Синхронизированные векторные измерения¶

Синхронизированные векторные измерения (СВИ) — это технология высокоточного определения параметров электрического режима энергосистемы, основанная на измерении векторов тока и напряжения (синхрофазоров) в различных точках сети с привязкой к единому времени. В отличие от традиционных измерений, которые фиксируют только среднеквадратичные значения (RMS) и не учитывают фазу сигнала, СВИ позволяют получать мгновенные значения амплитуды и фазы, синхронизированные с точностью до микросекунд по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), таких как GPS, ГЛОНАСС или Galileo. Технология является ключевым элементом систем мониторинга переходных режимов (WAMS — Wide Area Measurement System) и интеллектуальных электрических сетей (Smart Grid).

¶История развития

Первые идеи использования синхронизированных по времени измерений для анализа энергосистем появились в 1970-х годах. В 1980-х годах в США под руководством профессора Аруна Фадке (Arun Phadke) и Джеймса Торпа (James Thorp) в Виргинском политехническом институте были разработаны прототипы устройств, способных измерять синхрофазоры. В 1993 году был принят первый стандарт IEEE 1344, регламентирующий формат данных синхронизированных векторных измерений. В 2005 году его сменил стандарт IEEE C37.118, который впоследствии был дополнен и объединён с IEC 61850 в редакции IEEE C37.118.1-2011 и IEEE C37.118.2-2011.

В России технология СВИ начала внедряться в 2000-х годах. Первые отечественные устройства синхронизированных векторных измерений (УСВИ) были разработаны в Научно-техническом центре Федеральной сетевой компании (АО «НТЦ ФСК ЕЭС») и ряде других организаций. К 2020-м годам в Единой энергетической системе (ЕЭС) России было установлено более 1000 УСВИ, преимущественно на подстанциях напряжением 220 кВ и выше.

¶Принцип работы

¶Измерение синхрофазора

Синхрофазор — это комплексное представление синусоидального сигнала (тока или напряжения), заданное в полярной системе координат: амплитуда (модуль) и фазовый угол относительно опорного сигнала, синхронизированного со временем UTC. Устройство СВИ (PMU — Phasor Measurement Unit) дискретизирует аналоговый сигнал с частотой, как правило, 48, 96 или 128 отсчётов на период промышленной частоты (50 или 60 Гц). Затем с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) или цифровых фильтров вычисляется вектор.

¶Синхронизация по времени

Ключевое отличие СВИ от обычных измерений — привязка каждого отсчёта к абсолютному времени. Для этого используется приёмник ГНСС, который выдаёт импульс синхронизации (PPS — Pulse Per Second) с точностью до 1 микросекунды. Внутренний тактовый генератор PMU подстраивается под этот сигнал, что позволяет сравнивать фазы сигналов, измеренных в удалённых точках сети, с погрешностью не более 0,01° (для частоты 50 Гц).

¶Передача данных

Измеренные синхрофазоры передаются в центр сбора и обработки данных (PDC — Phasor Data Concentrator) по протоколам, определённым стандартом IEEE C37.118.2. Данные передаются с частотой 10–60 кадров в секунду (в зависимости от настройки). PDC выполняет первичную обработку, синхронизацию потоков от разных PMU, проверку достоверности и архивирование.

¶Устройство и компоненты

Система синхронизированных векторных измерений включает три основных компонента:

Устройство синхронизированных векторных измерений (УСВИ, PMU) — измерительный прибор, устанавливаемый на подстанции. Включает в себя аналоговые входы (трансформаторы тока и напряжения), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой сигнальный процессор (DSP) для вычисления синхрофазоров, приёмник ГНСС и сетевой интерфейс для передачи данных.
Концентратор фазоров (PDC) — сервер или программно-аппаратный комплекс, который собирает данные от нескольких PMU, выравнивает их по времени, проверяет на ошибки и передаёт в верхний уровень управления. В крупных энергосистемах может быть организована иерархия PDC — локальные, региональные и главный.
Каналы связи — выделенные или корпоративные сети передачи данных (оптоволокно, DSL, спутниковая связь), обеспечивающие низкую задержку (менее 100 мс) и высокую пропускную способность.

¶Применение

¶Мониторинг переходных режимов

Основное назначение СВИ — наблюдение за динамическими процессами в энергосистеме в реальном времени. Системы WAMS на основе СВИ позволяют:

обнаруживать низкочастотные колебания (0,1–2 Гц) в энергосистеме, которые могут приводить к потере устойчивости;
фиксировать аварийные отключения линий электропередачи и генераторов;
оценивать запасы статической и динамической устойчивости.

¶Управление режимами

Данные СВИ используются для автоматического управления:

Автоматика предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ) — на основе синхрофазоров вычисляются углы между векторами напряжения в разных узлах сети, и при превышении пороговых значений выдаются команды на отключение нагрузки или генерации.
Системы мониторинга и управления напряжением — позволяет в реальном времени корректировать работу устройств регулирования напряжения (трансформаторы с РПН, статические компенсаторы реактивной мощности).

¶Послеаварийный анализ

Архивы СВИ с частотой 50–60 кадров в секунду позволяют детально восстановить ход аварийного процесса — от начала короткого замыкания до завершения переходного процесса. Это существенно точнее, чем анализ на основе осциллограмм с регистраторов аварийных событий (РАС), которые имеют ограниченную длительность записи.

¶Верификация моделей

Сравнение результатов расчётов на математических моделях энергосистем (например, в программных комплексах PSS/E, RastrWin, Eurostag) с реальными данными СВИ позволяет уточнять параметры моделей, повышая точность прогнозирования режимов.

¶Классификация устройств

По конструктивному исполнению PMU делятся на:

Автономные — отдельные приборы, подключаемые к измерительным трансформаторам. Обеспечивают максимальную точность, но требуют дополнительного монтажа.
Встроенные — модули, интегрированные в цифровые устройства релейной защиты и автоматики (УРЗА), регистраторы аварийных событий или контроллеры присоединений. Экономичнее, но могут иметь ограничения по точности и частоте выдачи данных.

По классу точности, согласно ГОСТ Р 56302-2014, устройства СВИ делятся на классы 0,5, 1 и 3, где класс 0,5 обеспечивает погрешность измерения фазового угла не более 0,5° при номинальной частоте.

¶Преимущества и ограничения

¶Преимущества

Высокое временное разрешение (до 1 мс) позволяет видеть динамику процессов, недоступную для традиционных SCADA-систем (опрос которых происходит раз в 1–10 секунд).
Возможность прямой оценки фазовых углов между удалёнными точками сети — ключевой параметр для оценки устойчивости.
Синхронизация с абсолютным временем упрощает анализ событий в масштабах всей энергосистемы.

¶Ограничения

Высокая стоимость оборудования и каналов связи (особенно для удалённых подстанций).
Чувствительность к качеству сигналов ГНСС — в условиях городской застройки или вблизи мощных радиопередатчиков возможны сбои синхронизации.
Большой объём передаваемых данных (до 10 Мбайт/с с одного PMU) требует развитой инфраструктуры хранения и обработки.
Сложность интерпретации данных при неполной наблюдаемости сети (когда PMU установлены не на всех узлах).

¶Стандартизация и нормативная база

В России технология СВИ регламентируется следующими документами:

ГОСТ Р 56302-2014 «Электроэнергетика. Устройства синхронизированных векторных измерений. Общие технические требования»;
СТО 56947007-29.240.10.293-2019 «Методические указания по применению устройств синхронизированных векторных измерений в ЕЭС России»;
Правила технологического функционирования электроэнергетических систем (утверждены постановлением Правительства РФ № 937 от 13.08.2018) — содержат требования к оснащению подстанций 330 кВ и выше системами СВИ.

На международном уровне основным является стандарт IEEE C37.118.1-2011 (измерения) и IEEE C37.118.2-2011 (передача данных), а также IEC 61850-90-5 (интеграция с протоколами автоматизации подстанций).

¶Перспективы развития

Основные направления совершенствования технологии СВИ включают:

Микросетевые PMU — компактные и недорогие устройства для распределительных сетей 6–35 кВ, позволяющие внедрять мониторинг на уровне городов и промышленных предприятий.
Использование машинного обучения — для автоматического распознавания типов колебаний и прогнозирования аварийных ситуаций на основе потоковых данных СВИ.
Интеграция с системами кибербезопасности — защита каналов передачи данных от несанкционированного доступа и подмены синхрофазоров (так называемые «атаки на синхрофазоры»).
Разработка отечественных PMU на основе российской элементной базы и с использованием системы ГЛОНАСС — для снижения зависимости от импортных комплектующих и повышения импортозамещения в энергетике.

¶Источники

Phadke A. G., Thorp J. S. Synchronized Phasor Measurements and Their Applications. — Springer, 2008.
IEEE Standard for Synchrophasor Measurements for Power Systems. IEEE C37.118.1-2011.
ГОСТ Р 56302-2014 «Электроэнергетика. Устройства синхронизированных векторных измерений. Общие технические требования».
СТО 56947007-29.240.10.293-2019 «Методические указания по применению устройств синхронизированных векторных измерений в ЕЭС России».
Отчёт АО «НТЦ ФСК ЕЭС» «Развитие систем мониторинга переходных режимов в ЕЭС России», 2020.
Неклепаев Б. Н., Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций. — М.: Энергоатомиздат, 2013.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →