统一基准源（UFS）核相仪技术研究的现状、目标、内容

产品简介

核相是指在电力系统电气操作中用仪表或其他手段核对两电源或环路相位、相序是否相同。在实际电力的运行中，对相位差的测量，新建、改建、扩建后的变电所和输电线路，以及在线路检修完毕、向用户送电前，都必须进行三相电路核相试验，以确保输电线路相序与用户三相负载所需求的相序一致。但是现有核相装置在核相效率、操作规程、测点位置及数量等方面还存在诸多不足，因此，迫切需要开发新型的核相装置来提高电网核相运维管理效率，适应智能化电网的发展。
1 核相仪发展研究现状
10kV 以上的电力设备投运前，核相工作目前采用的方法主要有两种，直接核相和间接核相，也分别称为“一次核相”和“二次核相”。目前，进行的核相试验采用直接核相和间接核相结合的办法。也就是高压部分进行一次核相，同时在 PT 二次部分进行二次电压核相，以确保待核设备电源与系统电源的相位、相序都一致，无任何接线错误。对于高压一次核相仪器，已经从有线核相方式发展到无线核相方式，但是在核相操作步骤上没有多大的变化。
传统“一次核相”主要采用核相仪器及核相棒来完成。在电力系统的低压配电网中，目前广泛应用的方式有两种，分别为有线核相方式和无线核相方式。有线核相方式在核相时，需要4人同时进行配合。一人担任指挥，两人穿绝缘靴、戴绝缘手套担任核相员，一人仪表记录。核相工作根据指挥人员的命令进行，核相员将高压引线固定在核相棒上，长短适宜，用核相棒引高压线接触高压电源点时，两人需动作协调，配合默契，以免出差错，发生危险。采用有线方式，拖线很长时使用极不方便。而无线核相方式需要 2 人同时进行配合，一人操作一人监护。将发射器和接收器分别连接绝缘杆，挂到高压相线上。
“二次核相”方法采用 PT，对 PT 侧二次设备的相位进行核相或 0.4kV 以下交流电进行核相，一般应用万用表进行。采用“二次核相”方法时，如果 PT 一次或二次回路接线错误，会严重影响核相工作的正确性。
两种核相方法各有优缺点，“一次核相”方法精确度高，但是由于其工作电压高，对核相操作人员易造成人身安全问题，稍有失误易造成安全事故；“二次核相”方法工作电压低，因而操作过程较为安全，但由于其采用间接核相，如果 PT 一次或二次回路如果接线错误，就无法保证核相的结果正确，因此核相的结果可靠程度却比一次核相方法低。目前，电力系统中广泛采用“一次核相”和“二次核相”相结合的方法，既增加了人力物力成本，又需要更高的安全保障制度。
2 改进核相仪需要解决的问题
综上所述，对于传统核相方法，不管是一次核相方法还是二次核相方法，都存在下列问题：
1）电源必须是同一电网同一电压等级下的不同拓扑点； 
2）核相所需的两电源信号必须同时采集； 
3）参与一个核相试验的人员很多，人工成本很大； 
4）步骤很多，花费时间长；
5）核相有一定的危险性，特别是有线核相方式，必须考虑人员的配合协调和人身安全问题；
6）两电源点相距不能太远，据实际操作经验表明，一般两核相棒的距离不宜超过 10米。对于无线核相方式，其地面接收器的距离离两个发射器（核相棒所在位置）不应超过15米。
按上述特点，从中看到传统核相方式有很多可以改进的地方。是否能够在考虑减少核相人员的同时，不增加或者甚至减轻核相人员的工作量，又能保证核相试验的顺利完成？这不仅仅是个技术问题，而且它在安全管理和经济上带来的收益也是可以明显预见的。传统的核相方法，至少要两档以上的人员才能完成，而且只能针对同一电压等级的电源设备，在应用范围上有诸多限制。
3统一基准源（UFS）的核相仪研究目标和内容
3.1 研究目标
《电力系统实时动态监测系统技术规范》定义的同步相量是以标准时间信号作为采样过程的基准，通过对采样数据计算而得的相量。因而，电力系统交流电气量的相量之间存在着确定的相位关系。基于此，开发一种基于同步相量测量核相方法的广域核相装置。并通过广域电网核相装置测量待核相两端的电压相量值，比较两测量点之间的相量角度，以此相量角度来判断测量点两侧的相位关系，确定待核相两侧的相序是否正确。
3.2 系统架构
统一基准源（UFS）的核相仪系统架构包括服务层、网络层、授相源、待核相四个部分。
（1）服务层
服务层包含数据防火墙、通讯交换机和授相服务器三部分组成，数据防火墙提供了对整个数据层的数据安全支撑，通讯交换机为授相服务器的数据交换设备。授相服务器定时召唤在线核相主机同步相量信息并将数据存储到授相服务器数据库中。便携式核相仪可通过GPRS实时查询授相服务器中的同步相量信息对带核相线路进行核相计算。
（2）网络层
在线核相主机通过内置GPRS模块将采集到的同步相量信息发送到授相服务器，作为授相的标准源。
便携式核相仪通过GPRS获取授相服务器的同步相量数据，并通过就地采集的同步相量数据对线路相位进行识别。
（3）授相源
在线核相主机安装于已知相位的的母线PT二次侧，装置安装配置后。通过自身GPRS模块向远端服务层授相服务器进行注册识别。授相服务器定时向在线核相主机查询同步相量信息，并在内存中对同步相量信息进行缓存，同时将同步相量信息存储至服务器中。
（4）待核相
便携式核相仪将采集口、GPS天线正确连接，打开终端（如手机、平板、笔记本电脑等）的无线热点功能后核相仪会自行连接该无线热点。操作员通过终端Web浏览器打开便携核相仪的操作界面选择相应的核相线路。核相仪通过终端GPRS获取授相服务器的实时同步相量数据，并通过自身采集的同步相量数据进行比较对线路相位进行计算识别。并将结果展示到Web界面中，提供给操作员作为线路相位识别参考。
3.3 通信交互方案
为了便于使用及可灵活的部署在各个测量点，核相仪应该具备准确的时钟信号，测量点两端的信息能够流畅的交互，并且信息交互不能有距离限制，同时应该具有良好的人机交互界面。
（1）授时方式
考虑到现场安装的方便、灵活、稳定的要求，采用卫星授时方式。卫星授时通过GPS/北斗卫星的授时方式可以达到20纳秒的授时精度，完全满足相量测量的时钟要求，此种方式安装方便，不受其他外部设备的限制，只要卫星天线能够正常接收卫星信号即可完成授时要求。
（2）通信方式
考虑到装置会为每个采样点加入准确的时标信号，因此，网络本省的延时不会影响设备的正常运行。由于设备本身具有存储功能，网络中断时可将临时数据存入内置存储器中，待网络恢复正常时将数据打包发送给服务器，GPRS网络中断时间一般比较短，不会对核相工作带来障碍。依据现有的GPRS 网络实现数据传输，且信号覆盖范围广、可利用基站多，因此，选取GPRS的无线通信方式。
（3）人机交互方式
装置在使用时需要进行必要的参数配置，使测量信息与实际测量值的信息吻合，最终的核相结果也需要通过交互界面展示给用户。WEB显示利用WEB界面可以给用户展示丰富的信息量。此外，WEB界面具有良好的兼容性，用户可以通过电脑、手机、平板等终端直接连接读取数据，不需要专用的显示器件，可以大幅度降低装置的硬件成本。利用WEB方式利于实现历史数据的存储、分析等工作。WEB方式在用户体验、设备稳定性、设备性价比等方面都要优于液晶显示的方式，因此选用WEB的人机交互界面。
4 效益分析
（1）采用该广域电网核相仪进行核相工作，可以明显减少核相工作强度，核相过程中一端可使用固定的授相源，不需要频繁变更，仅需在待核相端安装一台核相设备即可；改变传统每个核相点需要安装两台核相装置的过程，核相过程的工作量仅为原来的一半。
（2）解决了传统核相过程中，由于核相仪通信距离的限制，导致核相点不能超过10米的问题，更便于选择安全的核相点，保证了核相过程中人员的人身安全。同时核相工作也不在局限在同一电压等级进行核相工作，设备应用场合更广。
（3）核相数据自动保存在后台服务器端，可以生产核相报告，以便于日后查看核相数据。
5 结语
统一基准源（UFS）的核相仪基于同步相量测量的核相技术，保证了电网核相准确度，提高了核相效率；核相操作方便，降低了人工操作风险，突破现有核相仪核相棒间距离限制；实现了多地点灵活核相，突破现有核相仪测点位置及测点数量限制，提升了电网运维管理效率，具有广阔的推广前景。

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