适用于主动配电网PMU的数据传输协议与通信性能分析 234mm李珏;刘灏;田建南;毕天姝;杨奇逊
【摘 要】随着分布式新能源渗透率不断提高,智能配电网电力电子化趋势明显,电气参数更加复杂,亟需研究适用于配电网的同步相量测量装置(Synchrophasor measurement unit for distribution network,D-PMU).然而,现有通信协议与条件无法满足D-PMU的接入需求.针对该问题,该文设计一种适用于D-PMU的基频相量、谐波/间谐波同步测量、异步传输的结构框架,提出一种谐波/间谐波的数据传输协议,减少了通信负担.在上述框架的条件下,分析网络通信延时与丢包率的影响因素,搭建通信性能测试平台,进行通信性能实际测试,验证所提通信方法的可行性,并根据测试结果提出一种D-PMU通信接入参数的设置方法. 【期刊名称】《电力科学与技术学报》
【年(卷),期】2019(034)002
【总页数】8页(P3-10)
【关键词】主动配电网;同步相量测量单元;通信延时;丢包率;电力系统
【作 者】李珏;刘灏;田建南;毕天姝;杨奇逊
【作者单位】华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206;华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206;国家电网北京电力公司,北京 100031;华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206;华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206夫妻草
【正文语种】中 文
【中图分类】TM71
近年来，中国风电、光伏等分布式电源(distributed generation，DG)与电动汽车等柔性负荷快速发展，截止到2018年底，中国风电并网容量达到1.84亿kW，光伏发电装机容量达到1.74亿kW，均居世界第一[1-2]。有机构初步预测，2030年中国分布式电源装机容量可达5.05亿kW，占同期中国总装机的17.3%。2018年中国电动汽车销量达125万台，已成为全球第一大电动汽车市场[3-4]。电网新元素的出现与快速发展，使得主动配电网(active distribution network, AND)的概念应运而生。
分布式电源的间歇性与电力电子装置的快速开关特性使主动配电网电气量呈现出宽频带、高噪声、多瞬变的特性，含分布式电源主动配电网的机理特性、分析方法和运行控制方式发生了根本性变化[5-8]，这对测量装置提出了新的需求与挑战，亟需适用于配电网的同步相量测量装置(Synchronized phasor measurement unit for distribution network, D-PMU)[9-10]。
输电网PMU的测量量为基频相量。而配电网的D-PMU测量对象除去基频相量外，还应能够测量间谐波与谐波分量，以实现主动配电网电气量的宽频测量[11]。目前，国际上应用最为广泛的通信协议是IEEE标准委员会制定的IEEE C37.118.2，该协议版本是用于电力系统同步相量数据传输的最新修订版本[12]；国内同步相量装置、WAMS主站的传输使用GB_T26865.2-2011；在智能变电站中普遍采用IEC 61850标准通信[13]，考虑与IEEE C37.118.2标准的通用，IEEE和IEC的联合工作组制定了适用于智能站的同步测量数据传输协议IEC-61850-90-5，但应用较少[14]。因此，国内外多采用C37.118.2或GB_T26865.2-2011进行同步测量数据传输，但上述标准多偏重于基频相量的传输，未过多考虑间谐波与谐波的实时传输。
另一方面，输电网通信手段为电力调度专用光纤以太网。而配电网通信条件较差，大多数地区不具备光纤，这给D-PMU的通信接入带来了困难。随着智能配电网的发展，目前正处于试点应用阶段的TD-LTE电力无线宽带专网的建设，将有力地促进电网的发展，开始成为电力系统研究应用的重点[15-17]。对于有线/4G公网，在配电网信息采集等应用中也有所采用，但缺乏其通信性能及其对D-PMU影响的分析，难以为D-PMU通信接入参数设置提供数据基础。
十二水磷酸氢二钠针对上述问题，该文设计了一种适用于D-PMU的结构框架，提出了一种数据传输协议，分析了有线/4G公网的网络通信性能影响因素，并搭建了测试平台，进行了通信性能测试，为D-PMU通信接入参数设置方法提供了数据基础，并提出了相应的设置方法。
1 D-PMU架构与数据传输协议
1.1 D-PMU架构
该文提出的D-PMU框架结构，如图1所示。一次侧的高电压与大电流经电压互感器与电流互感器传变后，变为低电压与小电流再经模拟低通滤波器与A/D转换，输入到处理器中。
深海导航传统的PMU只测量基频相量。而D-PMU需同时测量基频相量、谐波/间谐波，因此处理器中包含2种算法：谐波/间谐波测量方法与同步相量测量方法。谐波/间谐波测量方法用于计算电压与电流中谐波/间谐波分量。谐波/间谐波幅值(Xmhi)与频率(fhi)是该谐波/间谐波的基本特性，需进行测量。其中，i=1，2，3…，表示不同的谐波/间谐波分量。此外，要确定某一谐波/间谐波的传播路径，需通过对比该谐波/间谐波分量在电压与电流中的相角(φhi)之差。因此，谐波/间谐波电压与电流相角亦需要进行测量。同步相量测量方法计算电压与电流基频分量的幅值(Xm0n)、相角(φ0n)、频率(f0n)与频率变化率(df0n)，其中，n=1，2，3…，表示不同通道。
图1 D-PMU框架结构图Figure 1 Framework of D-PMU
得到谐波/间谐波测量数据与同步相量测量数据后，将2种测量数据分别打包，形成谐波/间谐波数据帧与相量数据帧。现场数据分析表明，线路中出现间谐波时，其数量通常为2个以上，最多曾出现过8个。因此，谐波/间谐波数据帧大小一般大于相量数据帧，最多时可达8倍。若谐波/间谐波数据帧与相量数据帧以相同的速率上传，将增大通信负担，严重时会影响相量的数据传输。此外，现场数据分析发现，间谐波在1 s到2 s时间范围内不会发生大
的突变。因此，谐波/间谐波数据帧与相量数据帧采用不同上送速率上送D-PMU主站。Fs0为相量上送速率，Fsh为谐波/间谐波上送速率。其中，Fs0仍可根据PMU国家标准，并结合现场通信条件与应用需求进行设置；Fsh则可根据谐波/间谐波监测与应用需求设置以较低速率上传。根据该方法所得D-PMU通信量大小如表1所示。可以看出增加的谐波与间谐波数据帧流量仅占原有基频的11%，并没显著增加通信负担。
表1 D-PMU通信量大小Table 1 Frame size of D-PMU数据类型IP报文长度/B上传频率/Hz实时监测数据流量/kbps基波905036.000谐波37813.024间谐波13811.104
1.2 数据传输协议
GB_T 26865.2-2011和IEEE C37.118.2定义了相量测量数据的帧格式，包括数据帧和配置帧，但是标准并未涉及谐波和间谐波的帧格式。该文在上述标准的基础上，对协议进行了扩展。
根据次同步振荡事件的现场数据分析可知，谐波和间谐波数量并不会太多，因此将谐波最大上传数量设置为10，将间谐波最大上传数量设置为50。相比于基波25、50、100 Hz的
上传频率，为防止通信通道重载，将谐波和间谐波的上传频率设置为1、2、5 Hz可选，并分别由谐波数据帧和间谐波数据帧独立上送。此外，引入配置帧CFG-4和CFG-5来规定数据帧的封装和上送。
谐波数据帧、间谐波数据帧和相应的配置帧格式如图2所示。其中，字段HAMPHAS、INTPHAS分别包含谐波和间谐波用极坐标表示的相量信息；HAMANAS、INTANAS包含谐波和间谐波频率和其他模拟量信息，例如控制信号和变换器的值等；HPNMR、HANMR、INPNMR、INAMR分别表示谐波和间谐波相量及模拟量的数量；HPUNIT、HAUNIT、INPUNIT、INAUNIT分别表示谐波和间谐波相量及模拟通道的转换因子。
图2 谐波、间谐波和CFG4/5帧格式Figure 2 Harmonics, inter-harmonics and CFG4/5 message specifications
防潮纸
在此提出D-PMU的相量、谐波/间谐波测量数据帧格式、大小与传输频率。下面将着重分析并测试上述设置方案条件下，使用现有通信网络的D-PMU数据传输性能。
2 网络通信性能的影响因素分析
2.1 通信延时
根据测量数据传输的实时性或延时分布状况采用相应的主站数据处理方式，是该文的一个重点工作。通信延时是指一个网络报文从网络的一端传送到另一端所经过的时间。该文测量系统的通信延时是指数据报文中包含时间戳的时间与数据主站收到该报文的时间之间的时间间隔。根据延时的产生过程和不同特性，数据报文经历的端到端延时有测量装置的通信处理延时、链路传输延时和测量装置及数据主站通信处理延时3个部分，如图3所示。
图3 数据报文传输延时Figure 3 Communication latency of data frame
1)测量装置处理延时τ1：表示报文处理延时，主要包括测量装置的数据处理时间和通信模块对数据按协议打包时间，与数据处理芯片计算速度和通信模块的软硬件设计和性能有关，一般为固定值。
2)网络传输延时τ2：由发送延时τs、传播延时τp、交换延时τq组成。
τs表示数据报文发送延时，由于网络路由交换设备的存储转发机制的限制，在网络节点处必须接收到完整报文才能转发该报文，从而实现高、低速端口间的交换和协同工作，完成
报文的转发。数据报文发送延时是指网络节点中的数据报文从节点全部进入到传输介质所用的时间，发送延时τs与通信链路带宽B(单位bit/s)成反比，与报文长度L(单位bit)成正比，则有
τs=L/B
(1)
τp表示报文传播延时，是指电磁波在信道中传播所需要的时间，取决于2节点之间信道的传输距离和链路传播速度。光信号在光纤中的传播速率大约为光速的2/3，用v表示；2点间信道的总长度用S表示，即
τp=S/v
(2)
τq表示交换延时，是指网络节点在处理或转发报文时，数据在存储转发队列中所等待的时间，它与路由策略、排队算法以及网络负载大小有关。如果网络中数据流量瞬间增大，则
经过交换机的负载流量也会增大，势必造成数据报文在交换机中排队等待处理的时间增加，最终造成数据报文的总延时增加。
3)主站装置处理延时τ2：数据主站通信模块对报文按协议解包时间，与数据主站的软硬件设计和性能有关，一般为固定值。但由于数据主站是唯一的物理接口与众多测量主站进行通信，如果超过其负载时，会出现报文冲突，其中的某个报文因为一段重叠时间的延迟而产生随机时延，会造成其值的随机性。赵兰兴
因此，通信系统总延时τ：
τ=τ1+τs+τp+τq+τ2
(3)
2.2 丢包率
同步测量数据安全可靠传送到数据主站，是保证数据主站状态监测及其他功能实现的重要保障。因此，通信系统的丢包率是该文关注的关键性能之一。为分析造成数据丢包的情况
及原因，将测量数据由装置上传到主站的过程分成3个过程：①测量装置数据封装、发送过程；②测量数据网络传输过程；③主站接收、解包数据过程。此外采用的通信协议也会对数据的丢失与否有一定影响。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议