Использование измерения фаз Подразделения (pmus) Мониторинг сетей в реальном времени

Электрическая сеть — самая большая из когда-либо построенных машин, разросшаяся и динамичная сеть, которая соединяет выработку электроэнергии с миллиардами устройств. Ее стабильность имеет первостепенное значение для современного общества, но традиционные инструменты, используемые для ее мониторинга, были разработаны для более медленной, более предсказуемой эпохи. В течение десятилетий операторы полагались на системы удаленного терминала (RTU) и системы надзорного контроля и сбора данных (SCADA), которые производили измерения каждые две-четыре секунды. Это было похоже на наблюдение за высокоскоростной погоней через серию неподвижных фотографий. Северо-восточный отключок 2003 года, который погрузил 55 миллионов человек в темноту, ярко продемонстрировал неадекватность этого подхода. Операторам не хватало видимости в реальном времени, необходимой для распознавания и реагирования на каскадные сбои.

Решением этого критического разрыва является Фазорный измерительный блок (PMU). Также известный как синхрофазор, PMU обеспечивает измерения напряжения и тока с высокой разрешающей способностью в нескольких точках по сети. Предлагая синхронизированный, динамический вид энергосистемы, PMU превратили мониторинг сети из реактивной, судебной дисциплины в активную работу в режиме реального времени. В этой статье подробно описаны технологии, приложения и будущее PMU в создании более устойчивой и интеллектуальной электрической сети.

Понимание основной технологии: что такое синхрофаз?

Фазор — математическое представление синусоидальной формы волны, такой как напряжение или ток. Он определяется его величиной (амплитуда волны) и его фазовым углом (смещение волны от исходной точки). Фазовый угол — ключевая часть информации. Если напряжение на одной шине имеет фазовый угол 0 градусов, а соседняя шина имеет фазовый угол 15 градусов, то поток мощности между ними прямо пропорционален этой разности в 15 градусов. Система SCADA измеряет эти величины и значения угла настолько медленно, что данные угла по существу бесполезны для решений в реальном времени.

PMU — это специализированное устройство, которое принимает до 60 измерений в секунду (или 30, 50 или 120 в зависимости от частоты и конфигурации энергосистемы). Каждое измерение — это точный цифровой снимок напряжения и формы волны тока. Критической инновацией является использование Глобальной системы позиционирования (GPS) для временной штемпеля каждого отдельного измерения с разрешением одной микросекунды. Эта синхронизация означает, что измерения, сделанные из PMU во Флориде, Орегоне и Вашингтоне, выровнены с одним и тем же точным моментом во времени. Эти выровненные по времени данные называются синхрофазором.

Поток данных из ПМУ регулируется стандартом C37.118 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Этот стандарт определяет требования к синхронизации, форматам данных и протоколам связи, гарантируя, что ПМУ от разных производителей могут беспрепятственно работать вместе в рамках системы мониторинга широкой области (WAMS). Стандарт указывает, что общая ошибка вектора (TVE) измерения должна быть менее 1%, обеспечивая очень высокий уровень точности.

PMU Hardware Stack

Операционные преимущества: ценность видимости высокого разрешения

Влияние ПМУ на работу сетей является глубоким. Они обеспечивают совершенно новый уровень видимости, который позволяет операторам видеть динамическое поведение сети, как это происходит. Ниже приведены основные варианты использования, которые привели к внедрению технологии ПМУ по всему миру.

Широкая область ситуационной осведомленности

Вместо того, чтобы смотреть на однократное считывание шины, оператор диспетчерской теперь может видеть карту в реальном времени разностей фазового угла по всему соединению. Растущая разница фазового угла между двумя регионами указывает на системный стресс и повышенный риск нестабильности. Данные PMU позволяют операторам визуализировать «стабильность угла» сетки и предпринимать корректирующие действия, такие как перераспределение генерации или сброс нагрузки, задолго до того, как сработает традиционная сигнализация. Это единственное наиболее ценное применение данных PMU для операторов.

Динамическая оценка состояния

Традиционная оценка состояния (SE) - это математический процесс, используемый системами управления энергией (EMS) для оценки состояния сетки на основе измерений SCADA. Поскольку данные SCADA несинхронизированы и медленны, традиционная SE - это сложная, нелинейная оценка, которую необходимо решать итеративно. Она создает статический «снимок» системы. С данными PMU уравнение становится линейным. Прямое, синхронизированное измерение величины напряжения и угла доступно для каждой шины с PMU. Это позволяет использовать Linear Dynamic State Estimation (L-DSE) , которая вычислительно быстрее, точнее и может быть обновлена при каждой скорости выборки PMU. Это значительный скачок вперед для моделирования и управления сеткой.

Обнаружение колебательных колебаний и демпфирование

Электросетка склонна к низкочастотным электромеханическим колебаниям (обычно от 0,2 до 3 Гц). Это естественные «качели» в потоке мощности между генераторами. Если эти колебания не затухают должным образом, они могут расти в величине и приводить к разрушению системы. Системы SCADA не могут обнаружить эти колебания, потому что их частота выборки слишком медленна, чтобы увидеть форму волны. Данные PMU, взятые на частоте 30-60 Гц, идеально подходят для этого. Передовые системы мониторинга используют данные PMU для выполнения непрерывного модального анализа - идентифицируя частоту и отношение демпфирования колебаний в режиме реального времени. Операторы могут затем регулировать стабилизаторы системы питания или устройства FACTS для обеспечения контроля демпфирования .

Последистурбальный анализ (криминалистика)

Когда происходит неисправность или возмущение, последовательность событий (SOE) имеет решающее значение для понимания того, что произошло и как предотвратить это в будущем. Традиционные цифровые регистраторы неисправностей (DFR) захватывают высокоскоростные данные, но ограничены одной подстанцией и не синхронизированы. Данные PMU обеспечивают общесистемную, синхронизированную запись события с высоким разрешением. Инженеры могут «отыграть» возмущение, наблюдая точную последовательность падения напряжения, угловых колебаний и потоков мощности с высоты птичьего полета. Это резко повышает точность и скорость анализа первопричин.

Модель валидации

Модели энергосистем являются основой планирования и операций. Однако эти модели часто неточны, поскольку содержат предположения о производительности генератора, характеристиках нагрузки и параметрах линии. Данные PMU обеспечивают идеальный ориентир для проверки этих моделей. Сравнивая смоделированный отклик модели с возмущением с измеренными данными PMU, инженеры могут идентифицировать ошибки модели и вносить исправления. Этот процесс известен как валидация модели и является критическим шагом в обеспечении точности исследований планирования.

ПМУ и интеграция возобновляемых источников энергии

Глобальный толчок к декарбонизации приводит к массовому притоку переменных возобновляемых источников энергии (ВВЭИ), таких как солнечная и ветровая энергия. Эти источники принципиально отличаются от традиционных синхронных генераторов (уголь, газ, ядерная энергия). Они подключаются к сети через силовую электронику, в первую очередь инверторы. Инверторные ресурсы (ИБР) имеют очень разные динамические характеристики, чем синхронные машины. Они по своей сути не обеспечивают инерцию, которая стабилизирует сеть, и они могут быть подвержены нестабильности в условиях «слабой сети».

Для управления этим переходом необходимы ПМУ. Предоставляемые ими высокоскоростные синхронизированные данные имеют решающее значение для наблюдения за поведением ИБР. Например, фазовая замкнутая петля (ПЛЛ) в инверторе, которая синхронизирует свой выход с частотой сетки, может стать неустойчивой, если напряжение сетки или угол меняются слишком быстро. Данные ПМУ могут обеспечить широкий угол отсчета, необходимый для поддержания стабильности этих ПЛЛ.

Кроме того, ПМУ используются для мониторинга доступности возобновляемой генерации. Тень, покрывающая большую солнечную ферму, может вызвать резкое падение выходной мощности (событие «резка»). Данные ПМУ могут обнаружить это событие пандуса почти мгновенно, позволяя системным операторам отправлять быстрое резервирование или сужение нагрузки для поддержания баланса спроса и предложения. Без видимости высокого разрешения, предоставляемой ПМУ, управление сетью с высоким проникновением возобновляемых источников энергии было бы гораздо сложнее и менее надежным.

Проблемы в развертывании PMU и управлении данными

Несмотря на их огромную ценность, развертывание ПМУ не лишено существенных проблем. Коммунальные службы должны преодолеть препятствия, связанные с инфраструктурой, финансами и наукой о данных.

Синхрофазор данных цунами

Один поток PMU со скоростью 60 образцов в секунду генерирует примерно 2,5 ГБ данных в год. Утилита с 500 PMU будет создавать более 1,2 ТБ сырых данных в год. Этот поток данных, часто называемый «данными цунами», представляет собой огромную проблему для пропускной способности связи, хранения и аналитики. Центральный концентратор данных Phasor (PDC) должен собирать, выравнивать, отметать время и хранить данные из десятков или сотен PMU. Создание и поддержание ИТ-инфраструктуры для обработки этого потока данных является крупной инвестицией.

Уязвимости кибербезопасности

Добавляя тысячи интеллектуальных сетевых датчиков в сеть, PMU резко увеличивают поверхность атаки для киберугроз. Успешная кибератака на сеть PMU может включать в себя ввод ложных данных (атака «подмены сети»), отключение системы мониторинга или даже отправку вредоносных сигналов управления. Задержанный во времени характер данных делает систему особенно чувствительной к подделке GPS, где ложный сигнал GPS может быть передан для дезориентирования синхрофазоров. Коммунальные службы должны внедрить надежные протоколы кибербезопасности, включая шифрование (IEC 61850-90-5), аутентификацию и системы обнаружения вторжений, для защиты своей инфраструктуры PMU.

Высокие инфраструктурные затраты

Стоимость самого устройства ПМУ относительно скромная (тысячи долларов), но общая стоимость владения (TCO) намного выше. Каждому ПМУ требуется высокоскоростная, надежная сеть связи (часто оптоволоконная), антенна GPS и интеграция с ПДК и ЭМС. Стоимость установки инфраструктуры связи на удаленные подстанции может быть непомерной. Кроме того, программные системы, необходимые для визуализации и анализа данных (например, широкоугольные ситуационные дисплеи) требуют значительных капитальных затрат.

Качество данных и их проверка

Как и в случае с любым датчиком, данные PMU могут быть повреждены аппаратными сбоями, отсевом связи или ошибками калибровки. Плохие данные, поступающие в EMS, могут привести к неправильным оценкам состояния и плохим решениям оператора. Поток данных должен постоянно проверяться на качество. Это включает проверку недостающих пакетов данных, плохих штампов времени, значений вне диапазона и фазовых скачков. Внедрение надежных проверок качества данных является нетривиальной задачей разработки программного обеспечения, которая должна быть решена, чтобы реализовать полную стоимость инвестиций PMU.

Будущее сетевого мониторинга с PMU

Роль ПМУ будет резко расширяться по мере того, как сеть станет более сложной и основанной на данных.

Искусственный интеллект и машинное обучение

Данные PMU с высоким разрешением, выровненные по времени, идеально подходят для алгоритмов машинного обучения (ML). Модели ML можно обучить распознавать «подписи» надвигающейся нестабильности, начальных неисправностей или ненормального поведения оборудования, прежде чем они вызовут проблему. Объединив данные PMU с прогнозами погоды и историческими данными об отключении, утилиты могут создавать системы прогнозного обслуживания, которые уменьшают время простоя. Возможность обрабатывать данные PMU на краю, используя чипы AI на небольших компьютерах рядом с подстанцией, позволит передней аналитики , которые могут реагировать в миллисекундах на локальные возмущения.

Микросинхрофазоры

Успех ПМУ на сети передачи (высокое напряжение) привел к разработке микро-ПМУ (μPMU) (мкФТ: 1) для распределительной сети (низкое напряжение). Распределительные сети становятся более активными с распределенными энергетическими ресурсами (DER), такими как солнечные батареи на крыше, электромобили и аккумуляторные батареи. μPMU обеспечивают такую же видимость с высоким разрешением для распределительной системы, позволяя операторам управлять нарушениями напряжения, обнаруживать островки и оптимизировать развертывание интеллектуальных инверторов. Эта технология является основой для умной сети будущего.

Системы управления широкими зонами

Конечная цель технологии PMU заключается в том, чтобы выйти за рамки мониторинга и перейти к полностью автоматизированному управлению замкнутым контуром. Вместо того, чтобы оператор видел колебания и вручную выдавал команду, система управления шириной зоны (WACS) будет использовать данные PMU для непосредственной настройки генераторов, преобразователей HVDC или устройств FACTS в режиме реального времени, чтобы автоматически ослабить колебания. Это сложная проблема управления, но она представляет собой полную реализацию обещания синхрофазора - самоисцеляющейся сетки, которая может реагировать на возмущения быстрее, чем любой оператор-человек.

Заключение

Отделы измерения фазоров перешли из исследовательских лабораторий в незаменимую операционную технологию для современного управления сетями. Они обеспечивают скорость, точность и синхронизацию, необходимые для поддержания стабильности во все более динамичной и сложной энергосистеме. В то время как проблемы, связанные с затратами, управлением данными и кибербезопасностью, сохраняются, преимущества повышенной безопасности, эффективной интеграции возобновляемых источников энергии и передового моделирования систем слишком велики, чтобы их игнорировать. Поскольку отрасль продолжает декарбонизировать и оцифровывать, PMU останется предпочтительным датчиком для интеллектуальной, устойчивой сети будущего. Эра мониторинга сети с завязанными глазами и медленными взглядами закончилась; наступила эпоха гипервидимости.