变电站电力质量监测系统的设计

胡 荣 ，李 金 ，时伯年 ，林 男 ，郭 芳

（1.中国南方电网有限责任公司，广州 510530；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085）

由于分布式电源和电网之间的互连，这两个系统之间的任何意外相互作用都可能给双方带来严重后果。次同步振荡（SSO）可以是这些交互之一[1-2]。大规模应用串联电容补偿和风力发电的场景都可能会导致SSO[3-4]。由于SSO的特殊性，正常保护继电器无法正常工作可能导致严重的电网事故[5-6]，因此，有必要为变电站开发一个包括SSO监测的电力质量监测系统。本文所提出的电能质量监测该系统是基于现场可编程门阵列（FPGA）平台[7]所开发。由于FPGA具有比数字信号处理器（DSP）更好的计算能力，因此，所设计的系统可以通过更快的响应来控制硬件级别的输入和输出，并可利用FPGA快速响应和计算性能提供精确的采样数据，实现高速采样频率的分析。

1 监测系统的结构和功能

基于FPGA平台的电力质量监测系统由不同的数据采集模块和嵌入式控制器组成。该系统的目的是实时收集变电站的数据，并基于不同的事件触发机制实现对异常事件的实时记录、报警乃至跳闸控制。监测系统的总体结构如图1所示。监测系统采用TCP/IP协议与控制器通信[8-9]。

图1 变电站电力监控系统Fig.1 Substation power monitoring system

为确保监控系统的可靠性，两套IP可寻址数据采集（DAQ）系统“主用 DAQ”和“备用 DAQ”设计用于变电站。两个DAQ控制器基于事件触发机制对电能质量进行数据采集并必要时将其传输到网络存储系统[10]。作为系统的数据库，NAS可以帮助工程师随时使用用户名和密码检索所需的历史数据进行分析。此外，应用两个全球定位系统（GPS）模块[11]来为系统提供通用时间戳，而不会由互联网时间服务器引起任何不必要的安全问题。此功能可以帮助电力系统与本地电网集中控制器保持同步，并为收集的数据提供准确的时间戳。利用该监控系统，可以从具有内联网的多个授权位置访问系统的实时状况和历史数据。此外，由于系统的IP寻址能力，也可以通过使用互联网访问该监控系统。

1.1 硬件配置

本文所设计的监控系统的服务器采用具有4核频率为2.90 GHz的Intel处理器[12]。DAQ控制器采用模块化设计，可以基于不同的监视目的替换或扩展不同的模块。DAQ控制器的结构如图2所示。

图2 DAQ控制器的结构Fig.2 Structure of the DAQ controller

GPS模块每秒从GPS卫星接收时间数据，为监控系统提供准确的时间戳。数字输入模块是一个32通道、24 V电流数字输入模块，接收断路器信号以监测其状态。模拟输入1是32通道，±200mV至±10 V，16位模拟输入模块，可接收来自传感器的直流电压信号，以监测实际功率和无功功率。模拟输入2模块是一个3通道、300 V、24位模拟输入模块，可直接测量电压互感器（PT）二次侧的交流电压。

1.2 事件触发和记录机制

该监控系统还包括不同的事件触发机制和故障数据记录功能。这两个功能可以帮助系统操作员检查系统操作条件并记录故障事件信息以供分析。触发阈值可以根据分布式电源的功率大小的不同来决定。在本研究中，基于目标系统选择触发阈值。

由于电能质量的检测是实时性，因此所有的检测功能都通过FPGA的编程实现，以提高检测的精度，避免基于CPU的实现可能导致的时间戳不一致的问题。检测结果将通过直接存储器访问（DMA）和先进先出（FIFO）策略传输到DAQ控制器。一旦触发事件检测，DAQ控制器将使用特定的记录周期缓冲区开始记录故障数据，以确保没有遗漏任何事件数据。

1.2.1 电压检测机制

1.2.2 频率检测机制

作为电力系统中最重要的参数之一，频率变化可以反映电力系统所输出电能的质量。本研究根据FPGA上计算得出的单周期电压信号的周期T来推算频率f。频率f推算公式如式（1）所示[13]。

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当频率波动大于0.2 Hz时，将记录频率和电压信号的原始数据。同时，还将记录一个RMS电压数据周期作为综合分析的参考。记录时间为事件前2 s和出现＜0.05 Hz之后 5 s。

1.2.3 功率检测机制

本系统将监测分布式电源与互连电网之间的连接线中的实际功率和无功功率。在本研究中，选择实际功率和无功功率的振荡幅度作为监测数据。将根据表1中所示的以下阈值触发电网振荡警报和记录机制。

表1 功率检测触发和记录机制Tab.1 Power detection trigger and recording mechanism

当有功功率P的振荡幅度（POSC）大于5 MW且无功功率Q的振荡幅度（QOSC）大于10 MVar时，触发信号将通过DMA FIFO从FPGA发送到控制器，P和Q的原始数据将被记录下来。记录时间为事件前2 s和事件后28 s，即记录持续时间总计30 s。

1.2.4 断路器状态检测

该监控系统将记录变电站内任何断路器操作历史状态的时间和位置。利用该功能，可以访问站内的断路器的所有操作信息以进行进一步分析。

该机制将基于高速采样电压数据实现对SSO的监视和检测，其具体的监测步骤详见第2节。该监测机制可以帮助电网调度人员微电网内分布式发电系统的严重损坏，了解整体电网运行状况。

2 次同步振荡监测

SSO监测模块利用频域和时域方法连续监测信号振荡，并检测由于分布式电源引发的任何次同步振荡。系统根据原始输入信号的上下包络计算解调信号。该解调信号将不存在固有频率和任何DC分量，因此携带最强的SSO信号[14-15]。SSO监测模块分5个步骤对于收集的每个样本进行分析。具体分析步骤说明如下：

（1）确定参数：（a）根据离散化信号确定采样频率Fs；（b）确定待分析的模拟信号的长度。最小长度TL应等于最低可检测频率的倒数。如果想要检测至少 10 Hz以上的频率，则 TL＝1/10＝0.1。 这意味着在接下来的步骤中应该使用0.1 s的分析窗口。

（2）寻找峰值并滤除直流分量：（a）减去平均值（直流分量）；（b）找到所有过零点；（c）找到所有上峰值和下峰值。

（3）计算解调信号：（a）使用峰值计算上下包络线；（b）从上包络中减去下包络。得出没有固有调制频率的信号。此时，DC分量和固有频率被滤除，仅保留解调信号。需要注意的是，在计算解调信号之前，需要应用噪声滤波器（例如低通滤波器）过滤掉干扰计算的噪声信号。

（4）确认是否存在SSO：（a）计算解调信号的RMS值；（b）如果低于某一预定水平限制，则不存在SSO；（c）如果超过此限制，可能会有SSO，然后进入下一步。

（5）使用快速傅立叶变换（FFT）进行频谱和SSO检测：（a）计算解调信号的FFT。在此之前，可以使用Hanning窗口和零填充来减少旁瓣并在频域中获得更准确的分辨率；（b）计算找到的最高振幅的频率和RMS值。如果存在最高振幅，则判定电网存在SSO。

3 实验室监测系统测试

为了确保所设计的监控系统能够正常工作，在实验室中设置了包括两个DAQ控制器和NAS网络数据存储系统的实验系统，用于测量220 V AC电源插座的电压。设置直流电源作为功率传感器的输入电压，以测量P和Q。系统设置如图3所示。

图3 实验室系统设置Fig.3 Laboratory system settings

如前所述，电压和频率测量取自交流电压，采样率为2000样本/s。在该实验中，AC电压输入是从220 V（额定值）AC电源插头测量的。同时绘制原始电压正弦波和RMS值，分别如图4和图5所示。频率测量值绘制在图6中。

图4 电压原始数据Fig.4 Voltage raw data

图5 电压RMS值Fig.5 Voltage RMS value

图6 电力系统的频率Fig.6 Frequency of the power system

所实现的电流监控系统包括电压、频率和功率的记录以及事件触发报警功能，如图7所示。

图7 电压、频率和功率监控面板Fig.7 Voltage，frequency and power monitoring panel

在图8中的4个图片中表示出了基于功率检测的触发机制，图8（a）为有功功率和无功功率均没有超出阈值，因此没有触发报警和记录功能；图8（b）为有功功率超过5 kW的阈值而触发故障记录；图8（c）和（d）为有功功率和无功功率分别超过阈值20 kW和30 kVar，分别触发振荡报警和故障跳闸。

图8 功率振荡监测机制Fig.8 Power oscillation monitoring mechanism

断路器状态界面如图9所示。系统记录了断路器每次操作的时间和断路器名称。

为了测试系统中的SSO监测功能，产生了包括220 Vrms/50 Hz信号和 12 Vr/37.5 Hz的 SSO信号的模拟信号，如图10所示。在解调之后，FFT被应用于解调信号，其被绘制在图11。

测试结果表明，在354 ms后检测到37.5 Hz的信号。处理后的信号在频率上具有1.3%的误差。此外，为了更好地测试实际应用情况下的触发事件，使用可变电压互感器和1 Hz～999.9 Hz的变频电源对SSO进行试验，试验装置如图12所示。

图9 断路器状态Fig.9 Breaker status

图10 50 Hz/220V工频电压叠加37.5 Hz/12 V可变电压后的SSO信号Fig.10 SSO signal for 50 Hz/220 V power frequency voltage superimposed with 37.5 Hz/12 V variable voltage

图11 解调信号的FFTFig.11 FFT of the demodulated signal

图12 可变自耦变压器Fig.12 Variable autotransformer

表2中为存储在网络存储系统中的试验中所记录的原始电压数据、电压RMS值和频率的5个样本数据。所记录的数据中的每个GPS时间戳表示绝对时间。由试验结果可知，系统能够基于触发机制准确记录电力质量数据。

表2 记录的原始电压数据Tab.2 Raw voltage data record

4 结语

本文为变电站开发了一个基于网络的实时电力质量监控系统，该系统基于不同的触发机制记录、警报以及响应包括SSO在内的多种电能质量事件。该系统基于FPGA的平台控制器所开发，具有较好的数据采集速度和系统计算能力，能够精确地提供实时电力监控数据。同时系统的IP寻址能力为电站操作员提供了灵活的系统可访问性，因此电站操作员可以在没有位置限制的情况下可视化电力系统的状况。试验表明，该系统能够准确监控电压、频率、功率、断路器状态以及SSO等变电站的电能质量参数。