25.6k采樣率的分布式電能質量監測裝置研究

鄧勁東，程 立，朱何榮，劉東超

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

隨著國家大力發展風力、光伏等新能源發電方式以及交直流混合輸電、電力電子設備使用等電網新特性的出現［1-8］，電能質量問題向高電壓等級蔓延，傳統電能質量監測實現方式存在較大瓶頸。當前國內110 kV及以上電壓等級的電網諧波監測裝置的數據源主要來自電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT），CVT的設計利用了工頻諧振原理來減小二次負載對測量精度的影響。當諧波信號傳遞時不滿足諧振條件，頻率響應特性差，因此無法滿足電能質量系統對諧波準確度的要求［9-19］。針對該問題，國內外提出增加C3電容抽頭作為電能質量測量數據專用源，提高諧波測量精度。文獻［18］中提到存在C3抽頭輸出帶負載能力弱，容易受對地電容影響，二次電壓長距離電纜傳輸會降低測量精度。

目前數字化交流變電站的合并單元主流采樣率為4k，根據奈奎斯特采樣定律，不滿足電能質量2～50次諧波監測要求，因此4k采樣率的合并單元不能用于C3抽頭的電能質量數據采樣。同時電子式互感器的應用場景（直流換流站等），電能質量監測終端迫切需要增加數字化接口，文獻［19］中提到了用于電子式互感器應用場景的電能質量監測系統，高采樣率滿足電能質量對于2～50次諧波監測的要求，但對于高采樣率的報文傳輸處理過于復雜，不利于實際工程應用。

基于上述現狀，本文提出了一種分布式電能質量監測裝置解決方案，通過研制25.6k采樣率就地采集模塊和電能質量監測終端，兩者通過25.6k采樣率的《IEC61850-9-2特殊通信服務映射》數據進行傳輸。該解決方案滿足電能質量諧波監測對采樣率的要求，同時解決了C3抽頭需要就地采樣的問題，具有比較好的推廣應用價值。

1 變電站電能質量監測現狀

目前變電站電能質量監測數據來源主要是電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器，電子式電壓互感器目前還沒有大規模用于電能質量系統，其中110 kV及以上電壓等級多采用電容式電壓互感器，110 kV以下電壓等級多采用電磁式電壓互感器。電磁式電壓互感器+常規采樣電能質量監測終端是目前有效的電能質量監測手段［20-30］，如圖1中方案A所示，變電站現場也存在電容式電壓互感器+常規采樣電能質量監測終端或者電磁式電壓互感器+4k采樣率合并單元+數字化電能質量監測終端的監測系統，如圖1中方案B和方案C所示。

圖1 變電站電能質量監測系統Fig.1 Substation power quality monitoring system

電容式電壓互感器由于設計原理不能直接用于電能質量監測系統，《GB/T 14549-1993電能質量 公用電網諧波》中也明確指出“電容式電壓互感器不能用于諧波測量”，針對該問題，國內外提出增加C3電容抽頭作為電能質量測量數據專用源，提高諧波測量精度，而采用C3抽頭測量的局限在于帶負載能力弱，需要就地采集。4k采樣率的合并單元根據奈奎斯特采樣定律，理論上最大只能還原出40次諧波，遠不能滿足電能質量監測系統對于2～50次諧波監測的要求，需要支持更高采樣率的采集單元。因此方案B和方案C所示電能質量監測系統并不能滿足電能質量監測對諧波準確度的要求。

基于上述現狀，為解決目前變電站電能質量監測方面特別是諧波監測方面的問題，本文提出了25.6k采樣率的分布式電能質量監測裝置，該裝置能夠滿足不同場景下的諧波監測要求，具有很好的應用價值。

2 分布式電能質量監測裝置設計

分布式電能質量監測裝置包含采集模塊和數字化接口電能質量監測終端兩部分，其中采集模塊采用就地化安裝方式，防護等級高、小型化、即插即用，同時支持25.6k高速采樣率并通過IEC61850-9-2標準格式輸出25.6k頻率的報文；數字化接口電能質量監測終端支持IEC61850-9-2格式報文輸入，具備諧波監視等完備的電能質量監測功能，適用于交直流諧波監測、交流側低頻振蕩、新能源發電、沖擊性負荷等需要進行電能質量監測的各類應用場景。

圖2 分布式電能質量監測裝置Fig.2 Distributed power quality monitoring system

分布式電能質量監測裝置可以滿足常規PT、改進后的CVT以及EVT互感器的接入，采用25.6k高采樣率滿足電能質量監測精度要求，為CVT改造提供二次設備解決方案，同時也解決了數字化變電站電能質量監測系統采樣率不足導致測量精度無法滿足要求的問題。

2.1 報文傳輸方案

分布式電能質量監測裝置采用25.6 kHz高采樣率，電能質量監測終端從采集單元接收25.6k采樣率報文，必須考慮高采樣率數據的傳輸和編解碼問題，避免處理不當導致數據丟失。根據IEC61850-9-2規范附錄A.1對于SV報文幀格式定義如圖3所示，其中報文頭為包括從目地址到保留2的26字節固定長度的報文，APDU為應用協議數據單元。而APDU由應用協議控制信息和應用服務數據單元ASDU組成，ASDU為某個采樣時刻的采樣值。

圖3 SV報文幀格式Fig.3 Sampled Values frame format

目前4 kHz采樣率合并單元報文傳輸采用的是單ASDU方案，即APDU中只包含單個ASDU，如果本文所述分布式系統沿用單ASDU傳輸方案，采集單元的報文發送頻率和電能質量監測終端的報文接收頻率為25.6 kHz，每兩個相鄰報文時間間隔為39.062 5μs，裝置需要在相鄰報文時間間隔內完成報文的編解碼，對系統穩定性提出了挑戰。

因此本裝置采用多ASDU的傳輸方案，每個APDU中包含8個ASDU，每個ASDU為間隔39.062 5μs采樣時刻的采樣值，這樣就可以實現通過3.2 kHz的報文發送25.6 kHz采樣率的采樣值數據，采集單元和電能質量監測終端只需要在312.5μs間隔時間內完成報文的編解碼工作即可，可以大大提高系統運行穩定性。對比單ASDU和多ASDU方案流量計算如下：

式（2）中，SR表示采樣率；FL表示數據幀長度。從上面實際算例可知，采用多ASDU傳輸方案也減少了傳輸報文帶寬，進一步提高了系統運行效率。

2.2 軟硬件設計

為了實現上述分布式電能質量監測裝置，本文對分布式電能質量監測裝置的軟硬件架構進行設計，為了保證高采樣率報文傳輸的可靠性，報文收發均采用FPGA并行處理芯片。采集單元主要進行AD采樣和報文發送，因此采用FPGA+SOC的硬件架構，監測終端需要接收高采樣率報文數據，同時進行電壓諧波間諧波、暫升暫降等大量消耗算力的計算，同時需要存儲大量錄波文件和計算統計數據，因此監測終端采用了FPGA+DSP+CPU的硬件架構來滿足裝置功能要求，分布式電能質量監測裝置硬件架構如圖4所示。

圖4 分布式電能質量監測裝置硬件架構圖Fig.4 Hardware of distributed power quality monitoring system

為了實現電能質量監測功能，需要基于上述硬件系統部署相應的軟件模塊，整個分布式電能質量監測裝置的軟件架構如圖5所示，其中采樣模塊和發包模塊功能部署在采集單元，將電壓、電流模擬量信號采集轉化為數字量信號并通過IEC61850-9-2標準多ASDU幀格式上送；收包模塊、同步模塊、電壓暫升暫降、諧波計算、電壓電流、頻率等指標分析、錄波以及與站控層通訊等功能模塊均集成在監測終端，實現電能質量指標分析及上送。

圖5 分布式電能質量監測裝置軟件架構圖Fig.5 Software of distributed power quality monitoring system

通過上述分布式電能質量軟硬件架構，不僅可以實現電能質量監測的需求，由于采集單元使用標準IEC61850-9-2協議上送數據，該數據幀可共享給需要高速采樣數據的間隔層設備如寬頻測量裝置，為其他需要高速采樣數據的設備提供了數據源。

3 系統應用

為了驗證第二章所述分布式電能質量監測裝置方案的可行性和有效性，基于上述系統方案開發出了25.6k采樣率的采集單元和監測終端裝置，裝置樣機實物圖片如圖6所示。

圖6 裝置樣機實物圖Fig.6 Device prototype

該分布式電能質量監測裝置率先通過了全球能源互聯網研究院的型式試驗并取得相關報告。測試項目包含電壓、電流、有功、無功、頻率、諧波、閃變、電壓暫升暫降等性能指標，測試結果均滿足國標《GB/T 19862-2016電能質量監測設備通用要求》規定的最高等級A級性能要求。由于文章篇幅限制，表1-表2為檢測報告截取的部分測試數據的原始記錄，表1為電壓諧波測量精度檢測結果記錄，表2為電壓暫升測量準確度檢測結果記錄，其中電壓諧波測量精度的技術要求為Uh≥1%UN時，誤差要求≤±5%Uh；Uh＜1%UN時，誤差要求≤±0.05UN，電壓暫升測量準確度的技術要求為電壓幅值誤差≤±0.2%UN，持續時間誤差≤1周波，從表1和表2記錄數據可以看出分布式電能質量監測系統性能指標遠優于規范的技術要求。

表1 電壓諧波測量精度檢測結果Table 1 Voltage harmonic measurement results

表2 電壓暫升測量準確度檢測結果Table 2 Voltage swell measurement results

此外，采集單元和其他公司的監測終端配合也通過了全球能源互聯網研究院的型式試驗，證明了采集單元采用標準IEC61850-9-2幀格式數據互操作性好，為共享高頻采樣數據源提供了可行性。

4 結語

針對CVT場景特別是數字化變電站電能監測方案存在的諧波測量精度不滿足國標技術要求的現狀，以及目前具有應用前景的CVT+C3解決方案存在的問題，本文提出了25.6k采樣率的分布式電能質量監測系統，該系統很好地解決了目前變電站電能質量監測系統存在的問題。該系統內部設備間通訊采用標準IEC61850-9-2協議，具有很好的互操作性和接入能力，且該系統的各項電能質量評價指標的測量準確度經過了型式試驗驗證，具有很好的推廣意義。