新疆電網次同步振蕩控制系統及其測試方法研究

張 路 陳 軍 趙 啟 南東亮,2 韓連山

新疆電網次同步振蕩控制系統及其測試方法研究

張 路1陳 軍1趙 啟1南東亮1,2韓連山3

（1. 國網新疆電力有限公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011；2. 新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

本文針對新疆電網次同步振蕩的實際問題，介紹次同步振蕩控制系統的實現原理。針對目前次同步振蕩控制系統測試難的問題，設計一體化測試主站和一體化測試終端，進而結合北斗衛星授時模塊和有線/無線組網方式，提出基于數據回放的一體化調測平臺。基于此平臺，可在工程現場或實驗室內部對次同步振蕩控制系統進行同步測試，解決了區域控制系統所涉及的設備較多、地理位置分散的難題，實現了系統級測試。

次同步振蕩；一體化調測；信號疊加；同步觸發；北斗衛星授時系統

0 引言

隨著我國“30·60”雙碳目標的制定，電力系統成為實現碳中和最重要的組成部分。目前，我國電力系統中火電占比較高，電力系統結構無法滿足雙碳目標的發展需求，因此，需構建新型電力系統，提升可再生能源發電占比。新疆是我國風能資源、光伏資源最豐富的地區之一，截至2021年底全網總裝機容量突破1億kW，新能源裝機容量突破3 000萬kW，占全網總裝機容量的35%左右[1-2]。隨著我國新型電力系統的快速建設，特高壓直流輸電系統、風電、光伏等新能源及儲能設備大量并網，大量電力電子器件的接入使次同步振蕩（sub-synchronous oscillation, SSO）問題越來越突出[3-5]。

研究發現，當前次同步振蕩發生的機理和傳統次同步振蕩的產生機理不同，傳統的次同步振蕩事故主要是由線路的串聯補償、高壓直流輸電及汽輪機組的軸系扭振等相互影響造成的[6-7]。然而，隨著新能源的大量并網，其產生事故的主要原因是新能源并網控制系統和電網之間相互影響，主要表現為次/超同步為主的振蕩問題。隨著新疆電網新能源發電的進一步發展，次/超同步振蕩風險區域進一步擴大，而且多地區新能源相互耦合造成更大范圍、更多場站次同步振蕩的風險，可能引發火電機組扭振保護動作、新能源大量脫網等問題，危及設備及電網的安全[8-10]。因此，次同步振蕩控制系統在電網中的作用越來越重要。

次同步振蕩控制系統通過動態采集全系統電氣量信息，動態計算各個新能源場站次同步振蕩特征量進行決策，實現對電網次同步振蕩的抑制和監視作用，從而達到保障電網及設備安全運行的目的。然而次同步振蕩控制裝置一旦投入運行，其功能實現涉及的廠站較多，對其進行調試檢修一般比較困難。隨著新疆電網新能源廠站的持續不斷接入，電網結構發生重大變化，原有的次同步振蕩控制決策功能不能完全適用于目前的電網運行狀況，因此需要對次同步振蕩控制裝置的軟件進行升級測試。目前針對次同步振蕩控制系統測試的方法以單體測試為主，缺少一種系統級的全面測試方法，因此次同步振蕩控制系統的可信測試已成為現場測試面臨的難題。本文介紹次同步振蕩控制系統的實現原理，對比現有次同步振蕩測試方法，提出一種基于數據回放系統的次同步振蕩控制系統測試方法。

1 次同步振蕩控制原理

1.1 新能源次同步振蕩現象

針對新疆某地區發生100多次無規律的次同步振蕩現象進行分析，其呈現的主要特點是振蕩區域分布較集中，振蕩頻率范圍較寬，在7～85Hz次同步和超同步之間多個頻段范圍內，且振蕩頻率呈動態漂移趨勢。自2015年至今，已出現多次次同步振蕩問題。如2015年7月，新疆A地區風電出現次同步振蕩，振蕩頻率為30Hz左右；2016年2月，新疆B地區風機增加到一定數量后，系統出現次同步振蕩，有功功率振蕩頻率為26～27Hz；2016年4月，新疆C地區環網投入運行后，系統出現次同步振蕩，有功功率振蕩頻率為24～27Hz。電網發生次同步振蕩時的現場錄波波形如圖1所示。

圖1 新疆某地區次同步振蕩錄波波形

電網系統發生次同步振蕩時會造成大面積機組脫網，甚至造成機組損壞[11]。為了解決該問題，新疆電網針對次同步振蕩較為突出的地區，開展了次/超同步振蕩風險的風機參數優化改造工作，同時安裝了次同步振蕩控制系統，該系統多次動作，有效解決了新疆電網次同步振蕩問題。

1.2 新能源次同步振蕩控制系統原理

引發次同步振蕩的原因有多種，如網架結構及風機計入方式和規模、風機類型、風機控制模式、風電場靜止無功補償器（static var compensator, SVC）、靜止無功發生器（static var generator, SVG）裝置類型及控制模式等[12-13]。在次同步振蕩期間，明顯的特點是次同步功率增加，基于此原理，通過動態比較系統中各新能源場站振蕩的頻率、幅值，分輪次切除系統中振蕩幅值最大的新能源場站，從而達到抑制目的。

次同步振蕩控制系統的實現方案如下：實時計算三相瞬時功率的波動幅度，確定各元件的振蕩程度；進行站內和多站之間的振幅比較，選擇控制對象；通過分輪分級方法，優先切除功率振幅最大的線路，逐步擴大動作范圍。

1）次同步振蕩控制系統啟動判據

次同步振蕩控制系統采用功率復合時間啟動，當某條線路功率變化滿足式（1）三個條件時，裝置啟動。

式中：k為當前功率；evq為前10s的平均功率；set_qd為裝置啟動功率定值，不同線路可分別整定；max為一個周期內功率變化的最大值；min為一個周期內功率變化的最小值；min為振蕩周期低定值；max為振蕩周期高定值。

接入裝置的線路中，任一條線的功率變化滿足啟動條件則全系統裝置啟動。次同步振蕩控制系統的核心判據是新能源振蕩幅值及振蕩頻率的判別。次同步振蕩判別方法如圖2所示。

圖2 次同步振蕩判別方法

振蕩幅值采用振蕩期間相鄰兩次振蕩的最大幅值差作為振蕩幅值，兩個峰值之間的時間差作為本次振蕩的振蕩周期。若振蕩周期超出設定范圍，則本次振蕩不納入累計。確定為一個振蕩周期的判別條件如式（2）所示。

2）振蕩告警

次同步振蕩控制系統中接入裝置的任一條線的功率變化滿足振蕩告警條件則裝置告警，其判別條件為

式中：set_gj為裝置告警功率定值；set_gj為裝置告警振蕩次數定值。

3）振蕩動作

與告警類似，當滿足振蕩定值、振蕩次數后，次同步振蕩控制系統動作出口。

式中：set_dz為裝置動作功率定值；set_dz為裝置動作振蕩次數定值。

在實際處理時，振蕩動作的功率定值與次數定值根據振蕩頻率特征是否滿足分成兩組，頻率特征不滿足時振蕩也可以動作出口，但是功率定值與次數定值需整定得大一些。次同步振蕩控制系統出口動作采用分輪次動作出口，各輪次間通過振蕩次數定值實現配合，直到振蕩消失或各個輪次動作完畢。

2 次同步振蕩控制系統測試方法

2.1 一般測試方法

1）繼電保護測試儀

傳統的繼電保護測試儀（如穩控單裝置的專用測試儀、繼電保護測試儀）由繼電保護裝置測試沿用至裝置系統的測試，有一定的局限性，一般適用于單裝置的測試，無法模擬裝置安裝點電力系統相互影響的動態過程，較難實現對次同步振蕩控制系統內多臺裝置邏輯功能配合的驗證。另外，傳統的繼電保護測試儀在試驗過程中，需要人工設置電壓、電流量，不僅不能滿足系統測試需求，而且工作量較大。

2）物理動模試驗

早期的電網計算機仿真手段匱乏且性能不足，物理動模試驗是模擬小型系統的有效方式。然而，隨著系統規模擴大，系統的穩定特性變化，當前的動模系統難以模擬大電網復雜特性。另外，仿真測試系統的規模受實驗室設備和場地限制，設備昂貴，模型機組必須專門設計制造，加工比較困難，占地面積大，投資大，建設周期長。目前，物理動模試驗作為一種補充輔助手段，與數模混合仿真、全數字仿真等仿真手段相輔相成、相互驗證。

3）實時數字仿真試驗

由于全數字仿真測試系統不受被研究系統規模和結構復雜性的限制，且計算速度快、使用靈活、擴展方便、成本相對低廉，是當前電力系統仿真測試系統發展的主要方向。常用的實時數字仿真工具以電磁仿真工具為主，如RTDS、RT-Lab、ADPSS等軟件，極大豐富了實時數字仿真試驗[14-16]。但是，數字仿真試驗投資較大，通常用于實驗室，難以勝任工程現場的測試任務，此外，維護數字仿真模型需要耗費大量的人力物力，限制了數字仿真試驗的應用范圍。

由于次同步振蕩控制系統的各個被控對象相互影響，且電網規模較大，難以通過上述測試方法進行測試，亟需一套實用的測試方法。

2.2 基于數據回放的一體化調測平臺

1）一體化調測平臺的整體方案

為了解決次同步振蕩控制系統測試難的問題，需要研制一套能夠實現數據同步回放的一體化調測平臺，該平臺應具有如下主要功能：首先，該平臺的數據回放功能應能兼容多種數據格式，包括BPA、PSASP、ADPSS等具有全系統、全模型仿真能力的機電電磁仿真軟件的仿真波形，還應能實現次同步保護裝置及電源管理單元（power management unit, PMU）裝置的錄波數據回放；其次，該平臺應能實現分布式測試的時鐘同步和回放數據的同步觸發功能；最后，為了滿足現場多種測試需求，該平臺還應具備不同頻率預設數據疊加后同步回放的功能。

因此，根據平臺所應具備的主要功能，基于數據回放的一體化調測平臺整體方案如圖3所示。

圖3 基于數據回放的一體化調測平臺整體方案

2）關鍵模塊設計

由圖3可知，該平臺主要包括一體化測試主站、一體化測試終端、北斗對時模塊及測試網絡等關鍵模塊。其中，北斗衛星授時模塊主要利用目前變電站常用的對時模塊實現同步對時功能；測試網絡模塊能夠兼顧有線和無線兩種組網方式，可根據現場實際情況選擇合適的測試網絡[17-19]。上述兩種模塊的實現采用的是現有較為成熟的技術，此處不再贅述，本文主要針對一體化測試主站和測試終端兩個模塊的設計進行介紹。

（1）一體化測試主站

一體化測試主站需要滿足如下功能：首先，能夠對BPA、PSASP、ADPSS等軟件的仿真結果及故障錄波裝置的錄波文件進行解析，解析完成后進行相應的關聯配置并通過網絡下裝到一體化測試終端；其次，除了能進行波形回放外，該一體化測試主站還能設置預想的模擬量參數控制命令，并通過網絡控制一體化測試終端輸出預想的模擬量信息；最后，能夠通過一體化測試終端主動上招測試結果，并自動完成結果比對。

（2）一體化測試終端

一體化測試終端是整個調測平臺最為關鍵的模塊，具有串聯一體化測試主站和次同步振蕩控制裝置的功能，起到承上啟下的重要作用。因此，一體化測試終端的設計需要滿足如下功能：首先，能夠接收一體化測試主站發送的控制命令，進行相對應的模擬量和開關量同步輸出至次同步振蕩控制裝置；其次，能夠主動上招次同步振蕩控制裝置的動作報文和出口節點信息，通過網絡鏈路回傳到一體化測試主站實現閉環測試；最后，能實現對一體化測試主站所設置不同頻率疊加信號的數字化處理，能進行數模轉換，并能同步輸出相應的模擬量信息。因此，一體化測試終端實現以上功能最重要的兩個關鍵技術是信號疊加技術和數據同步觸發技術。

①信號疊加技術

為了擴展一體化測試終端的適用場景，除了可以利用波形回放技術進行次同步振蕩測試，還可以接收一體化測試主站下發不同頻率和幅值的電氣量信息控制命令，進而利用一體化測試終端的信號疊加技術進行信號疊加生成數字量信號，最后利用數模轉換模塊實現相應模擬量信號的輸出。一體化測試終端中信號疊加技術所實現的信號疊加過程示意圖如圖4所示。

該信號疊加技術可滿足至少五種不同頻率、幅值和初始相位的信號進行疊加。因此，測試人員可利用該技術根據次同步振蕩需求進行相應波形的設置，進而通過同步觸發回放技術實現同步測試，可省去對相應次同步振蕩控制策略進行仿真分析的時間，減少次同步振蕩控制程序的開發周期，提高設備開發效率。

圖4 信號疊加過程示意圖

②數據同步觸發技術

數據同步觸發技術是一體化調測平臺最關鍵的技術，如果測試數據不能同時輸出至次同步振蕩控制裝置，就不能達到同步測試的目的。該平臺的數據同步觸發技術以北斗衛星對時模塊為基礎，數據同步觸發過程示意圖如圖5所示。

圖5 數據同步觸發過程示意圖

基于北斗衛星對時模塊的同步觸發技術的實現方式有以下兩種。

定時同步觸發方式：為實現在某一特定精確時刻進行同步觸發試驗而設計，一體化測試主站設置某一精確觸發時間并將其轉換成帶有時間戳的觸發控制信號，通過測試網絡將信號下發到各待測廠站一體化測試終端的同步觸發單元，同步觸發單元結合對時單元提供的時間信息進行判斷，到達觸發時刻時進行數據同步觸發。定時同步觸發邏輯框圖如圖6所示。

圖6 定時同步觸發邏輯框圖

延時同步觸發方式：在現場應用過程中，一體化測試終端存在觸發不同步的情況，這主要是由于不同的同步處理單元因受測試環境影響而對觸發控制信號的處理時間不同造成的。為解決這一問題，延時同步觸發方式在定時同步觸發方式的基礎上，加上固定的延時，這時同步觸發單元已經完成信號處理，再按照延時后的時間進行同步觸發輸出。延時同步觸發邏輯框圖如圖7所示。

圖7 延時同步觸發邏輯框圖

3 現場測試流程

對本文所提基于數據回放的一體化調測平臺進行現場測試。首先需要搭建測試網絡，其實現方式有兩種，即有線組網方式和無線組網方式。有線組網方式一般采用現有的調度數據網，但是考慮到網絡安全和現場搭建較困難，現場測試時主要采用基于電力無線虛擬專網的無線組網方式。無線組網方式具有組網便捷和靈活的優點，基于無線組網方式的一體化調測平臺架構如圖8所示。

圖8 基于無線組網方式的一體化調測平臺架構

該平臺的一體化測試主站利用BPA、PSASP、ADPSS等軟件的仿真結果，通過無線網絡將仿真結果下裝到一體化測試終端，一體化測試終端將模擬量同步輸入不同的次同步振蕩控制裝置中進行同步回放測試。相對于一般測試方法，該方法測試的波形更貼近電網實際動作波形，測試更貼近電網的真實情況，且單次測試可以實現全系統同步測試，可有效提高測試效率和準確性。一體化調測平臺的一般測試流程如圖9所示，具體步驟如下。

步驟1：梳理次同步振蕩控制系統需要測試的控制策略，根據策略要求進行仿真分析。

步驟2：梳理本次現場測試所涉及的廠站，做好安全措施。

步驟3：利用一體化測試主站進行測試用例設置，對所有仿真數據進行解析和關聯配置，并設置好結果比對參數后存入測試用例庫。

步驟4：采用如圖8所示的無線組網方式搭建現場調測平臺。

步驟5：調用一體化測試主站測試用例庫中準備好的測試用例，進行簡單的解壓配置。

圖9 一體化調測平臺的一般測試流程

步驟6：在一體化測試主站設置好數據同步回放觸發時間，點擊測試開始按鍵，測試命令通過無線網絡傳送至一體化測試終端，一體化測試終端利用北斗衛星對時系統進行時間同步觸發，將模擬量信息同步回放到次同步振蕩控制裝置。

步驟7：次同步振蕩控制裝置動作后，其動作出口節點和動作報文通過一體化測試終端回傳到一體化測試主站，進而完成測試結果的比對，完成現場測試。

步驟8：若開展其他控制策略的現場測試，則只需重復步驟5～步驟7即可，待所有測試用例測試完成后，完成整個現場測試。

4 結論

本文針對次同步振蕩控制系統測試難的問題，介紹了新疆電網一體化調測平臺實現方法，提出了基于數據回放的一體化調測平臺，可實現次同步振蕩控制系統的動態整組全面驗證，解決了次同步振蕩控制系統因涉及設備較多、地理位置分散無法全面驗證的難題。該平臺可適用于工程現場或實驗室環境下次同步振蕩控制系統的測試驗證，確保次同步振蕩控制系統的可靠運行；同時基于數據回放的測試模式還可應用于繼電保護系統的跨間隔測試和穩控系統的整組測試，具有良好的應用前景。

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Research on sub-synchronous oscillation control system for Xinjiang power grid and its test method

ZHANG Lu1CHEN Jun1ZHAO Qi1NAN Dongliang1,2HAN Lianshan3

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd, Urumqi 830011; 2. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047; 3. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Aiming at the practical problems of the sub-synchronous oscillation of Xinjiang power grid, the realization principle of the sub-synchronous oscillation control system is introduced. According to the current difficulty in testing the sub-synchronous oscillation control system, an integrated test master station and an integrated test terminal are designed. Then combined with Beidou satellite timing module and wired/wireless networking, an integrated commissioning platform based on data playback is proposed. Based on this platform, the sub-synchronous oscillation control system can be synchronously tested on the engineering site or in the laboratory, which solves the problems of more equipment involved in the regional control system and decentralized geographical location, and realizes system-level testing.

sub-synchronous oscillation; integrated commissioning; signal superposition; syn- chronous trigger; Beidou satellite timing system

2022-07-04

2022-08-11

張 路（1987—），男，安徽淮北人，碩士，工程師，主要從事電力系統運行控制與繼電保護工作。