新能源匯集地區次/超同步振蕩監測告警及控制系統研究

陳 軍 王 琛 南東亮 馮小萍 張 路

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新能源匯集地區次/超同步振蕩監測告警及控制系統研究

陳 軍1王 琛2南東亮2馮小萍3張 路2

（1. 國網新疆電力有限公司吐魯番供電公司，烏魯木齊 830011； 2. 國網新疆電力有限公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011； 3. 國網新疆電力有限公司電力調度控制中心，烏魯木齊 830011）

天中±800kV特高壓直流送端（新疆哈密地區）是風、光、火打捆經直流送出的復雜系統，存在較高的次/超同步振蕩的風險。針對新疆電網新能源匯集地區次/超同步振蕩現有監測告警系統不足之處，提出了改進方法和優化方案，建立了監測系統三道防線和告警系統兩個平臺；針對現有穩控系統不足之處，提出了振蕩定位方法和改進切機方案，建立了穩控系統三道防線。改進后的監測告警及控制體系能對振蕩進行實時監控、及時告警并進行快速抑制，提高了電網運行可靠性。

新能源；次同步振蕩；超同步振蕩；監測；告警；控制

新疆蘊藏著豐富的風能和太陽能資源，是我國重要的新能源并網基地。為了更好消納清潔能源，現已投運我國首個風火打捆外送的±800kV特高壓輸電通道；±1100kV特高壓直流外送通道也正在加緊建設。隨著更多清潔能源的并網及更多輸電通道的建成，維持含多直流送端，且滲透率高、運營范圍廣的新疆電網穩定運行的工作正面臨著愈來愈大的壓力[1]。

2015年7月以來，新疆哈密地區電網內屢次監測到次/超同步振蕩信號。綜合多方數據后的離線分析表明，不同于振蕩頻率相對固定且傳播范圍相對較小的傳統電源的電力系統次同步振蕩，含規模化新能源電源的電力系統發生的次/超同步振蕩傳播距離遠，橫跨多電壓等級，且振蕩頻率時變。這一復雜振蕩對傳統的監測、分析、保護與控制方法造成了挑戰[2-3]。

加強電網側次/超同步振蕩信號監測，構建次/超同步振蕩監測系統，廣泛收集、仔細分析現場運行數據，對研究振蕩機理及抑制方案，對保障特高壓直流安全穩定運行、疆電可靠外送具有重要意義。

1 監測告警體系

電網廣域監測系統（wide area measurement system, WAMS）采用同步相量測量技術，通過布局于全網關鍵測點的同步相量測量單元（phasor measurement unit, PMU），實現在全網范圍內對工頻基波下的電流/電壓幅值、電流/電壓相角、有功/無功功率等主要電氣量的實時采集[4-5]。

雖然PMU已廣泛應用于新疆電網，但將該設備用于次/超同步振蕩監測時會出現一系列問題。為了加強對次/超同步振蕩信號的監測，給后期準確定位振蕩源頭和摸索振蕩傳輸路徑做準備，針對原有設備存在的不足之處，改造了和添置了部分檢測設備，改進了監測手段，完成了次/超同步振蕩“三道防線”監測體系建設[6-7]。

1.1 現有監測告警設備不足之處

哈密地區220kV及以上變電站、220kV風電匯集站、部分110kV和35kV風電場均已安裝PMU，這為基于PMU的次/超同步諧波監測技術開發及應用提供了可能性。但現有設備采用的PMU標準等僅適用于工頻場景，在監測次/超同步振蕩信號時遇到了一些現實問題，難以準確還原間諧波。

1）頻率遺漏問題

按照PMU現有標準，目前投入運行的PMU裝置一般只記錄電流有效值、電壓有效值及有功功率平均值；數字濾波環節采用PMU標準規定的50Hz帶通濾波器。帶通濾波器配合基于電流電壓有效值及有功功率平均值的算法，會將低于35Hz及高于65Hz的諧波分量濾除，導致無法復原完整的間諧波分量原始值，造成了頻率的遺漏和數據的 缺失。

2）有功功率辨別問題

基于電流電壓瞬時采樣值相乘的基波算法或單個周期積分算法計算瞬時有功功率時無法反映某些頻率功率分量，如30Hz左右的功率振蕩分量。

3）幅值調制帶來的功率混疊問題

當信號是一對關于工頻對稱的次同步分量和超同步分量時，如工頻為0條件下存在頻率為a的次同步分量和頻率為20-a的超同步分量，瞬時功率測量值完全相同，僅通過瞬時功率無法區分次同步諧波和超同步諧波。

4）PMU觸發錄波問題

暫態錄波比動態相量數據具有優勢：速率不低于1200Hz，Comtrade格式數據帶有精確時標。PMU設備具備觸發錄波功能，但暫態錄波功能在電網擾動不夠大時無法觸發。

上述問題導致現有PMU設備無法滿足次/超同步振蕩相量準確測量的需要，有必要對既有設備進行技術改造及升級。

1.2 監測設備優化改造

1）添置SMU設備使之滿足實時監測需求

針對次/超同步振蕩監測問題，國內廠商現已研制出專用次/超同步振蕩監測裝置（SubSynchronous/ SuperSynchronous Oscillation measurement unit, SMU），用于對次/超同步振蕩信號進行實時監控[8]。

為解決頻率遺漏問題，SMU設備對電壓電流信號進行采樣頻率為1000Hz的高精度采樣，并用數字濾波算法對信號進行處理，進而對次同步頻率分量及超同步頻率分量進行分別監測。如圖1所示，電氣信號經A/D采樣后到濾波環節，信號先后經過50Hz帶阻濾波、5Hz高通濾波、95Hz低通濾波后，再分別經過10～40Hz帶通濾波和60～90Hz帶通濾波，得到10～40Hz范圍的次同步諧波電流信號、60～90Hz范圍的超同步諧波電流，對次同步和超同步電流信號的峰值進行實時計算。

圖1 SMU內部用于采樣及信號實時處理環節

SMU還從算法上對其他環節進行了提升。如為解決有功功率辨別問題，真實反映有功功率，對采集的信號改用全電流全電壓且不進行積分的算法；為解決幅值調制帶來的功率混疊問題，在運算時將采集的用幅值和相角表示的復數相量轉化為用實部和虛部表示的復數量。SMU設備已經實現了次/超同步電流實時監測的功能。

2）改造既有PMU等設備使之滿足離線分析需求

大范圍部署SMU現場實施工作量大、施工周期長且費用昂貴。綜合考慮監測分析的準確性、工程實施的快速性及費用的合理性，可對現有PMU等裝置進行升級改造。另外，考慮到設備造價，對PMU、SMU等的安裝需考慮在可觀性約束條件下的優化配置，如滿足保證關鍵線路兩端節點在-1下可觀。

借用暫態高采樣率錄波功能，為PMU等設備加裝長過程錄波插件，即可使之具備7×24h不間斷高精度錄波的能力，滿足次/超同步振蕩離線分析的 需求。

3）升級WAMS系統

對次/超同步振蕩進行監測需要對WAMS相應功能進行升級。為了召喚PMU長錄波數據，WAMS增設了PMU長錄波上傳功能、次同步振蕩監控后臺功能，WAMS具備存儲動態、暫態、長過程錄波數據3種功能數據；建立了次同步振蕩PMU歷史數據庫，方便查詢、調閱和分析。

1.3 監測系統三道防線的建立

通過對哈密地區部分樣板新能源機組加裝智能儀表，實現了機組的實時運行數據、錄波數據、電能質量的記錄。機組運行監測防線初步建立。

對哈密地區新能源匯集場站的PMU裝置進行改造升級，使之具備高精度長過程錄波功能；完成站內所有出線包括無功補償間隔電壓、電流回路的PMU接入工作；對新能源匯集地區所有動態無功補償裝置SVC、SVG投退信號實施了動態監測。風電場及匯集站的動態無功補償監測防線初步建成。

在振蕩高發地帶等關鍵站場加裝了次同步振蕩監測裝置，對部分既有穩控裝置和功率振蕩裝置增加了次同步振蕩監測功能。次同步振蕩功率監測防線也已就位。

“三道防線”的建立完善了新能源匯集地區次/超同步監測裝置的部署工作，實現了“機組—匯集站—變電站—天中直流—外部電網”數據的完整 監測。

1.4 告警系統兩個平臺的建立

監測是為了更好地預警，為了后期更好地控制振蕩，保障電網穩定運行。告警系統主要由以SMU為主的次同步監測平臺和電網廣域監測系統（WAMS）監測平臺構成。

在監測功能之外，SMU設備還具備告警功能。當次/超同步電流峰值持續超過設定門檻值固定時間后，SMU裝置輸出次/超同步電流定時限過電流告警信號，通過裝置、屏柜指示燈以及就地工控機后臺進行顯示。

WAMS次同步振蕩分析模塊每隔數秒向SMU子站查詢一次超/次同步告警信息。當SMU子站產生次/超同步告警信息時，按照PMU規約將實時告警信息以文件形式經由電力調度數據網上送至WAMS主站，主站以表格、告警信息等形式在D5000平臺展示次/超同步告警。

當WAMS主站需更多數據分析次/超同步振蕩時，利用部署在主站的召喚工具可將PMU離線長錄波數據召喚至主站。后期可利用頻譜分析工具及地理圖可視化工具對PMU高精度長錄波數據進行分析和展示。次/超同步振蕩監測告警系統示意圖如圖2所示。

圖2 次/超同步振蕩監測告警系統示意圖

1.5 監控告警系統效果

監測告警系統對次/超同步振蕩信號的監測波形如圖3所示。兩個平臺的建立使廣域監測和告警成為可能，為后期穩控系統的構建打下了基礎。

2 穩定控制體系

基于現有的穩控系統，結合新能源場站無功補償控制模式、振蕩的判別條件，并依據多維度功率振幅尋優控制策略，構建結合雙判據的穩控切機主動穩控體系。

圖3 實時監測到的次同步信號和超同步信號

2.1 現有穩控系統不足之處

1）新能源發電場站無功補償缺乏協調控制

新能源場站動態無功補償裝置（SVC、SVG）裝置廠家多、控制策略復雜、安裝位置分散，造成動態無功補償裝置（SVC、SVG）性能差異大且缺乏統一協調控制，易引發動態調壓過程中的沖突導致電壓不穩定問題。

2）切除場站范圍過大

目前采用切除新能源發電場站的方式破壞振蕩條件以減少網內振蕩，但盲目切除過量機組造成巨大的經濟損失且容易造成電網電壓問題。

2.2 振蕩源定位及改進的穩控切機策略

1）基于割集能量法的振蕩源定位方法

割集能量法對廣域電網進行大區域割集劃分，并借助廣域測量系統采集到的電氣量判斷擾動信號流動方向，從而完成對振蕩源的定位[9]。

2）基于雙判據的振蕩認定方法

對于SMU實時分離出的次/超同步振蕩信號，可通過計數方法快速確認振蕩情況。

對于圖4所示波形，可由以下信息確定振蕩周期：

式中，T表示第次振蕩的一個周期；dP為第次振蕩的振幅。振蕩的判定需滿足下列約束：

式中，SETmax和SETmin分別為特定監測頻率最大最小值，threshold為功率振蕩門檻值，同時滿足振蕩周期約束和振蕩幅值約束即可判定振蕩發生。

振蕩的計數方法為

發生增幅、減幅振蕩時起振判別計數器分別+2、-1，其余起振判別計數器+1。

3）多輪切機策略

匯集滿足雙判據的振蕩數據，并對場站出口線路相對振幅進行排序。第一輪切機時，優先切除相對振幅最大的場站。在第一輪切機效果較差的情況下進行更多輪次切機：優先考慮切除220kV線路連接的相對振幅較大場站；其次切除振幅較大匯集站；最終在全網范圍內按比例切除場站。

2.3 穩控系統三道防線的建立

1）穩控系統第一道防線是新能源匯集場站動態無功補償裝置控制防線。對無功補償裝置控制策略等進行調整，必要時針對振蕩模態電流進行注入，可在一定程度上抑制次/超同步振蕩。

2）穩控系統第二道防線是不結合機組軸系扭振特征頻率的次同步振蕩控制防線。該防線門檻值較高，可靠性較好。當監測到的聯絡線功率滿足啟動判據后，通過振蕩幅值和振蕩次數判據，分輪切除各振蕩風電場。

3）穩控系統第三道防線是結合機組軸系扭振特征頻率的次同步振蕩控制防線。該防線門檻值低，靈敏性較好，充分防止次同步振蕩頻率的漏監。當監測到的次同步頻率滿足直流配套火電機組扭振保護啟動頻率判據后，通過功率振蕩幅值和振蕩次數判據，分輪切除各振蕩風電場。振蕩判定及多輪切機流程如圖5所示。

2.4 穩控裝置動作效果

在圖6中，上圖為按輪次切除風場后的聯絡線振蕩情況，中、下圖為該地區其余風場聯絡線振蕩情況。可見多輪切機策略能有效平息振蕩。

圖5 振蕩判定及多輪切機流程

圖6 切除部分風場后網內其余線路振蕩情況

自次同步振蕩穩定控制裝置部署實施以來，到目前為止累計動作112次，動作正確率為100%；直流配套火電機組的扭振保護再未動作，保證了區域電網的安全穩定運行。

3 結論

本文以特殊復雜的哈密地區電網為背景，分析了大規模新能源并網系統的次/超同步振蕩現象在監控、告警和穩定控制系統存在的問題，提出了改進方法和優化方案。新疆電網最終建成的含有“監測三道防線”、“告警兩個平臺”的監測-告警系統以及含有“穩控三道防線”的控制系統，能對振蕩進行實時監控、及時告警并進行快速抑制，以保證電網的穩定運行。

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Research on sub/super-synchronous oscillation detecting, alarming and control technology used in the new energy pooling area

Chen Jun1Wang Chen2Nan Dongliang2Feng Xiaoping3Zhang Lu2

(1. State Grid Tulufan Electric Power Supply Company, Urumqi 830011; 2. Xinjiang Electric Power Dispatching and Communication Center, Urumqi 830011; 3. State Grid Electric Power Research Institute of Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830011)

Hami Area of Xinjiang is the sending terminal of ±800kV UHVDC transmission system from the Tianshan Station to the Zhongzhou Station. The local grid system is a complex one and facing relatively higher risk of sub/super synchronous oscillation than elsewhere as wind power and photovoltaic power in combination with thermal power are bundled and transmitted from here. In view of the shortcomings of the existing sub/super synchronous oscillation detecting and alarming system in the new energy pooling area of Xinjiang power grid, the improved method and optimized scheme are proposed. Three safeguards and two platforms have been deployed aim to detect and alarm respectively. Aiming at the shortcomings of the existing stability control system, an oscillation positioning method and an improved cutting scheme are proposed, and three lines of defense for the stability control system are established. The improved detecting, alarming and control system can monitor oscillations in real time, alarm in time and suppress as quick as possible, ensuring stable operation of the power grid.

new energy; subsynchronous oscillation; supersynchronous oscillation; detect; alarm; control

2018-03-31

陳 軍（1968-），男，新疆烏魯木齊人，碩士，高級工程師，主要從事電網運行管理工作。