變電站電力質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

胡 榮 ，李 金 ，時伯年 ，林 男 ，郭 芳

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州 510530；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085）

由于分布式電源和電網(wǎng)之間的互連，這兩個系統(tǒng)之間的任何意外相互作用都可能給雙方帶來嚴(yán)重后果。次同步振蕩（SSO）可以是這些交互之一[1-2]。大規(guī)模應(yīng)用串聯(lián)電容補償和風(fēng)力發(fā)電的場景都可能會導(dǎo)致SSO[3-4]。由于SSO的特殊性，正常保護繼電器無法正常工作可能導(dǎo)致嚴(yán)重的電網(wǎng)事故[5-6]，因此，有必要為變電站開發(fā)一個包括SSO監(jiān)測的電力質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。本文所提出的電能質(zhì)量監(jiān)測該系統(tǒng)是基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）平臺[7]所開發(fā)。由于FPGA具有比數(shù)字信號處理器（DSP）更好的計算能力，因此，所設(shè)計的系統(tǒng)可以通過更快的響應(yīng)來控制硬件級別的輸入和輸出，并可利用FPGA快速響應(yīng)和計算性能提供精確的采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高速采樣頻率的分析。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

基于FPGA平臺的電力質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)由不同的數(shù)據(jù)采集模塊和嵌入式控制器組成。該系統(tǒng)的目的是實時收集變電站的數(shù)據(jù)，并基于不同的事件觸發(fā)機制實現(xiàn)對異常事件的實時記錄、報警乃至跳閘控制。監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議與控制器通信[8-9]。

圖1 變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 Substation power monitoring system

為確保監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，兩套IP可尋址數(shù)據(jù)采集（DAQ）系統(tǒng)“主用 DAQ”和“備用 DAQ”設(shè)計用于變電站。兩個DAQ控制器基于事件觸發(fā)機制對電能質(zhì)量進行數(shù)據(jù)采集并必要時將其傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)[10]。作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，NAS可以幫助工程師隨時使用用戶名和密碼檢索所需的歷史數(shù)據(jù)進行分析。此外，應(yīng)用兩個全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊[11]來為系統(tǒng)提供通用時間戳，而不會由互聯(lián)網(wǎng)時間服務(wù)器引起任何不必要的安全問題。此功能可以幫助電力系統(tǒng)與本地電網(wǎng)集中控制器保持同步，并為收集的數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確的時間戳。利用該監(jiān)控系統(tǒng)，可以從具有內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的多個授權(quán)位置訪問系統(tǒng)的實時狀況和歷史數(shù)據(jù)。此外，由于系統(tǒng)的IP尋址能力，也可以通過使用互聯(lián)網(wǎng)訪問該監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 硬件配置

本文所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器采用具有4核頻率為2.90 GHz的Intel處理器[12]。DAQ控制器采用模塊化設(shè)計，可以基于不同的監(jiān)視目的替換或擴展不同的模塊。DAQ控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DAQ控制器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the DAQ controller

GPS模塊每秒從GPS衛(wèi)星接收時間數(shù)據(jù)，為監(jiān)控系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間戳。數(shù)字輸入模塊是一個32通道、24 V電流數(shù)字輸入模塊，接收斷路器信號以監(jiān)測其狀態(tài)。模擬輸入1是32通道，±200mV至±10 V，16位模擬輸入模塊，可接收來自傳感器的直流電壓信號，以監(jiān)測實際功率和無功功率。模擬輸入2模塊是一個3通道、300 V、24位模擬輸入模塊，可直接測量電壓互感器（PT）二次側(cè)的交流電壓。

1.2 事件觸發(fā)和記錄機制

該監(jiān)控系統(tǒng)還包括不同的事件觸發(fā)機制和故障數(shù)據(jù)記錄功能。這兩個功能可以幫助系統(tǒng)操作員檢查系統(tǒng)操作條件并記錄故障事件信息以供分析。觸發(fā)閾值可以根據(jù)分布式電源的功率大小的不同來決定。在本研究中，基于目標(biāo)系統(tǒng)選擇觸發(fā)閾值。

由于電能質(zhì)量的檢測是實時性，因此所有的檢測功能都通過FPGA的編程實現(xiàn)，以提高檢測的精度，避免基于CPU的實現(xiàn)可能導(dǎo)致的時間戳不一致的問題。檢測結(jié)果將通過直接存儲器訪問（DMA）和先進先出（FIFO）策略傳輸?shù)紻AQ控制器。一旦觸發(fā)事件檢測，DAQ控制器將使用特定的記錄周期緩沖區(qū)開始記錄故障數(shù)據(jù)，以確保沒有遺漏任何事件數(shù)據(jù)。

1.2.1 電壓檢測機制

1.2.2 頻率檢測機制

作為電力系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，頻率變化可以反映電力系統(tǒng)所輸出電能的質(zhì)量。本研究根據(jù)FPGA上計算得出的單周期電壓信號的周期T來推算頻率f。頻率f推算公式如式（1）所示[13]。

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當(dāng)頻率波動大于0.2 Hz時，將記錄頻率和電壓信號的原始數(shù)據(jù)。同時，還將記錄一個RMS電壓數(shù)據(jù)周期作為綜合分析的參考。記錄時間為事件前2 s和出現(xiàn)＜0.05 Hz之后 5 s。

1.2.3 功率檢測機制

本系統(tǒng)將監(jiān)測分布式電源與互連電網(wǎng)之間的連接線中的實際功率和無功功率。在本研究中，選擇實際功率和無功功率的振蕩幅度作為監(jiān)測數(shù)據(jù)。將根據(jù)表1中所示的以下閾值觸發(fā)電網(wǎng)振蕩警報和記錄機制。

表1 功率檢測觸發(fā)和記錄機制Tab.1 Power detection trigger and recording mechanism

當(dāng)有功功率P的振蕩幅度（POSC）大于5 MW且無功功率Q的振蕩幅度（QOSC）大于10 MVar時，觸發(fā)信號將通過DMA FIFO從FPGA發(fā)送到控制器，P和Q的原始數(shù)據(jù)將被記錄下來。記錄時間為事件前2 s和事件后28 s，即記錄持續(xù)時間總計30 s。

1.2.4 斷路器狀態(tài)檢測

該監(jiān)控系統(tǒng)將記錄變電站內(nèi)任何斷路器操作歷史狀態(tài)的時間和位置。利用該功能，可以訪問站內(nèi)的斷路器的所有操作信息以進行進一步分析。

該機制將基于高速采樣電壓數(shù)據(jù)實現(xiàn)對SSO的監(jiān)視和檢測，其具體的監(jiān)測步驟詳見第2節(jié)。該監(jiān)測機制可以幫助電網(wǎng)調(diào)度人員微電網(wǎng)內(nèi)分布式發(fā)電系統(tǒng)的嚴(yán)重損壞，了解整體電網(wǎng)運行狀況。

2 次同步振蕩監(jiān)測

SSO監(jiān)測模塊利用頻域和時域方法連續(xù)監(jiān)測信號振蕩，并檢測由于分布式電源引發(fā)的任何次同步振蕩。系統(tǒng)根據(jù)原始輸入信號的上下包絡(luò)計算解調(diào)信號。該解調(diào)信號將不存在固有頻率和任何DC分量，因此攜帶最強的SSO信號[14-15]。SSO監(jiān)測模塊分5個步驟對于收集的每個樣本進行分析。具體分析步驟說明如下：

（1）確定參數(shù)：（a）根據(jù)離散化信號確定采樣頻率Fs；（b）確定待分析的模擬信號的長度。最小長度TL應(yīng)等于最低可檢測頻率的倒數(shù)。如果想要檢測至少 10 Hz以上的頻率，則 TL＝1/10＝0.1。 這意味著在接下來的步驟中應(yīng)該使用0.1 s的分析窗口。

（2）尋找峰值并濾除直流分量：（a）減去平均值（直流分量）；（b）找到所有過零點；（c）找到所有上峰值和下峰值。

（3）計算解調(diào)信號：（a）使用峰值計算上下包絡(luò)線；（b）從上包絡(luò)中減去下包絡(luò)。得出沒有固有調(diào)制頻率的信號。此時，DC分量和固有頻率被濾除，僅保留解調(diào)信號。需要注意的是，在計算解調(diào)信號之前，需要應(yīng)用噪聲濾波器（例如低通濾波器）過濾掉干擾計算的噪聲信號。

（4）確認是否存在SSO：（a）計算解調(diào)信號的RMS值；（b）如果低于某一預(yù)定水平限制，則不存在SSO；（c）如果超過此限制，可能會有SSO，然后進入下一步。

（5）使用快速傅立葉變換（FFT）進行頻譜和SSO檢測：（a）計算解調(diào)信號的FFT。在此之前，可以使用Hanning窗口和零填充來減少旁瓣并在頻域中獲得更準(zhǔn)確的分辨率；（b）計算找到的最高振幅的頻率和RMS值。如果存在最高振幅，則判定電網(wǎng)存在SSO。

3 實驗室監(jiān)測系統(tǒng)測試

為了確保所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)能夠正常工作，在實驗室中設(shè)置了包括兩個DAQ控制器和NAS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)，用于測量220 V AC電源插座的電壓。設(shè)置直流電源作為功率傳感器的輸入電壓，以測量P和Q。系統(tǒng)設(shè)置如圖3所示。

圖3 實驗室系統(tǒng)設(shè)置Fig.3 Laboratory system settings

如前所述，電壓和頻率測量取自交流電壓，采樣率為2000樣本/s。在該實驗中，AC電壓輸入是從220 V（額定值）AC電源插頭測量的。同時繪制原始電壓正弦波和RMS值，分別如圖4和圖5所示。頻率測量值繪制在圖6中。

圖4 電壓原始數(shù)據(jù)Fig.4 Voltage raw data

圖5 電壓RMS值Fig.5 Voltage RMS value

圖6 電力系統(tǒng)的頻率Fig.6 Frequency of the power system

所實現(xiàn)的電流監(jiān)控系統(tǒng)包括電壓、頻率和功率的記錄以及事件觸發(fā)報警功能，如圖7所示。

圖7 電壓、頻率和功率監(jiān)控面板Fig.7 Voltage，frequency and power monitoring panel

在圖8中的4個圖片中表示出了基于功率檢測的觸發(fā)機制，圖8（a）為有功功率和無功功率均沒有超出閾值，因此沒有觸發(fā)報警和記錄功能；圖8（b）為有功功率超過5 kW的閾值而觸發(fā)故障記錄；圖8（c）和（d）為有功功率和無功功率分別超過閾值20 kW和30 kVar，分別觸發(fā)振蕩報警和故障跳閘。

圖8 功率振蕩監(jiān)測機制Fig.8 Power oscillation monitoring mechanism

斷路器狀態(tài)界面如圖9所示。系統(tǒng)記錄了斷路器每次操作的時間和斷路器名稱。

為了測試系統(tǒng)中的SSO監(jiān)測功能，產(chǎn)生了包括220 Vrms/50 Hz信號和 12 Vr/37.5 Hz的 SSO信號的模擬信號，如圖10所示。在解調(diào)之后，F(xiàn)FT被應(yīng)用于解調(diào)信號，其被繪制在圖11。

測試結(jié)果表明，在354 ms后檢測到37.5 Hz的信號。處理后的信號在頻率上具有1.3%的誤差。此外，為了更好地測試實際應(yīng)用情況下的觸發(fā)事件，使用可變電壓互感器和1 Hz～999.9 Hz的變頻電源對SSO進行試驗，試驗裝置如圖12所示。

圖9 斷路器狀態(tài)Fig.9 Breaker status

圖10 50 Hz/220V工頻電壓疊加37.5 Hz/12 V可變電壓后的SSO信號Fig.10 SSO signal for 50 Hz/220 V power frequency voltage superimposed with 37.5 Hz/12 V variable voltage

圖11 解調(diào)信號的FFTFig.11 FFT of the demodulated signal

圖12 可變自耦變壓器Fig.12 Variable autotransformer

表2中為存儲在網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)中的試驗中所記錄的原始電壓數(shù)據(jù)、電壓RMS值和頻率的5個樣本數(shù)據(jù)。所記錄的數(shù)據(jù)中的每個GPS時間戳表示絕對時間。由試驗結(jié)果可知，系統(tǒng)能夠基于觸發(fā)機制準(zhǔn)確記錄電力質(zhì)量數(shù)據(jù)。

表2 記錄的原始電壓數(shù)據(jù)Tab.2 Raw voltage data record

4 結(jié)語

本文為變電站開發(fā)了一個基于網(wǎng)絡(luò)的實時電力質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于不同的觸發(fā)機制記錄、警報以及響應(yīng)包括SSO在內(nèi)的多種電能質(zhì)量事件。該系統(tǒng)基于FPGA的平臺控制器所開發(fā)，具有較好的數(shù)據(jù)采集速度和系統(tǒng)計算能力，能夠精確地提供實時電力監(jiān)控數(shù)據(jù)。同時系統(tǒng)的IP尋址能力為電站操作員提供了靈活的系統(tǒng)可訪問性，因此電站操作員可以在沒有位置限制的情況下可視化電力系統(tǒng)的狀況。試驗表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)控電壓、頻率、功率、斷路器狀態(tài)以及SSO等變電站的電能質(zhì)量參數(shù)。