樊 陳，姚建國(guó)，常乃超，吳艷平，楊 青，張海東

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，江蘇省 南京市 210003；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京市 100031）

0 引言

隨著新能源大規(guī)模并網(wǎng)以及高壓直流輸電工程的建設(shè)，電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中得到大規(guī)模應(yīng)用，向電網(wǎng)注入了大量間諧波和高次諧波信號(hào)。當(dāng)前電網(wǎng)中的測(cè)控設(shè)備仍然以工頻信號(hào)的測(cè)量為主，無(wú)法支撐間諧波和高次諧波的測(cè)量需求。隨著“源-網(wǎng)-荷”環(huán)節(jié)電力電子設(shè)備的大規(guī)模接入，電力電子設(shè)備之間、電力電子設(shè)備與電網(wǎng)之間出現(xiàn)了新型振蕩［1-2］。這類振蕩不涉及發(fā)電機(jī)組的機(jī)械元件，且隨著以逆變器為代表的電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，振蕩發(fā)生得愈加頻繁。文獻(xiàn)［3-9］論述了從6 Hz 到1 810 Hz等一系列寬頻振蕩事件，這些振蕩信號(hào)都屬于間諧波的范疇，現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備難以有效監(jiān)測(cè)，迫切需要新的技術(shù)手段來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

為解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)［10-12］對(duì)寬頻測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了研究并研制了寬頻測(cè)量裝置，通過(guò)試點(diǎn)應(yīng)用驗(yàn)證了其可行性，并逐步得到了行業(yè)的認(rèn)同，國(guó)內(nèi)二次設(shè)備廠商也研發(fā)了相關(guān)裝置。為有效總結(jié)寬頻測(cè)量技術(shù)的研究成果，編寫(xiě)了《電力系統(tǒng)寬頻測(cè)量裝置技術(shù)規(guī)范》［13］，為該裝置今后的工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)、工程應(yīng)用等提供指導(dǎo)和參考。

由于本標(biāo)準(zhǔn)所涉及測(cè)量裝置是行業(yè)內(nèi)的新設(shè)備，與現(xiàn)有自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備存在顯著的差異，有必要對(duì)這一新設(shè)備的功能和用途進(jìn)行解讀，幫助電網(wǎng)和新能源發(fā)電廠等用戶進(jìn)一步了解這一新設(shè)備，并指導(dǎo)其工程應(yīng)用。對(duì)寬頻測(cè)量技術(shù)有一定了解的用戶，也對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中寬頻測(cè)量裝置一些功能和性能的指標(biāo)存在疑惑，有必要對(duì)制定過(guò)程中的相關(guān)考慮進(jìn)行詮釋，增進(jìn)其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解。而大量遇到寬頻振蕩事件的用戶，則更加關(guān)心寬頻測(cè)量裝置的工程部署及應(yīng)用。針對(duì)上述不同的訴求，本文從寬頻測(cè)量的內(nèi)涵、裝置功能、裝置性能、工程應(yīng)用和存在的問(wèn)題等方面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀和分析，對(duì)相關(guān)技術(shù)問(wèn)題和指標(biāo)制定的思路進(jìn)行闡述，對(duì)寬頻測(cè)量裝置工程應(yīng)用的實(shí)施方案進(jìn)行討論，希望為用戶和相關(guān)人員提供有益參考，有利于推動(dòng)寬頻測(cè)量裝置的廣泛應(yīng)用，為新型電力系統(tǒng)提供新的監(jiān)測(cè)手段。

1 寬頻測(cè)量的內(nèi)涵

1.1 寬頻測(cè)量的提出

自動(dòng)化采集測(cè)量技術(shù)作為電力行業(yè)的成熟技術(shù)已廣泛應(yīng)用多年，工程應(yīng)用主要是穩(wěn)態(tài)測(cè)量的測(cè)控裝置和動(dòng)態(tài)測(cè)量的相量測(cè)量單元（phasor measurement unit， PMU）。測(cè)控裝置是數(shù)據(jù)采集與控 制（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統(tǒng)的重要設(shè)備，而PMU 是廣域測(cè)量系統(tǒng)（wide area measurement system，WAMS）中的重要設(shè)備。

IEEE 制定的PMU 標(biāo)準(zhǔn)要求硬件采樣環(huán)節(jié)進(jìn)行低通濾波，在100 幀/s 傳輸速率下保證45～55 Hz范圍信號(hào)被測(cè)量，以此保證基波相量的測(cè)量精度［14-15］。國(guó)內(nèi)PMU 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)遵循了這一要求［16］，且明確指出當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生階躍跳變時(shí)，濾波器造成的延時(shí)可以超過(guò)100 ms，這種延遲無(wú)法滿足及時(shí)準(zhǔn)確反映電網(wǎng)快速變化的要求，考慮到帶外頻率所占比重不大，PMU 可不對(duì)帶外頻率進(jìn)行濾波處理。因此，國(guó)內(nèi)早期投運(yùn)的PMU 裝置在濾波環(huán)節(jié)并未進(jìn)行帶外濾波，雖然能夠有效監(jiān)測(cè)2.5 Hz 以下的低頻振蕩，但對(duì)于45 Hz 以下的次同步振蕩和55 Hz 以上的超同步振蕩仍然無(wú)法監(jiān)測(cè)。

為有效應(yīng)對(duì)新的監(jiān)測(cè)需求，行業(yè)內(nèi)嘗試對(duì)PMU進(jìn)行升級(jí)改造，文獻(xiàn)［17-18］討論了基于基波相量實(shí)現(xiàn)間諧波測(cè)量的算法，并驗(yàn)證了應(yīng)用于100 Hz 以內(nèi)的次/超同步振蕩監(jiān)測(cè)的可行性。國(guó)家電網(wǎng)有限公司2017 年修訂PMU 規(guī)范，新增了次同步振蕩在線監(jiān)測(cè)功能要求，但是僅要求PMU 支持10～40 Hz 和60～90 Hz 范圍內(nèi)的次/超同步振蕩監(jiān)測(cè)［19］，無(wú)法涵蓋10 Hz 以下的次同步振蕩信號(hào)和90 Hz 以上的高頻振蕩信號(hào)，如西北電網(wǎng)曾監(jiān)測(cè)到110 Hz 振蕩信號(hào)，而河北沽源地區(qū)頻繁發(fā)生的次同步振蕩也主要分布在6～8 Hz 區(qū)間，此外還有日益頻繁的高次諧波振蕩等，這些問(wèn)題使得即使對(duì)PMU 進(jìn)行升級(jí)也仍然無(wú)法從根本上解決寬頻振蕩監(jiān)測(cè)問(wèn)題，迫切需要新的監(jiān)測(cè)手段，寬頻測(cè)量裝置的概念由此提出。

1.2 寬頻測(cè)量裝置的功能定位

寬頻測(cè)量裝置的整體定位最初是為現(xiàn)有自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備提供有益補(bǔ)充，彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的缺陷，為未來(lái)電網(wǎng)的數(shù)據(jù)測(cè)量提供新的技術(shù)手段。

隨著寬頻測(cè)量裝置在工程中試點(diǎn)應(yīng)用，寬頻測(cè)量裝置的功能定位逐步發(fā)生了改變。寬頻測(cè)量裝置在應(yīng)對(duì)寬頻測(cè)量信號(hào)的處理機(jī)制中采用了低頻、工頻和高頻信號(hào)分類處理的方式，尤其是工頻信號(hào)的處理流程，與PMU 完全相同，許多用戶提出了寬頻測(cè)量裝置集成PMU 功能的建議。這一集成考慮到無(wú)論是技術(shù)層面還是實(shí)際研制層面都易于實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段寬頻測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)已經(jīng)按照兼容PMU 的功能來(lái)統(tǒng)一考慮，且國(guó)內(nèi)各制造商也按照此方式研制了樣機(jī)并進(jìn)行了工程應(yīng)用。此次標(biāo)準(zhǔn)編制就采納了工程應(yīng)用的新成果，明確了寬頻測(cè)量裝置兼容PMU功能。這一模式不僅能夠滿足當(dāng)前工程應(yīng)用的需求，而且也可應(yīng)對(duì)未來(lái)電力電子化電網(wǎng)的測(cè)量需求，同時(shí)還能夠有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)、減少全站設(shè)備數(shù)量。

綜合來(lái)看，寬頻測(cè)量裝置將電力行業(yè)現(xiàn)有以工頻為主的測(cè)量推廣到涵蓋基波、間諧波和諧波的寬頻測(cè)量，這一新特點(diǎn)使其成為應(yīng)對(duì)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的新型測(cè)量設(shè)備，可以有效滿足未來(lái)高比例電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)后寬頻信號(hào)的測(cè)量需求，為新型電力系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)提供支撐。

1.3 寬頻測(cè)量的定義

寬頻測(cè)量的全稱為寬帶多頻信號(hào)測(cè)量，其內(nèi)涵為實(shí)現(xiàn)寬頻域或者寬頻帶范圍信號(hào)的統(tǒng)一測(cè)量。由于寬頻測(cè)量技術(shù)為新提出的技術(shù)理念和思路，國(guó)內(nèi)外對(duì)此暫無(wú)明確的定義，為推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的理解和應(yīng)用，在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)寬頻測(cè)量進(jìn)行了定義，即以不低于12.8 kHz 高速采樣為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)0～2 500 Hz 范圍內(nèi)基波、諧波和間諧波信號(hào)的統(tǒng)一測(cè)量。

雖然寬頻測(cè)量是寬帶多頻信號(hào)測(cè)量的縮寫(xiě)詞，但為方便表述，將其英文名稱翻譯為“widefrequency measurement”，對(duì)于寬頻振蕩則直接采用“wide-frequency oscillation”，意在表述振蕩信號(hào)呈現(xiàn)寬頻域范圍分布的特點(diǎn)，如此可兼顧信號(hào)分布范圍廣和多個(gè)信號(hào)廣泛分布的含義。對(duì)于寬頻信號(hào)的測(cè)量，國(guó)外暫無(wú)相關(guān)表述，但針對(duì)相關(guān)的寬頻域振蕩，也 出 現(xiàn) 了 “wide-band oscillation”和“multifrequency oscillation”兩種術(shù)語(yǔ)［20-21］。前者強(qiáng)調(diào)“寬帶”，無(wú)法體現(xiàn)信號(hào)分布范圍廣、頻率信號(hào)多的特點(diǎn)，例如1 780 Hz 的間諧波信號(hào)具有寬頻帶特征，但是對(duì)電網(wǎng)中還同時(shí)存在的其他頻率信號(hào)無(wú)法體現(xiàn)。后者雖然體現(xiàn)了寬頻測(cè)量中存在基波、間諧波和高次諧波等多個(gè)頻率信號(hào)的特點(diǎn)，但是卻沒(méi)有體現(xiàn)信號(hào)頻率分布范圍廣的特點(diǎn)，例如即使10～11 Hz 之間，也會(huì)呈現(xiàn)多個(gè)間諧波信號(hào)，但是卻沒(méi)有體現(xiàn)出0～2 500 Hz 這一較廣的分布范圍。

2 寬頻測(cè)量裝置功能

2.1 采樣頻率

高頻采樣是寬頻測(cè)量裝置的基本功能之一。智能變電站中廣泛采用的采樣頻率主要是用于保護(hù)自動(dòng)化的4 kHz 和用于電能質(zhì)量、計(jì)量的12.8 kHz，且都有較為成熟的應(yīng)用。考慮到當(dāng)前高壓直流工程出現(xiàn)了1 810 Hz（36 次諧波左右）的高頻振蕩［9］，且隨著未來(lái)新型電力系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)，電力電子設(shè)備大規(guī)模應(yīng)用導(dǎo)致高頻信號(hào)日益增加，選擇12.8 kHz 采樣頻率在理論上可以滿足127 次諧波范圍內(nèi)信號(hào)的測(cè)量需求，不僅能夠有效兼容當(dāng)前保護(hù)自動(dòng)化領(lǐng)域所有的采樣測(cè)量需求，同時(shí)也能夠應(yīng)對(duì)未來(lái)高頻采樣的挑戰(zhàn)。

在標(biāo)準(zhǔn)制定中，也有制造商提出了采樣頻率不低于4 kHz 的建議，認(rèn)為當(dāng)前智能變電站測(cè)控裝置和PMU 都是4 kHz 采樣頻率，基于現(xiàn)有裝置硬件平臺(tái)升級(jí)也可實(shí)現(xiàn)40 次諧波范圍內(nèi)寬頻信號(hào)的測(cè)量，同時(shí)也可滿足當(dāng)前37 次諧波高頻振蕩的監(jiān)測(cè)要求。這一方式在技術(shù)上也可行，其相比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)僅僅是寬頻測(cè)量所覆蓋的面更窄一些。但若允許這一方式，其造成的后果就是工程中會(huì)出現(xiàn)4 kHz、5 kHz等多種采樣頻率，不利于今后工程標(biāo)準(zhǔn)化推廣應(yīng)用。此外，這一方式也僅僅是臨時(shí)應(yīng)對(duì)方案，無(wú)法從根本上應(yīng)對(duì)未來(lái)電力電子化電網(wǎng)寬頻域測(cè)量的挑戰(zhàn)。寬頻測(cè)量技術(shù)提出的初衷一方面是要應(yīng)對(duì)寬頻域測(cè)量的需求，另一方面，是盡量實(shí)現(xiàn)廠站內(nèi)同源信號(hào)一次采集滿足各類不同業(yè)務(wù)的需求，避免當(dāng)前按照不同業(yè)務(wù)重復(fù)采集的問(wèn)題。因此，在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)將采樣頻率統(tǒng)一到12.8 kHz。

寬頻測(cè)量裝置的采樣優(yōu)先考慮常規(guī)互感器模擬量采樣。實(shí)際上，電子式互感器更適合高頻率信號(hào)的采集測(cè)量，但受限于其自身穩(wěn)定性的一系列問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)對(duì)其推廣應(yīng)用持保留意見(jiàn)，故本標(biāo)準(zhǔn)中明確宜采用常規(guī)互感器模擬量采樣。此外，當(dāng)前絕大多數(shù)新能源并網(wǎng)接入的變電站以及大量新能源廠站也都是常規(guī)電磁式互感器，為便于今后工程的推廣應(yīng)用，也優(yōu)先推薦模擬量采樣，但標(biāo)準(zhǔn)并未否定數(shù)字化采樣方式，這為其今后的工程應(yīng)用預(yù)留了空間。

2.2 寬頻信號(hào)測(cè)量

寬頻信號(hào)測(cè)量是寬頻測(cè)量裝置最為突出的功能。對(duì)于寬頻信號(hào)具體測(cè)量范圍，目前僅要求覆蓋到50 次諧波范圍以內(nèi)即可。這一測(cè)量要求與12.8 kHz采樣頻率能夠覆蓋的127 次諧波測(cè)量能力存在差異，之所以如此設(shè)置，主要是考慮到當(dāng)前工程的實(shí)際現(xiàn)狀，即2 500 Hz 范圍以內(nèi)的測(cè)量結(jié)果就完全能夠滿足電網(wǎng)的監(jiān)測(cè)需求，而且也更加符合工程實(shí)際，有利于減輕寬頻測(cè)量裝置的處理、展示和存儲(chǔ)壓力。今后如果需要提升測(cè)量范圍，僅需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)修訂即可調(diào)整，而且裝置設(shè)備硬件無(wú)須改動(dòng)，通過(guò)裝置軟件升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于間諧波信號(hào)的測(cè)量，明確了100 Hz 范圍內(nèi)2.5～45 Hz、55～100 Hz 范圍間諧波電壓、電流的測(cè)量要求，這一范圍不包含45～55 Hz 工頻帶范圍內(nèi)基波信號(hào)的測(cè)量。而對(duì)于2.5 Hz 以下的間諧波信號(hào)、0.1～2.5 Hz 范圍低頻振蕩信號(hào)會(huì)通過(guò)功率振蕩來(lái)監(jiān)測(cè)，這是考慮到眾多制造商仍然希望沿用改進(jìn)后的PMU 來(lái)間接實(shí)現(xiàn)100 Hz 以下間諧波信號(hào)的測(cè)量，故標(biāo)準(zhǔn)在此進(jìn)行了折中考慮，將2.5 Hz 作為間諧波電壓和間諧波電流直接測(cè)量的邊界。

對(duì)于100～2 500 Hz 范圍的信號(hào)測(cè)量，諧波仍然可以基于快速傅里葉算法計(jì)算獲得，在此不做贅述，這一范圍信號(hào)測(cè)量的關(guān)鍵在于間諧波。由于電網(wǎng)外部特性復(fù)雜多變，間諧波信號(hào)的頻率范圍較廣，具體的頻率也不確定，這就要求寬頻測(cè)量裝置具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)各類情況下間諧波信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。本標(biāo)準(zhǔn)建議采用能量聚合的方式，這一方法類似GBT 17626.7—2017 《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 供電系統(tǒng)及所連設(shè)備諧波、間諧波的測(cè)量和測(cè)量?jī)x器導(dǎo)則》中諧波子群的方式［22］。不過(guò)，這一標(biāo)準(zhǔn)是將諧波周邊的間諧波聚合到諧波頻段，而本標(biāo)準(zhǔn)具體是將周邊的間諧波信號(hào)聚合到一個(gè)固定的間諧波頻段，例如將1 500～1 550 Hz 范圍內(nèi)所有間諧波信號(hào)聚合到1 525 Hz 上，如此可以減少各個(gè)頻段信號(hào)的補(bǔ)償計(jì)算，減少裝置的數(shù)據(jù)處理量。此種情況下，0～2 500 Hz 范圍內(nèi)聚合后的間諧波就僅有50 個(gè)值，即25、75、…、2 525 Hz 等。從實(shí)際工程應(yīng)用來(lái)看，高頻域范圍的間諧波含量總體較少，大多數(shù)情況下都為0，如果按照不低于1 Hz 的分辨率對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行展示，那么2 500 Hz 范圍內(nèi)除了50 個(gè)諧波量，還會(huì)有近2 450 個(gè)間諧波量需要展示，聚合的方式可有效減少數(shù)據(jù)展示和存儲(chǔ)的壓力。100～2 500 Hz頻段采用聚合方式后，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中也發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況下其幅值基本上接近0，表明這種方式是切實(shí)可行的。當(dāng)然，這種方式是一種較為簡(jiǎn)化和粗略的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)于大量間諧波幅值為0 或者接近0 的場(chǎng)景效果顯著，但對(duì)于真實(shí)的振蕩事件，例如發(fā)生次/超同步振蕩，這種聚合方式下次同步頻段中的25 Hz和超同步振蕩頻段中75 Hz 就會(huì)有較大的幅值，無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)振蕩的真實(shí)頻率和幅值，有必要對(duì)振蕩信號(hào)進(jìn)行更加精準(zhǔn)的測(cè)量，而這就需要寬頻振蕩監(jiān)測(cè)功能。

2.3 寬頻振蕩監(jiān)測(cè)

寬頻振蕩監(jiān)測(cè)是對(duì)前述2.2 節(jié)寬頻測(cè)量功能的補(bǔ)充和完善，有別于寬頻測(cè)量功能中間諧波采用能量聚合方式所進(jìn)行的測(cè)量，是對(duì)一定范圍內(nèi)間諧波信號(hào)測(cè)量的精細(xì)化測(cè)量，而這也是寬頻測(cè)量裝置區(qū)別于現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備最為突出的特征之一。對(duì)于寬頻振蕩信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，文獻(xiàn)［12］已有相關(guān)論述。無(wú)論是低頻振蕩、次/超同步振蕩還是高次諧波振蕩，從信號(hào)監(jiān)測(cè)的角度看并無(wú)不同，僅僅是振蕩頻率存在差異而已。為與現(xiàn)有振蕩監(jiān)測(cè)功能兼容，標(biāo)準(zhǔn)中將寬頻振蕩分成了低頻振蕩、次/超同步振蕩、100～300 Hz 寬 頻 振 蕩3 個(gè) 部 分。

低頻振蕩監(jiān)測(cè)2.5 Hz 以下的功率振蕩。次/超同步振蕩兼顧了WAMS 的功能，將功率振蕩的監(jiān)測(cè)范圍限定為2.5～45 Hz 和55～95 Hz，即不僅去除了45～55 Hz 工頻區(qū)間，同時(shí)也排除了95～100 Hz之間容易受影響的區(qū)間。而對(duì)于更高頻率范圍的寬頻振蕩，現(xiàn)階段僅涵蓋100～300 Hz 范圍。之所以在標(biāo)準(zhǔn)中限定在300 Hz，主要是依據(jù)文獻(xiàn)［3］所提及的5～300 Hz 頻段振蕩論述。標(biāo)準(zhǔn)在制定過(guò)程中對(duì)此也有深入的討論，擴(kuò)大振蕩監(jiān)測(cè)的頻率范圍固然可行，但監(jiān)測(cè)上界無(wú)論是提高到400 Hz 還是600 Hz 都缺乏相關(guān)依據(jù)。此外，當(dāng)前工程中遇到的絕大多數(shù)振蕩都在300 Hz 范圍以內(nèi)，而實(shí)際風(fēng)電廠等遇到的更多的是100 Hz 左右的超同步振蕩。因此，綜合文獻(xiàn)論述和當(dāng)前的工程實(shí)際，將寬頻振蕩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的范圍設(shè)置在了300 Hz 以內(nèi)，后續(xù)如果有更高振蕩頻率監(jiān)測(cè)的需求，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂即可。

2.4 信息傳輸

國(guó)際上，PMU 對(duì)外傳輸主要遵循IEEE C37.118.2［23］，國(guó)內(nèi)也基于此制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26865.2［24］，用 于 指 導(dǎo)PMU 基 波 相 量 的 對(duì) 外 傳 輸。由于寬頻測(cè)量裝置測(cè)量的數(shù)據(jù)涵蓋基波、間諧波和諧波測(cè)量數(shù)據(jù)，GB/T 26865.2 標(biāo)準(zhǔn)僅針對(duì)基波信號(hào)，無(wú)法支撐間諧波、諧波的傳輸，因此需要新的傳輸標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到廠站與調(diào)度主站之間信息交互的現(xiàn)有情況，基于GB/T 26865.2 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)寬頻測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸是較為可行的方案。因此，標(biāo)準(zhǔn)在附錄中明確了數(shù)據(jù)傳輸方案，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)基波、間諧波和諧波的統(tǒng)一規(guī)范傳輸。

寬頻測(cè)量數(shù)據(jù)采用基于工頻幀分時(shí)傳輸?shù)姆绞剑浔举|(zhì)是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制上進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)基波相量在每秒內(nèi)傳輸?shù)膸瑪?shù)（如100 幀/s）進(jìn)行擴(kuò)展，在每一幀報(bào)文內(nèi)傳輸不同的諧波/間諧波數(shù)據(jù)，如此交替?zhèn)鬏斂蓪?shí)現(xiàn)間諧波、諧波的有效傳輸。具體傳輸機(jī)制見(jiàn)圖1。

圖1 間諧波/諧波數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序示意圖Fig.1 Schematic diagram of transmission sequence of inter-harmonic/harmonic data

圖1 是諧波數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序的示意圖。綜合考慮了100 幀/s、50 幀/s、25 幀/s 時(shí)諧波信息傳輸完整性的要求，故對(duì)于諧波實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸采用特別設(shè)計(jì)的傳輸時(shí)序，按照上述傳輸時(shí)序，第n次諧波所在數(shù)據(jù)幀的時(shí)間戳Tn計(jì)算公式如下。

式中：n為諧波次數(shù)；M、N均為中間變量，其中，M表示取(n-1)除以25 的整數(shù)部分，N表示取(n-1)除以25 的余數(shù)部分為向下取整符號(hào)；%表示取余運(yùn)算。

對(duì)于間諧波數(shù)據(jù)，寬頻測(cè)量裝置主要傳輸20 個(gè)主導(dǎo)分量，其中，第1～10 主導(dǎo)分量用于傳輸100 Hz頻段內(nèi)的間諧波數(shù)據(jù)，第11～20 主導(dǎo)分量用于傳輸100～2 500 Hz 頻段內(nèi)間諧波數(shù)據(jù)。第1～10 的主導(dǎo)分量是將100 Hz 范圍內(nèi)所有監(jiān)測(cè)的間諧波按照幅值大小進(jìn)行排序，選擇最大的10 個(gè)間諧波依次傳輸；第11～20 主導(dǎo)分量同樣如此，也是將100～2 500 Hz 監(jiān)測(cè)的間諧波按照幅值大小依次排序，選擇幅值最大的10 個(gè)間諧波測(cè)量值作為第11～20 主導(dǎo)分量。各主導(dǎo)分量對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)與諧波的標(biāo)號(hào)一致，即第1 主導(dǎo)分量連同基波數(shù)據(jù)一并傳輸，第2 主導(dǎo)分量與2 次諧波一并傳輸，并依次類推，如此可以通過(guò)PMU 報(bào)文的擴(kuò)展，在1 s 內(nèi)實(shí)現(xiàn)諧波、間諧波的完整傳輸。

由于諧波和間諧波計(jì)算窗口較長(zhǎng)，現(xiàn)階段間諧波要求分辨率不低于1 Hz，其時(shí)間窗至少為1 s?？紤]到數(shù)據(jù)的處理計(jì)算等環(huán)節(jié)，其傳輸?shù)臅r(shí)間會(huì)滯后實(shí)際采樣時(shí)間。為便于主站對(duì)諧波和間諧波數(shù)據(jù)時(shí)間戳的統(tǒng)一處理，本標(biāo)準(zhǔn)將諧波和間諧波時(shí)間戳延遲2 s，即目前帶有寬頻測(cè)量功能的PMU 計(jì)算數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)為1 s，在第2 秒計(jì)算上一整秒時(shí)刻的諧波與間諧波寬頻數(shù)據(jù)，并在第3 秒內(nèi)傳輸該相量的諧波或間諧波數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，這一傳輸方式是考慮到當(dāng)前工程實(shí)施的便利性所設(shè)計(jì)。實(shí)際上，在穩(wěn)態(tài)情況下，如果電網(wǎng)無(wú)振蕩發(fā)生時(shí)，這些間諧波和諧波測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)主站作用有限，也不需要實(shí)時(shí)上傳，僅需要傳輸一些分析結(jié)果或者待主站召喚查詢時(shí)傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)即可。因此，建議考慮主子站協(xié)同互動(dòng)的方式來(lái)進(jìn)行信息傳輸，即穩(wěn)態(tài)下僅傳輸分析結(jié)果，異常狀態(tài)下，如發(fā)生振蕩時(shí)再實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此種方式不僅可以有效減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸，而且也能夠減少主站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壓力。隨著寬頻測(cè)量裝置廣泛部署應(yīng)用后，這一方式將會(huì)是今后的發(fā)展方向。

2.5 數(shù)據(jù)錄波

寬頻測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)錄波功能包含事件觸發(fā)錄波和長(zhǎng)錄波兩種。對(duì)于事件觸發(fā)錄波，寬頻測(cè)量裝置已完全兼容PMU 功能，因此寬頻測(cè)量裝置具備PMU 裝置所具有的頻率越限等擾動(dòng)記錄功能。除此之外，還具有低頻振蕩、次/超同步振蕩、100～300 Hz 寬頻振蕩告警錄波功能，一旦觸發(fā)振蕩告警則立即觸發(fā)錄波功能，直到振蕩告警消失，類似繼電保護(hù)裝置的故障錄波，方便振蕩事件的事后分析。

除了事件觸發(fā)的錄波，寬頻測(cè)量裝置還額外部署了72 h 連續(xù)錄波功能，即按照原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)錄波，以彌補(bǔ)當(dāng)前振蕩監(jiān)測(cè)告警存在的缺陷。現(xiàn)階段振蕩告警閾值的設(shè)置原則和設(shè)置方法缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如果閾值設(shè)置不合理，就會(huì)出現(xiàn)振蕩事件遺漏或振蕩頻繁告警的問(wèn)題?？紤]到行業(yè)內(nèi)對(duì)電力電子化電網(wǎng)的特性還處于研究階段，很多理論的研究也仍然需要借助于現(xiàn)場(chǎng)各類事件的錄波數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證和研究，故增加了此功能。待對(duì)電力電子化電網(wǎng)運(yùn)行特性有較為深入的認(rèn)知后，連續(xù)錄波功能或可取消，事件觸發(fā)告警錄波功能將全面發(fā)揮作用，但現(xiàn)階段，兩者互為補(bǔ)充。

2.6 其他功能

寬頻測(cè)量裝置類似測(cè)控和PMU 裝置，也支持同步對(duì)時(shí)功能，優(yōu)先支持IRIG-B 對(duì)時(shí)，支持采用光纖多模ST 接口或電RS485 接口等方式，以確?；ㄏ嗔繙y(cè)量的精度以及各類間諧波越限事件、寬頻振蕩告警事件記錄的時(shí)間準(zhǔn)確性。

3 裝置性能

3.1 間諧波測(cè)量精度

寬頻測(cè)量數(shù)據(jù)涉及基波、間諧波和諧波。對(duì)于基波的測(cè)量精度，仍然遵循現(xiàn)有的PMU 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。而對(duì)于間諧波和諧波實(shí)時(shí)測(cè)量的精度，行業(yè)內(nèi)暫無(wú)針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn)，僅文獻(xiàn)［22］對(duì)其有一定的要求，但這是從電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)角度提出的，并不能與今后電力電子電網(wǎng)間諧波信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量的需求相匹配?？紤]到重新制定新的間諧波測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)，因此標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)間諧波測(cè)量精度的要求暫定為遵循該規(guī)范中的精度要求，具體如表1 所示，其中Um、Im分別為間諧波電壓、電流測(cè)量值，Unom、Inom分別為設(shè)備電壓、電流標(biāo)稱值，也可按額定值考慮。

表1 間諧波電壓電流測(cè)量精度要求Table 1 Accuracy requirement for harmonic of voltage and current

3.2 振蕩監(jiān)測(cè)與辨識(shí)

本標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低頻振蕩、次/超同步振蕩和寬頻振蕩的測(cè)量精度要求進(jìn)行了明確規(guī)定。

1）低頻振蕩

低頻振蕩頻率監(jiān)測(cè)范圍明確為0.1～2.5 Hz，考慮其振蕩頻率較低，因此仍然明確是以功率作為振蕩判據(jù)，且要求功率振蕩峰峰值超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)檻并持續(xù)設(shè)定的時(shí)間后觸發(fā)振蕩告警。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)低頻振蕩頻率和幅值的測(cè)量精度暫未明確，主要原因也是缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。而對(duì)于具體峰峰值和持續(xù)的時(shí)間并未明確，具體的門(mén)檻值由用戶自行設(shè)置，如10 MW，持續(xù)時(shí)間10～20 s 等，但這一工程經(jīng)驗(yàn)值沒(méi)有充分考慮不同電壓等級(jí)、不同并網(wǎng)容量的差異。

2）次/超同步振蕩

標(biāo)準(zhǔn)中將次/超同步振蕩的頻率監(jiān)測(cè)范圍明確為2.5～45 Hz 和55～95 Hz，且明確次/超同步振蕩監(jiān)測(cè)采用瞬時(shí)功率或電流計(jì)算時(shí)，頻率測(cè)量誤差不大于0.5 Hz。相比低頻振蕩僅以功率為判據(jù)，次/超同步振蕩增加了以電流為判據(jù)的條件。改進(jìn)后的PMU 傳輸速率最大仍然為100 幀/s，因此理論上只能監(jiān)測(cè)50 Hz 以下的次同步振蕩，但實(shí)際上對(duì)于55 Hz 以上的超同步振蕩也是可以間接監(jiān)測(cè)的，其原因就在于雖然出現(xiàn)了頻譜混疊，但是超同步振蕩的特征量仍然在次同步振蕩頻率范圍內(nèi)展現(xiàn)，因而可以間接測(cè)量超同步振蕩，但是無(wú)法區(qū)分具體的振蕩頻率。例如，對(duì)于25 Hz 的功率振蕩，WAMS無(wú)法區(qū)分振蕩的間諧波電流是25 Hz 還是75 Hz，亦或兩者都有，但這不影響振蕩的發(fā)現(xiàn)及告警。標(biāo)準(zhǔn)中將超同步振蕩頻率監(jiān)測(cè)范圍調(diào)整為55～95 Hz，一個(gè)主要的原因就是為了兼顧功率和電流兩個(gè)判據(jù)。功率振蕩的邊界設(shè)置為95 Hz 就是考慮到次同步振蕩電流在45 Hz 邊界時(shí)，其功率的邊界就是95 Hz；同樣，當(dāng)直接采用電流作為判據(jù)時(shí)，PMU 數(shù)據(jù)在最大100 幀/s 傳輸下，96 Hz 的間諧波電流信號(hào)混疊到46 Hz 工頻帶范圍，會(huì)導(dǎo)致PMU 無(wú)法將其區(qū)分，因此需要將其去除，這主要是為了兼顧當(dāng)前基于PMU測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行次/超同步振蕩辨識(shí)的訴求。但若采用間諧波信號(hào)直接測(cè)量的方式，95～100 Hz 也可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，寬頻測(cè)量裝置就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。考慮到眾多制造商仍然以PMU 工頻測(cè)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，故此處做了取舍，在一定程度上減少了監(jiān)測(cè)的范圍，目的是兼顧無(wú)法部署新的寬頻測(cè)量裝置的情況，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的PMU 可以通過(guò)升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)部分寬頻振蕩監(jiān)測(cè)功能。

此外，標(biāo)準(zhǔn)中也明確了振蕩信號(hào)的判定方法，優(yōu)先采用次/超同步振蕩的主導(dǎo)分量或者等效值作為越限的監(jiān)測(cè)量，當(dāng)瞬時(shí)功率或者電流的次/超同步振蕩幅值超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)檻并持續(xù)設(shè)置的時(shí)間后啟動(dòng)振蕩告警，但具體的門(mén)檻值和持續(xù)的時(shí)間仍然是由用戶自行設(shè)定。

3）100～300 Hz 寬頻振蕩

從寬頻振蕩的定義看，低頻振蕩、次/超同步振蕩也都屬于寬頻振蕩的范圍。之所以將其單獨(dú)列出，主要是考慮到行業(yè)內(nèi)對(duì)這兩類振蕩頻率的范圍已經(jīng)有相對(duì)清晰的界定，便于理解。而對(duì)于更高頻率范圍的振蕩，標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)頻率范圍進(jìn)行了限定，這也為今后更高頻率振蕩的監(jiān)測(cè)預(yù)留了空間。

標(biāo)準(zhǔn)中明確了100～300 Hz 寬頻振蕩頻率測(cè)量的誤差不大于1 Hz，且宜采用寬頻振蕩的功率或電流作為告警判據(jù)，瞬時(shí)功率振蕩幅值超過(guò)預(yù)設(shè)門(mén)檻并持續(xù)設(shè)定的時(shí)間后進(jìn)行振蕩告警。所有振蕩的告警預(yù)警、持續(xù)時(shí)間都可以靈活設(shè)置，類似保護(hù)的整定值。

本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振蕩頻率和幅值測(cè)量精度的要求并不高，一方面是因?yàn)閷掝l振蕩在裝置層面實(shí)時(shí)測(cè)量屬于新的要求，國(guó)內(nèi)外暫無(wú)可參照的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面由于各制造商研發(fā)思路不同，測(cè)量精度也存在差異，考慮到在行業(yè)內(nèi)首次制定寬頻測(cè)量裝置的標(biāo)準(zhǔn)，在指標(biāo)的制定上充分考慮了各方面的需求，故此次制定的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，隨著今后研究和工程應(yīng)用的深入，各項(xiàng)指標(biāo)可再進(jìn)行修訂和完善。

3.3 錄波文件存儲(chǔ)

寬頻測(cè)量裝置具有事件觸發(fā)錄波和連續(xù)錄波兩種功能，這兩類錄波功能設(shè)置初衷文獻(xiàn)［8］已有論述?，F(xiàn)階段，因?yàn)檎袷幐婢撝翟O(shè)置依據(jù)的缺乏，連續(xù)錄波是事件觸發(fā)錄波的有益補(bǔ)充。對(duì)于觸發(fā)錄波，標(biāo)準(zhǔn)要求支持事件告警、人工觸發(fā)及遠(yuǎn)程觸發(fā)3 種方式。事件觸發(fā)錄波采樣率不應(yīng)低于12.8 kHz，告警信號(hào)持續(xù)存在的情況下錄波時(shí)間不小于60 s，錄波記錄文件不少于256 條，循環(huán)記錄。觸發(fā)錄波需提供與錄波數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作報(bào)告，包括觸發(fā)事件及時(shí)間、觸發(fā)時(shí)刻各間隔告警量幅值及頻率等內(nèi)容。

連續(xù)錄波要求支持不少于72 h 連續(xù)記錄，宜每分鐘形成一個(gè)錄波文件，方便后續(xù)的查詢和調(diào)閱。標(biāo)準(zhǔn)明確要求裝置的采樣頻率不低于12.8 kHz，而連續(xù)錄波要求不低于6.4 kHz，這就意味裝置在連續(xù)錄波時(shí)可以進(jìn)行抽點(diǎn)存儲(chǔ)，之所以如此規(guī)定主要是考慮到不同制造商裝置存儲(chǔ)空間的差異。如果裝置存儲(chǔ)空間足夠，按照原始高頻采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)錄波最為合適。

4 寬頻測(cè)量裝置的工程應(yīng)用

4.1 總體方案

為有效促進(jìn)寬頻測(cè)量裝置的工程應(yīng)用，在標(biāo)準(zhǔn)中給出了寬頻測(cè)量應(yīng)用的總體方案。該方案涉及整個(gè)寬頻測(cè)量系統(tǒng)，由廠站端寬頻測(cè)量裝置、寬頻測(cè)量處理單元和主站端的寬頻測(cè)量主站組成，具體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 寬頻測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of wide-frequency measurement system

廠站端主要包括寬頻測(cè)量裝置和寬頻測(cè)量處理單元。其中，寬頻測(cè)量裝置接入廠站中多個(gè)電氣間隔的電氣量，廠站內(nèi)可部署多臺(tái)；寬頻測(cè)量處理單元?jiǎng)t接入全站所有寬頻測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，就地化存儲(chǔ)、分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度主站的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)兼容了PDC（phasor data concentrator）裝置功能，為寬頻測(cè)量數(shù)據(jù)的廠站端處理分析和對(duì)外傳輸提供支撐。

寬頻測(cè)量主站是基于調(diào)度系統(tǒng)獨(dú)立部署的寬頻測(cè)量主站系統(tǒng)，既可單獨(dú)部署，也可作為一個(gè)高級(jí)應(yīng)用功能模塊融入調(diào)度主站系統(tǒng)，類似當(dāng)前WAMS功能模塊。此方式下，該模塊與WAMS 模塊獨(dú)立運(yùn)行。

4.2 典型工程配置

現(xiàn)場(chǎng)部署時(shí)，寬頻測(cè)量裝置接入各個(gè)電氣間隔三相電壓和三相電流，其外部接線方式和測(cè)控裝置、PMU 完全相同，本標(biāo)準(zhǔn)中要求單臺(tái)寬頻測(cè)量裝置能夠接入的電氣間隔不少于2 個(gè)，并給出了1～2 個(gè)間隔的基礎(chǔ)配置和4～6 個(gè)間隔的典型配置，用來(lái)滿足不同工程應(yīng)用的需求。之所以如此考慮，主要是因?yàn)榻尤腴g隔的數(shù)量越多，其所配置的模擬采樣插件也越多。而對(duì)于寬頻測(cè)量處理單元，則每個(gè)廠站至少應(yīng)部署1 臺(tái)，220 kV 及以上電壓等級(jí)的廠站宜部署2 臺(tái)，以提升可靠性。

在具體工程部署時(shí)，可選擇新增寬頻測(cè)量屏柜部署，也可在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控裝置屏柜進(jìn)行部署，方便具體工程實(shí)施。前者部署獨(dú)立的屏柜，安裝寬頻測(cè)量裝置和寬頻處理單元；后者則是利用現(xiàn)場(chǎng)所監(jiān)測(cè)間隔的測(cè)控屏柜空間，在其中安裝寬頻測(cè)量裝置和寬頻處理單元。目前兩種方式在實(shí)際工程中都有廣泛應(yīng)用。

4.3 應(yīng)用場(chǎng)景

1）新能源廠站

考慮到現(xiàn)有風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能等新能源廠站的測(cè)量以工頻信號(hào)為主，缺乏對(duì)包含振蕩在內(nèi)的間諧波信號(hào)的測(cè)量，寬頻測(cè)量裝置可廣泛部署于新能源廠站。具體部署時(shí)可結(jié)合實(shí)際的需求，優(yōu)先在新能源廠站內(nèi)的并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可在新能源匯集站進(jìn)行部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)各接入的風(fēng)電廠的全面監(jiān)測(cè)。GB/T 19963.1—2021《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定第1 部分：陸上風(fēng)電》也明確了“對(duì)于接入220 kV及以上電壓等級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)部署PMU 設(shè)備，必要時(shí)應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際需求在風(fēng)電匯集站加裝寬頻測(cè)量系統(tǒng)”［25］，這為其在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用提供了支撐。

2）新能源并網(wǎng)接入的各電壓等級(jí)變電站

變電站內(nèi)接入的新能源間隔是寬頻測(cè)量裝置部署的重點(diǎn)。無(wú)論是對(duì)于儲(chǔ)能接入的10 kV 電壓等級(jí)，還是光伏、風(fēng)電并網(wǎng)接入的35 kV、110 kV 乃至220 kV 及以上電壓等級(jí)，這些外部新能源并網(wǎng)接入的間隔是變電站內(nèi)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。因?yàn)閺恼袷幩菰醇皞鞑?lái)看，這些新能源并網(wǎng)接入是潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，有必要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為次/超同步振蕩以及寬頻振蕩的監(jiān)測(cè)與抑制提供支撐，而這也符合GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中“存在次同步振蕩或超同步振蕩風(fēng)險(xiǎn)的新能源場(chǎng)站及送出工程，應(yīng)采取抑制和監(jiān)測(cè)措施”的規(guī)定［26］。目前，寬頻測(cè)量裝置已在華東、華北等電網(wǎng)百余座變電站部署應(yīng)用，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)了一系列典型次/超同步振蕩事件和諧波越限等事件，為電網(wǎng)的快速響應(yīng)和及時(shí)應(yīng)對(duì)提供了支撐。

3）高比例電力電子化負(fù)荷接入的變電站

一些110 kV 或220 kV 高電壓等級(jí)的變電站連接牽引變電站、冶煉企業(yè)以及電力電子負(fù)荷，這些電氣間隔也可優(yōu)先部署寬頻測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)間諧波和諧波的監(jiān)測(cè)。目前，在華東地區(qū)一些220 kV 高鐵牽引變電站的出線間隔部署了寬頻測(cè)量裝置，可以清楚監(jiān)測(cè)到高鐵進(jìn)入牽引線路供電區(qū)間前后基波、諧波的變化情況，可為潛在的諧波越限和間諧波分布規(guī)律的監(jiān)測(cè)提供支撐。

4）直流和柔性直流近區(qū)電網(wǎng)的部署

現(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)的柔性直流近區(qū)電網(wǎng)發(fā)生了從數(shù)百赫茲到1 800 多赫茲的寬頻振蕩，現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備無(wú)法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而寬頻測(cè)量裝置12.8 kHz的采樣頻率可有效實(shí)現(xiàn)中高頻振蕩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［27］基于寬頻測(cè)量裝置，對(duì)超高壓變電站附近某發(fā)電廠500 kV 母線電壓偽振蕩問(wèn)題進(jìn)行了分析。該500 kV 母線電壓測(cè)量值異常波動(dòng)，波動(dòng)區(qū)間約501～518 kV，幅度達(dá)到20 kV 左右，經(jīng)過(guò)寬頻測(cè)量裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在較大幅值的35 次和37 次諧波，而該火電廠早期投運(yùn)的測(cè)控裝置采樣頻率只有1 800 Hz，導(dǎo)致35 次和37 次諧波混疊至工頻區(qū)間，造成了偽振蕩的現(xiàn)象，這個(gè)工程案例驗(yàn)證了寬頻測(cè)量裝置的應(yīng)用效果。

5）傳統(tǒng)PMU 的替換和升級(jí)改造

寬頻測(cè)量裝置已經(jīng)集成了PMU 功能，而寬頻測(cè)量處理單元也集成了PDC 的全部功能。因此，實(shí)際工程中，新建變電站的PMU 和PDC 可考慮全部替換為寬頻測(cè)量裝置和寬頻測(cè)量數(shù)據(jù)處理單元。而對(duì)于面臨改造升級(jí)的變電站，也可考慮將原有PMU和PDC 升級(jí)為寬頻測(cè)量裝置和寬頻測(cè)量處理單元。這樣既能完全兼容PMU 的所有功能，也能有效應(yīng)對(duì)各類間諧波、高次諧波的測(cè)量需求，尤其是能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)寬頻振蕩，可為電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)提供有力支撐。目前，寬頻測(cè)量裝置已在某抽水蓄能電站部署替代PMU 進(jìn)行工程應(yīng)用。

4.4 應(yīng)用展望

寬頻測(cè)量裝置除了為電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)提供全景監(jiān)測(cè)手段外，包含基波、間諧波和諧波的寬頻測(cè)量數(shù)據(jù)也可為新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用提供新的數(shù)據(jù)支撐。

首先，寬頻測(cè)量裝置間諧波實(shí)時(shí)測(cè)量功能可實(shí)現(xiàn)電力電子化電網(wǎng)寬頻振蕩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在寬頻測(cè)量裝置廣泛部署的基礎(chǔ)上可為振蕩源的定位提供有力支撐。同時(shí)，基于間諧波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振蕩從發(fā)生、放大、告警的全過(guò)程，而這也為振蕩預(yù)警提供了技術(shù)手段，將有力推動(dòng)振蕩事件從被動(dòng)監(jiān)測(cè)向主動(dòng)預(yù)防轉(zhuǎn)變。

此外，寬頻測(cè)量裝置還能夠?yàn)殡娏﹄娮踊娋W(wǎng)的負(fù)荷參數(shù)辨識(shí)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在線評(píng)估等提供有力支撐。其長(zhǎng)錄波功能還能夠?yàn)殡娋W(wǎng)的仿真分析提供現(xiàn)場(chǎng)高頻采樣數(shù)據(jù)，有利于為電力電子化電網(wǎng)的建模與參數(shù)校正提供參考。

隨著新型電力系統(tǒng)各類研究的深入，寬頻測(cè)量裝置除了在大電網(wǎng)領(lǐng)域外，在配電網(wǎng)、諧波源定位及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等其他領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 存在的問(wèn)題

5.1 間諧波測(cè)量精度

寬頻測(cè)量裝置是為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電力電子化發(fā)展的挑戰(zhàn)所研發(fā)的新型測(cè)量裝置，其關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)國(guó)內(nèi)外目前都處于缺失階段，一方面是缺乏理論研究支撐，另一方面也缺乏工程應(yīng)用驗(yàn)證。尤其是間諧波電壓、電流測(cè)量的精度問(wèn)題，如果仍然遵循電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)顯然無(wú)法滿足今后電力電子化電網(wǎng)寬頻域范圍內(nèi)振蕩信號(hào)精準(zhǔn)測(cè)量需求，迫切需要制定新的標(biāo)準(zhǔn)。此外，對(duì)于間諧波信號(hào)，尤其是振蕩信號(hào)的幅值和相位的測(cè)量精度也缺乏相應(yīng)的規(guī)定，這是今后需要重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題。

5.2 寬頻振蕩告警閾值

從現(xiàn)有研究可以看出，大量電力電子設(shè)備接入所導(dǎo)致的新型振蕩屬于電磁振蕩，其產(chǎn)生機(jī)理往往并非源于單個(gè)設(shè)備，而是多個(gè)設(shè)備之間或者與電網(wǎng)相互耦合所致，因此，其發(fā)生振蕩時(shí)振蕩頻率覆蓋范圍較廣，且具有時(shí)變的特性。寬頻測(cè)量裝置雖然可以監(jiān)測(cè)到這些間諧波信號(hào)，但是振蕩告警閾值如何設(shè)置行業(yè)內(nèi)還缺乏相關(guān)依據(jù)，完全依賴用戶自行設(shè)置，容易導(dǎo)致振蕩事件遺漏或者振蕩告警頻繁啟動(dòng)，不利于電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，而這也將是今后迫切需要解決的問(wèn)題。

5.3 寬頻振蕩統(tǒng)一實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)階段寬頻振蕩監(jiān)測(cè)限定在300 Hz 以內(nèi)，隨著振蕩頻率范圍的提升，實(shí)現(xiàn)0～2 500 Hz 范圍的寬頻振蕩監(jiān)測(cè)將是今后面對(duì)的挑戰(zhàn)，如此寬范圍、多振蕩頻率信號(hào)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)對(duì)振蕩算法、監(jiān)測(cè)機(jī)制及裝置的硬件都提出了挑戰(zhàn)，而這也是今后需要進(jìn)一步改進(jìn)完善的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著以構(gòu)建新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的目標(biāo)的提出，以逆變器為代表的大量電力電子設(shè)備將會(huì)在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，其呈現(xiàn)的非工頻特性將日益凸顯。本標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的寬頻測(cè)量裝置為電力電子化電網(wǎng)寬頻特性的運(yùn)行監(jiān)測(cè)提供了全新的技術(shù)手段，尤其是寬頻測(cè)量裝置所具有的寬頻振蕩監(jiān)測(cè)功能，能夠在保障電網(wǎng)安全的前提下，有效推進(jìn)新能源大規(guī)模并網(wǎng)接入，為新型電力系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)提供了有力支撐。后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展該設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，逐步建立未來(lái)新型電力系統(tǒng)的寬頻測(cè)量體系，以有效應(yīng)對(duì)以電力電子設(shè)備為主體電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)需求。同時(shí)，將進(jìn)一步完善間諧波測(cè)量精度算法研究，制定間諧波實(shí)時(shí)測(cè)量精度的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)一步開(kāi)展振蕩告警閾值、振蕩判定依據(jù)等方面的研究工作，為寬頻振蕩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供支撐，推動(dòng)寬頻測(cè)量裝置在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，有力支撐新型電力系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)。