗兰·C接收困难，1981年又采用卫星系统GOES（Geostationary Operational Environment Satellites）提供的时间作为同步时钟。1981年，瑞士人P·Bonanomi采用无线电广播授时，其时间作为同步时钟信号进行相位测量，并首次展望了相位测量的应用前景。1983年，美国人A·G·Phadke采用无线电广播授时的时间作为同步时钟，提出了用递推的离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）求解电压相位；由于同步时钟精度低，又采用冗余方法来提高测量精度。

电力系统实时相位测量长期未能实现的根本原因在于电力系统地域辽阔，采用常规的方法和技术难以实现。电磁波虽是以光速30万km/s传播，但是对工频信号（50Hz）而言，每传播100km相位就滞后6°，采用直接传送交流信号的办法，误差太大。采用同步时钟进行相位测量时，对50Hz工频信号，1ms同步时钟误差会导致18°的相位偏差。由于过去时钟精度低，通信技术和计算机技术水平不高，阻碍了电力系统实时相位测量。

美国的全球定位系统（Global Position System，GPS）的出现并应用于电力系统，使得在采用GPS提供的高精度时钟构成的参考相量的基础上，有可能对电网系统中各发电机和其他主要节点上的电参量进行同步测量，获得网络各状态变量的同步信息。GPS时间误差小于1μs，对于50Hz的工频信号，其相位误差不超过0.018°，是一种能够满足电力系统要求的高精度和高可靠性统一时钟。GPS接收设备必须有两个或多个可供选择的输出，首先是在每秒出现的有50ns的上升沿到来时刻产生精确的数字输出信号，称为秒脉冲（Pulses Per Seconds，PPS）；第二是以9600bit/s传送的ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码信号，它表示出了数字输出的年、月、日、时、分、秒，不同厂家的输出脉冲不是统一的，而且秒脉冲沿可以是上升沿，也可以是下降沿。同时也可以为不同专门用途的用户提供其他要求的输出。GPS提供传送时间脉冲的上升沿足够陡，能够覆盖全球任何地理位置，具有非常稳定的和可预报的传送延迟，对干扰具有很强的免疫力，价格合理而且天线尺寸适宜，并能提供完整的时间信息。

1990年，A·G·Phadke研制了基于GPS时钟的同步相量测量装置，并将其应用于博纳维尔电力局（Bonneville Power Administration，BPA）的两个变电站之间的连线上。1990年，法国也研制了基于GPS时钟的同步相位测量装置，并将测量电压相量和基于电压相量的控制作为法国电网防止崩溃的措施。我国，华北电力大学自1994年就开始对相位测量进行研究；1995年研制出了基于GPS的相位测量装置，于1996年通过评审；1996年清华大学用相位测量装置在动模实验室进行了试验研究，并在黑龙江实现了相位测量和相邻点间相位观测。2004年清华大学四方电力系统稳定控制研究所与北京四方继保自动化股份有限公司联合，以清华大学在GPS、同步相量测量和电网动态安全监测领域近十年来的理论研究与北京四方继保在电力系统数字式继电保护设备研制、开发和应用方面的经验为基础，研制出基于相量测量单元的CSS-200电网动态安全监测系统。

PMU是实现WAMS应用的基础，而相位测量算法是PMU的核心，优秀的PMU算法能提高电力系统的保护监控能力，能更好地确保电力系统的安全稳定运行。算法的精度直接影响到电力系统稳定控制、故障分析及继电保护等高级应用的准确性。为提高PMU算法的测量精度，并使之满足动态情况下工程应用的要求，国内外学者提出了多种相量测量算法并取得了一定成效。目前，常见的相量测量算法有：过零点检测法、离散傅里叶变换（DFT）、卡尔曼滤波法、瞬时值计算法、小相量法、小波变换法、最小二乘法等。

当系统处于稳态时，上述的各种方法都能够达到相当的精度，满足一般工程应用的需要。而在系统处于动态情况下，如何准确快速地测量到相应的相位，是各算法研究和改进的重点。目前采取的改进措施有：①将泰勒级数引入到电力信号动态相量的表示中，并通过相量导数来修正动态特性对相量测量的影响，从而提高了动态条件下相量测量的精度；②采用一种基于改进瞬时对称分量法与三点算法相结合的相量测量算法，该算法利用瞬时对称分量法获取电量各个序分量的瞬时值，并进行基波正、负序电量的检测，然后利用改进三点法对基波量进行频率、幅值和相位的计算，它易于实现，实时性好，精度相对较高；③采用一种基于改进三点算法的相量测量方法，该算法采用多个采样点绝对值，选取合适的等间隔采样点，采取平均平滑补偿措施，有效地降低了随机噪声对测量结果的影响，计算精度较高，并对纹波有一定的抑制能力。

2. 同步对时技术

精确的同步对时技术是同步相量测量的基础。目前的主要同步方法包括电话授时、模拟微波、光纤、数字微波、卫星对时和网络同步等。不同的同步方法，对时误差是大不相同的。电话授时的误差为几个毫秒，模拟微波的误差为1ms，光纤的误差为0.5ms，数字微波的误差为0.07ms，卫星对时的误差为0.5μs或者更小，传统网络同步对时的误差为10ms，精确时间网络同步的误差为亚微秒级。电力系统广域测量技术所覆盖的时间尺度为毫秒级，通过上述分析可知在现有的同步对时技术中，对于广域测量系统而言可行的是采用卫星对时与网络对时方法。下面主要对用这两种手段来实现同步对时的技术分别进行介绍。

（1）主要卫星对时手段

1）美国的全球定位系统（GPS）。GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万km的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分钟，分布在六个轨道面上（每轨道面4颗），轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球的任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（Dilution Of Precision，DOP），这就提供了在时间上连续的全球导航能力。地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星的观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地，它对地面监控站实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟修正值。上行注入站也设在范登堡空军基地，它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星，每颗GPS卫星每天进行一次注入，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。GPS的主要优点有：定位精度高，信号抗干扰性强，观测时间短，测站间无需通视，仪器操作简便，可提供全球统一的三维地心坐标，应用广泛等。但是在使用过程中美国对GPS工作卫星的民用信号施加了诸如选择性干扰（SA技术）之类的干扰措施，降低了GPS的精度。图3-1所示为GPS组成结构，图3-2所示为GPS空间卫星星座分布，图3-3所示为用户端GPS的信号板和天线。

2）北斗卫星导航系统[BeiDou（Compass）Navigation Satellite System]。它是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，与美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）、欧盟伽利略（GALILEO）并称全球四大卫星导航系统。北斗卫星导航定位系统的基本定位是由27颗中轨道地球卫星（Middle Earth Orbit,MEO）完成的，通过三个55°倾角的轨道平面各部署9颗卫星，定位精度可以达到10m以内，理论上可以达到水平和垂直方向7.5m的精度，根据2007年MEO-1卫星发射后国外技术人员对信号的测定，北斗卫星导航定位系统在B1频段比GPS高7dB，充分体现了后发优势，在新的GPSⅢ系统部署前，北斗卫星导航定位系统的性能要优秀得多。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略等其他卫星导航系统兼容的终端组成。我国此前已成功发射4颗北斗导航试验卫星和13颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展成全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠及覆盖全球的导航系统。该系统可在全球范围内全天候和全天时地为各类用户提供高精度和高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。自2011年12月27日起，北斗卫星导航系统开始向我国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。图3-4所示为北斗卫星导航系统的组成结构。

3）其他卫星导航系统。全球四大卫星导航系统还包括俄罗斯格洛纳斯系统、欧盟伽利略系统。格洛纳斯系统最早开发于前苏联时期，后由俄罗斯继续该计划，俄罗斯1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统，该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。正在建设的伽利略全球卫星定位导航系统由30颗卫星组成，因此全球覆盖面更广，并且卫星定位的精度也比GPS提高了10倍以上，可以达到1～3m。伽利略全球卫星定位导航系统则有3个波段分别传送，因此可使地面系统在任何时候都可以同任何一个卫星进行信号传递。

（2）主要网络对时手段 由于在电力系统中有些功能要涉及站与站之间的时钟同步，例如，线路纵差保护、全网相量同步动态监测等，因此从全网角度考虑使用网络对时是必须的。目前网络对时主要参照的标准是IEEE 1588 V2协议。IEEE 1588的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，IEEE 1588标准的草案基础来自惠普公司的1990—1998年的有关成果。IEEE 1588协议是通用的提升网络系统时钟同步能力的规范，在起草过程中主要参考以太网，使分布式通信网络能够具有严格的时钟同步能力，并且应用于工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件实现网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与未执行IEEE 1588协议的以太网延迟时间1000μs相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。IEEE 1588协议目前已发展到V2版本。IEEE 1588 V2对V1进行了完善，提高了同步的精度；引入透明时钟（Transparent Clock，TC）模式，包括E2E（End-to-End）透明时钟和P2P（Peer-to-Peer）透明时钟，计算中间网络设备引入的驻留时间，从而实现主从间精确时间同步，并新增端口间延时测量机制等，通过非对称校正，减少了大型网络拓扑中的积聚错误。图3-5所示为IEEE 1588协议实现框架。

综上所述，采用卫星对时和网络对时的技术方法都可以实现广域测量系统的精确同步对时，在实际应用过程中的对比情况见表3-4。

3. 广域测量系统（WAMS）技术

WAMS是一种基于同步相量测量及现代通信技术对地域广阔的电网运行状态进行监测和分析，为电网的实时控制和运行提供服务的综合应用系统，一般主要包括处于调度中心的主站服务器、分布于系统关键节点的子站以及联系两者的高速数字化通信网络，其拓扑结构一般采用主站—子站树状层级结构。

子站即发电厂或变电站，安装同步相量测量装置。广域测量系统对子站同步相量测量技术的要求主要体现在可靠性、准确性和实时性三方面。可靠性包括设备的可靠性、数据传输与处理的可靠性以及数据的完整性。准确性包括同步时钟误差小于±1μs，工频相位测量误差小于±0.018°。实时性包括输出时延（即数据的发送时刻相对其时标的时间差）不大于30ms。

主站即调度中心主站，一般由主站基础平台及之上的高级应用功能等组成，通过高速通信系统接收来自子站或其他主站的相量数据,并可与电能量管理系统（Energy Management System，EMS）等系统交换信息,实现实时频率特征分析、扰动识别、仿真曲线对比及全网录波触发等功能。主站的平台包括前置机、实时数据库、历史数据库、监测系统与外部系统的接口及数据的转发等部分。WAMS有望克服现有局部和分散控制系统的不足，实现全局的优化协调控制。图3-6所示为WAMS结构示意图。

WAMS相关研究涉及的关键技术包括： WAMS的框架设计；网络通信的实时性、可靠性和安全性保障；相量测量技术；非时标信息和时标信息的融合；从动态响应曲线中挖掘深层信息，包括在没有与实际轨线对应的数学模型及参数下，从PMU轨线中提取量化指标；实测数据和仿真数据相结合的数据挖掘，基于广域动态信息的定量分析和优化控制的理论、算法；自适应控制的优化和协调；可视化技术。

广域测量系统得到的数据具有以下三个特点：

1）时间上同步。此前的各种电力系统故障录波仪由于不同地点之间缺乏准确的共同时间标记，记录数据只是局部有效，难以用于全系统动态特性的分析。全球卫星定位系统（GPS）的出现，提供了一个很好的统一系统时标的工具。与传统方法相比，具有精度高、范围大、不需要通道联络、不受地理和气候条件限制等优点，是电网时间统一的理想方法，在电力系统中已经有相当多的应用。电网的广域互联会带来新的电网暂态和动态问题，是原有的稳态监测系统所无法处理的，广域测量系统时间上的同步可以有效改善这些问题。

2）空间上广域。随着西电东送及全国联网和电力市场的推进，电力系统的空间范围不断扩大，形成广域电力系统。广域电力系统的运行分析与控制都是以状态测量为基础的，传统的系统侧重于系统稳态运行情况的监测，以有关的应用软件为代表的调度监测系统实际上是建立在稳态潮流水平上的电力系统运行监测系统。广域测量系统的出现，可以在时间同步的基础上获得广域电网的数据，实现对广域信息的实时处理与监测。

3）可以利用同步相量测量技术直接测量相位数据，与此前利用电压电流信息进行状态估计相比，具有更高的测量精度，相位信息的获取也可以被用于电力系统的稳定监测、状态估计以及控制等。

4. 电力系统稳定分类

电力系统稳定性是指给定运行条件下的电力系统，在受到扰动后，重新恢复到运行平衡状态的能力。系统中的多数变量可维持在一定的范围，使整个系统能稳定运行。根据性质的不同，电力系统稳定性可分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三类。

功角稳定是指互联系统中的同步发电机受到扰动后保持同步运行的能力。这其中又分为小扰动功角稳定和大扰动功角稳定。小扰动功角稳定（静态稳定）和大扰动功角稳定（暂态稳定）均被视为一种短期现象。小扰动功角稳定可表现为转子同步转矩不足引起的非周期失稳以及阻尼转矩不足造成的转子增幅振荡失稳。

电压稳定是指在给定的初始运行状态下，电力系统遭受扰动后系统中所有母线维持稳定电压的能力，它依赖于负荷需求与系统向负荷供电之间保持/恢复平衡的能力。与功角稳定一样，电压稳定也可以分为小扰动电压稳定和大扰动电压稳定两类。也有文献将小扰动电压稳定称为是静态稳定，但是两者之间有着微妙的差异。大扰动电压稳定的研究时段可从几秒到几十分钟；小扰动电压稳定可能是短期的或长期的。

频率稳定是指电力系统受到严重扰动后，发电和负荷需求出现大的不平衡，系统仍能保持稳定频率的能力。频率稳定可以是一种短期或长期现象。

另外，针对研究过程的时间尺度，电力系统稳定又分为短期稳定、中期稳定和长期稳定。根据扰动大小，电力系统稳定可分为大扰动稳定和小扰动稳定。

通过以上叙述，可以得出电力系统稳定性的分类具有不同的标准，但电力系统稳定的分类有三种标准：研究对象（功角、电压和频率），扰动的种类，持续时间。

尽管上面的论述将系统失稳归为各种类型，但是实际系统的失稳情况比这复杂得多。电力系统稳定是一个整体性问题，客观上只有一种稳定或不稳定状态，但依据系统的稳定特性、扰动大小和时间框架的不同，系统失稳可表现为多种不同的形式。有文献指出，电压不稳定现象并不总是孤立地发生。功角不稳定与电压不稳定的发生常常交织在一起，一般情况下，其中一种占据主导地位，但并不容易区分。然而，功角稳定和电压稳定的区分对于充分了解系统的稳定特性和不稳定的原因，进而安排系统的运行方式、制定稳定控制策略、规划电网结构都是非常重要的。