PMU次同步振荡监测功能的检测方法研究

摘要： PMU因其量测具有同步性与快速性的优势，成为电力系统动态过程监测的重要技术手段。然而，近年来随着新能源集中并网以及高压直流输电工程的大量投运，电力系统逐渐呈现出电力电子化特征，系统机理特征、动态过程发生了改变。其中，新能源场站附近出现的大量间谐波及其大范围的传播已成为严重影响电网安全的一个问题。这对PMU的量测提出了新的要求与挑战。针对这一问题，本文对PMU监测功能进行了挖掘，对风电次同步振荡产生的秒级运行信息进行了分析，提出了PMU装置次同步振荡监测功能扩展方案，完善PMU装置的监测功能，扩充PMU装置在电力系统中的深化，制定了PMU次同步振荡监测功能的检测方案与评估方法，为基于PMU的间谐波准确监测提供了基础。

关键词：相量测量单元；次同步振荡；间谐波；检测方案；动态监测，暂态录波

1引言

近年来,同步相量测量单元(phasor measurement unit，PMU)的广泛安装，推动了基于PMU的电力系统动态安全监视和控制的发展[1-4],例如事故后期分析[5]、低频振荡监测[6-7]、参数辨识[5]等。PMU对基频相量的同步、快速和精确的测量带动了一场动态安全监测和控制的革新[8]。然而, 新能源集中并网以及高压直流输电工程的大量投运,使得越来越多的电力电子设备接入电网。这导致了大量非整数次倍于基频的间谐波的引入,从而改变了基频相量的量测，并可能进一步威胁电力系统的安全。其中，对电力系统极大的威胁包括次同步振荡。从2015年下半年开始，在中国的风力发电和高压直流输电汇集地区发生了多次由间谐波引起的次同步振荡事件[13]。触发了直流配套火电机组的扭振保护动作。

次同步振荡事件的间谐波包括次同步谐波和超同步谐波，其频率范围从10Hz到100Hz。本文提出了PMU需具有次同步振荡监测功能的要求。制定了PMU装置关于次同步振荡监测功能的扩展监测功能，增加了连续录波和暂态录波功能，实现12000Hz采样率连续记录电压、电流原始波形，和检测方案与评估方法，为基于PMU的间谐波准确监测提供了基础。

图1 基于同步相量装置的WAMS系统示意图

Fig.1 A Schematic Diagram of WAMS System Based on Synchronous Phasor 2 现有的PMU装置采集风电次、超同步数据分析

目前， PMU装置的数据采样频率为100Hz，但当被检测信号频率偏离额定频率时，由于采样频率与被检测信号不同步，周期采样信号的相位在始端和终端不连续，会产生频率泄漏，对于主站在接收数据时低于100Hz，存在一个二次抽样的过程，可能会丢失一些信息，导致无法识别出一些存在的频率成分。由于实际电网运行的频率正常情况下均保持在49.9～50.1Hz之间，基本保持在额定频率50Hz左右，即使在频率偏离额定频率50Hz较大(>1Hz)时,也不会偏移较大，但通过对DFT算法进行改进，采用离散傅立叶变换（DFT）计算向量的精度是可以保证,可以消除频率泄漏现象。

现有的PMU装置记录的数据是50Hz基波下的幅值、相角、有功、无功等值，滤除了50Hz以上的高次谐波，PMU装置是以10ms为周期记录数据，上送至WAMS主站数据的周期一般有10ms，20ms，40ms，根据奈奎斯特定律，对于50Hz以下的信号不会产生频率混叠，可以反映出50Hz以下的频率成分，但PMU

动态录波数据经过计算转换，按相关标准一般只记录了电流有效值U、电压有效值I及有功功率的平均值P，且PMU的标准还规定了在数字滤波环节采用了50Hz带通方式，由于U、I有效值及有功功率的平均值算法，已将低于35Hz、大于65Hz的谐波分量几乎全部滤除，因此理论上就不可能再复原电流电压中所含有的低于35Hz、大于65Hz的间谐波分量原始值。存在有遗漏的频率成分，对于风电高低频率成分的数据存在信息缺失的情况。 3 单一和混合间谐波对相量量测的影响

在实际中，输电系统同时存在一些谐波。次同步或超同步谐波会导致混叠成次同步振荡。

图2叠加两个谐波的相量

Fig.2 Superimposed two phonemes of harmonics

图2为叠加额定频率、10%的20 Hz谐波、20%的70 Hz谐波后的幅值和相角。可知主要频率分量包括20 Hz和30 Hz。20 Hz分量由70 Hz谐波导致，30 Hz分量由20 Hz谐波导致。可以通过各自幅值大小区分。特别地，f1 和 f2关于f0对称，φ10 和φ20关于φ0对称，Xm1= Xm2时， 只有幅值调制。 4 PMU装置长过程录波及暂态录波延展功能

通过对次同步、超同步振荡数据的分析，瞬时有功功率值是从电流、电压瞬时采样值相乘运算出来的，而仅仅采用基波的算法或一个周期积分的算法是不能反映30Hz附近有功分量的，用全电流全电压且不进行积分的算法才能真实反映有功功率中30Hz附近的间谐波分量，因此进行有功功率的录波只能采用这种算法。电压与电流的瞬时录波数据是次同步、超同步振荡间谐波分析的基础，为了能准确进行偏离50Hz较大的范围附近的间谐波分析，波形的采样频率至少为600Hz，采用的1200Hz采样频率记录的数据（即每个工频周期采用24点，且不进行频率跟踪），能够很好地做为次同步相关的间谐波分析基础。

同时PMU装置本身又带有具有触发录波功能(主站也可下发录波命令)，可利用PMU的暂态录波数据。按照PMU技术标准，在电网发生大扰动或有开关量变位时，PMU装置应启动暂态录波，录波内容为原始的电压、电流采样值。由于国内PMU装置采用测量级CT，正常负荷下的测量精度高于保护、录波器和稳控装置，因此PMU暂态录波有利于电压、电流信号中的间谐波的精确分析。通常PMU暂态录波速率不低于1.2kHz，因此可有效分析10Hz～200Hz的频率分量。因此，在分析次同步、超同步振荡方面，PMU 暂态录波比PMU动态录波（相量数据）具有优势，能够将三相线路的电压、电流录波数据保存为Comtrade文件，同时Comtrade文件数据带有精确的时标。因此可以通过触发PMU录波，该录波数据能反映电网次同步振荡过程，能计算出某一时刻的三相电压、电流向量，从而进行深入的分析判断风电场汇集地区的次同步、超同步功率振荡的频率成分。由于PMU暂态录波需要启动，在电网扰动不够大时，不产生暂态录波，也存在一个缺陷。

5 对现有的PMU装置改进措施建议

为了准确记录风电汇集地区发生次同步、超同步振荡的数据，解决现有PMU装置中常规动态数据记录信息不完整问题，暂态故障录波数据需要启动录波问题，通过对现有主流PMU装置功能的分析和梳理挖掘，发现南瑞继保公司的PMU装置在PMU装置功能上建立了基于故障保护录波功能原理的长过程录波功能，通过对装置进行改造，加装长过程录波插件，可以实现连续采样值录波功能，实现7天×24小时的不间断录波，从而为电网间谐波分析提供精确、完备的数据源，

通过提高风电汇集地区次同步振荡监测与控制装置的启动灵敏度就可以实现对长过程录波，并可通过对录波数据的随机调用，对风电汇集地区运行数据进行全信息的扫描和分析，从而确定风电次同步振荡频率和幅值覆盖范围。

此外，构建风电汇集地区相关厂站的PMU装置的对时及改造，形成PMU装置信息主站，对风电汇集地区相关厂站的运行数据进行全信息的扫描和分析，不但可以确定风电汇集地区次同步振荡频率的幅值、频带，而且可以确定次同步振荡的传播路径。

6 PMU次同步振荡监测功能检测

次同步振荡事件的间谐波包括次同步谐波和超同步谐波，其频率范围从10Hz到100Hz。如果间谐波没有被消除，会导致基频分量以次同步频率调制，发生次同步振荡。而PMU主要用于测量基频分量，而非间谐波，目前其对谐波的监测功能已不适用。现有两种策略可以处理间谐波。第一种是通过滤波器滤除间谐波，只计算基频相量[15]；第二种是计算基频分量和间谐波叠加后的相量。第二种方法，可通过新的PMU相量测量功能来监视和检测间谐波导致的次同步振荡，以进行相应的控制防止进一步的故障。

本文依据Q/GDW 11202.6-2014 《智能变电站自动化设备检测规范第6部分：同步相量测量装置》，制定了PMU次同步振荡监测功能的检测方案与评估方法，以检验PMU装置是否具有判断次同步谐波监测功能，并能输出告警信息。

PMU装置应具备基于采样数据的次同步振荡监测功能，可将次同步振荡主导分量的幅值、频率上送调度主站。当电力系统发生次同步振荡时，PMU启动采样数据录波，在数据帧的状态字中设置触发标志和原因，发出相应事件告警。次同步振荡频率监视范围为10Hz～40Hz，频率分辨率要求为1Hz；次同步振荡判据为瞬时功率次同步振荡分量超过预设门槛Psso并持续X秒，Psso与X数值可整定。 具体测试环境如图5所示，由时间同步装置为测试仪和PMU装置提供同步时钟信号。由一台可产生间谐波信号的测试仪为PMU装置提供3U/3I输入。通过软件生成Comtrade数据文件，输出电压信号为三相额定电压，在额定三相电流上叠加10%In间谐波信号作为输出电流信号，间谐波频率分别选取10Hz，25Hz，40Hz.，使用测试仪进行波形回放，产生间谐波信号作为PMU装置的信号输入。

图5测试环境示意图

Fig.3 The test environment signal 具体检测步骤如下：

(1)被测PMU装置设置次同步振荡启动门槛值Psso=10%Pn，持续时间设置为10s；

(2)利用软件产生包含间谐波的三相测试信号文件，令功率信号中包含的次同步振荡功率达到11%Pn，功率信号中包含的振荡频率分别为40Hz，25Hz和10Hz； (3)通过测试仪依次进行Comtrade数据回放；

(4)检查PMU计算的次同步振荡频率和幅值是否与注入间谐波信号一致，间谐波频率应为10Hz、25Hz、40Hz，间谐波信号幅值误差≤±1%Pn；

(5)次同步振荡信号持续时间达到10s后，PMU应发出告警，并触发录波。 其中步骤(2)中，功率信号中包含的次同步振荡功率与在输出额定三相电流上叠加的间谐波频率互补，同前文所述相量振荡频率和谐波频率间的转化关系一致。 7 结论

为实现次同步振荡监测功能，PMU采集装置和集中装置分别进行了功能增强。装置软件增加了连续录波功能，可实现1.2kHz 采样率连续记录电压、电流原始波

形，并可以通过增加存储介质容量存储大量数据。扩展数据集中器功能，将PMU 采集装置的暂态录波、连续录波按NFS 协议映射到本地。在新能源汇集区域的PMU装置需扩展次同步振荡监测功能，对装置进行次同步振荡功能的检测。 新能源集中并网以及高压直流输电工程的大量投运导致的间谐波对PMU的量测提出了新的要求与挑战。而PMU现有的功能不能满足对次同步振荡监测的需要，因此本文提出了PMU需具有次同步振荡监测功能的要求。扩展了次同步振荡监测长过程录波和暂态录波功能，制定了PMU次同步振荡监测功能的检测方案与评估方法，为基于PMU的间谐波准确监测提供了基础。 参考文献:

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李渝（1965-），男，新疆，研究生，高级工程师，电力系统分析与控制 常喜强（1976-），男，河南，研究生，高级工程师，电力系统分析与控制