電力系統寬頻相量測量裝置的設計及測試

吳琛，劉旭斐，程旻，張斌

（云南電力調度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

隨著我國新能源大規模接入、區域電網間遠距離直流輸電技術的廣泛應用，負荷側變頻電機、電動汽車、高速列車、地鐵等換流器并網的負荷的規模化接入，電力系統呈現出電力電子化趨勢[1]。多樣化電力電子設備、傳統電力設備、輸電網絡三者之間交互作用會引起電力系統寬頻帶振蕩問題[2]。近年來世界各國發生了多起由電力電子設備引起的電力系統寬頻振蕩事件，如，2009年美國德州Ajo風電場發生的25 Hz左右的次同步振蕩[3]；2012年以來，我國沽源風電場發生多次3～12 Hz的次同步振蕩[4]；2015年新疆哈密地區的風電場發生10～40 Hz的次同步振蕩和60～90 Hz的超同步振蕩[5]。寬頻振蕩不僅會造成電力設備損壞進而引發新能源發電設備脫網事故，而且寬頻振蕩的頻率分量會攜帶能量在電網中大范圍傳播，可能會誘發電力系統功率振蕩問題[6-8]，從而造成大規模停電事故。“十三五”期間云南電網實現了以±800 kV特高壓等8回直流與其他四省區電網異步聯網，“西電東送”規模持續增長，省內風、光新能源發電規模及占比逐年提升，電力系統的電力電子化特征日趨顯著，復雜控制作用下，呈現多時間尺度的電壓、功角耦合，超低頻振蕩、低頻振蕩、次/超同步振蕩等多模態穩定問題，實時監測掌握電力系統運行態勢對保障電網的穩定運行具有重要意義。

電力系統廣域監測系統（WA ms）已廣泛應用于系統動態監測、事故分析、保護與控制等[9-10]。其中，同步相量測量裝置（PMU）是保證WA ms正常運行的前提和基礎。傳統PMU重點關注45～55 Hz范圍內的工頻信號，為了提高監測的準確性，需要濾除間諧波及諧波信號[11-12]，因此傳統PMU無法滿足次/超同步振蕩及高頻振蕩的監測要求。文獻[13]從目前的相量測量技術出發，提出了寬頻相量測量的技術方案和設計框架，為寬頻相量測量提供了一定的思路，但沒有給出具體的實現方法。文獻[14]分析了傳統相量測量技術的局限性，討論了實現寬頻監測需要采樣頻率、相量數據傳輸協議及時標對時等問題。

為了實現對新能源并網引起的寬頻振蕩監測，本文設計了一款能夠檢測次/超同步相量及高頻諧波、間諧波的寬頻相量測量裝置。首先對該裝置的硬件結構設計進行介紹；其次闡述了該裝置的基本功能及實現方法；最后在實驗室環境下借助信號發生器對寬頻相量監測裝置的檢測范圍及精度進行測試，結果表明：該裝置能對2.5～100 Hz范圍內的基波及次/超同步相量行檢測，同時還能捕獲100 Hz以上的諧波及間諧波。該裝置可以快速、準確地監測電力系統的次/超同步振蕩及高頻諧波及間諧波，為電力運行調度人員提供有效的決策信息。

1 寬頻相量測量裝置基本結構

1.1 硬件結構

WPMU采用FPGA、DSP和ARM等3種異構芯片相互協同的方式運行，其硬件結構如圖1所示。其中，FPGA完成交流量、開入量等信號的采集；DSP負責電壓、電流等信號的相量計算、告警判斷和錄波觸發等工作；ARM作為管理CPU，主要完成人機界面顯示、面板指示燈驅動、數據存儲以及與外部通訊等任務。W-PMU裝置采用雙DSP模式，其中一個DSP負責基波相量和整數諧波相量的計算；另一個DSP負責次/超同步相量及高頻間諧波相量的自適應計算。該裝置采用分布式結構設計，各異構芯片間之間通過MMU高速數據總線實現實時數據傳輸。

圖1 W-PMU的硬件結構

1.2 數據采集

目前傳統的檢測裝置僅考慮基波信號及2～50次的諧波，大量的間諧波信號并未考慮，且高于50次的諧波也不能被有效檢測。數據采集是寬頻信號處理的前提和基礎，其采集數據的精度和范圍直接決定了是否滿足信號處理的基本要求。目前常見的采樣互感器，如電子式互感器、電磁式互感器，均能滿足采樣范圍（9 kHz內）的要求。

傳統PMU每秒采樣點個數一般為64、96、128、192及384[15]。本文的WPMU裝置使用的采用頻率為9600 Hz，即每周期的采樣點為192點，能夠實現4.8 kHz以內信號的檢測，滿足目前電力系統中常見的次/超同步振蕩及諧波及間諧波檢測要求。

1.3 數據傳輸

WPMU一般配置于變電站、發電廠、風/光新能源匯集站等，通過電力調度數據網接入主站的通信前置機，實現子站與主站之間相互通信，構成寬頻廣域監測系統。因此，為了實現對電網運行實時監視，寬頻相量測量裝置需通過GPS統一授時，對電網內不同測量點提供同步參考時標進行數據的同步采集，進而保證所有測點所監測到的基波相量、次/超同步相量、諧波及間諧波相量可以對齊到同一時間斷面，然后將DSP采集的帶有時標信息的相量數據上傳至主站。

WPMU裝置采用IRIG-B碼對時方式進行時間同步，能夠將同步對時誤差精度控制在±1 ms范圍內，滿足同步相量測量的基本要求。數據傳輸采用電力系統實時動態監測系統（GB/T 26865.2-2011）中規定的數據通信協議[16]，實現主站與子站之間數據的實時傳輸及歷史文件的傳輸。但是，此傳輸協議僅對基波相關數據的命名和傳輸進行了規范，而WPMU需將測量的基波、間諧波、諧波及開關狀態等監測數據都傳輸至監控系統，因此，必須對規約進行擴展，才能實現寬頻相量數據的實時傳輸。

2 寬頻相量測量裝置功能設計及算法

大規模新能源接入使電力系統電力電子化程度越來越高，與傳統電力系統相比，電力電子化電力系統具有較好的可控制性和靈活性。但由于電力電子設備呈現出多時間尺度特性，電網中各元件之間的振蕩形式更加復雜，振蕩頻率呈現出寬頻帶特征。為保證電力系統穩定運行，需對電力系統振蕩進行全面監測，但傳統的監測裝置不能有效地覆蓋全振蕩頻段，因此本文設計了一種能夠監測多頻段振蕩的寬頻相量測量裝置。

2.1 功能設計

針對電力系統中出現的寬頻帶振蕩，本文設計的WPMU包括的主要功能有：次/超同步振蕩相量測量、基波相量測量、諧波及間諧波相量測量，并能實現振蕩預警、數據錄波及控制保護等功能。

1）次/超同步振蕩相量測量

風力發電與線路串聯補償裝置之間的相互作用，會引起新型次/超同步振蕩問題。該類型振蕩不僅含有次同步相量，而且還有與之互補的超同步相量。為了掌握電力系統次/超同步振蕩的實時動態變化特征，能夠為電力系統運行提供正確的安全控制策略，本裝置能夠實現同時對2.5 Hz～100 Hz范圍內次/超同步振蕩相量、基波相量的監測。默認振蕩模式通道為4個，可在人機交互界面設置振蕩模式篩選準則，改變裝置能甄別的模式數量。

2）高頻諧波/間諧波相量測量

電力電子化電力系統中，大量電力電子設備之間相互作用引起振蕩頻率高達9k Hz的諧波、間諧波。為了適應電網的發展，全面掌握電力系統的動態特性，本文中的相量監測裝置可以實現31次諧波（1550 Hz）范圍內所有間諧波、諧波的測量，采樣頻率為192點/周期，頻率分辨率為0.5 Hz。

3）基波相量監測功能

目前基波相量監測是電力系統保護與控制的重要數據來源，因此測量結果的準確性是保證電力系統安全穩定運行的前提。本裝置將基波相量與次/超同步相量、諧波及間諧波相量一同作為電力系統振蕩模態進行監測分析。通過獲取的電流、電壓信號，實現45～55 Hz范圍內基波相量監測。

4）擴展功能

為了實現對振蕩事故的分析，本裝置增加了數據錄波、振蕩預警及保護控制等功能。當達到設定的振蕩判據時WPMU將自動開啟錄波功能，從而能夠實現故障就地分析，同時可根據次/超同步振蕩判據來控制觸發標志，實現次/超同步振蕩的預警。為了讓電網能夠達到實時就地控制與保護，WPMU可以作為信號中繼器接受WAms主站平臺的指令信號對斷路器進行相關操作。控制保護功能需要主站的決策信息進行配合使用，因此在主站還未完成配置之前，該功能還處于暫未開啟的狀態。

2.2 算法實現

WPMU算法的具體實現步驟為：

1）數據采樣，通過定間隔對電壓、電流進行采樣，采樣頻率為9600 Hz；

2）自適應檢測，基于FFT進行初步計算，篩選出幅值超過設定門檻的振蕩模式，然后根據頻率的大小將其分為基波相量、次/超同步相量及高頻諧波、間諧波相量，統稱為模態；

3）自適應濾波，針對自適應監測出的各模態信號，根據初始頻率分別進行帶通濾波，從而將各模態進行分離；

4）補償校正，對各模態信號進行相量校正，獲取各模態的頻率、幅值和相位，并通過補償算法對由于濾波造成的幅值和相位偏差；

5）最后對計算結果進行處理實現裝置的擴展功能，如計算次/超同步阻抗確定振蕩源。WPMU算法實現流程如圖2所示。

自適應濾波是針對各模態信號，根據自適應檢測獲取的初始頻率f0進行帶通濾波，具體可基于二階無限沖激響應（IIR）濾波器實現。自適應檢測的模態經過帶阻濾波后，可以獲取準確的次/超同步相量、諧波/間諧波相量及基波相量的頻率、幅值及相位信息。帶通濾波器二階形式的傳遞函數為[15]。

式中，G為增益系數；ξ為阻尼系數；ωc為特征頻率。

自適應濾波可以通過數字濾波器實現，其功能實現流程如圖2所示。

圖2 功能實現流程

3 寬頻相量測量裝置的測試

本文在實驗室內搭建測試環境，對WPM樣機裝置的工頻信號、寬頻信號的量測精度及其動態響應性能進行驗證。信號發生器用來模擬測試信號，PC機用來顯示WPMU的測試結果。

3.1 性能測試

1）工頻信號測試

本節對WPMU在工頻（50 Hz）下幅值、頻率、相角的測量精度，測試信號如下式所示。

式中，U表示電壓幅值；f表示頻率；φ表示相位。

幅值精度測試是保持頻率和相位不變，將電壓幅值分別為額定電壓的0.1、0.5、1.0、1.2和2.0倍的信號作為測試信號，測試WPMU對電壓幅值的測量精度；頻率精度測試是保持幅值和相角不變，頻率在基波45～55 Hz范圍內變化，測試WPMU對頻率的測量精度；相位精度測試是保持相位和頻率不變，當電壓幅值分別在0.1、0.5和2.0倍的額定電壓下，測試裝置對相位的測量精度。從測試結果可以看出，在不同電壓幅值下，基波相量頻率幅值的最大誤差為0.0386%；頻率的最大絕對誤差為0.0016 Hz；相角最大相對誤差為0.2696°，以上測試結果均小于傳統PMU設計標準要求的數值。因此，本文設計的WPMU的精度均在標準精度要求誤差范圍內。

2）寬頻信號測試

為了測試WPMU所支持的最大頻率和自適應檢測功能，在實驗過程中通過信號發生裝置，引入包含次/超同步分量、高次諧波分量和基波分量的信號。測試信號的數學表達式為：

式中，A1=5、A2=57.734、A3=5、A4=5；f1=25 Hz、f2=50 Hz、f3=75 Hz、f4=1550。

測試信號的幅頻特性如圖3所示。圖3(a)為全頻段幅頻曲線，圖3(b)為100 Hz以內局部放大的幅頻特性曲線。圖4為4個模態的測試結果，由圖4(a)～(d)分別對應25 Hz（次同步）、50 Hz（基波）、75 Hz（超同步）和1550 Hz（31次諧波）分量。從圖3中可以看出，本文所設計的寬頻相量測量裝置可以有效地將各模態分離。圖4(a)-(c)中左側為各模態的幅值、右側為各模態的頻率。從圖4中可以得出，各模態的幅值和頻率均符合工頻測量精度要求（其中，幅值的精度要求為±0.002%、頻率的精度要求為±0.02 Hz)。

圖3 測試信號的幅頻特性曲線

圖4 各次諧波的幅值和頻率

3.2 動態響應測試

3.2.1 階躍響應

為了測試WPMU的動態響應性能，在本測試中分別對式(1)所示測試信號的頻率、幅值和相角做階躍響應實驗，分別為：

1）幅值階躍：諧波信號的頻率為25 Hz，其幅值由20階躍到25；

2）頻率階躍：諧波信號的幅值為75，頻率由20 Hz階躍到25 Hz；

3）相角階躍：諧波信號的頻率為50 Hz，幅值為75，相位由80°階躍為170°。

3組階躍響應測試結果如圖5所示，圖5(a)～(c)分別為幅值、頻率和相角階躍響應測試結果。藍色線表示初始測試信號，橙色線表示WPMU的測量結果。

圖5 階躍響應測試結果

由圖6所示的測試結果可以看出，WPMU識別幅值階躍變化的響應時間為39.5 ms，即大約一個周波的時長（25 Hz信號一個周波為40 ms）；頻率階躍實驗WPMU的響應時間大約為兩個周波，即100 ms（頻率階躍實驗的頻率為50 Hz）；相角階躍實驗WPMU的響應時間為30 ms。WPMU對于頻率階躍和幅值階躍的響應時間大于傳統PMU的響應時間（分別為60 ms和30 ms），這主要是由于對于寬頻相量的辨識需要時間來動態建立帶通濾波器，并且與基波相量測量相比，諧波測量需要的時間更長。

圖6 幅值調制測試結果

3.2.2 梯度調制測試

梯度調制測試的目的是測試幅值、頻率呈梯度變化時的WPMU的測量精度。式（4）、（5）分別是用于幅值調制測試、頻率調制測試的測試信號。

圖6(a)為式（4）描述的幅值調制信號，即在測試信號幅值上疊加余弦變量，其對應的WPMU測試結果如圖6(b)所示。從測試結果可以看出，WPMU能夠有效地對調制信號進行辨識。幅值呈現余弦波的形式，證明裝置的自適應檢測算法具有精確滿足監測要求。圖7(a)為式(5)描述的頻率調制信號，即在測試信號的頻率上疊加余弦變量，其對應的測試結果如圖7(b)所示。從測試結果可以看出，測量的頻率有畸變，但由于測試信號不是工頻信號，因此測試結果也是在誤差允許的范圍內。

圖7 頻率調制測試結果

4 結束語

本文設計的寬頻相量測量（WPMU）裝置能夠同時開展基波相量、次/超同步相量、諧波及間諧波相量的監測，在實驗室環境下測試了該裝置的測量性能及其動態響應能力，結果表明：

1）WPMU在工頻（50 Hz）下的幅值、頻率、相角的測量精度優于傳統PMU設計標準要求；

2）WPMU可以將寬頻信號各模態（次/超同步分量、高次諧波分量和基波分量）有效分離，且各模態的幅值和頻率均符合工頻測量精度要求；

3）WPMU的寬頻動態響應速度滿足基波、次/超同步振蕩測量及高頻諧波、間諧波的時間要求，能夠有效地對梯度調制信號進行辨識。

本文設計的裝置已于2019年在云南電網西北部、可再生能源富集地區的五個變電站（即楚雄地區的鹿城、和平500 kV樞紐變電站和祿豐、紫溪220 kV風電匯集站，以及大理地區的黃坪500 kV變電站）投入試運行，將次/超同步動態數據實時上送到云南電力調度控制中心，實現對云南電網多模態振蕩的廣域監測、溯源與預警。