邱衍江;张新燕;张超;王维庆;常喜强
【摘 要】新能源汇集地区广泛使用的电力电子设备容易产生大量次同步谐波,引发电力系统次同步振荡现象.为了实时监测及收集次同步振荡信息以研究振荡产生机理和控制方法,提出基于次同步谐波传播通道的PMU、SMU子站部署原则,将子站与WAMS 主站呈辐射型互联构建广域次同步振荡监测系统.最后,将系统应用于新疆哈密地区后能实时精准、有效地监测到大量次同步振荡信息,直观地展示了次同步振荡的动态发展过程,为后续研究提供数据基础.%The power electronic devices which are widely used in the dense new energy areas are easy to produce a large number of subsynchronous harmonic, which leads to the subsynchronous oscillation in the power system. In order to monitor and collect subsynchronous oscillation information in real time to study the generation mechanism and control methods of oscillation, this paper proposes the deployment principle of PMU and SMU substations based on the subsynchronous harmonic propagation path, and connects the substations with the WAMS main station to build a wide area subsynchronous oscillatio n monitoring system. Finally, when the system is applied to Hami area of Xinjiang, the system can monitor a large number of subsynchronous oscillation information accurately and effectively, and intuitively display the dynamic development process of subsynchronous oscillation, so as to provide data basis for further research.
【期刊名称】《电力系统保护与控制》
【年(卷),期】2019(047)001
【总页数】7页(P88-94)
【关键词】次同步振荡;监测系统;传播通道;WAMS主站
【作 者】邱衍江;张新燕;张超;王维庆;常喜强
【作者单位】新疆大学电气工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047;新疆大学电气工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047;新疆大学电气工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047;新疆大学电气工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830047;新疆电力公司电力调度控制中心, 新疆 乌鲁木齐 830002
【正文语种】中 文
新能源汇集地区发电机组种类较多，新能源发电出力不稳定；动态无功补偿装置(SVC、SVG)等电力电子设备对新能源发电机组产生的谐波反作用[1-2]；次同步谐波在传播过程中可能发生的混叠效应等都可能引起次同步振荡[3-4]，不仅影响电力系统电能质量，还可能导致火电机组发生轴系扭振，造成轴系损坏，甚至危害整个电力系统安全稳定运行[5-6]。
当前新能源并网研究主要关注高次谐波(50 Hz 的整数倍)，采用大量硬件滤波器改善设备高次谐波特性，对次同步谐波(10~40 Hz)与超同步谐波(60~ 90 Hz)分量的研究主要集中在谐波产生机理及谐波源定位[7-8]。而实际电网中次同步谐波的传播与监测则缺乏相关研究，现有的广域测量系统(Wide Area Measurement System, WAMS)不够成熟，不能满足当前对次同步振荡监测系统的研究，需对传统的广域测量系统进行改善[9-11]。
在新能源汇集地区次同步振荡源不唯一、振荡机理不明确的情况下，为了能够直观了解次同步振荡动态发展过程，充分收集次同步振荡信息，便于研究振荡产生机理和控制方法[12]，本文通过分析改进的同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit, PMU)及专用次同步谐波监测装置(SMU)的工作原理，提出沿次同步谐波传播通道部署PMU、SMU子站；
在电力调度控制中心的WAMS系统开发具有次同步谐波分析功能的主站；监测子站与主站辐射型联接构成广域次同步振荡监测系统。将监测系统应用于新疆哈密新能源汇集地区电网，实现对哈密地区次同步振荡瞬时值快速、准确地监测。
运动知觉PMU指采用GPS(全球定位系统)秒脉冲作为同步时钟构成的相量测量单元[13-14]，用于进行同步相量的测量和数据动态记录、存储。
m176由于广域测量系统原有PMU实时记录数据的速率不满足对现在的电力系统监测需求，需对原有PMU进行升级[15]。升级后的PMU如图1所示，长录波功能可连续记录60 s的1 200 Hz原始电压、原始电流采样值波形，每分钟生成一个录波文件；存储插件能够连续记录约72个小时数据；当系统发生频率、相电流越限和线路低频振荡等事件时，装置建立事件标识，通过标识获取事件发生时段的实时记录数据[16-20]。
改进后PMU装置采用定间隔采样，采样数据以离散傅里叶变换为核心算法来计算向量的幅值和相角。下文将改进后的PMU均简称为PMU。
基于次同步多振荡模式自适应辨识的专用次同步谐波监测装置(SMU装置)主要实现次同步
电流的监测、次同步电流定时限过电流告警以及将告警数据上送次同步振荡监测系统主站等功能。SMU装置通过滤波算法检测出线路电流中的次同步与超同步谐波分量，并进行保护计算、告警。SMU装置由AI采集插件、CPU插件、DI插件和DO插件组成，如图2所示。
SMU装置通过AI采集插件对接入的电压、电流信号通过高精度A/D采样芯片进行采样，采样频率为1 000 Hz。当电气量信号送至CPU插件，CPU插件对A/D采样得到的电流信号进行滤波处理，得到10~40 Hz的次同步谐波电流信号、60~90 Hz的超同步谐波电流信号，实时计算次同步和超同步电流信号的峰值。当次同步电流峰值持续超过设定门槛值后，SMU装置输出次同步电流定时限过电流告警信号，通过装置、屏柜指示灯以及就地工控机后台进行显示，并进行录波。
新能源汇集地区广域次同步振荡监测系统由电力调度数据通信网络构成的通信信道，将监测子站和主站联接构成。
监测子站指部署有PMU、SMU装置的新能源场站、汇集站及常规变电站，能监测和发送实时测量数据，并存储暂态录波数据，能与变电站自动化系统或发电厂监控系统交换数据，具备自动对时与守时功能等。
监测子站部署前应对该区域电网进行谐波潮流分析。将新能源场站产生的次同步谐波等效成谐波源，将其注入到电网仿真模型中进行谐波潮流计算，分析该区域电网次同步谐波的传播通道。如图3所示，当某风电场中风电机组产生次同步谐波时，次同步谐波可能由通道1向相邻新能源场站传播；沿着通道2向交流系统扩散；或随着通道3经过相邻新能源汇集站向其他区域新能源场站传播；或经过通道4到达火电厂，导致火电机组发生扭振现象。
鉴于次同步谐波源及振荡机理不明确的情况下，为进一步监视谐波，防范电力系统运行风险，本文提出结合改进的PMU、SMU装置功能，沿次同步谐波传播通道部署监测子站的部署原则如下。
1) 风电场、光伏站等新能源场站A；多类型新能源汇集站B；直流近区、交流系统薄弱环节E等应装置PMU子站。
2) B、C、D等传播通道、重点新能源汇集站、变电站、电厂应部署SMU子站。
3) 考虑次同步振荡监测子站部署的经济性与资源的合理分配，在谐波传播通道的布点基础上对新能源场站并网点(汇集站、变电站)高压侧母线利用短路比(Short-Circuit Ratio, SCR)
计算进行次同步振荡风险评估，使次同步振荡监测装置的利用更为经济合理。短路比表征系统短路容量除以新能源场站额定容量，表示为
式中：为新能源场站并网点的短路容量；()为该并网点接入的所有新能源场站的额定容量。
短路比越大，指新能源场站接入的电力系统稳定性越强，新能源场站投切对电力系统稳定性的影响越小。当，相关场站需部署次同步振荡监测装置；若，根据新能源场站并网次谐波计算分析报告，电力系统存在振荡风险时应部署监测系统子站；若结果未存在振荡风险，暂可不部署监测装置；若，系统相对稳定，考虑监测系统经济性，暂可不部署监测装置。
监测系统主站指具有实现SMU子站告警信息显示、离线录波分析和展示；PMU子站长录波分析、相量数据分析和展示等功能的WAMS主站。主站装设在电力公司调度系统，能收集、分析和管理来自子站的监测数据，监测电力系统的次同步振荡状态，并以数字、曲线的形式显示谐波频率、谐波幅值，对子站上传的告警标志进行监视告警。蚜虫的资料
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传统WAMS主站不具备次同步振荡监测与分析功能，需对传统WAMS主站进行次同步振荡应用扩展。传统WAMS主站其他监测功能不变的前提下，在WAMS前置服务器上部署离线数据查询代理模块；在WAMS应用服务器上部署离线数据查询服务和次同步振荡监视应用模块；在数据采集与监视控制系统(SCADA工作站)部署离线数据查询客户端和面向次同步谐波的频谱分析工具。改进后的WAMS主站功能模块部署如图4所示。
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监测系统子站与主站之间采用通道带宽不低于2 Mbps的电力调度数据通信网络构成通信信道实现辐射型互联，如图5所示。次同步振荡监测系统的底层网络传输协议(PMU规约)应采用传输控制协议(TCP协议)，应用层协议应符合GB/T26865.2的要求。
监测系统数据流过程如图6所示。系统对次同步谐波电流的测量精度应满足幅值测量误差不大于±1.0%；频率测量取值为10~40 Hz和60~90 Hz；频率测量误差不大于±0.1 Hz。
大规模风电、光伏等新能源的接入增大了哈密地区电网稳定的不确定性，曾诱发次同步振荡等严重的系统安全稳定事故。因此本文将广域次同步振荡监测系统应用于哈密新能源汇集地区电网并展开分析。电力系统中次同步谐波与超同步谐波伴生存在，监测系统对次同步谐波分量监测的同时也能对超同步谐波分量进行提取，为了体现监测系统精确性，下文
将对监测系统记录的次/超同步谐波数据进行分析。
哈密地区新能源发电厂集中在三塘湖地区与山北地区，在对哈密地区部署监测系统子站前，将25 Hz次同步谐波与75 Hz超同步谐波作为谐波源向新能源场站并网点750 kV三塘湖变电站、220 kV山北变电站注入，进行次/超同步谐波潮流计算，得到次/超同步谐波潮流与传播通道如图7所示。新能源场站次/超同步谐波在三塘湖变电站、山北变电站上网，经过哈塘线、哈山线，在哈密变电站汇集后向互联的外送系统、750 kV交流系统、天中换流站扩散，甚至到达接入换流站的火电厂。
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