新能源汇集地区次/超同步振荡监测告警及控制系统研究
国网新疆电力有限公司吐鲁番供电公司、国网新疆电力有限公司电力科学研究院、国网新疆电力有限公司电力调度控制中心的研究人员陈军、王琛等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，天中±800kV特高压直流送端（新疆哈密地区）是风、光、火打捆经直流送出的复杂系统，存在较高的次/超同步振荡的风险。
针对新疆电网新能源汇集地区次/超同步振荡现有监测告警系统不足之处，提出了改进方法和优化方案，建立了监测系统三道防线和告警系统两个平台；针对现有稳控系统不足之处，提出了振荡定位方法和改进切机方案，建立了稳控系统三道防线。改进后的监测告警及控制体系能对振荡进行实时监控、及时告警并进行快速抑制，提高了电网运行可靠性。
新疆蕴藏着丰富的风能和太阳能资源，是我国重要的新能源并网基地。为了更好消纳清洁能源，现已投运我国首个风火打捆外送的±800kV特高压输电通道；±1100kV特高压直流外送通道也正在加紧建设。随着更多清洁能源的并网及更多输电通道的建成，维持含多直流送端，且渗透率高、运营范围广的新疆电网稳定运行的工作正面临着愈来愈大的压力[1]。
2015年7月以来，新疆哈密地区电网内屡次监测到次/超同步振荡信号。综合多方数据后的离线分析表明，不同于振荡频率相对固定且传播范围相对较小的传统电源的电力系统次同步振荡，含规模化新能源电源的电力系统发生的次/超同步振荡传播距离远，横跨多电压等级，且振荡频率时变。这一复杂振荡对传统的监测、分析、保护与控制方法造成了挑战[2-3]。
加强电网侧次/超同步振荡信号监测，构建次/超同步振荡监测系统，广泛收集、仔细分析现场运行数据，对研究振荡机理及抑制方案，对保障特高压直流安全稳定运行、疆电可靠外送具有重要意义。
1 监测告警体系
电网广域监测系统（wide area measurement system, WAMS）采用同步相量测量技术，通过布局于全网关键测点的同步相量测量单元（phasor measurement unit, PMU），实现在全网范围内对工频基波下的电流/电压幅值、电流/电压相角、有功/无功功率等主要电气量的实时采集[4-5]。
虽然PMU已广泛应用于新疆电网，但将该设备用于次/超同步振荡监测时会出现一系列问题。为了加强对次/超同步振荡信号的监测，给后期准确定位振荡源头和摸索振荡传输路径做准备，针对原有设备存在的不足之处，改造了和添置了部分检测设备，改进了监测手段，完成了次/超同步振荡“三道防线”监测体系建设[6-7]。
1.1 现有监测告警设备不足之处
哈密地区220kV及以上变电站、220kV风电汇集站、部分110kV和35kV风电场均已安装PMU，这为基于PMU的次/超同步谐波监测技术开发及应用提供了可能性。但现有设备采用的PMU标准等仅适用于工频场景，在监测次/超同步振荡信号时遇到了一些现实问题，难以准确还原间谐波。
1）频率遗漏问题
按照PMU现有标准，目前投入运行的PMU装置一般只记录电流有效值I、电压有效值U及有功功率平均值P；数字滤波环节采用PMU标准规定的50Hz带通滤波器。带通滤波器配合基于电流电压有效值及有功功率平均值的算法，会将低于35Hz及高于65Hz的谐波分量滤除，导致无法复原完整的间谐波分量原始值，造成了频率的遗漏和数据的缺失。
2）有功功率辨别问题
基于电流电压瞬时采样值相乘的基波算法或单个周期积分算法计算瞬时有功功率时无法反映某些频率功率分量，如30Hz左右的功率振荡分量。
3）幅值调制带来的功率混叠问题
当信号是一对关于工频对称的次同步分量和超同步分量时，如工频为f0条件下存在频率为fa的次同步分量和频率为2f0fa的超同步分量，瞬时功率测量值完全相同，仅通过瞬时功率无法区分次同步谐波和超同步谐波。
4）PMU触发录波问题
暂态录波比动态相量数据具有优势：速率不低于1200Hz，Comtrade格式数据带有精确时标。PMU设备具备触发录波功能，但暂态录波功能在电网扰动不够大时无法触发。
上述问题导致现有PMU设备无法满足次/超同步振荡相量准确测量的需要，有必要对既有设备进行技术改造及升级。
1.2 监测设备优化改造
1）添置SMU设备使之满足实时监测需求
针对次/超同步振荡监测问题，国内厂商现已研制出专用次/超同步振荡监测装置（SubSynchronous/ SuperSynchronous Oscillation measurement unit, SMU），用于对次/超同步振荡信号进行实时监控[8]。
为解决频率遗漏问题，SMU设备对电压电流信号进行采样频率为1000Hz的高精度采样，并用数字滤波算法对信号进行处理，进而对次同步频率分量及超同步频率分量进行分别监测。
如图1所示，电气信号经A/D采样后到滤波环节，信号先后经过50Hz带阻滤波、5Hz高通滤波、95Hz低通滤波后，再分别经过10～40Hz带通滤波和60～90Hz带通滤波，得到10～40Hz范围的次同步谐波电流信号、60～90Hz范围的超同步谐波电流，对次同步和超同步电流信号的峰值进行实时计算。
图1 SMU内部用于采样及信号实时处理环节
SMU还从算法上对其他环节进行了提升。如为解决有功功率辨别问题，真实反映有功功率，对采集的信号改用全电流全电压且不进行积分的算法；为解决幅值调制带来的功率混叠问题，在运算时将采集的用幅值和相角表示的复数相量转化为用实部和虚部表示的复数量。SMU设备已经实现了次/超同步电流实时监测的功能。
2）改造既有PMU等设备使之满足离线分析需求
大范围部署SMU现场实施工作量大、施工周期长且费用昂贵。综合考虑监测分析的准确性、工程实施的快速性及费用的合理性，可对现有PMU等装置进行升级改造。另外，考虑到设备造价，对PMU、SMU等的安装需考虑在可观性约束条件下的优化配置，如满足保证关键线路两端节点在N1下可观。
借用暂态高采样率录波功能，为PMU等设备加装长过程录波插件，即可使之具备7×24h不间断高精度录波的能力，满足次/超同步振荡离线分析的 需求。
3）升级WAMS系统
对次/超同步振荡进行监测需要对WAMS相应功能进行升级。为了召唤PMU长录波数据，WAMS增设了PMU长录波上传功能、次同步振荡监控后台功能，WAMS具备存储动态、暂态、长过程录波数据3种功能数据；建立了次同步振荡PMU历史数据库，方便查询、调阅和分析。
1.3 监测系统三道防线的建立
通过对哈密地区部分样板新能源机组加装智能仪表，实现了机组的实时运行数据、录波数据、电能质量的记录。机组运行监测防线初步建立。
对哈密地区新能源汇集场站的PMU装置进行改造升级，使之具备高精度长过程录波功能；完成站内所有出线包括无功补偿间隔电压、电流回路的PMU接入工作；对新能源汇集地区所有动态无功补偿装置SVC、SVG投退信号实施了动态监测。风电场及汇集站的动态无功补偿监测防线初步建成。
在振荡高发地带等关键站场加装了次同步振荡监测装置，对部分既有稳控装置和功率振荡装置增加了次同步振荡监测功能。次同步振荡功率监测防线也已就位。
“三道防线”的建立完善了新能源汇集地区次/超同步监测装置的部署工作，实现了“机组—汇集站—变电站—天中直流—外部电网”数据的完整 监测。
1.4 告警系统两个平台的建立
监测是为了更好地预警，为了后期更好地控制振荡，保障电网稳定运行。告警系统主要由以SMU为主的次同步监测平台和电网广域监测系统（WAMS）监测平台构成。
在监测功能之外，SMU设备还具备告警功能。当次/超同步电流峰值持续超过设定门槛值固定时间后，SMU装置输出次/超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。
WAMS次同步振荡分析模块每隔数秒向SMU子站查询一次超/次同步告警信息。当SMU子站产生次/超同步告警信息时，按照PMU规约将实时告警信息以文件形式经由电力调度数据网上送至WAMS主站，主站以表格、告警信息等形式在D5000平台展示次/超同步告警。
当WAMS主站需更多数据分析次/超同步振荡时，利用部署在主站的召唤工具可将PMU离线长录波数据召唤至主站。后期可利用频谱分析工具及地理图可视化工具对PMU高精度长录波数据进行分析和展示。次/超同步振荡监测告警系统示意图如图2所示。
图2 次/超同步振荡监测告警系统示意图
1.5 监控告警系统效果
监测告警系统对次/超同步振荡信号的监测波形如图3所示。两个平台的建立使广域监测和告警成为可能，为后期稳控系统的构建打下了基础。
2 稳定控制体系
基于现有的稳控系统，结合新能源场站无功补偿控制模式、振荡的判别条件，并依据多维度功率振幅寻优控制策略，构建结合双判据的稳控切机主动稳控体系。
图3 实时监测到的次同步信号和超同步信号
2.1 现有稳控系统不足之处
1）新能源发电场站无功补偿缺乏协调控制
新能源场站动态无功补偿装置（SVC、SVG）装置厂家多、控制策略复杂、安装位置分散，造成动态无功补偿装置（SVC、SVG）性能差异大且缺乏统一协调控制，易引发动态调压过程中的冲突导致电压不稳定问题。
2）切除场站范围过大
目前采用切除新能源发电场站的方式破坏振荡条件以减少网内振荡，但盲目切除过量机组造成巨大的经济损失且容易造成电网电压问题。
2.2 振荡源定位及改进的稳控切机策略
1）基于割集能量法的振荡源定位方法
割集能量法对广域电网进行大区域割集划分，并借助广域测量系统采集到的电气量判断扰动信号流动方向，从而完成对振荡源的定位[9]。
2）基于双判据的振荡认定方法
对于SMU实时分离出的次/超同步振荡信号，可通过计数方法快速确认振荡情况。
对于图4所示波形，可由以下信息确定振荡周期：
图4 振荡周期判定
3）多轮切机策略
汇集满足双判据的振荡数据，并对场站出口线路相对振幅进行排序。第一轮切机时，优先切除相对振幅最大的场站。在第一轮切机效果较差的情况下进行更多轮次切机：优先考虑切除220kV线路连接的相对振幅较大场站；其次切除振幅较大汇集站；最终在全网范围内按比例切除场站。
2.3 稳控系统三道防线的建立
1）稳控系统第一道防线是新能源汇集场站动态无功补偿装置控制防线。对无功补偿装置控制策略等进行调整，必要时针对振荡模态电流进行注入，可在一定程度上抑制次/超同步振荡。
2）稳控系统第二道防线是不结合机组轴系扭振特征频率的次同步振荡控制防线。该防线门槛值较高，可靠性较好。当监测到的联络线功率满足启动判据后，通过振荡幅值和振荡次数判据，分轮切除各振荡风电场。
3）稳控系统第三道防线是结合机组轴系扭振特征频率的次同步振荡控制防线。该防线门槛值低，灵敏性较好，充分防止次同步振荡频率的漏监。当监测到的次同步频率满足直流配套火电机组扭振保护启动频率判据后，通过功率振荡幅值和振荡次数判据，分轮切除各振荡风电场。振荡判定及多轮切机流程如图5所示。
2.4 稳控装置动作效果
在图6中，上图为按轮次切除风场后的联络线振荡情况，中、下图为该地区其余风场联络线振荡情况。可见多轮切机策略能有效平息振荡。
图5 振荡判定及多轮切机流程
图6 切除部分风场后网内其余线路振荡情况
自次同步振荡稳定控制装置部署实施以来，到目前为止累计动作112次，动作正确率为100%；直流配套火电机组的扭振保护再未动作，保证了区域电网的安全稳定运行。
本文以特殊复杂的哈密地区电网为背景，分析了大规模新能源并网系统的次/超同步振荡现象在监控、告警和稳定控制系统存在的问题，提出了改进方法和优化方案。新疆电网最终建成的含有“监测三道防线”、“告警两个平台”的监测-告警系统以及含有“稳控三道防线”的控制系统，能对振荡进行实时监控、及时告警并进行快速抑制，以保证电网的稳定运行。