蘇榮強(qiáng)，張海天，陳 峰，施志良，張高峰，楊利民，張 孝

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

為實現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)，新能源（風(fēng)電、光伏等）及電力電力電子裝備在我國新型電力系統(tǒng)中的占比將進(jìn)一步顯著提升［1-3］。高比例、大容量電力電子設(shè)備易引發(fā)頻率在幾赫茲到數(shù)千赫茲范圍內(nèi)的寬頻振蕩，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［4-5］。解決這一問題的前提是需要準(zhǔn)確掌握諧波、間諧波的頻率、幅值等信息，提高電網(wǎng)對不同諧波頻率擾動分量的監(jiān)測能力，從而因地制宜地制定相應(yīng)策略，降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險。

現(xiàn)階段，針對寬頻監(jiān)測技術(shù)研究的重心集中在寬頻測量裝置的信號測量、諧波/間諧波信號提取、信息傳輸?shù)确矫妫?-10］，而如何在主站端構(gòu)建寬頻監(jiān)測系統(tǒng)的研究相對較少。調(diào)度端現(xiàn)有與寬頻監(jiān)測系統(tǒng)相近的是WAMS（廣域測量系統(tǒng)），WAMS 可基于PMU（同步相測量單元）工頻測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)電網(wǎng)廣域信號的動態(tài)監(jiān)測。目前，寬頻監(jiān)測系統(tǒng)的兩種主流通訊規(guī)范［11-12］都是基于PMU通訊規(guī)范［13］擴(kuò)展而來的，因此兩者聯(lián)系更加緊密。對于網(wǎng)省級WAMS 而言，接入PMU 子站數(shù)量眾多，對于毫秒級工頻相量數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲已有一定壓力。而寬頻監(jiān)測系統(tǒng)除了采集毫秒級工頻相量數(shù)據(jù)外，還需要采集0～2 500 Hz 的諧波/間諧波數(shù)據(jù)，信息量劇增，從數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、同步各方面都面臨著比WAMS系統(tǒng)更大的挑戰(zhàn)。

本文借鑒WAMS研制經(jīng)驗，基于統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺［14］，研制了廣域?qū)掝l監(jiān)測系統(tǒng)；根據(jù)現(xiàn)行的兩種主流擴(kuò)展版諧波通訊規(guī)范設(shè)計了寬頻監(jiān)測模型，提出寬頻數(shù)據(jù)前置統(tǒng)一采集架構(gòu)和寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)技術(shù)，支持兩種擴(kuò)展版的諧波通訊規(guī)范；根據(jù)工程應(yīng)用需求，研發(fā)了諧波/間諧波量測動態(tài)監(jiān)視、寬頻信號越限告警、寬頻量測歷史查詢、寬頻振蕩告警推送等功能，為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提升新能源消納能力提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

寬頻監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)包括硬件和軟件兩部分，硬件架構(gòu)由位于調(diào)度中心的服務(wù)器、工作站等設(shè)備組成，如圖1所示。軟件架構(gòu)采用分層分模塊設(shè)計原則，由硬件平臺、操作系統(tǒng)平臺、中間件層、統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺、寬頻監(jiān)測基礎(chǔ)及高級功能模塊組成，如圖2所示。

圖1 寬頻監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture of broadband monitoring system

圖2 寬頻監(jiān)測系統(tǒng)的軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of broadband monitoring system

寬頻監(jiān)測系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)Table 1 System performance indicators

1.2 寬頻監(jiān)測模型

從現(xiàn)行兩種主流的擴(kuò)展版諧波通訊規(guī)范入手進(jìn)行分析比較。首先，提取出兩者公共的寬頻信息模型。然后，基于統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺設(shè)計了寬頻信息模型的數(shù)據(jù)庫模式。最后，考慮運(yùn)行維護(hù)的便利性，設(shè)計了EMS（能量管理系統(tǒng)）和寬頻監(jiān)測應(yīng)用一體化運(yùn)行維護(hù)流程以及主站在兼容PMU現(xiàn)行通訊規(guī)范的前提下接入兩種擴(kuò)展版諧波通訊規(guī)范的操作流程。

1.2.1 三種通訊規(guī)范比較

為建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫模式，本文首先研究了現(xiàn)行PMU通訊規(guī)范、兩種主流的擴(kuò)展版諧波通訊規(guī)范的差異，比較結(jié)果如表2所示。

從表2 可見，兩種擴(kuò)展方案與PMU 通訊規(guī)范的最大分歧點在于是否利用原有工頻幀傳輸諧波信息。方案一單獨(dú)傳輸諧波信息，對現(xiàn)有WAMS通信影響較大，但可從根本上解決今后寬頻測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊幌盗袉栴}；方案二在工頻幀中跳頻傳輸諧波信息，改動相對較小，易于工程試點應(yīng)用［13］。兩種方案各有優(yōu)缺點，就總體性能而言，方案一較方案二更為靈活、高效，可擴(kuò)展性強(qiáng)；方案二改動較小，更容易實施。目前在試點階段，寬頻測量領(lǐng)域的通訊規(guī)范還未正式發(fā)布，本文提到的兩種規(guī)范都有試點應(yīng)用。

表2 通訊規(guī)范比較Table 2 Comparison of communication specifications

1.2.2 數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計

IEC 61970 CIM（公共信息模型）規(guī)范定義了電網(wǎng)的一次設(shè)備及其拓?fù)潢P(guān)系［15］，但沒有定義寬頻測量的信息模型。本文根據(jù)通訊規(guī)范設(shè)計數(shù)據(jù)庫模式，實時數(shù)據(jù)庫模式分為前置數(shù)據(jù)庫和寬頻監(jiān)測數(shù)據(jù)庫兩部分，前者用于建立二次采集模型，后者用于建立一次設(shè)備填庫生成的測點模型。

前置數(shù)據(jù)庫如圖3 所示，設(shè)計了廠站、集中器、采集單元、測點類型的層次結(jié)構(gòu)。寬頻監(jiān)測數(shù)據(jù)庫如圖4 所示，設(shè)計了廠站、電壓等級、間隔、導(dǎo)電設(shè)備、測點類型的層次結(jié)構(gòu)。

圖3 前置數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計Fig.3 Schema design of a front-end database

圖4 寬頻監(jiān)視數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計Fig.4 Schema design of a broadband surveillance database

1.2.3 一體化運(yùn)行維護(hù)

在一體化系統(tǒng)中，EMS 和寬頻監(jiān)測應(yīng)用擁有獨(dú)立的實時數(shù)據(jù)庫實體，一體化運(yùn)行維護(hù)流程如圖5所示。利用圖模庫一體化維護(hù)工具，繪制廠站一次接線圖，分別填入EMS和寬頻監(jiān)測應(yīng)用的實時數(shù)據(jù)庫，生成電網(wǎng)一次設(shè)備模型。

圖5 一體化運(yùn)行維護(hù)流程Fig.5 The integrated operation and maintenance process

寬頻監(jiān)測系統(tǒng)的維護(hù)流程包含工頻和諧波模型的維護(hù)，本文根據(jù)三種通訊規(guī)范設(shè)計了不同的維護(hù)流程。對于PMU子站，利用寬頻測量模型維護(hù)工具，從子站召喚CFG1，按需訂閱生成CFG2和前置里的工頻采集模型，并建立其與一次設(shè)備模型中模擬量值采集源的關(guān)聯(lián)。對于采用擴(kuò)展方案一通訊的寬頻測量子站，工頻模型的維護(hù)流程同上，諧波模型的維護(hù)流程如下：從子站召喚CFG1A，按需訂閱生成CFG2A 和前置里的諧波采集模型，并建立其與一次設(shè)備模型中諧波量值采集源的關(guān)聯(lián)。對于采用擴(kuò)展方案二通訊的寬頻測量子站，從子站召喚CFG1，按需訂閱生成CFG2，并同時生成前置里的工頻以及諧波采集模型，分別建立其與一次設(shè)備模型中模擬量值采集源及諧波量值采集源的關(guān)聯(lián)。維護(hù)流程結(jié)束后，子站開始上送實時數(shù)據(jù)，畫面可視化工具可從一次設(shè)備模型中取數(shù)并進(jìn)行實時展示。

2 功能設(shè)計

2.1 寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集

寬頻測量裝置除采集工頻數(shù)據(jù)外，還需采集諧波、間諧波、振蕩功率、振蕩頻率等信息。以一般省級電網(wǎng)（含200 個廠站）為例，每個廠站按15 個間隔計算，則每秒采集的實時數(shù)據(jù)約有700萬個，龐大的數(shù)據(jù)規(guī)模以及高密度的數(shù)據(jù)傳輸，給調(diào)度主站的采集、同步、存儲等方面都帶來了巨大壓力。本文在WAMS前置系統(tǒng)研制運(yùn)行經(jīng)驗基礎(chǔ)上，提出了如圖6所示的寬頻數(shù)據(jù)前置統(tǒng)一采集架構(gòu)。

圖6 寬頻數(shù)據(jù)前置統(tǒng)一采集架構(gòu)Fig.6 The front-end unified broadband data acquisition architecture

寬頻數(shù)據(jù)前置統(tǒng)一采集架構(gòu)由鏈路通信模塊、規(guī)約解析模塊、工頻/諧波數(shù)據(jù)處理模塊以及基于共享內(nèi)存技術(shù)創(chuàng)建的鏈路數(shù)據(jù)緩存區(qū)、動態(tài)數(shù)據(jù)緩存區(qū)構(gòu)成。鏈路通信模塊管理與各子站的通訊鏈路。PMU規(guī)約解析模塊解析原始報文并把工頻數(shù)據(jù)存儲到工頻動態(tài)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，諧波擴(kuò)展規(guī)約解析模塊除解析工頻數(shù)據(jù)外，還將原始報文解析為諧波數(shù)據(jù)并把諧波數(shù)據(jù)存儲到諧波動態(tài)數(shù)據(jù)緩存區(qū)。工頻/諧波數(shù)據(jù)處理模塊將緩存區(qū)的工頻、諧波數(shù)據(jù)存儲到寬頻測量實時庫和時序庫中。工頻、諧波動態(tài)數(shù)據(jù)緩存區(qū)在物理上分開，獨(dú)立設(shè)計，在實現(xiàn)諧波數(shù)據(jù)采集存儲的同時，可以極大地保證原WAMS主站升級為寬頻監(jiān)測主站后工頻數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

網(wǎng)省級電網(wǎng)PMU或?qū)掝l測量采集通道數(shù)量眾多，單靠一個前置節(jié)點采集無法滿足性能要求。對此，寬頻測量前置采用分布式采集技術(shù)，采集通道均勻分布在多個前置節(jié)點上，任一前置節(jié)點發(fā)生故障，通道自動均衡分配到其他節(jié)點。

2.2 寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)

各個前置節(jié)點分布采集的工頻、諧波數(shù)據(jù)存儲到寬頻監(jiān)測實時庫（本地）和時序數(shù)據(jù)庫中，由于數(shù)據(jù)規(guī)模大、采集密度高，寬頻監(jiān)測實時庫中的數(shù)據(jù)在各節(jié)點間無法實時同步。為滿足寬頻振蕩等應(yīng)用模塊獲取工頻、諧波數(shù)據(jù)的需求，設(shè)計了寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)模式，如圖7所示。

圖7 寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)Fig.7 The unified broadband data services

寬頻監(jiān)測實時庫會緩存一段時間的數(shù)據(jù)，緩存時長T由寬頻振蕩等應(yīng)用模塊的計算時間窗口決定。數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)流程如圖8所示，部署在各節(jié)點的寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接收到應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)請求后，先判斷該數(shù)據(jù)是否由本節(jié)點采集，如果是在本節(jié)點采集，就根據(jù)時間范圍判斷是從寬頻監(jiān)測實時庫中獲取還是從時序庫中獲取，獲取到數(shù)據(jù)后再返回給請求應(yīng)用。寬頻監(jiān)測實時庫是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，存取速度快，能滿足寬頻振蕩等應(yīng)用的高實時性要求，時序庫存取速度相對而言較慢，能滿足歷史查詢等應(yīng)用的要求。

圖8 寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)流程Fig.8 The unified broadband data service flow

2.3 寬頻數(shù)據(jù)實時監(jiān)視

針對工程現(xiàn)場對寬頻動態(tài)數(shù)據(jù)各種維度的監(jiān)視需求，本文研發(fā)了寬頻量測實時數(shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢、諧波/間諧波越限告警、寬頻振蕩監(jiān)視等功能模塊。

1）寬頻量測實時數(shù)據(jù)監(jiān)視：基于前置采集到的諧波量測數(shù)據(jù)，在人機(jī)界面實時監(jiān)控諧波數(shù)據(jù)變化。基于寬頻監(jiān)測實時庫和時序庫存儲的諧波數(shù)據(jù)，可查詢測點的歷史曲線數(shù)據(jù)，反映諧波數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程。

2）諧波/間諧波越限告警：設(shè)置廠站各電壓等級下的諧波/間諧波含有率告警閾值，當(dāng)諧波/間諧波量測數(shù)據(jù)與基波的比率超過告警閾值時，系統(tǒng)發(fā)出告警推送。

3）寬頻振蕩監(jiān)視：實時監(jiān)視寬頻測量子站上送的狀態(tài)告警，包含低頻振蕩、諧波/間諧波越限、寬頻振蕩等，當(dāng)監(jiān)測到有振蕩信息后及時推送告警信息，告警信息包括振蕩設(shè)備信息、振蕩頻率、振幅信息，提醒調(diào)度員及早關(guān)注。

3 工程應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)檢測環(huán)境及檢測項目

搭建寬頻監(jiān)測系統(tǒng)檢測環(huán)境，主站為1臺曙光服務(wù)器，CPU 32 核，主頻2.1 GHz，內(nèi)存64 G，硬盤500 G，凝思操作系統(tǒng)V6.0.80，部署寬頻監(jiān)測主站系統(tǒng)。寬頻子站由1臺寬頻測量處理單元和1臺寬頻測量裝置構(gòu)成。

檢驗項目包括寬頻量測數(shù)據(jù)采集、寬頻量測數(shù)據(jù)監(jiān)視、寬頻振蕩監(jiān)視三大類，檢測項目均通過國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司實驗驗證中心的檢測。

3.2 應(yīng)用實例

本系統(tǒng)已在多個網(wǎng)省調(diào)完成了升級工作。在升級過程中，系統(tǒng)平滑過渡，工頻、諧波數(shù)據(jù)采集、存儲、分析正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，較好地滿足了調(diào)度人員對寬頻量測信號集中監(jiān)視的要求。

某調(diào)度機(jī)構(gòu)自投運(yùn)本系統(tǒng)以來，監(jiān)測到多起次/超同步振蕩、諧波越限告警。以某電廠為例，2020 年12 月24 日04：15 系統(tǒng)捕捉到該電廠出線1三相電流存在間諧波越限告警（諧波/基波告警閾值設(shè)定為10%），間諧波頻率22 Hz，幅值達(dá)到基波的13%，持續(xù)時間約30 s左右，具體過程如下：

1）04：15：28：500，出線1的A相電流頻譜分析顯示主要是50 Hz基波分量，如圖9所示。

圖9 振蕩前A相電流的時域和頻域曲線Fig 9 Time domain and frequency domain curves of the phase-A current before oscillation

2）04：15：32，出線1 的A 相電流出現(xiàn)了22 Hz的次同步振蕩分量，該分量隨著時間逐步增大，到04：15：32：750 達(dá)到最大值，幅值約是基波分量的13%（如圖10所示），又持續(xù)了將近28 s，于04：16開始逐漸減小，最后消失。圖11 為A 相電流22 Hz次同步振蕩分量的變化曲線。

圖10 振蕩最大時A相電流的時域和頻域曲線Fig.10 Time domain and frequency domain curves of phase-A current at maximum oscillation

事后，經(jīng)詢問發(fā)現(xiàn)該電廠出線經(jīng)電容串補(bǔ)送出，在04：15左右，串補(bǔ)正好有投切操作，引起外送線路出現(xiàn)次同步振蕩現(xiàn)象，該振蕩被本系統(tǒng)實時監(jiān)視到。

本寬頻監(jiān)測系統(tǒng)的投運(yùn)，彌補(bǔ)了調(diào)度主站對寬頻信號缺乏有效監(jiān)測手段的問題，實現(xiàn)了寬頻量測信號的采集、監(jiān)視和分析。隨著“雙碳”目標(biāo)的快速推進(jìn)，該系統(tǒng)也有助于為新能源站的大規(guī)模接入帶來的寬頻域振蕩風(fēng)險提供有力的數(shù)據(jù)支撐，從而為電網(wǎng)的風(fēng)險辨識和早期防控做出盡可能多的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

本文基于統(tǒng)一應(yīng)用支撐平臺，研制了電網(wǎng)寬頻監(jiān)測系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的軟、硬件架構(gòu)，根據(jù)通訊規(guī)范設(shè)計了支持EMS、寬頻一體化運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫模式和運(yùn)行維護(hù)流程。針對寬頻采集規(guī)模倍增的問題，提出了多前置機(jī)多通道的寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集架構(gòu)。針對寬頻量測數(shù)據(jù)無法在節(jié)點間快速實時同步的現(xiàn)狀，設(shè)計了寬頻數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)模式。根據(jù)工程應(yīng)用需求，研發(fā)了寬頻量測實時數(shù)據(jù)監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢、諧波/間諧波越限告警、寬頻振蕩監(jiān)視等功能模塊。

本文所開展的研究重點在于寬頻監(jiān)測的采集監(jiān)視技術(shù)，后續(xù)還需結(jié)合實際數(shù)據(jù)，開展寬頻振蕩溯源、傳播路徑等更深入的研究和工程化應(yīng)用。