电网宽频监测系统的研制及应用

苏荣强，张海天，陈 峰，施志良，张高峰，杨利民，张 孝

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

为实现我国“双碳”目标，新能源（风电、光伏等）及电力电力电子装备在我国新型电力系统中的占比将进一步显著提升［1-3］。高比例、大容量电力电子设备易引发频率在几赫兹到数千赫兹范围内的宽频振荡，威胁电网的安全稳定运行［4-5］。解决这一问题的前提是需要准确掌握谐波、间谐波的频率、幅值等信息，提高电网对不同谐波频率扰动分量的监测能力，从而因地制宜地制定相应策略，降低电网运行风险。

现阶段，针对宽频监测技术研究的重心集中在宽频测量装置的信号测量、谐波/间谐波信号提取、信息传输等方面［6-10］，而如何在主站端构建宽频监测系统的研究相对较少。调度端现有与宽频监测系统相近的是WAMS（广域测量系统），WAMS 可基于PMU（同步相测量单元）工频测量数据实现电网广域信号的动态监测。目前，宽频监测系统的两种主流通讯规范［11-12］都是基于PMU通讯规范［13］扩展而来的，因此两者联系更加紧密。对于网省级WAMS 而言，接入PMU 子站数量众多，对于毫秒级工频相量数据的采集、处理、存储已有一定压力。而宽频监测系统除了采集毫秒级工频相量数据外，还需要采集0～2 500 Hz 的谐波/间谐波数据，信息量剧增，从数据采集、处理、存储、同步各方面都面临着比WAMS系统更大的挑战。

本文借鉴WAMS研制经验，基于统一应用支撑平台［14］，研制了广域宽频监测系统；根据现行的两种主流扩展版谐波通讯规范设计了宽频监测模型，提出宽频数据前置统一采集架构和宽频数据统一服务技术，支持两种扩展版的谐波通讯规范；根据工程应用需求，研发了谐波/间谐波量测动态监视、宽频信号越限告警、宽频量测历史查询、宽频振荡告警推送等功能，为保障电网安全稳定运行、提升新能源消纳能力提供了有力的数据支撑。

1 系统设计

1.1 系统架构

宽频监测系统架构包括硬件和软件两部分，硬件架构由位于调度中心的服务器、工作站等设备组成，如图1所示。软件架构采用分层分模块设计原则，由硬件平台、操作系统平台、中间件层、统一应用支撑平台、宽频监测基础及高级功能模块组成，如图2所示。

图1 宽频监测系统的硬件架构Fig.1 Hardware architecture of broadband monitoring system

图2 宽频监测系统的软件架构Fig.2 Software architecture of broadband monitoring system

宽频监测系统的主要性能指标如表1所示。

表1 系统主要性能指标Table 1 System performance indicators

1.2 宽频监测模型

从现行两种主流的扩展版谐波通讯规范入手进行分析比较。首先，提取出两者公共的宽频信息模型。然后，基于统一应用支撑平台设计了宽频信息模型的数据库模式。最后，考虑运行维护的便利性，设计了EMS（能量管理系统）和宽频监测应用一体化运行维护流程以及主站在兼容PMU现行通讯规范的前提下接入两种扩展版谐波通讯规范的操作流程。

1.2.1 三种通讯规范比较

为建立统一的数据库模式，本文首先研究了现行PMU通讯规范、两种主流的扩展版谐波通讯规范的差异，比较结果如表2所示。

从表2 可见，两种扩展方案与PMU 通讯规范的最大分歧点在于是否利用原有工频帧传输谐波信息。方案一单独传输谐波信息，对现有WAMS通信影响较大，但可从根本上解决今后宽频测量数据传输的一系列问题；方案二在工频帧中跳频传输谐波信息，改动相对较小，易于工程试点应用［13］。两种方案各有优缺点，就总体性能而言，方案一较方案二更为灵活、高效，可扩展性强；方案二改动较小，更容易实施。目前在试点阶段，宽频测量领域的通讯规范还未正式发布，本文提到的两种规范都有试点应用。

表2 通讯规范比较Table 2 Comparison of communication specifications

1.2.2 数据库模式设计

IEC 61970 CIM（公共信息模型）规范定义了电网的一次设备及其拓扑关系［15］，但没有定义宽频测量的信息模型。本文根据通讯规范设计数据库模式，实时数据库模式分为前置数据库和宽频监测数据库两部分，前者用于建立二次采集模型，后者用于建立一次设备填库生成的测点模型。

前置数据库如图3 所示，设计了厂站、集中器、采集单元、测点类型的层次结构。宽频监测数据库如图4 所示，设计了厂站、电压等级、间隔、导电设备、测点类型的层次结构。

图3 前置数据库模式设计Fig.3 Schema design of a front-end database

图4 宽频监视数据库模式设计Fig.4 Schema design of a broadband surveillance database

1.2.3 一体化运行维护

在一体化系统中，EMS 和宽频监测应用拥有独立的实时数据库实体，一体化运行维护流程如图5所示。利用图模库一体化维护工具，绘制厂站一次接线图，分别填入EMS和宽频监测应用的实时数据库，生成电网一次设备模型。

图5 一体化运行维护流程Fig.5 The integrated operation and maintenance process

宽频监测系统的维护流程包含工频和谐波模型的维护，本文根据三种通讯规范设计了不同的维护流程。对于PMU子站，利用宽频测量模型维护工具，从子站召唤CFG1，按需订阅生成CFG2和前置里的工频采集模型，并建立其与一次设备模型中模拟量值采集源的关联。对于采用扩展方案一通讯的宽频测量子站，工频模型的维护流程同上，谐波模型的维护流程如下：从子站召唤CFG1A，按需订阅生成CFG2A 和前置里的谐波采集模型，并建立其与一次设备模型中谐波量值采集源的关联。对于采用扩展方案二通讯的宽频测量子站，从子站召唤CFG1，按需订阅生成CFG2，并同时生成前置里的工频以及谐波采集模型，分别建立其与一次设备模型中模拟量值采集源及谐波量值采集源的关联。维护流程结束后，子站开始上送实时数据，画面可视化工具可从一次设备模型中取数并进行实时展示。

2 功能设计

2.1 宽频数据统一采集

宽频测量装置除采集工频数据外，还需采集谐波、间谐波、振荡功率、振荡频率等信息。以一般省级电网（含200 个厂站）为例，每个厂站按15 个间隔计算，则每秒采集的实时数据约有700万个，庞大的数据规模以及高密度的数据传输，给调度主站的采集、同步、存储等方面都带来了巨大压力。本文在WAMS前置系统研制运行经验基础上，提出了如图6所示的宽频数据前置统一采集架构。

图6 宽频数据前置统一采集架构Fig.6 The front-end unified broadband data acquisition architecture

宽频数据前置统一采集架构由链路通信模块、规约解析模块、工频/谐波数据处理模块以及基于共享内存技术创建的链路数据缓存区、动态数据缓存区构成。链路通信模块管理与各子站的通讯链路。PMU规约解析模块解析原始报文并把工频数据存储到工频动态数据缓存区，谐波扩展规约解析模块除解析工频数据外，还将原始报文解析为谐波数据并把谐波数据存储到谐波动态数据缓存区。工频/谐波数据处理模块将缓存区的工频、谐波数据存储到宽频测量实时库和时序库中。工频、谐波动态数据缓存区在物理上分开，独立设计，在实现谐波数据采集存储的同时，可以极大地保证原WAMS主站升级为宽频监测主站后工频数据采集的稳定性。

网省级电网PMU或宽频测量采集通道数量众多，单靠一个前置节点采集无法满足性能要求。对此，宽频测量前置采用分布式采集技术，采集通道均匀分布在多个前置节点上，任一前置节点发生故障，通道自动均衡分配到其他节点。

2.2 宽频数据统一服务

各个前置节点分布采集的工频、谐波数据存储到宽频监测实时库（本地）和时序数据库中，由于数据规模大、采集密度高，宽频监测实时库中的数据在各节点间无法实时同步。为满足宽频振荡等应用模块获取工频、谐波数据的需求，设计了宽频数据统一服务模式，如图7所示。

图7 宽频数据统一服务Fig.7 The unified broadband data services

宽频监测实时库会缓存一段时间的数据，缓存时长T由宽频振荡等应用模块的计算时间窗口决定。数据统一服务流程如图8所示，部署在各节点的宽频数据统一服务接收到应用模块的数据请求后，先判断该数据是否由本节点采集，如果是在本节点采集，就根据时间范围判断是从宽频监测实时库中获取还是从时序库中获取，获取到数据后再返回给请求应用。宽频监测实时库是内存数据库，存取速度快，能满足宽频振荡等应用的高实时性要求，时序库存取速度相对而言较慢，能满足历史查询等应用的要求。

图8 宽频数据统一服务流程Fig.8 The unified broadband data service flow

2.3 宽频数据实时监视

针对工程现场对宽频动态数据各种维度的监视需求，本文研发了宽频量测实时数据监视、历史数据查询、谐波/间谐波越限告警、宽频振荡监视等功能模块。

1）宽频量测实时数据监视：基于前置采集到的谐波量测数据，在人机界面实时监控谐波数据变化。基于宽频监测实时库和时序库存储的谐波数据，可查询测点的历史曲线数据，反映谐波数据的动态变化过程。

2）谐波/间谐波越限告警：设置厂站各电压等级下的谐波/间谐波含有率告警阈值，当谐波/间谐波量测数据与基波的比率超过告警阈值时，系统发出告警推送。

3）宽频振荡监视：实时监视宽频测量子站上送的状态告警，包含低频振荡、谐波/间谐波越限、宽频振荡等，当监测到有振荡信息后及时推送告警信息，告警信息包括振荡设备信息、振荡频率、振幅信息，提醒调度员及早关注。

3 工程应用

3.1 系统检测环境及检测项目

搭建宽频监测系统检测环境，主站为1台曙光服务器，CPU 32 核，主频2.1 GHz，内存64 G，硬盘500 G，凝思操作系统V6.0.80，部署宽频监测主站系统。宽频子站由1台宽频测量处理单元和1台宽频测量装置构成。

检验项目包括宽频量测数据采集、宽频量测数据监视、宽频振荡监视三大类，检测项目均通过国网电力科学研究院有限公司实验验证中心的检测。

3.2 应用实例

本系统已在多个网省调完成了升级工作。在升级过程中，系统平滑过渡，工频、谐波数据采集、存储、分析正常，运行稳定可靠，较好地满足了调度人员对宽频量测信号集中监视的要求。

某调度机构自投运本系统以来，监测到多起次/超同步振荡、谐波越限告警。以某电厂为例，2020 年12 月24 日04：15 系统捕捉到该电厂出线1三相电流存在间谐波越限告警（谐波/基波告警阈值设定为10%），间谐波频率22 Hz，幅值达到基波的13%，持续时间约30 s左右，具体过程如下：

1）04：15：28：500，出线1的A相电流频谱分析显示主要是50 Hz基波分量，如图9所示。

图9 振荡前A相电流的时域和频域曲线Fig 9 Time domain and frequency domain curves of the phase-A current before oscillation

2）04：15：32，出线1 的A 相电流出现了22 Hz的次同步振荡分量，该分量随着时间逐步增大，到04：15：32：750 达到最大值，幅值约是基波分量的13%（如图10所示），又持续了将近28 s，于04：16开始逐渐减小，最后消失。图11 为A 相电流22 Hz次同步振荡分量的变化曲线。

图10 振荡最大时A相电流的时域和频域曲线Fig.10 Time domain and frequency domain curves of phase-A current at maximum oscillation

事后，经询问发现该电厂出线经电容串补送出，在04：15左右，串补正好有投切操作，引起外送线路出现次同步振荡现象，该振荡被本系统实时监视到。

本宽频监测系统的投运，弥补了调度主站对宽频信号缺乏有效监测手段的问题，实现了宽频量测信号的采集、监视和分析。随着“双碳”目标的快速推进，该系统也有助于为新能源站的大规模接入带来的宽频域振荡风险提供有力的数据支撑，从而为电网的风险辨识和早期防控做出尽可能多的贡献。

4 结语

本文基于统一应用支撑平台，研制了电网宽频监测系统，提出了系统的软、硬件架构，根据通讯规范设计了支持EMS、宽频一体化运行的数据库模式和运行维护流程。针对宽频采集规模倍增的问题，提出了多前置机多通道的宽频数据统一采集架构。针对宽频量测数据无法在节点间快速实时同步的现状，设计了宽频数据统一服务模式。根据工程应用需求，研发了宽频量测实时数据监视、历史数据查询、谐波/间谐波越限告警、宽频振荡监视等功能模块。

本文所开展的研究重点在于宽频监测的采集监视技术，后续还需结合实际数据，开展宽频振荡溯源、传播路径等更深入的研究和工程化应用。