電力系統(tǒng)寬頻同步測量是團隊的特色研究方向，從國內(nèi)首臺配電網(wǎng)PMU（PMU Light）的研制，到寬頻同步測量單元（WPMU）及系統(tǒng)的研發(fā)，團隊都做出了特色的研究成果。近日，團隊寬頻帶量測數(shù)據(jù)通信與應用研究方面取得新進展，研究成果以“Wideband Measurement Data Communication Protocol: Scheme Design, Hardware Implementation, and Field Application”為題，發(fā)表于工業(yè)信息領(lǐng)域頂級學術(shù)期刊《IEEE Transactions on Industrial Informatics》（中科院一區(qū)Top，IF：12.3）。碩士研究生曾一鳴為第一作者，石訪副教授為第二作者，張恒旭教授為該文通訊作者。

隨著大規(guī)模可再生能源通過電力電子裝置接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)信號形態(tài)呈現(xiàn)寬頻化特征，寬頻同步測量是全景感知電網(wǎng)狀態(tài)，提升電力系統(tǒng)運行監(jiān)測水平的技術(shù)趨勢。文章針對寬頻帶量測數(shù)據(jù)通信及應用研究中的諸多不足，提出了一種兼顧靈活性、高效性、兼容性的寬頻測量數(shù)據(jù)通信協(xié)議，提供了寬頻同步裝置和監(jiān)測主站的軟硬件工程實現(xiàn)方案，構(gòu)建了寬頻同步監(jiān)測系統(tǒng)，并進行了落地應用案例示范。本研究可為電力系統(tǒng)寬頻帶量測數(shù)據(jù)通信協(xié)議開發(fā)和寬頻同步測量技術(shù)工程應用提供理論指導與技術(shù)支撐，具有重要科學意義和應用價值。

團隊長期深耕于寬頻同步測量技術(shù)研究，已構(gòu)建涵蓋寬頻信號處理、測量終端開發(fā)、裝置組網(wǎng)落地、實測數(shù)據(jù)應用的電力系統(tǒng)寬頻帶同步測量技術(shù)體系。未來，團隊將基于已有技術(shù)積累，深度研究寬頻同步測量理論和技術(shù)，支撐新型電力系統(tǒng)新一代寬頻全景同步監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建。

相關(guān)鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10478712

論文概要

一、研究背景

隨著大規(guī)模可再生能源通過電力電子裝置接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)信號形態(tài)呈現(xiàn)寬頻化特征，寬頻同步測量是全景感知電網(wǎng)狀態(tài)，提升電力系統(tǒng)運行監(jiān)測水平的技術(shù)趨勢，高精度低時延的電力系統(tǒng)寬頻量測數(shù)據(jù)是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。以工頻同步相量測量功能為主的PMU逐漸升級為支持基波、諧波、間諧波等同步量測的寬頻同步測量裝置。在此背景下，基于寬頻帶測量數(shù)據(jù)模型特性，研究兼容性佳、靈活性高、穩(wěn)定性強的寬頻測量數(shù)據(jù)通信協(xié)議對提升新型電力系統(tǒng)寬頻監(jiān)測能力具有重要意義。為此，文章重點研究寬頻測量數(shù)據(jù)通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)設(shè)計、實際實現(xiàn)和工程應用問題。

二、通信協(xié)議功能設(shè)計

文章在PMU相量數(shù)據(jù)通信協(xié)議IEEE C37.118.2-2011的基礎(chǔ)上進行了寬頻數(shù)據(jù)幀、寬頻配置幀、命令幀等信息幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中寬頻數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過設(shè)置頻率分量指示符實現(xiàn)了對非定長寬頻測量數(shù)據(jù)的動態(tài)封裝。各個信息幀的交互方法如圖2所述，設(shè)置自發(fā)模式和命令模式兩類通信模式，可供根據(jù)實際使用場景靈活選用。

圖1 寬頻數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 通信協(xié)議信息幀交互方案

三、裝置與主站實現(xiàn)

文章以ARM+DSP+FPGA作為寬頻測量裝置主控模塊，在硬件層面搭載了所提通信協(xié)議，其數(shù)據(jù)交互流程如圖3所述。同時，文章提出了一種主站算法實現(xiàn)方案，該方案支持寬頻同步測量裝置和主站的彈性通信交互，兼容IEEE C37.118.2-2011和本文協(xié)議的數(shù)據(jù)幀的接收、解碼和存儲。此外，文章依托上述硬件裝置和主站進行了通信量測試和延時測試等相關(guān)實驗。

圖3 通信協(xié)議硬件實現(xiàn)

四、實地應用

本文以電動汽車充電站監(jiān)測點為例進行了實地應用示范，介紹了實地應用的整體架構(gòu)和寬頻同步測量裝置的接入方案等。依托該監(jiān)測點的實測數(shù)據(jù)，文章進一步開展了通信量反演、諧波畸變率計算、諧波狀態(tài)評估等應用研究，深度分析了該電動汽車充電站的用電狀態(tài)、諧波污染情況和諧波活動特性。

圖4 實地應用架構(gòu)

五、結(jié)語

本文提出了一種寬頻帶量測數(shù)據(jù)通信協(xié)議，以解決當前寬頻帶數(shù)據(jù)通信協(xié)議中存在的延遲高、兼容性低和靈活性差等問題。該協(xié)議包括適用于寬頻帶同步測量數(shù)據(jù)的信息幀構(gòu)建和通信方法，實現(xiàn)了寬頻和基頻測量數(shù)據(jù)的同步傳輸。該協(xié)議向下兼容現(xiàn)有WAMS通信協(xié)議，大大降低了現(xiàn)有測量系統(tǒng)的升級成本。此外，本文分析了所提協(xié)議的通信數(shù)據(jù)量，并通過實際應用驗證了其可行性。裝載該協(xié)議的寬頻測量裝置已安裝于多個輸電側(cè)和配電側(cè)寬頻監(jiān)測點，測量數(shù)據(jù)通過無線公網(wǎng)傳輸至山東大學寬頻測量與傳感實驗室數(shù)據(jù)中心，裝置和主站均長時間安全穩(wěn)定運行。

學子風采

曾一鳴，男，山東大學2021級碩士研究生，師從張恒旭教授。2021年本科畢業(yè)于東北大學能源與動力工程專業(yè)。碩士期間主要研究方向為電力系統(tǒng)監(jiān)測與通信、寬頻相量測量數(shù)據(jù)應用。現(xiàn)已簽約國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州分公司。