新疆电网次同步振荡控制系统及其测试方法研究

张 路 陈 军 赵 启 南东亮,2 韩连山

新疆电网次同步振荡控制系统及其测试方法研究

张 路1陈 军1赵 启1南东亮1,2韩连山3

（1. 国网新疆电力有限公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011；2. 新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830047；3. 南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

本文针对新疆电网次同步振荡的实际问题，介绍次同步振荡控制系统的实现原理。针对目前次同步振荡控制系统测试难的问题，设计一体化测试主站和一体化测试终端，进而结合北斗卫星授时模块和有线/无线组网方式，提出基于数据回放的一体化调测平台。基于此平台，可在工程现场或实验室内部对次同步振荡控制系统进行同步测试，解决了区域控制系统所涉及的设备较多、地理位置分散的难题，实现了系统级测试。

次同步振荡；一体化调测；信号叠加；同步触发；北斗卫星授时系统

0 引言

随着我国“30·60”双碳目标的制定，电力系统成为实现碳中和最重要的组成部分。目前，我国电力系统中火电占比较高，电力系统结构无法满足双碳目标的发展需求，因此，需构建新型电力系统，提升可再生能源发电占比。新疆是我国风能资源、光伏资源最丰富的地区之一，截至2021年底全网总装机容量突破1亿kW，新能源装机容量突破3 000万kW，占全网总装机容量的35%左右[1-2]。随着我国新型电力系统的快速建设，特高压直流输电系统、风电、光伏等新能源及储能设备大量并网，大量电力电子器件的接入使次同步振荡（sub-synchronous oscillation, SSO）问题越来越突出[3-5]。

研究发现，当前次同步振荡发生的机理和传统次同步振荡的产生机理不同，传统的次同步振荡事故主要是由线路的串联补偿、高压直流输电及汽轮机组的轴系扭振等相互影响造成的[6-7]。然而，随着新能源的大量并网，其产生事故的主要原因是新能源并网控制系统和电网之间相互影响，主要表现为次/超同步为主的振荡问题。随着新疆电网新能源发电的进一步发展，次/超同步振荡风险区域进一步扩大，而且多地区新能源相互耦合造成更大范围、更多场站次同步振荡的风险，可能引发火电机组扭振保护动作、新能源大量脱网等问题，危及设备及电网的安全[8-10]。因此，次同步振荡控制系统在电网中的作用越来越重要。

次同步振荡控制系统通过动态采集全系统电气量信息，动态计算各个新能源场站次同步振荡特征量进行决策，实现对电网次同步振荡的抑制和监视作用，从而达到保障电网及设备安全运行的目的。然而次同步振荡控制装置一旦投入运行，其功能实现涉及的厂站较多，对其进行调试检修一般比较困难。随着新疆电网新能源厂站的持续不断接入，电网结构发生重大变化，原有的次同步振荡控制决策功能不能完全适用于目前的电网运行状况，因此需要对次同步振荡控制装置的软件进行升级测试。目前针对次同步振荡控制系统测试的方法以单体测试为主，缺少一种系统级的全面测试方法，因此次同步振荡控制系统的可信测试已成为现场测试面临的难题。本文介绍次同步振荡控制系统的实现原理，对比现有次同步振荡测试方法，提出一种基于数据回放系统的次同步振荡控制系统测试方法。

1 次同步振荡控制原理

1.1 新能源次同步振荡现象

针对新疆某地区发生100多次无规律的次同步振荡现象进行分析，其呈现的主要特点是振荡区域分布较集中，振荡频率范围较宽，在7～85Hz次同步和超同步之间多个频段范围内，且振荡频率呈动态漂移趋势。自2015年至今，已出现多次次同步振荡问题。如2015年7月，新疆A地区风电出现次同步振荡，振荡频率为30Hz左右；2016年2月，新疆B地区风机增加到一定数量后，系统出现次同步振荡，有功功率振荡频率为26～27Hz；2016年4月，新疆C地区环网投入运行后，系统出现次同步振荡，有功功率振荡频率为24～27Hz。电网发生次同步振荡时的现场录波波形如图1所示。

图1 新疆某地区次同步振荡录波波形

电网系统发生次同步振荡时会造成大面积机组脱网，甚至造成机组损坏[11]。为了解决该问题，新疆电网针对次同步振荡较为突出的地区，开展了次/超同步振荡风险的风机参数优化改造工作，同时安装了次同步振荡控制系统，该系统多次动作，有效解决了新疆电网次同步振荡问题。

1.2 新能源次同步振荡控制系统原理

引发次同步振荡的原因有多种，如网架结构及风机计入方式和规模、风机类型、风机控制模式、风电场静止无功补偿器（static var compensator, SVC）、静止无功发生器（static var generator, SVG）装置类型及控制模式等[12-13]。在次同步振荡期间，明显的特点是次同步功率增加，基于此原理，通过动态比较系统中各新能源场站振荡的频率、幅值，分轮次切除系统中振荡幅值最大的新能源场站，从而达到抑制目的。

次同步振荡控制系统的实现方案如下：实时计算三相瞬时功率的波动幅度，确定各元件的振荡程度；进行站内和多站之间的振幅比较，选择控制对象；通过分轮分级方法，优先切除功率振幅最大的线路，逐步扩大动作范围。

1）次同步振荡控制系统启动判据

次同步振荡控制系统采用功率复合时间启动，当某条线路功率变化满足式（1）三个条件时，装置启动。

式中：k为当前功率；evq为前10s的平均功率；set_qd为装置启动功率定值，不同线路可分别整定；max为一个周期内功率变化的最大值；min为一个周期内功率变化的最小值；min为振荡周期低定值；max为振荡周期高定值。

接入装置的线路中，任一条线的功率变化满足启动条件则全系统装置启动。次同步振荡控制系统的核心判据是新能源振荡幅值及振荡频率的判别。次同步振荡判别方法如图2所示。

图2 次同步振荡判别方法

振荡幅值采用振荡期间相邻两次振荡的最大幅值差作为振荡幅值，两个峰值之间的时间差作为本次振荡的振荡周期。若振荡周期超出设定范围，则本次振荡不纳入累计。确定为一个振荡周期的判别条件如式（2）所示。

2）振荡告警

次同步振荡控制系统中接入装置的任一条线的功率变化满足振荡告警条件则装置告警，其判别条件为

式中：set_gj为装置告警功率定值；set_gj为装置告警振荡次数定值。

3）振荡动作

与告警类似，当满足振荡定值、振荡次数后，次同步振荡控制系统动作出口。

式中：set_dz为装置动作功率定值；set_dz为装置动作振荡次数定值。

在实际处理时，振荡动作的功率定值与次数定值根据振荡频率特征是否满足分成两组，频率特征不满足时振荡也可以动作出口，但是功率定值与次数定值需整定得大一些。次同步振荡控制系统出口动作采用分轮次动作出口，各轮次间通过振荡次数定值实现配合，直到振荡消失或各个轮次动作完毕。

2 次同步振荡控制系统测试方法

2.1 一般测试方法

1）继电保护测试仪

传统的继电保护测试仪（如稳控单装置的专用测试仪、继电保护测试仪）由继电保护装置测试沿用至装置系统的测试，有一定的局限性，一般适用于单装置的测试，无法模拟装置安装点电力系统相互影响的动态过程，较难实现对次同步振荡控制系统内多台装置逻辑功能配合的验证。另外，传统的继电保护测试仪在试验过程中，需要人工设置电压、电流量，不仅不能满足系统测试需求，而且工作量较大。

2）物理动模试验

早期的电网计算机仿真手段匮乏且性能不足，物理动模试验是模拟小型系统的有效方式。然而，随着系统规模扩大，系统的稳定特性变化，当前的动模系统难以模拟大电网复杂特性。另外，仿真测试系统的规模受实验室设备和场地限制，设备昂贵，模型机组必须专门设计制造，加工比较困难，占地面积大，投资大，建设周期长。目前，物理动模试验作为一种补充辅助手段，与数模混合仿真、全数字仿真等仿真手段相辅相成、相互验证。

3）实时数字仿真试验

由于全数字仿真测试系统不受被研究系统规模和结构复杂性的限制，且计算速度快、使用灵活、扩展方便、成本相对低廉，是当前电力系统仿真测试系统发展的主要方向。常用的实时数字仿真工具以电磁仿真工具为主，如RTDS、RT-Lab、ADPSS等软件，极大丰富了实时数字仿真试验[14-16]。但是，数字仿真试验投资较大，通常用于实验室，难以胜任工程现场的测试任务，此外，维护数字仿真模型需要耗费大量的人力物力，限制了数字仿真试验的应用范围。

由于次同步振荡控制系统的各个被控对象相互影响，且电网规模较大，难以通过上述测试方法进行测试，亟需一套实用的测试方法。

2.2 基于数据回放的一体化调测平台

1）一体化调测平台的整体方案

为了解决次同步振荡控制系统测试难的问题，需要研制一套能够实现数据同步回放的一体化调测平台，该平台应具有如下主要功能：首先，该平台的数据回放功能应能兼容多种数据格式，包括BPA、PSASP、ADPSS等具有全系统、全模型仿真能力的机电电磁仿真软件的仿真波形，还应能实现次同步保护装置及电源管理单元（power management unit, PMU）装置的录波数据回放；其次，该平台应能实现分布式测试的时钟同步和回放数据的同步触发功能；最后，为了满足现场多种测试需求，该平台还应具备不同频率预设数据叠加后同步回放的功能。

因此，根据平台所应具备的主要功能，基于数据回放的一体化调测平台整体方案如图3所示。

图3 基于数据回放的一体化调测平台整体方案

2）关键模块设计

由图3可知，该平台主要包括一体化测试主站、一体化测试终端、北斗对时模块及测试网络等关键模块。其中，北斗卫星授时模块主要利用目前变电站常用的对时模块实现同步对时功能；测试网络模块能够兼顾有线和无线两种组网方式，可根据现场实际情况选择合适的测试网络[17-19]。上述两种模块的实现采用的是现有较为成熟的技术，此处不再赘述，本文主要针对一体化测试主站和测试终端两个模块的设计进行介绍。

（1）一体化测试主站

一体化测试主站需要满足如下功能：首先，能够对BPA、PSASP、ADPSS等软件的仿真结果及故障录波装置的录波文件进行解析，解析完成后进行相应的关联配置并通过网络下装到一体化测试终端；其次，除了能进行波形回放外，该一体化测试主站还能设置预想的模拟量参数控制命令，并通过网络控制一体化测试终端输出预想的模拟量信息；最后，能够通过一体化测试终端主动上招测试结果，并自动完成结果比对。

（2）一体化测试终端

一体化测试终端是整个调测平台最为关键的模块，具有串联一体化测试主站和次同步振荡控制装置的功能，起到承上启下的重要作用。因此，一体化测试终端的设计需要满足如下功能：首先，能够接收一体化测试主站发送的控制命令，进行相对应的模拟量和开关量同步输出至次同步振荡控制装置；其次，能够主动上招次同步振荡控制装置的动作报文和出口节点信息，通过网络链路回传到一体化测试主站实现闭环测试；最后，能实现对一体化测试主站所设置不同频率叠加信号的数字化处理，能进行数模转换，并能同步输出相应的模拟量信息。因此，一体化测试终端实现以上功能最重要的两个关键技术是信号叠加技术和数据同步触发技术。

①信号叠加技术

为了扩展一体化测试终端的适用场景，除了可以利用波形回放技术进行次同步振荡测试，还可以接收一体化测试主站下发不同频率和幅值的电气量信息控制命令，进而利用一体化测试终端的信号叠加技术进行信号叠加生成数字量信号，最后利用数模转换模块实现相应模拟量信号的输出。一体化测试终端中信号叠加技术所实现的信号叠加过程示意图如图4所示。

该信号叠加技术可满足至少五种不同频率、幅值和初始相位的信号进行叠加。因此，测试人员可利用该技术根据次同步振荡需求进行相应波形的设置，进而通过同步触发回放技术实现同步测试，可省去对相应次同步振荡控制策略进行仿真分析的时间，减少次同步振荡控制程序的开发周期，提高设备开发效率。

图4 信号叠加过程示意图

②数据同步触发技术

数据同步触发技术是一体化调测平台最关键的技术，如果测试数据不能同时输出至次同步振荡控制装置，就不能达到同步测试的目的。该平台的数据同步触发技术以北斗卫星对时模块为基础，数据同步触发过程示意图如图5所示。

图5 数据同步触发过程示意图

基于北斗卫星对时模块的同步触发技术的实现方式有以下两种。

定时同步触发方式：为实现在某一特定精确时刻进行同步触发试验而设计，一体化测试主站设置某一精确触发时间并将其转换成带有时间戳的触发控制信号，通过测试网络将信号下发到各待测厂站一体化测试终端的同步触发单元，同步触发单元结合对时单元提供的时间信息进行判断，到达触发时刻时进行数据同步触发。定时同步触发逻辑框图如图6所示。

图6 定时同步触发逻辑框图

延时同步触发方式：在现场应用过程中，一体化测试终端存在触发不同步的情况，这主要是由于不同的同步处理单元因受测试环境影响而对触发控制信号的处理时间不同造成的。为解决这一问题，延时同步触发方式在定时同步触发方式的基础上，加上固定的延时，这时同步触发单元已经完成信号处理，再按照延时后的时间进行同步触发输出。延时同步触发逻辑框图如图7所示。

图7 延时同步触发逻辑框图

3 现场测试流程

对本文所提基于数据回放的一体化调测平台进行现场测试。首先需要搭建测试网络，其实现方式有两种，即有线组网方式和无线组网方式。有线组网方式一般采用现有的调度数据网，但是考虑到网络安全和现场搭建较困难，现场测试时主要采用基于电力无线虚拟专网的无线组网方式。无线组网方式具有组网便捷和灵活的优点，基于无线组网方式的一体化调测平台架构如图8所示。

图8 基于无线组网方式的一体化调测平台架构

该平台的一体化测试主站利用BPA、PSASP、ADPSS等软件的仿真结果，通过无线网络将仿真结果下装到一体化测试终端，一体化测试终端将模拟量同步输入不同的次同步振荡控制装置中进行同步回放测试。相对于一般测试方法，该方法测试的波形更贴近电网实际动作波形，测试更贴近电网的真实情况，且单次测试可以实现全系统同步测试，可有效提高测试效率和准确性。一体化调测平台的一般测试流程如图9所示，具体步骤如下。

步骤1：梳理次同步振荡控制系统需要测试的控制策略，根据策略要求进行仿真分析。

步骤2：梳理本次现场测试所涉及的厂站，做好安全措施。

步骤3：利用一体化测试主站进行测试用例设置，对所有仿真数据进行解析和关联配置，并设置好结果比对参数后存入测试用例库。

步骤4：采用如图8所示的无线组网方式搭建现场调测平台。

步骤5：调用一体化测试主站测试用例库中准备好的测试用例，进行简单的解压配置。

图9 一体化调测平台的一般测试流程

步骤6：在一体化测试主站设置好数据同步回放触发时间，点击测试开始按键，测试命令通过无线网络传送至一体化测试终端，一体化测试终端利用北斗卫星对时系统进行时间同步触发，将模拟量信息同步回放到次同步振荡控制装置。

步骤7：次同步振荡控制装置动作后，其动作出口节点和动作报文通过一体化测试终端回传到一体化测试主站，进而完成测试结果的比对，完成现场测试。

步骤8：若开展其他控制策略的现场测试，则只需重复步骤5～步骤7即可，待所有测试用例测试完成后，完成整个现场测试。

4 结论

本文针对次同步振荡控制系统测试难的问题，介绍了新疆电网一体化调测平台实现方法，提出了基于数据回放的一体化调测平台，可实现次同步振荡控制系统的动态整组全面验证，解决了次同步振荡控制系统因涉及设备较多、地理位置分散无法全面验证的难题。该平台可适用于工程现场或实验室环境下次同步振荡控制系统的测试验证，确保次同步振荡控制系统的可靠运行；同时基于数据回放的测试模式还可应用于继电保护系统的跨间隔测试和稳控系统的整组测试，具有良好的应用前景。

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Research on sub-synchronous oscillation control system for Xinjiang power grid and its test method

ZHANG Lu1CHEN Jun1ZHAO Qi1NAN Dongliang1,2HAN Lianshan3

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd, Urumqi 830011; 2. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047; 3. NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

Aiming at the practical problems of the sub-synchronous oscillation of Xinjiang power grid, the realization principle of the sub-synchronous oscillation control system is introduced. According to the current difficulty in testing the sub-synchronous oscillation control system, an integrated test master station and an integrated test terminal are designed. Then combined with Beidou satellite timing module and wired/wireless networking, an integrated commissioning platform based on data playback is proposed. Based on this platform, the sub-synchronous oscillation control system can be synchronously tested on the engineering site or in the laboratory, which solves the problems of more equipment involved in the regional control system and decentralized geographical location, and realizes system-level testing.

sub-synchronous oscillation; integrated commissioning; signal superposition; syn- chronous trigger; Beidou satellite timing system

2022-07-04

2022-08-11

张 路（1987—），男，安徽淮北人，硕士，工程师，主要从事电力系统运行控制与继电保护工作。