25.6k采樣率的分布式電能質(zhì)量監(jiān)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(fā)展風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電方式以及交直流混合輸電、電力電子設(shè)備使用等電網(wǎng)新特性的出現(xiàn)［1-8］，電能質(zhì)量問題向高電壓等級蔓延，傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測實現(xiàn)方式存在較大瓶頸。當前國內(nèi)110 kV及以上電壓等級的電網(wǎng)諧波監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)源主要來自電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT），CVT的設(shè)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(yīng)特性差，因此無法滿足電能質(zhì)量系統(tǒng)對諧波準確度的要求［9-19］。針對該問題，國內(nèi)外提出增加C3電容抽頭作為電能質(zhì)量測量數(shù)據(jù)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(shù)字化交流變電站的合并單元主流采樣率為4k，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，不滿足電能質(zhì)量2～50次諧波監(jiān)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(zhì)量數(shù)據(jù)采樣。同時電子式互感器的應(yīng)用場景（直流換流站等），電能質(zhì)量監(jiān)測終端迫切需要增加數(shù)字化接口，文獻［19］中提到了用于電子式互感器應(yīng)用場景的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，高采樣率滿足電能質(zhì)量對于2～50次諧波監(jiān)測的要求，但對于高采樣率的報文傳輸處理過于復(fù)雜，不利于實際工程應(yīng)用。

基于上述現(xiàn)狀，本文提出了一種分布式電能質(zhì)量監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測終端，兩者通過25.6k采樣率的《IEC61850-9-2特殊通信服務(wù)映射》數(shù)據(jù)進行傳輸。該解決方案滿足電能質(zhì)量諧波監(jiān)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(yīng)用價值。

1 變電站電能質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)狀

目前變電站電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)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(guī)模用于電能質(zhì)量系統(tǒng)，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(guī)采樣電能質(zhì)量監(jiān)測終端是目前有效的電能質(zhì)量監(jiān)測手段［20-30］，如圖1中方案A所示，變電站現(xiàn)場也存在電容式電壓互感器+常規(guī)采樣電能質(zhì)量監(jiān)測終端或者電磁式電壓互感器+4k采樣率合并單元+數(shù)字化電能質(zhì)量監(jiān)測終端的監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1中方案B和方案C所示。

圖1 變電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Substation power quality monitoring system

電容式電壓互感器由于設(shè)計原理不能直接用于電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，《GB/T 14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)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(nèi)外提出增加C3電容抽頭作為電能質(zhì)量測量數(shù)據(jù)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(jù)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(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對于2～50次諧波監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)并不能滿足電能質(zhì)量監(jiān)測對諧波準確度的要求。

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

2 分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置設(shè)計

分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置包含采集模塊和數(shù)字化接口電能質(zhì)量監(jiān)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(shù)字化接口電能質(zhì)量監(jiān)測終端支持IEC61850-9-2格式報文輸入，具備諧波監(jiān)視等完備的電能質(zhì)量監(jiān)測功能，適用于交直流諧波監(jiān)測、交流側(cè)低頻振蕩、新能源發(fā)電、沖擊性負荷等需要進行電能質(zhì)量監(jiān)測的各類應(yīng)用場景。

圖2 分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置Fig.2 Distributed power quality monitoring system

分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置可以滿足常規(guī)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(zhì)量監(jiān)測精度要求，為CVT改造提供二次設(shè)備解決方案，同時也解決了數(shù)字化變電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)采樣率不足導(dǎo)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(zhì)量監(jiān)測裝置采用25.6 kHz高采樣率，電能質(zhì)量監(jiān)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(shù)據(jù)的傳輸和編解碼問題，避免處理不當導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)IEC61850-9-2規(guī)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(jié)固定長度的報文，APDU為應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元。而APDU由應(yīng)用協(xié)議控制信息和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)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(tǒng)沿用單ASDU傳輸方案，采集單元的報文發(fā)送頻率和電能質(zhì)量監(jiān)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(nèi)完成報文的編解碼，對系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。

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(xiàn)通過3.2 kHz的報文發(fā)送25.6 kHz采樣率的采樣值數(shù)據(jù)，采集單元和電能質(zhì)量監(jiān)測終端只需要在312.5μs間隔時間內(nèi)完成報文的編解碼工作即可，可以大大提高系統(tǒng)運行穩(wěn)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(shù)據(jù)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(tǒng)運行效率。

2.2 軟硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)上述分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，本文對分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的軟硬件架構(gòu)進行設(shè)計，為了保證高采樣率報文傳輸?shù)目煽啃?，報文收發(fā)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(fā)送，因此采用FPGA+SOC的硬件架構(gòu)，監(jiān)測終端需要接收高采樣率報文數(shù)據(jù)，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(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此監(jiān)測終端采用了FPGA+DSP+CPU的硬件架構(gòu)來滿足裝置功能要求，分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置硬件架構(gòu)圖Fig.4 Hardware of distributed power quality monitoring system

為了實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測功能，需要基于上述硬件系統(tǒng)部署相應(yīng)的軟件模塊，整個分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的軟件架構(gòu)如圖5所示，其中采樣模塊和發(fā)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(zhuǎn)化為數(shù)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(jiān)測終端，實現(xiàn)電能質(zhì)量指標分析及上送。

圖5 分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置軟件架構(gòu)圖Fig.5 Software of distributed power quality monitoring system

通過上述分布式電能質(zhì)量軟硬件架構(gòu)，不僅可以實現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)測的需求，由于采集單元使用標準IEC61850-9-2協(xié)議上送數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)幀可共享給需要高速采樣數(shù)據(jù)的間隔層設(shè)備如寬頻測量裝置，為其他需要高速采樣數(shù)據(jù)的設(shè)備提供了數(shù)據(jù)源。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

為了驗證第二章所述分布式電能質(zhì)量監(jiān)測裝置方案的可行性和有效性，基于上述系統(tǒng)方案開發(fā)出了25.6k采樣率的采集單元和監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測裝置率先通過了全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院的型式試驗并取得相關(guān)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(jié)果均滿足國標《GB/T 19862-2016電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》規(guī)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(shù)據(jù)的原始記錄，表1為電壓諧波測量精度檢測結(jié)果記錄，表2為電壓暫升測量準確度檢測結(jié)果記錄，其中電壓諧波測量精度的技術(shù)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(shù)要求為電壓幅值誤差≤±0.2%UN，持續(xù)時間誤差≤1周波，從表1和表2記錄數(shù)據(jù)可以看出分布式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)性能指標遠優(yōu)于規(guī)范的技術(shù)要求。

表1 電壓諧波測量精度檢測結(jié)果Table 1 Voltage harmonic measurement results

表2 電壓暫升測量準確度檢測結(jié)果Table 2 Voltage swell measurement results

此外，采集單元和其他公司的監(jiān)測終端配合也通過了全球能源互聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)互操作性好，為共享高頻采樣數(shù)據(jù)源提供了可行性。

4 結(jié)語

針對CVT場景特別是數(shù)字化變電站電能監(jiān)測方案存在的諧波測量精度不滿足國標技術(shù)要求的現(xiàn)狀，以及目前具有應(yīng)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(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)很好地解決了目前變電站電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題。該系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備間通訊采用標準IEC61850-9-2協(xié)議，具有很好的互操作性和接入能力，且該系統(tǒng)的各項電能質(zhì)量評價指標的測量準確度經(jīng)過了型式試驗驗證，具有很好的推廣意義。