吳琛,劉旭斐,程旻,張斌
(云南電力調(diào)度控制中心,云南 昆明 650011)
隨著我國新能源大規(guī)模接入、區(qū)域電網(wǎng)間遠(yuǎn)距離直流輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用,負(fù)荷側(cè)變頻電機(jī)、電動汽車、高速列車、地鐵等換流器并網(wǎng)的負(fù)荷的規(guī)?;尤耄娏ο到y(tǒng)呈現(xiàn)出電力電子化趨勢[1]。多樣化電力電子設(shè)備、傳統(tǒng)電力設(shè)備、輸電網(wǎng)絡(luò)三者之間交互作用會引起電力系統(tǒng)寬頻帶振蕩問題[2]。近年來世界各國發(fā)生了多起由電力電子設(shè)備引起的電力系統(tǒng)寬頻振蕩事件,如,2009年美國德州Ajo風(fēng)電場發(fā)生的25 Hz左右的次同步振蕩[3];2012年以來,我國沽源風(fēng)電場發(fā)生多次3~12 Hz的次同步振蕩[4];2015年新疆哈密地區(qū)的風(fēng)電場發(fā)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(shè)備損壞進(jìn)而引發(fā)新能源發(fā)電設(shè)備脫網(wǎng)事故,而且寬頻振蕩的頻率分量會攜帶能量在電網(wǎng)中大范圍傳播,可能會誘發(fā)電力系統(tǒng)功率振蕩問題[6-8],從而造成大規(guī)模停電事故。“十三五”期間云南電網(wǎng)實現(xiàn)了以±800 kV特高壓等8回直流與其他四省區(qū)電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng),“西電東送”規(guī)模持續(xù)增長,省內(nèi)風(fēng)、光新能源發(fā)電規(guī)模及占比逐年提升,電力系統(tǒng)的電力電子化特征日趨顯著,復(fù)雜控制作用下,呈現(xiàn)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(tài)穩(wěn)定問題,實時監(jiān)測掌握電力系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢對保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
電力系統(tǒng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)(WA ms)已廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測、事故分析、保護(hù)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(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。傳統(tǒng)PMU重點關(guān)注45~55 Hz范圍內(nèi)的工頻信號,為了提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性,需要濾除間諧波及諧波信號[11-12],因此傳統(tǒng)PMU無法滿足次/超同步振蕩及高頻振蕩的監(jiān)測要求。文獻(xiàn)[13]從目前的相量測量技術(shù)出發(fā),提出了寬頻相量測量的技術(shù)方案和設(shè)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(xiàn)方法。文獻(xiàn)[14]分析了傳統(tǒng)相量測量技術(shù)的局限性,討論了實現(xiàn)寬頻監(jiān)測需要采樣頻率、相量數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及時標(biāo)對時等問題。
為了實現(xiàn)對新能源并網(wǎng)引起的寬頻振蕩監(jiān)測,本文設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行介紹;其次闡述了該裝置的基本功能及實現(xiàn)方法;最后在實驗室環(huán)境下借助信號發(fā)生器對寬頻相量監(jiān)測裝置的檢測范圍及精度進(jìn)行測試,結(jié)果表明:該裝置能對2.5~100 Hz范圍內(nèi)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(zhǔn)確地監(jiān)測電力系統(tǒng)的次/超同步振蕩及高頻諧波及間諧波,為電力運(yùn)行調(diào)度人員提供有效的決策信息。
WPMU采用FPGA、DSP和ARM等3種異構(gòu)芯片相互協(xié)同的方式運(yùn)行,其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,F(xiàn)PGA完成交流量、開入量等信號的采集;DSP負(fù)責(zé)電壓、電流等信號的相量計算、告警判斷和錄波觸發(fā)等工作;ARM作為管理CPU,主要完成人機(jī)界面顯示、面板指示燈驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲以及與外部通訊等任務(wù)。W-PMU裝置采用雙DSP模式,其中一個DSP負(fù)責(zé)基波相量和整數(shù)諧波相量的計算;另一個DSP負(fù)責(zé)次/超同步相量及高頻間諧波相量的自適應(yīng)計算。該裝置采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計,各異構(gòu)芯片間之間通過MMU高速數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。
圖1 W-PMU的硬件結(jié)構(gòu)
目前傳統(tǒng)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(shù)據(jù)采集是寬頻信號處理的前提和基礎(chǔ),其采集數(shù)據(jù)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(nèi))的要求。
傳統(tǒng)PMU每秒采樣點個數(shù)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?qū)崿F(xiàn)4.8 kHz以內(nèi)信號的檢測,滿足目前電力系統(tǒng)中常見的次/超同步振蕩及諧波及間諧波檢測要求。
WPMU一般配置于變電站、發(fā)電廠、風(fēng)/光新能源匯集站等,通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入主站的通信前置機(jī),實現(xiàn)子站與主站之間相互通信,構(gòu)成寬頻廣域監(jiān)測系統(tǒng)。因此,為了實現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行實時監(jiān)視,寬頻相量測量裝置需通過GPS統(tǒng)一授時,對電網(wǎng)內(nèi)不同測量點提供同步參考時標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步采集,進(jìn)而保證所有測點所監(jiān)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(biāo)信息的相量數(shù)據(jù)上傳至主站。
WPMU裝置采用IRIG-B碼對時方式進(jìn)行時間同步,能夠?qū)⑼綄r誤差精度控制在±1 ms范圍內(nèi),滿足同步相量測量的基本要求。數(shù)據(jù)傳輸采用電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(GB/T 26865.2-2011)中規(guī)定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議[16],實現(xiàn)主站與子站之間數(shù)據(jù)的實時傳輸及歷史文件的傳輸。但是,此傳輸協(xié)議僅對基波相關(guān)數(shù)據(jù)的命名和傳輸進(jìn)行了規(guī)范,而WPMU需將測量的基波、間諧波、諧波及開關(guān)狀態(tài)等監(jiān)測數(shù)據(jù)都傳輸至監(jiān)控系統(tǒng),因此,必須對規(guī)約進(jìn)行擴(kuò)展,才能實現(xiàn)寬頻相量數(shù)據(jù)的實時傳輸。
大規(guī)模新能源接入使電力系統(tǒng)電力電子化程度越來越高,與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比,電力電子化電力系統(tǒng)具有較好的可控制性和靈活性。但由于電力電子設(shè)備呈現(xiàn)出多時間尺度特性,電網(wǎng)中各元件之間的振蕩形式更加復(fù)雜,振蕩頻率呈現(xiàn)出寬頻帶特征。為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,需對電力系統(tǒng)振蕩進(jìn)行全面監(jiān)測,但傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置不能有效地覆蓋全振蕩頻段,因此本文設(shè)計了一種能夠監(jiān)測多頻段振蕩的寬頻相量測量裝置。
針對電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的寬頻帶振蕩,本文設(shè)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(xiàn)振蕩預(yù)警、數(shù)據(jù)錄波及控制保護(hù)等功能。
1)次/超同步振蕩相量測量
風(fēng)力發(fā)電與線路串聯(lián)補(bǔ)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(bǔ)的超同步相量。為了掌握電力系統(tǒng)次/超同步振蕩的實時動態(tài)變化特征,能夠為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供正確的安全控制策略,本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)同時對2.5 Hz~100 Hz范圍內(nèi)次/超同步振蕩相量、基波相量的監(jiān)測。默認(rèn)振蕩模式通道為4個,可在人機(jī)交互界面設(shè)置振蕩模式篩選準(zhǔn)則,改變裝置能甄別的模式數(shù)量。
2)高頻諧波/間諧波相量測量
電力電子化電力系統(tǒng)中,大量電力電子設(shè)備之間相互作用引起振蕩頻率高達(dá)9k Hz的諧波、間諧波。為了適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展,全面掌握電力系統(tǒng)的動態(tài)特性,本文中的相量監(jiān)測裝置可以實現(xiàn)31次諧波(1550 Hz)范圍內(nèi)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(jiān)測功能
目前基波相量監(jiān)測是電力系統(tǒng)保護(hù)與控制的重要數(shù)據(jù)來源,因此測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(tǒng)振蕩模態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析。通過獲取的電流、電壓信號,實現(xiàn)45~55 Hz范圍內(nèi)基波相量監(jiān)測。
4)擴(kuò)展功能
為了實現(xiàn)對振蕩事故的分析,本裝置增加了數(shù)據(jù)錄波、振蕩預(yù)警及保護(hù)控制等功能。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的振蕩判據(jù)時WPMU將自動開啟錄波功能,從而能夠?qū)崿F(xiàn)故障就地分析,同時可根據(jù)次/超同步振蕩判據(jù)來控制觸發(fā)標(biāo)志,實現(xiàn)次/超同步振蕩的預(yù)警。為了讓電網(wǎng)能夠達(dá)到實時就地控制與保護(hù),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(jìn)行相關(guān)操作。控制保護(hù)功能需要主站的決策信息進(jìn)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(tài)。
WPMU算法的具體實現(xiàn)步驟為:
1)數(shù)據(jù)采樣,通過定間隔對電壓、電流進(jìn)行采樣,采樣頻率為9600 Hz;
2)自適應(yīng)檢測,基于FFT進(jìn)行初步計算,篩選出幅值超過設(shè)定門檻的振蕩模式,然后根據(jù)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(tǒng)稱為模態(tài);
3)自適應(yīng)濾波,針對自適應(yīng)監(jiān)測出的各模態(tài)信號,根據(jù)初始頻率分別進(jìn)行帶通濾波,從而將各模態(tài)進(jìn)行分離;
4)補(bǔ)償校正,對各模態(tài)信號進(jìn)行相量校正,獲取各模態(tài)的頻率、幅值和相位,并通過補(bǔ)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(jié)果進(jìn)行處理實現(xiàn)裝置的擴(kuò)展功能,如計算次/超同步阻抗確定振蕩源。WPMU算法實現(xiàn)流程如圖2所示。
自適應(yīng)濾波是針對各模態(tài)信號,根據(jù)自適應(yīng)檢測獲取的初始頻率f0進(jìn)行帶通濾波,具體可基于二階無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器實現(xiàn)。自適應(yīng)檢測的模態(tài)經(jīng)過帶阻濾波后,可以獲取準(zhǔn)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(shù)為[15]。
式中,G為增益系數(shù);ξ為阻尼系數(shù);ωc為特征頻率。
自適應(yīng)濾波可以通過數(shù)字濾波器實現(xiàn),其功能實現(xiàn)流程如圖2所示。
圖2 功能實現(xiàn)流程
本文在實驗室內(nèi)搭建測試環(huán)境,對WPM樣機(jī)裝置的工頻信號、寬頻信號的量測精度及其動態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行驗證。信號發(fā)生器用來模擬測試信號,PC機(jī)用來顯示W(wǎng)PMU的測試結(jié)果。
1)工頻信號測試
本節(jié)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(nèi)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(dāng)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(jié)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(jié)果均小于傳統(tǒng)PMU設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值。因此,本文設(shè)計的WPMU的精度均在標(biāo)準(zhǔn)精度要求誤差范圍內(nèi)。
2)寬頻信號測試
為了測試WPMU所支持的最大頻率和自適應(yīng)檢測功能,在實驗過程中通過信號發(fā)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(shù)學(xué)表達(dá)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(nèi)局部放大的幅頻特性曲線。圖4為4個模態(tài)的測試結(jié)果,由圖4(a)~(d)分別對應(yīng)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(shè)計的寬頻相量測量裝置可以有效地將各模態(tài)分離。圖4(a)-(c)中左側(cè)為各模態(tài)的幅值、右側(cè)為各模態(tài)的頻率。從圖4中可以得出,各模態(tài)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
3.2.1 階躍響應(yīng)
為了測試WPMU的動態(tài)響應(yīng)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(yīng)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(yīng)測試結(jié)果如圖5所示,圖5(a)~(c)分別為幅值、頻率和相角階躍響應(yīng)測試結(jié)果。藍(lán)色線表示初始測試信號,橙色線表示W(wǎng)PMU的測量結(jié)果。
圖5 階躍響應(yīng)測試結(jié)果
由圖6所示的測試結(jié)果可以看出,WPMU識別幅值階躍變化的響應(yīng)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(yīng)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(yīng)時間為30 ms。WPMU對于頻率階躍和幅值階躍的響應(yīng)時間大于傳統(tǒng)PMU的響應(yīng)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(tài)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(diào)制測試結(jié)果
3.2.2 梯度調(diào)制測試
梯度調(diào)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(diào)制測試、頻率調(diào)制測試的測試信號。
圖6(a)為式(4)描述的幅值調(diào)制信號,即在測試信號幅值上疊加余弦變量,其對應(yīng)的WPMU測試結(jié)果如圖6(b)所示。從測試結(jié)果可以看出,WPMU能夠有效地對調(diào)制信號進(jìn)行辨識。幅值呈現(xiàn)余弦波的形式,證明裝置的自適應(yīng)檢測算法具有精確滿足監(jiān)測要求。圖7(a)為式(5)描述的頻率調(diào)制信號,即在測試信號的頻率上疊加余弦變量,其對應(yīng)的測試結(jié)果如圖7(b)所示。從測試結(jié)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(jié)果也是在誤差允許的范圍內(nèi)。
圖7 頻率調(diào)制測試結(jié)果
本文設(shè)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(jiān)測,在實驗室環(huán)境下測試了該裝置的測量性能及其動態(tài)響應(yīng)能力,結(jié)果表明:
1)WPMU在工頻(50 Hz)下的幅值、頻率、相角的測量精度優(yōu)于傳統(tǒng)PMU設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求;
2)WPMU可以將寬頻信號各模態(tài)(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(tài)的幅值和頻率均符合工頻測量精度要求;
3)WPMU的寬頻動態(tài)響應(yīng)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(diào)制信號進(jìn)行辨識。
本文設(shè)計的裝置已于2019年在云南電網(wǎng)西北部、可再生能源富集地區(qū)的五個變電站(即楚雄地區(qū)的鹿城、和平500 kV樞紐變電站和祿豐、紫溪220 kV風(fēng)電匯集站,以及大理地區(qū)的黃坪500 kV變電站)投入試運(yùn)行,將次/超同步動態(tài)數(shù)據(jù)實時上送到云南電力調(diào)度控制中心,實現(xiàn)對云南電網(wǎng)多模態(tài)振蕩的廣域監(jiān)測、溯源與預(yù)警。