樊 陳，姚建國，常乃超，吳艷平，楊 青，張海東

（1.中國電力科學研究院有限公司，江蘇省 南京市 210003；2.國家電網(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，電力電子設備在電網(wǎng)中得到大規(guī)模應用，向電網(wǎng)注入了大量間諧波和高次諧波信號。當前電網(wǎng)中的測控設備仍然以工頻信號的測量為主，無法支撐間諧波和高次諧波的測量需求。隨著“源-網(wǎng)-荷”環(huán)節(jié)電力電子設備的大規(guī)模接入，電力電子設備之間、電力電子設備與電網(wǎng)之間出現(xiàn)了新型振蕩［1-2］。這類振蕩不涉及發(fā)電機組的機械元件，且隨著以逆變器為代表的電力電子設備的廣泛應用，振蕩發(fā)生得愈加頻繁。文獻［3-9］論述了從6 Hz 到1 810 Hz等一系列寬頻振蕩事件，這些振蕩信號都屬于間諧波的范疇，現(xiàn)有的測量設備難以有效監(jiān)測，迫切需要新的技術手段來應對這一挑戰(zhàn)。

為解決這一問題，文獻［10-12］對寬頻測量技術進行了研究并研制了寬頻測量裝置，通過試點應用驗證了其可行性，并逐步得到了行業(yè)的認同，國內二次設備廠商也研發(fā)了相關裝置。為有效總結寬頻測量技術的研究成果，編寫了《電力系統(tǒng)寬頻測量裝置技術規(guī)范》［13］，為該裝置今后的工程設計、產(chǎn)品研發(fā)、工程應用等提供指導和參考。

由于本標準所涉及測量裝置是行業(yè)內的新設備，與現(xiàn)有自動化測量設備存在顯著的差異，有必要對這一新設備的功能和用途進行解讀，幫助電網(wǎng)和新能源發(fā)電廠等用戶進一步了解這一新設備，并指導其工程應用。對寬頻測量技術有一定了解的用戶，也對標準中寬頻測量裝置一些功能和性能的指標存在疑惑，有必要對制定過程中的相關考慮進行詮釋，增進其對標準的理解。而大量遇到寬頻振蕩事件的用戶，則更加關心寬頻測量裝置的工程部署及應用。針對上述不同的訴求，本文從寬頻測量的內涵、裝置功能、裝置性能、工程應用和存在的問題等方面對標準進行解讀和分析，對相關技術問題和指標制定的思路進行闡述，對寬頻測量裝置工程應用的實施方案進行討論，希望為用戶和相關人員提供有益參考，有利于推動寬頻測量裝置的廣泛應用，為新型電力系統(tǒng)提供新的監(jiān)測手段。

1 寬頻測量的內涵

1.1 寬頻測量的提出

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

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

為有效應對新的監(jiān)測需求，行業(yè)內嘗試對PMU進行升級改造，文獻［17-18］討論了基于基波相量實現(xiàn)間諧波測量的算法，并驗證了應用于100 Hz 以內的次/超同步振蕩監(jiān)測的可行性。國家電網(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)測功能要求，但是僅要求PMU 支持10～40 Hz 和60～90 Hz 范圍內的次/超同步振蕩監(jiān)測［19］，無法涵蓋10 Hz 以下的次同步振蕩信號和90 Hz 以上的高頻振蕩信號，如西北電網(wǎng)曾監(jiān)測到110 Hz 振蕩信號，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，這些問題使得即使對PMU 進行升級也仍然無法從根本上解決寬頻振蕩監(jiān)測問題，迫切需要新的監(jiān)測手段，寬頻測量裝置的概念由此提出。

1.2 寬頻測量裝置的功能定位

寬頻測量裝置的整體定位最初是為現(xiàn)有自動化測量設備提供有益補充，彌補現(xiàn)有測量技術的缺陷，為未來電網(wǎng)的數(shù)據(jù)測量提供新的技術手段。

隨著寬頻測量裝置在工程中試點應用，寬頻測量裝置的功能定位逐步發(fā)生了改變。寬頻測量裝置在應對寬頻測量信號的處理機制中采用了低頻、工頻和高頻信號分類處理的方式，尤其是工頻信號的處理流程，與PMU 完全相同，許多用戶提出了寬頻測量裝置集成PMU 功能的建議。這一集成考慮到無論是技術層面還是實際研制層面都易于實現(xiàn)，現(xiàn)階段寬頻測量裝置的設計已經(jīng)按照兼容PMU 的功能來統(tǒng)一考慮，且國內各制造商也按照此方式研制了樣機并進行了工程應用。此次標準編制就采納了工程應用的新成果，明確了寬頻測量裝置兼容PMU功能。這一模式不僅能夠滿足當前工程應用的需求，而且也可應對未來電力電子化電網(wǎng)的測量需求，同時還能夠有效簡化系統(tǒng)架構、減少全站設備數(shù)量。

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

1.3 寬頻測量的定義

寬頻測量的全稱為寬帶多頻信號測量，其內涵為實現(xiàn)寬頻域或者寬頻帶范圍信號的統(tǒng)一測量。由于寬頻測量技術為新提出的技術理念和思路，國內外對此暫無明確的定義，為推進標準的理解和應用，在標準中對寬頻測量進行了定義，即以不低于12.8 kHz 高速采樣為基礎，實現(xiàn)電網(wǎng)0～2 500 Hz 范圍內基波、諧波和間諧波信號的統(tǒng)一測量。

雖然寬頻測量是寬帶多頻信號測量的縮寫詞，但為方便表述，將其英文名稱翻譯為“widefrequency measurement”，對于寬頻振蕩則直接采用“wide-frequency oscillation”，意在表述振蕩信號呈現(xiàn)寬頻域范圍分布的特點，如此可兼顧信號分布范圍廣和多個信號廣泛分布的含義。對于寬頻信號的測量，國外暫無相關表述，但針對相關的寬頻域振蕩，也 出 現(xiàn) 了 “wide-band oscillation”和“multifrequency oscillation”兩種術語［20-21］。前者強調“寬帶”，無法體現(xiàn)信號分布范圍廣、頻率信號多的特點，例如1 780 Hz 的間諧波信號具有寬頻帶特征，但是對電網(wǎng)中還同時存在的其他頻率信號無法體現(xiàn)。后者雖然體現(xiàn)了寬頻測量中存在基波、間諧波和高次諧波等多個頻率信號的特點，但是卻沒有體現(xiàn)信號頻率分布范圍廣的特點，例如即使10～11 Hz 之間，也會呈現(xiàn)多個間諧波信號，但是卻沒有體現(xiàn)出0～2 500 Hz 這一較廣的分布范圍。

2 寬頻測量裝置功能

2.1 采樣頻率

高頻采樣是寬頻測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自動化的4 kHz 和用于電能質量、計量的12.8 kHz，且都有較為成熟的應用?？紤]到當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］，且隨著未來新型電力系統(tǒng)發(fā)展建設，電力電子設備大規(guī)模應用導致高頻信號日益增加，選擇12.8 kHz 采樣頻率在理論上可以滿足127 次諧波范圍內信號的測量需求，不僅能夠有效兼容當前保護自動化領域所有的采樣測量需求，同時也能夠應對未來高頻采樣的挑戰(zhàn)。

在標準制定中，也有制造商提出了采樣頻率不低于4 kHz 的建議，認為當前智能變電站測控裝置和PMU 都是4 kHz 采樣頻率，基于現(xiàn)有裝置硬件平臺升級也可實現(xiàn)40 次諧波范圍內寬頻信號的測量，同時也可滿足當前37 次諧波高頻振蕩的監(jiān)測要求。這一方式在技術上也可行，其相比現(xiàn)有標準僅僅是寬頻測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出現(xiàn)4 kHz、5 kHz等多種采樣頻率，不利于今后工程標準化推廣應用。此外，這一方式也僅僅是臨時應對方案，無法從根本上應對未來電力電子化電網(wǎng)寬頻域測量的挑戰(zhàn)。寬頻測量技術提出的初衷一方面是要應對寬頻域測量的需求，另一方面，是盡量實現(xiàn)廠站內同源信號一次采集滿足各類不同業(yè)務的需求，避免當前按照不同業(yè)務重復采集的問題。因此，在標準制定時將采樣頻率統(tǒng)一到12.8 kHz。

寬頻測量裝置的采樣優(yōu)先考慮常規(guī)互感器模擬量采樣。實際上，電子式互感器更適合高頻率信號的采集測量，但受限于其自身穩(wěn)定性的一系列問題，行業(yè)內對其推廣應用持保留意見，故本標準中明確宜采用常規(guī)互感器模擬量采樣。此外，當前絕大多數(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用，也優(yōu)先推薦模擬量采樣，但標準并未否定數(shù)字化采樣方式，這為其今后的工程應用預留了空間。

2.2 寬頻信號測量

寬頻信號測量是寬頻測量裝置最為突出的功能。對于寬頻信號具體測量范圍，目前僅要求覆蓋到50 次諧波范圍以內即可。這一測量要求與12.8 kHz采樣頻率能夠覆蓋的127 次諧波測量能力存在差異，之所以如此設置，主要是考慮到當前工程的實際現(xiàn)狀，即2 500 Hz 范圍以內的測量結果就完全能夠滿足電網(wǎng)的監(jiān)測需求，而且也更加符合工程實際，有利于減輕寬頻測量裝置的處理、展示和存儲壓力。今后如果需要提升測量范圍，僅需通過標準修訂即可調整，而且裝置設備硬件無須改動，通過裝置軟件升級即可實現(xiàn)。

對于間諧波信號的測量，明確了100 Hz 范圍內2.5～45 Hz、55～100 Hz 范圍間諧波電壓、電流的測量要求，這一范圍不包含45～55 Hz 工頻帶范圍內基波信號的測量。而對于2.5 Hz 以下的間諧波信號、0.1～2.5 Hz 范圍低頻振蕩信號會通過功率振蕩來監(jiān)測，這是考慮到眾多制造商仍然希望沿用改進后的PMU 來間接實現(xiàn)100 Hz 以下間諧波信號的測量，故標準在此進行了折中考慮，將2.5 Hz 作為間諧波電壓和間諧波電流直接測量的邊界。

對于100～2 500 Hz 范圍的信號測量，諧波仍然可以基于快速傅里葉算法計算獲得，在此不做贅述，這一范圍信號測量的關鍵在于間諧波。由于電網(wǎng)外部特性復雜多變，間諧波信號的頻率范圍較廣，具體的頻率也不確定，這就要求寬頻測量裝置具有較強的適應性，能夠實現(xiàn)各類情況下間諧波信號的準確測量。本標準建議采用能量聚合的方式，這一方法類似GBT 17626.7—2017 《電磁兼容試驗和測量技術 供電系統(tǒng)及所連設備諧波、間諧波的測量和測量儀器導則》中諧波子群的方式［22］。不過，這一標準是將諧波周邊的間諧波聚合到諧波頻段，而本標準具體是將周邊的間諧波信號聚合到一個固定的間諧波頻段，例如將1 500～1 550 Hz 范圍內所有間諧波信號聚合到1 525 Hz 上，如此可以減少各個頻段信號的補償計算，減少裝置的數(shù)據(jù)處理量。此種情況下，0～2 500 Hz 范圍內聚合后的間諧波就僅有50 個值，即25、75、…、2 525 Hz 等。從實際工程應用來看，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 的分辨率對所有信號進行展示，那么2 500 Hz 范圍內除了50 個諧波量，還會有近2 450 個間諧波量需要展示，聚合的方式可有效減少數(shù)據(jù)展示和存儲的壓力。100～2 500 Hz頻段采用聚合方式后，在實際現(xiàn)場中也發(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可行的。當然，這種方式是一種較為簡化和粗略的監(jiān)測方法，對于大量間諧波幅值為0 或者接近0 的場景效果顯著，但對于真實的振蕩事件，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 就會有較大的幅值，無法準確監(jiān)測振蕩的真實頻率和幅值，有必要對振蕩信號進行更加精準的測量，而這就需要寬頻振蕩監(jiān)測功能。

2.3 寬頻振蕩監(jiān)測

寬頻振蕩監(jiān)測是對前述2.2 節(jié)寬頻測量功能的補充和完善，有別于寬頻測量功能中間諧波采用能量聚合方式所進行的測量，是對一定范圍內間諧波信號測量的精細化測量，而這也是寬頻測量裝置區(qū)別于現(xiàn)有測量設備最為突出的特征之一。對于寬頻振蕩信號的準確測量，文獻［12］已有相關論述。無論是低頻振蕩、次/超同步振蕩還是高次諧波振蕩，從信號監(jiān)測的角度看并無不同，僅僅是振蕩頻率存在差異而已。為與現(xiàn)有振蕩監(jiān)測功能兼容，標準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 部 分。

低頻振蕩監(jiān)測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，同時也排除了95～100 Hz之間容易受影響的區(qū)間。而對于更高頻率范圍的寬頻振蕩，現(xiàn)階段僅涵蓋100～300 Hz 范圍。之所以在標準中限定在300 Hz，主要是依據(jù)文獻［3］所提及的5～300 Hz 頻段振蕩論述。標準在制定過程中對此也有深入的討論，擴大振蕩監(jiān)測的頻率范圍固然可行，但監(jiān)測上界無論是提高到400 Hz 還是600 Hz 都缺乏相關依據(jù)。此外，當前工程中遇到的絕大多數(shù)振蕩都在300 Hz 范圍以內，而實際風電廠等遇到的更多的是100 Hz 左右的超同步振蕩。因此，綜合文獻論述和當前的工程實際，將寬頻振蕩實時監(jiān)測的范圍設置在了300 Hz 以內，后續(xù)如果有更高振蕩頻率監(jiān)測的需求，對標準進行修訂即可。

2.4 信息傳輸

國際上，PMU 對外傳輸主要遵循IEEE C37.118.2［23］，國內也基于此制定了國家標準GB/T 26865.2［24］，用 于 指 導PMU 基 波 相 量 的 對 外 傳 輸。由于寬頻測量裝置測量的數(shù)據(jù)涵蓋基波、間諧波和諧波測量數(shù)據(jù)，GB/T 26865.2 標準僅針對基波信號，無法支撐間諧波、諧波的傳輸，因此需要新的傳輸標準?？紤]到廠站與調度主站之間信息交互的現(xiàn)有情況，基于GB/T 26865.2 標準進行擴展實現(xiàn)寬頻測量數(shù)據(jù)的傳輸是較為可行的方案。因此，標準在附錄中明確了數(shù)據(jù)傳輸方案，以實現(xiàn)電網(wǎng)基波、間諧波和諧波的統(tǒng)一規(guī)范傳輸。

寬頻測量數(shù)據(jù)采用基于工頻幀分時傳輸?shù)姆绞剑浔举|是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸機制上進行優(yōu)化，對基波相量在每秒內傳輸?shù)膸瑪?shù)（如100 幀/s）進行擴展，在每一幀報文內傳輸不同的諧波/間諧波數(shù)據(jù)，如此交替?zhèn)鬏斂蓪崿F(xiàn)間諧波、諧波的有效傳輸。具體傳輸機制見圖1。

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

圖1 是諧波數(shù)據(jù)傳輸時序的示意圖。綜合考慮了100 幀/s、50 幀/s、25 幀/s 時諧波信息傳輸完整性的要求，故對于諧波實時數(shù)據(jù)的傳輸采用特別設計的傳輸時序，按照上述傳輸時序，第n次諧波所在數(shù)據(jù)幀的時間戳Tn計算公式如下。

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；%表示取余運算。

對于間諧波數(shù)據(jù)，寬頻測量裝置主要傳輸20 個主導分量，其中，第1～10 主導分量用于傳輸100 Hz頻段內的間諧波數(shù)據(jù)，第11～20 主導分量用于傳輸100～2 500 Hz 頻段內間諧波數(shù)據(jù)。第1～10 的主導分量是將100 Hz 范圍內所有監(jiān)測的間諧波按照幅值大小進行排序，選擇最大的10 個間諧波依次傳輸；第11～20 主導分量同樣如此，也是將100～2 500 Hz 監(jiān)測的間諧波按照幅值大小依次排序，選擇幅值最大的10 個間諧波測量值作為第11～20 主導分量。各主導分量對應的標號與諧波的標號一致，即第1 主導分量連同基波數(shù)據(jù)一并傳輸，第2 主導分量與2 次諧波一并傳輸，并依次類推，如此可以通過PMU 報文的擴展，在1 s 內實現(xiàn)諧波、間諧波的完整傳輸。

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

當然，這一傳輸方式是考慮到當前工程實施的便利性所設計。實際上，在穩(wěn)態(tài)情況下，如果電網(wǎng)無振蕩發(fā)生時，這些間諧波和諧波測量數(shù)據(jù)對主站作用有限，也不需要實時上傳，僅需要傳輸一些分析結果或者待主站召喚查詢時傳輸相應數(shù)據(jù)即可。因此，建議考慮主子站協(xié)同互動的方式來進行信息傳輸，即穩(wěn)態(tài)下僅傳輸分析結果，異常狀態(tài)下，如發(fā)生振蕩時再實時傳輸監(jiān)測數(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)存儲的壓力。隨著寬頻測量裝置廣泛部署應用后，這一方式將會是今后的發(fā)展方向。

2.5 數(shù)據(jù)錄波

寬頻測量裝置的數(shù)據(jù)錄波功能包含事件觸發(fā)錄波和長錄波兩種。對于事件觸發(fā)錄波，寬頻測量裝置已完全兼容PMU 功能，因此寬頻測量裝置具備PMU 裝置所具有的頻率越限等擾動記錄功能。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)進行連續(xù)錄波，以彌補當前振蕩監(jiān)測告警存在的缺陷。現(xiàn)階段振蕩告警閾值的設置原則和設置方法缺乏相關標準，如果閾值設置不合理，就會出現(xiàn)振蕩事件遺漏或振蕩頻繁告警的問題?？紤]到行業(yè)內對電力電子化電網(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)場各類事件的錄波數(shù)據(jù)來進行驗證和研究，故增加了此功能。待對電力電子化電網(wǎng)運行特性有較為深入的認知后，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，兩者互為補充。

2.6 其他功能

寬頻測量裝置類似測控和PMU 裝置，也支持同步對時功能，優(yōu)先支持IRIG-B 對時，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間準確性。

3 裝置性能

3.1 間諧波測量精度

寬頻測量數(shù)據(jù)涉及基波、間諧波和諧波。對于基波的測量精度，仍然遵循現(xiàn)有的PMU 標準規(guī)范。而對于間諧波和諧波實時測量的精度，行業(yè)內暫無針對性的標準，僅文獻［22］對其有一定的要求，但這是從電能質量監(jiān)測角度提出的，并不能與今后電力電子電網(wǎng)間諧波信號實時測量的需求相匹配?？紤]到重新制定新的間諧波測量精度標準缺乏相應的理論依據(jù)，因此標準中對間諧波測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、電流測量值，Unom、Inom分別為設備電壓、電流標稱值，也可按額定值考慮。

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

3.2 振蕩監(jiān)測與辨識

本標準中對低頻振蕩、次/超同步振蕩和寬頻振蕩的測量精度要求進行了明確規(guī)定。

1）低頻振蕩

低頻振蕩頻率監(jiān)測范圍明確為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預設門檻并持續(xù)設定的時間后觸發(fā)振蕩告警。標準中對低頻振蕩頻率和幅值的測量精度暫未明確，主要原因也是缺乏相關標準依據(jù)。而對于具體峰峰值和持續(xù)的時間并未明確，具體的門檻值由用戶自行設置，如10 MW，持續(xù)時間10～20 s 等，但這一工程經(jīng)驗值沒有充分考慮不同電壓等級、不同并網(wǎng)容量的差異。

2）次/超同步振蕩

標準中將次/超同步振蕩的頻率監(jiān)測范圍明確為2.5～45 Hz 和55～95 Hz，且明確次/超同步振蕩監(jiān)測采用瞬時功率或電流計算時，頻率測量誤差不大于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50 Hz 以下的次同步振蕩，但實際上對于55 Hz 以上的超同步振蕩也是可以間接監(jiān)測的，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展現(xiàn)，因而可以間接測量超同步振蕩，但是無法區(qū)分具體的振蕩頻率。例如，對于25 Hz 的功率振蕩，WAMS無法區(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。標準中將超同步振蕩頻率監(jiān)測范圍調整為55～95 Hz，一個主要的原因就是為了兼顧功率和電流兩個判據(jù)。功率振蕩的邊界設置為95 Hz 就是考慮到次同步振蕩電流在45 Hz 邊界時，其功率的邊界就是95 Hz；同樣，當直接采用電流作為判據(jù)時，PMU 數(shù)據(jù)在最大100 幀/s 傳輸下，96 Hz 的間諧波電流信號混疊到46 Hz 工頻帶范圍，會導致PMU 無法將其區(qū)分，因此需要將其去除，這主要是為了兼顧當前基于PMU測量數(shù)據(jù)進行次/超同步振蕩辨識的訴求。但若采用間諧波信號直接測量的方式，95～100 Hz 也可以準確監(jiān)測，寬頻測量裝置就可以實現(xiàn)這一點?？紤]到眾多制造商仍然以PMU 工頻測量的方式來實現(xiàn)，故此處做了取舍，在一定程度上減少了監(jiān)測的范圍，目的是兼顧無法部署新的寬頻測量裝置的情況，現(xiàn)場運行的PMU 可以通過升級來實現(xiàn)部分寬頻振蕩監(jiān)測功能。

此外，標準中也明確了振蕩信號的判定方法，優(yōu)先采用次/超同步振蕩的主導分量或者等效值作為越限的監(jiān)測量，當瞬時功率或者電流的次/超同步振蕩幅值超過預設門檻并持續(xù)設置的時間后啟動振蕩告警，但具體的門檻值和持續(xù)的時間仍然是由用戶自行設定。

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。之所以將其單獨列出，主要是考慮到行業(yè)內對這兩類振蕩頻率的范圍已經(jīng)有相對清晰的界定，便于理解。而對于更高頻率范圍的振蕩，標準中通過頻率范圍進行了限定，這也為今后更高頻率振蕩的監(jiān)測預留了空間。

標準中明確了100～300 Hz 寬頻振蕩頻率測量的誤差不大于1 Hz，且宜采用寬頻振蕩的功率或電流作為告警判據(jù)，瞬時功率振蕩幅值超過預設門檻并持續(xù)設定的時間后進行振蕩告警。所有振蕩的告警預警、持續(xù)時間都可以靈活設置，類似保護的整定值。

本標準對振蕩頻率和幅值測量精度的要求并不高，一方面是因為寬頻振蕩在裝置層面實時測量屬于新的要求，國內外暫無可參照的相關標準；另一方面由于各制造商研發(fā)思路不同，測量精度也存在差異，考慮到在行業(yè)內首次制定寬頻測量裝置的標準，在指標的制定上充分考慮了各方面的需求，故此次制定的標準相對較低，隨著今后研究和工程應用的深入，各項指標可再進行修訂和完善。

3.3 錄波文件存儲

寬頻測量裝置具有事件觸發(fā)錄波和連續(xù)錄波兩種功能，這兩類錄波功能設置初衷文獻［8］已有論述?，F(xiàn)階段，因為振蕩告警閾值設置依據(jù)的缺乏，連續(xù)錄波是事件觸發(fā)錄波的有益補充。對于觸發(fā)錄波，標準要求支持事件告警、人工觸發(fā)及遠程觸發(fā)3 種方式。事件觸發(fā)錄波采樣率不應低于12.8 kHz，告警信號持續(xù)存在的情況下錄波時間不小于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)對應的動作報告，包括觸發(fā)事件及時間、觸發(fā)時刻各間隔告警量幅值及頻率等內容。

連續(xù)錄波要求支持不少于72 h 連續(xù)記錄，宜每分鐘形成一個錄波文件，方便后續(xù)的查詢和調閱。標準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)錄波時可以進行抽點存儲，之所以如此規(guī)定主要是考慮到不同制造商裝置存儲空間的差異。如果裝置存儲空間足夠，按照原始高頻采樣數(shù)據(jù)進行連續(xù)錄波最為合適。

4 寬頻測量裝置的工程應用

4.1 總體方案

為有效促進寬頻測量裝置的工程應用，在標準中給出了寬頻測量應用的總體方案。該方案涉及整個寬頻測量系統(tǒng)，由廠站端寬頻測量裝置、寬頻測量處理單元和主站端的寬頻測量主站組成，具體架構如圖2 所示。

圖2 寬頻測量系統(tǒng)結構Fig.2 Structure of wide-frequency measurement system

廠站端主要包括寬頻測量裝置和寬頻測量處理單元。其中，寬頻測量裝置接入廠站中多個電氣間隔的電氣量，廠站內可部署多臺；寬頻測量處理單元則接入全站所有寬頻測量裝置的實時數(shù)據(jù)，就地化存儲、分析，同時實現(xiàn)對調度主站的數(shù)據(jù)傳輸，同時兼容了PDC（phasor data concentrator）裝置功能，為寬頻測量數(shù)據(jù)的廠站端處理分析和對外傳輸提供支撐。

寬頻測量主站是基于調度系統(tǒng)獨立部署的寬頻測量主站系統(tǒng)，既可單獨部署，也可作為一個高級應用功能模塊融入調度主站系統(tǒng)，類似當前WAMS功能模塊。此方式下，該模塊與WAMS 模塊獨立運行。

4.2 典型工程配置

現(xiàn)場部署時，寬頻測量裝置接入各個電氣間隔三相電壓和三相電流，其外部接線方式和測控裝置、PMU 完全相同，本標準中要求單臺寬頻測量裝置能夠接入的電氣間隔不少于2 個，并給出了1～2 個間隔的基礎配置和4～6 個間隔的典型配置，用來滿足不同工程應用的需求。之所以如此考慮，主要是因為接入間隔的數(shù)量越多，其所配置的模擬采樣插件也越多。而對于寬頻測量處理單元，則每個廠站至少應部署1 臺，220 kV 及以上電壓等級的廠站宜部署2 臺，以提升可靠性。

在具體工程部署時，可選擇新增寬頻測量屏柜部署，也可在現(xiàn)場的測控裝置屏柜進行部署，方便具體工程實施。前者部署獨立的屏柜，安裝寬頻測量裝置和寬頻處理單元；后者則是利用現(xiàn)場所監(jiān)測間隔的測控屏柜空間，在其中安裝寬頻測量裝置和寬頻處理單元。目前兩種方式在實際工程中都有廣泛應用。

4.3 應用場景

1）新能源廠站

考慮到現(xiàn)有風電、光伏、儲能等新能源廠站的測量以工頻信號為主，缺乏對包含振蕩在內的間諧波信號的測量，寬頻測量裝置可廣泛部署于新能源廠站。具體部署時可結合實際的需求，優(yōu)先在新能源廠站內的并網(wǎng)點進行監(jiān)測，同時也可在新能源匯集站進行部署，實現(xiàn)對各接入的風電廠的全面監(jiān)測。GB/T 19963.1—2021《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定第1 部分：陸上風電》也明確了“對于接入220 kV及以上電壓等級的風電場應部署PMU 設備，必要時應根據(jù)電力系統(tǒng)實際需求在風電匯集站加裝寬頻測量系統(tǒng)”［25］，這為其在新能源領域的應用提供了支撐。

2）新能源并網(wǎng)接入的各電壓等級變電站

變電站內接入的新能源間隔是寬頻測量裝置部署的重點。無論是對于儲能接入的10 kV 電壓等級，還是光伏、風電并網(wǎng)接入的35 kV、110 kV 乃至220 kV 及以上電壓等級，這些外部新能源并網(wǎng)接入的間隔是變電站內重點監(jiān)測對象。因為從振蕩溯源及傳播來看，這些新能源并網(wǎng)接入是潛在的風險點，有必要對其進行實時監(jiān)測，為次/超同步振蕩以及寬頻振蕩的監(jiān)測與抑制提供支撐，而這也符合GB 38755—2019《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》國家標準中“存在次同步振蕩或超同步振蕩風險的新能源場站及送出工程，應采取抑制和監(jiān)測措施”的規(guī)定［26］。目前，寬頻測量裝置已在華東、華北等電網(wǎng)百余座變電站部署應用，在實際運行中發(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)的快速響應和及時應對提供了支撐。

3）高比例電力電子化負荷接入的變電站

一些110 kV 或220 kV 高電壓等級的變電站連接牽引變電站、冶煉企業(yè)以及電力電子負荷，這些電氣間隔也可優(yōu)先部署寬頻測量裝置，實現(xiàn)對間諧波和諧波的監(jiān)測。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量裝置，可以清楚監(jiān)測到高鐵進入牽引線路供電區(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)有的測量設備無法對其進行實時監(jiān)測，而寬頻測量裝置12.8 kHz的采樣頻率可有效實現(xiàn)中高頻振蕩的實時監(jiān)測。文獻［27］基于寬頻測量裝置，對超高壓變電站附近某發(fā)電廠500 kV 母線電壓偽振蕩問題進行了分析。該500 kV 母線電壓測量值異常波動，波動區(qū)間約501～518 kV，幅度達到20 kV 左右，經(jīng)過寬頻測量裝置實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場存在較大幅值的35 次和37 次諧波，而該火電廠早期投運的測控裝置采樣頻率只有1 800 Hz，導致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，這個工程案例驗證了寬頻測量裝置的應用效果。

5）傳統(tǒng)PMU 的替換和升級改造

寬頻測量裝置已經(jīng)集成了PMU 功能，而寬頻測量處理單元也集成了PDC 的全部功能。因此，實際工程中，新建變電站的PMU 和PDC 可考慮全部替換為寬頻測量裝置和寬頻測量數(shù)據(jù)處理單元。而對于面臨改造升級的變電站，也可考慮將原有PMU和PDC 升級為寬頻測量裝置和寬頻測量處理單元。這樣既能完全兼容PMU 的所有功能，也能有效應對各類間諧波、高次諧波的測量需求，尤其是能夠實時監(jiān)測寬頻振蕩，可為電網(wǎng)的運行監(jiān)測提供有力支撐。目前，寬頻測量裝置已在某抽水蓄能電站部署替代PMU 進行工程應用。

4.4 應用展望

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

首先，寬頻測量裝置間諧波實時測量功能可實現(xiàn)電力電子化電網(wǎng)寬頻振蕩的實時監(jiān)測，在寬頻測量裝置廣泛部署的基礎上可為振蕩源的定位提供有力支撐。同時，基于間諧波的實時監(jiān)測，可實時監(jiān)測振蕩從發(fā)生、放大、告警的全過程，而這也為振蕩預警提供了技術手段，將有力推動振蕩事件從被動監(jiān)測向主動預防轉變。

此外，寬頻測量裝置還能夠為電力電子化電網(wǎng)的負荷參數(shù)辨識、轉動慣量在線評估等提供有力支撐。其長錄波功能還能夠為電網(wǎng)的仿真分析提供現(xiàn)場高頻采樣數(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，寬頻測量裝置除了在大電網(wǎng)領域外，在配電網(wǎng)、諧波源定位及電能質量監(jiān)測等其他領域也具有廣闊的應用前景。

5 存在的問題

5.1 間諧波測量精度

寬頻測量裝置是為應對電網(wǎng)電力電子化發(fā)展的挑戰(zhàn)所研發(fā)的新型測量裝置，其關鍵的技術指標國內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用驗證。尤其是間諧波電壓、電流測量的精度問題，如果仍然遵循電能質量相關標準顯然無法滿足今后電力電子化電網(wǎng)寬頻域范圍內振蕩信號精準測量需求，迫切需要制定新的標準。此外，對于間諧波信號，尤其是振蕩信號的幅值和相位的測量精度也缺乏相應的規(guī)定，這是今后需要重點研究和解決的問題。

5.2 寬頻振蕩告警閾值

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

5.3 寬頻振蕩統(tǒng)一實時監(jiān)測

現(xiàn)階段寬頻振蕩監(jiān)測限定在300 Hz 以內，隨著振蕩頻率范圍的提升，實現(xiàn)0～2 500 Hz 范圍的寬頻振蕩監(jiān)測將是今后面對的挑戰(zhàn)，如此寬范圍、多振蕩頻率信號的精準監(jiān)測對振蕩算法、監(jiān)測機制及裝置的硬件都提出了挑戰(zhàn)，而這也是今后需要進一步改進完善的問題。

6 結語

隨著以構建新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的目標的提出，以逆變器為代表的大量電力電子設備將會在電網(wǎng)中廣泛應用，其呈現(xiàn)的非工頻特性將日益凸顯。本標準所規(guī)范的寬頻測量裝置為電力電子化電網(wǎng)寬頻特性的運行監(jiān)測提供了全新的技術手段，尤其是寬頻測量裝置所具有的寬頻振蕩監(jiān)測功能，能夠在保障電網(wǎng)安全的前提下，有效推進新能源大規(guī)模并網(wǎng)接入，為新型電力系統(tǒng)的發(fā)展建設提供了有力支撐。后續(xù)將進一步開展該設備行業(yè)標準和國家標準的制定工作，逐步建立未來新型電力系統(tǒng)的寬頻測量體系，以有效應對以電力電子設備為主體電網(wǎng)的運行監(jiān)測需求。同時，將進一步完善間諧波測量精度算法研究，制定間諧波實時測量精度的指標標準；進一步開展振蕩告警閾值、振蕩判定依據(jù)等方面的研究工作，為寬頻振蕩實時監(jiān)測提供支撐，推動寬頻測量裝置在更多領域的應用，有力支撐新型電力系統(tǒng)的發(fā)展建設。