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樊 陈，姚建国，常乃超，吴艳平，杨 青，张海东
（1.中国电力科学研究院有限公司，江苏省 南京市 210003；
2.国家电网有限公司，北京市 100031）
随着新能源大规模并网以及高压直流输电工程的建设，电力电子设备在电网中得到大规模应用，向电网注入了大量间谐波和高次谐波信号。当前电网中的测控设备仍然以工频信号的测量为主，无法支撑间谐波和高次谐波的测量需求。随着“源-网-荷”环节电力电子设备的大规模接入，电力电子设备之间、电力电子设备与电网之间出现了新型振荡［1-2］。这类振荡不涉及发电机组的机械元件，且随着以逆变器为代表的电力电子设备的广泛应用，振荡发生得愈加频繁。文献［3-9］论述了从6 Hz 到1 810 Hz等一系列宽频振荡事件，这些振荡信号都属于间谐波的范畴，现有的测量设备难以有效监测，迫切需要新的技术手段来应对这一挑战。
为解决这一问题，文献［10-12］对宽频测量技术进行了研究并研制了宽频测量装置，通过试点应用验证了其可行性，并逐步得到了行业的认同，国内二次设备厂商也研发了相关装置。为有效总结宽频测量技术的研究成果，编写了《电力系统宽频测量装置技术规范》［13］，为该装置今后的工程设计、产品研发、工程应用等提供指导和参考。
由于本标准所涉及测量装置是行业内的新设备，与现有自动化测量设备存在显著的差异，有必要对这一新设备的功能和用途进行解读，帮助电网和新能源发电厂等用户进一步了解这一新设备，并指导其工程应用。对宽频测量技术有一定了解的用户，也对标准中宽频测量装置一些功能和性能的指标存在疑惑，有必要对制定过程中的相关考虑进行诠释，增进其对标准的理解。而大量遇到宽频振荡事件的用户，则更加关心宽频测量装置的工程部署及应用。针对上述不同的诉求，本文从宽频测量的内涵、装置功能、装置性能、工程应用和存在的问题等方面对标准进行解读和分析，对相关技术问题和指标制定的思路进行阐述，对宽频测量装置工程应用的实施方案进行讨论，希望为用户和相关人员提供有益参考，有利于推动宽频测量装置的广泛应用，为新型电力系统提供新的监测手段。
1.1 宽频测量的提出
自动化采集测量技术作为电力行业的成熟技术已广泛应用多年，工程应用主要是稳态测量的测控装置和动态测量的相量测量单元（phasor measurement unit， PMU）。测控装置是数据采集与控 制（supervisory control and data acquisition，SCADA）系统的重要设备，而PMU 是广域测量系统（wide area measurement system，WAMS）中的重要设备。
IEEE 制定的PMU 标准要求硬件采样环节进行低通滤波，在100 帧/s 传输速率下保证45～55 Hz范围信号被测量，以此保证基波相量的测量精度［14-15］。国内PMU 行业标准遵循了这一要求［16］，且明确指出当输入信号发生阶跃跳变时，滤波器造成的延时可以超过100 ms，这种延迟无法满足及时准确反映电网快速变化的要求，考虑到带外频率所占比重不大，PMU 可不对带外频率进行滤波处理。因此，国内早期投运的PMU 装置在滤波环节并未进行带外滤波，虽然能够有效监测2.5 Hz 以下的低频振荡，但对于45 Hz 以下的次同步振荡和55 Hz 以上的超同步振荡仍然无法监测。
为有效应对新的监测需求，行业内尝试对PMU进行升级改造，文献［17-18］讨论了基于基波相量实现间谐波测量的算法，并验证了应用于100 Hz 以内的次/超同步振荡监测的可行性。国家电网有限公司2017 年修订PMU 规范，新增了次同步振荡在线监测功能要求，但是仅要求PMU 支持10～40 Hz 和60～90 Hz 范围内的次/超同步振荡监测［19］，无法涵盖10 Hz 以下的次同步振荡信号和90 Hz 以上的高频振荡信号，如西北电网曾监测到110 Hz 振荡信号，而河北沽源地区频繁发生的次同步振荡也主要分布在6～8 Hz 区间，此外还有日益频繁的高次谐波振荡等，这些问题使得即使对PMU 进行升级也仍然无法从根本上解决宽频振荡监测问题，迫切需要新的监测手段，宽频测量装置的概念由此提出。
1.2 宽频测量装置的功能定位
宽频测量装置的整体定位最初是为现有自动化测量设备提供有益补充，弥补现有测量技术的缺陷，为未来电网的数据测量提供新的技术手段。
随着宽频测量装置在工程中试点应用，宽频测量装置的功能定位逐步发生了改变。宽频测量装置在应对宽频测量信号的处理机制中采用了低频、工频和高频信号分类处理的方式，尤其是工频信号的处理流程，与PMU 完全相同，许多用户提出了宽频测量装置集成PMU 功能的建议。这一集成考虑到无论是技术层面还是实际研制层面都易于实现，现阶段宽频测量装置的设计已经按照兼容PMU 的功能来统一考虑，且国内各制造商也按照此方式研制了样机并进行了工程应用。此次标准编制就采纳了工程应用的新成果，明确了宽频测量装置兼容PMU功能。这一模式不仅能够满足当前工程应用的需求，而且也可应对未来电力电子化电网的测量需求，同时还能够有效简化系统架构、减少全站设备数量。
综合来看，宽频测量装置将电力行业现有以工频为主的测量推广到涵盖基波、间谐波和谐波的宽频测量，这一新特点使其成为应对未来电网发展的新型测量设备，可以有效满足未来高比例电力电子设备接入电网后宽频信号的测量需求，为新型电力系统的发展建设提供支撑。
1.3 宽频测量的定义
宽频测量的全称为宽带多频信号测量，其内涵为实现宽频域或者宽频带范围信号的统一测量。由于宽频测量技术为新提出的技术理念和思路，国内外对此暂无明确的定义，为推进标准的理解和应用，在标准中对宽频测量进行了定义，即以不低于12.8 kHz 高速采样为基础，实现电网0～2 500 Hz 范围内基波、谐波和间谐波信号的统一测量。
虽然宽频测量是宽带多频信号测量的缩写词，但为方便表述，将其英文名称翻译为“widefrequency measurement”，对于宽频振荡则直接采用“wide-frequency oscillation”，意在表述振荡信号呈现宽频域范围分布的特点，如此可兼顾信号分布范围广和多个信号广泛分布的含义。对于宽频信号的测量，国外暂无相关表述，但针对相关的宽频域振荡，也 出 现 了 “wide-band oscillation”和“multifrequency oscillation”两种术语［20-21］。前者强调“宽带”，无法体现信号分布范围广、频率信号多的特点，例如1 780 Hz 的间谐波信号具有宽频带特征，但是对电网中还同时存在的其他频率信号无法体现。后者虽然体现了宽频测量中存在基波、间谐波和高次谐波等多个频率信号的特点，但是却没有体现信号频率分布范围广的特点，例如即使10～11 Hz 之间，也会呈现多个间谐波信号，但是却没有体现出0～2 500 Hz 这一较广的分布范围。
2.1 采样频率
高频采样是宽频测量装置的基本功能之一。智能变电站中广泛采用的采样频率主要是用于保护自动化的4 kHz 和用于电能质量、计量的12.8 kHz，且都有较为成熟的应用。考虑到当前高压直流工程出现了1 810 Hz（36 次谐波左右）的高频振荡［9］，且随着未来新型电力系统发展建设，电力电子设备大规模应用导致高频信号日益增加，选择12.8 kHz 采样频率在理论上可以满足127 次谐波范围内信号的测量需求，不仅能够有效兼容当前保护自动化领域所有的采样测量需求，同时也能够应对未来高频采样的挑战。
在标准制定中，也有制造商提出了采样频率不低于4 kHz 的建议，认为当前智能变电站测控装置和PMU 都是4 kHz 采样频率，基于现有装置硬件平台升级也可实现40 次谐波范围内宽频信号的测量，同时也可满足当前37 次谐波高频振荡的监测要求。这一方式在技术上也可行，其相比现有标准仅仅是宽频测量所覆盖的面更窄一些。但若允许这一方式，其造成的后果就是工程中会出现4 kHz、5 kHz等多种采样频率，不利于今后工程标准化推广应用。此外，这一方式也仅仅是临时应对方案，无法从根本上应对未来电力电子化电网宽频域测量的挑战。宽频测量技术提出的初衷一方面是要应对宽频域测量的需求，另一方面，是尽量实现厂站内同源信号一次采集满足各类不同业务的需求，避免当前按照不同业务重复采集的问题。因此，在标准制定时将采样频率统一到12.8 kHz。
宽频测量装置的采样优先考虑常规互感器模拟量采样。实际上，电子式互感器更适合高频率信号的采集测量，但受限于其自身稳定性的一系列问题，行业内对其推广应用持保留意见，故本标准中明确宜采用常规互感器模拟量采样。此外，当前绝大多数新能源并网接入的变电站以及大量新能源厂站也都是常规电磁式互感器，为便于今后工程的推广应用，也优先推荐模拟量采样，但标准并未否定数字化采样方式，这为其今后的工程应用预留了空间。
2.2 宽频信号测量
宽频信号测量是宽频测量装置最为突出的功能。对于宽频信号具体测量范围，目前仅要求覆盖到50 次谐波范围以内即可。这一测量要求与12.8 kHz采样频率能够覆盖的127 次谐波测量能力存在差异，之所以如此设置，主要是考虑到当前工程的实际现状，即2 500 Hz 范围以内的测量结果就完全能够满足电网的监测需求，而且也更加符合工程实际，有利于减轻宽频测量装置的处理、展示和存储压力。今后如果需要提升测量范围，仅需通过标准修订即可调整，而且装置设备硬件无须改动，通过装置软件升级即可实现。
对于间谐波信号的测量，明确了100 Hz 范围内2.5～45 Hz、55～100 Hz 范围间谐波电压、电流的测量要求，这一范围不包含45～55 Hz 工频带范围内基波信号的测量。而对于2.5 Hz 以下的间谐波信号、0.1～2.5 Hz 范围低频振荡信号会通过功率振荡来监测，这是考虑到众多制造商仍然希望沿用改进后的PMU 来间接实现100 Hz 以下间谐波信号的测量，故标准在此进行了折中考虑，将2.5 Hz 作为间谐波电压和间谐波电流直接测量的边界。
对于100～2 500 Hz 范围的信号测量，谐波仍然可以基于快速傅里叶算法计算获得，在此不做赘述，这一范围信号测量的关键在于间谐波。由于电网外部特性复杂多变，间谐波信号的频率范围较广，具体的频率也不确定，这就要求宽频测量装置具有较强的适应性，能够实现各类情况下间谐波信号的准确测量。本标准建议采用能量聚合的方式，这一方法类似GBT 17626.7—2017 《电磁兼容试验和测量技术 供电系统及所连设备谐波、间谐波的测量和测量仪器导则》中谐波子群的方式［22］。不过，这一标准是将谐波周边的间谐波聚合到谐波频段，而本标准具体是将周边的间谐波信号聚合到一个固定的间谐波频段，例如将1 500～1 550 Hz 范围内所有间谐波信号聚合到1 525 Hz 上，如此可以减少各个频段信号的补偿计算，减少装置的数据处理量。此种情况下，0～2 500 Hz 范围内聚合后的间谐波就仅有50 个值，即25、75、…、2 525 Hz 等。从实际工程应用来看，高频域范围的间谐波含量总体较少，大多数情况下都为0，如果按照不低于1 Hz 的分辨率对所有信号进行展示，那么2 500 Hz 范围内除了50 个谐波量，还会有近2 450 个间谐波量需要展示，聚合的方式可有效减少数据展示和存储的压力。100～2 500 Hz频段采用聚合方式后，在实际现场中也发现大多数情况下其幅值基本上接近0，表明这种方式是切实可行的。当然，这种方式是一种较为简化和粗略的监测方法，对于大量间谐波幅值为0 或者接近0 的场景效果显著，但对于真实的振荡事件，例如发生次/超同步振荡，这种聚合方式下次同步频段中的25 Hz和超同步振荡频段中75 Hz 就会有较大的幅值，无法准确监测振荡的真实频率和幅值，有必要对振荡信号进行更加精准的测量，而这就需要宽频振荡监测功能。
2.3 宽频振荡监测
宽频振荡监测是对前述2.2 节宽频测量功能的补充和完善，有别于宽频测量功能中间谐波采用能量聚合方式所进行的测量，是对一定范围内间谐波信号测量的精细化测量，而这也是宽频测量装置区别于现有测量设备最为突出的特征之一。对于宽频振荡信号的准确测量，文献［12］已有相关论述。无论是低频振荡、次/超同步振荡还是高次谐波振荡，从信号监测的角度看并无不同，仅仅是振荡频率存在差异而已。为与现有振荡监测功能兼容，标准中将宽频振荡分成了低频振荡、次/超同步振荡、100～300 Hz 宽 频 振 荡3 个 部 分。
低频振荡监测2.5 Hz 以下的功率振荡。次/超同步振荡兼顾了WAMS 的功能，将功率振荡的监测范围限定为2.5～45 Hz 和55～95 Hz，即不仅去除了45～55 Hz 工频区间，同时也排除了95～100 Hz之间容易受影响的区间。而对于更高频率范围的宽频振荡，现阶段仅涵盖100～300 Hz 范围。之所以在标准中限定在300 Hz，主要是依据文献［3］所提及的5～300 Hz 频段振荡论述。标准在制定过程中对此也有深入的讨论，扩大振荡监测的频率范围固然可行，但监测上界无论是提高到400 Hz 还是600 Hz 都缺乏相关依据。此外，当前工程中遇到的绝大多数振荡都在300 Hz 范围以内，而实际风电厂等遇到的更多的是100 Hz 左右的超同步振荡。因此，综合文献论述和当前的工程实际，将宽频振荡实时监测的范围设置在了300 Hz 以内，后续如果有更高振荡频率监测的需求，对标准进行修订即可。
2.4 信息传输
国际上，PMU 对外传输主要遵循IEEE C37.118.2［23］，国内也基于此制定了国家标准GB/T 26865.2［24］，用 于 指 导PMU 基 波 相 量 的 对 外 传 输。由于宽频测量装置测量的数据涵盖基波、间谐波和谐波测量数据，GB/T 26865.2 标准仅针对基波信号，无法支撑间谐波、谐波的传输，因此需要新的传输标准。考虑到厂站与调度主站之间信息交互的现有情况，基于GB/T 26865.2 标准进行扩展实现宽频测量数据的传输是较为可行的方案。因此，标准在附录中明确了数据传输方案，以实现电网基波、间谐波和谐波的统一规范传输。
宽频测量数据采用基于工频帧分时传输的方式，其本质是在现有数据传输机制上进行优化，对基波相量在每秒内传输的帧数（如100 帧/s）进行扩展，在每一帧报文内传输不同的谐波/间谐波数据，如此交替传输可实现间谐波、谐波的有效传输。具体传输机制见图1。
图1 间谐波/谐波数据传输时序示意图Fig.1 Schematic diagram of transmission sequence of inter-harmonic/harmonic data
图1 是谐波数据传输时序的示意图。综合考虑了100 帧/s、50 帧/s、25 帧/s 时谐波信息传输完整性的要求，故对于谐波实时数据的传输采用特别设计的传输时序，按照上述传输时序，第n次谐波所在数据帧的时间戳Tn计算公式如下。
式中：n为谐波次数；
M、N均为中间变量，其中，M表示取(n-1)除以25 的整数部分，N表示取(n-1)除以25 的余数部分为向下取整符号；
%表示取余运算。
对于间谐波数据，宽频测量装置主要传输20 个主导分量，其中，第1～10 主导分量用于传输100 Hz频段内的间谐波数据，第11～20 主导分量用于传输100～2 500 Hz 频段内间谐波数据。第1～10 的主导分量是将100 Hz 范围内所有监测的间谐波按照幅值大小进行排序，选择最大的10 个间谐波依次传输；
第11～20 主导分量同样如此，也是将100～2 500 Hz 监测的间谐波按照幅值大小依次排序，选择幅值最大的10 个间谐波测量值作为第11～20 主导分量。各主导分量对应的标号与谐波的标号一致，即第1 主导分量连同基波数据一并传输，第2 主导分量与2 次谐波一并传输，并依次类推，如此可以通过PMU 报文的扩展，在1 s 内实现谐波、间谐波的完整传输。
由于谐波和间谐波计算窗口较长，现阶段间谐波要求分辨率不低于1 Hz，其时间窗至少为1 s。考虑到数据的处理计算等环节，其传输的时间会滞后实际采样时间。为便于主站对谐波和间谐波数据时间戳的统一处理，本标准将谐波和间谐波时间戳延迟2 s，即目前带有宽频测量功能的PMU 计算数据窗长为1 s，在第2 秒计算上一整秒时刻的谐波与间谐波宽频数据，并在第3 秒内传输该相量的谐波或间谐波数据。
当然，这一传输方式是考虑到当前工程实施的便利性所设计。实际上，在稳态情况下，如果电网无振荡发生时，这些间谐波和谐波测量数据对主站作用有限，也不需要实时上传，仅需要传输一些分析结果或者待主站召唤查询时传输相应数据即可。因此，建议考虑主子站协同互动的方式来进行信息传输，即稳态下仅传输分析结果，异常状态下，如发生振荡时再实时传输监测数据。此种方式不仅可以有效减少不必要的数据传输，而且也能够减少主站数据存储的压力。随着宽频测量装置广泛部署应用后，这一方式将会是今后的发展方向。
2.5 数据录波
宽频测量装置的数据录波功能包含事件触发录波和长录波两种。对于事件触发录波，宽频测量装置已完全兼容PMU 功能，因此宽频测量装置具备PMU 装置所具有的频率越限等扰动记录功能。除此之外，还具有低频振荡、次/超同步振荡、100～300 Hz 宽频振荡告警录波功能，一旦触发振荡告警则立即触发录波功能，直到振荡告警消失，类似继电保护装置的故障录波，方便振荡事件的事后分析。
除了事件触发的录波，宽频测量装置还额外部署了72 h 连续录波功能，即按照原始采样数据进行连续录波，以弥补当前振荡监测告警存在的缺陷。现阶段振荡告警阈值的设置原则和设置方法缺乏相关标准，如果阈值设置不合理，就会出现振荡事件遗漏或振荡频繁告警的问题。考虑到行业内对电力电子化电网的特性还处于研究阶段，很多理论的研究也仍然需要借助于现场各类事件的录波数据来进行验证和研究，故增加了此功能。待对电力电子化电网运行特性有较为深入的认知后，连续录波功能或可取消，事件触发告警录波功能将全面发挥作用，但现阶段，两者互为补充。
2.6 其他功能
宽频测量装置类似测控和PMU 装置，也支持同步对时功能，优先支持IRIG-B 对时，支持采用光纤多模ST 接口或电RS485 接口等方式，以确保基波相量测量的精度以及各类间谐波越限事件、宽频振荡告警事件记录的时间准确性。
3.1 间谐波测量精度
宽频测量数据涉及基波、间谐波和谐波。对于基波的测量精度，仍然遵循现有的PMU 标准规范。而对于间谐波和谐波实时测量的精度，行业内暂无针对性的标准，仅文献［22］对其有一定的要求，但这是从电能质量监测角度提出的，并不能与今后电力电子电网间谐波信号实时测量的需求相匹配。考虑到重新制定新的间谐波测量精度标准缺乏相应的理论依据，因此标准中对间谐波测量精度的要求暂定为遵循该规范中的精度要求，具体如表1 所示，其中Um、Im分别为间谐波电压、电流测量值，Unom、Inom分别为设备电压、电流标称值，也可按额定值考虑。
表1 间谐波电压电流测量精度要求Table 1 Accuracy requirement for harmonic of voltage and current
3.2 振荡监测与辨识
本标准中对低频振荡、次/超同步振荡和宽频振荡的测量精度要求进行了明确规定。
1）低频振荡
低频振荡频率监测范围明确为0.1～2.5 Hz，考虑其振荡频率较低，因此仍然明确是以功率作为振荡判据，且要求功率振荡峰峰值超过预设门槛并持续设定的时间后触发振荡告警。标准中对低频振荡频率和幅值的测量精度暂未明确，主要原因也是缺乏相关标准依据。而对于具体峰峰值和持续的时间并未明确，具体的门槛值由用户自行设置，如10 MW，持续时间10～20 s 等，但这一工程经验值没有充分考虑不同电压等级、不同并网容量的差异。
2）次/超同步振荡
标准中将次/超同步振荡的频率监测范围明确为2.5～45 Hz 和55～95 Hz，且明确次/超同步振荡监测采用瞬时功率或电流计算时，频率测量误差不大于0.5 Hz。相比低频振荡仅以功率为判据，次/超同步振荡增加了以电流为判据的条件。改进后的PMU 传输速率最大仍然为100 帧/s，因此理论上只能监测50 Hz 以下的次同步振荡，但实际上对于55 Hz 以上的超同步振荡也是可以间接监测的，其原因就在于虽然出现了频谱混叠，但是超同步振荡的特征量仍然在次同步振荡频率范围内展现，因而可以间接测量超同步振荡，但是无法区分具体的振荡频率。例如，对于25 Hz 的功率振荡，WAMS无法区分振荡的间谐波电流是25 Hz 还是75 Hz，亦或两者都有，但这不影响振荡的发现及告警。标准中将超同步振荡频率监测范围调整为55～95 Hz，一个主要的原因就是为了兼顾功率和电流两个判据。功率振荡的边界设置为95 Hz 就是考虑到次同步振荡电流在45 Hz 边界时，其功率的边界就是95 Hz；
同样，当直接采用电流作为判据时，PMU 数据在最大100 帧/s 传输下，96 Hz 的间谐波电流信号混叠到46 Hz 工频带范围，会导致PMU 无法将其区分，因此需要将其去除，这主要是为了兼顾当前基于PMU测量数据进行次/超同步振荡辨识的诉求。但若采用间谐波信号直接测量的方式，95～100 Hz 也可以准确监测，宽频测量装置就可以实现这一点。考虑到众多制造商仍然以PMU 工频测量的方式来实现，故此处做了取舍，在一定程度上减少了监测的范围，目的是兼顾无法部署新的宽频测量装置的情况，现场运行的PMU 可以通过升级来实现部分宽频振荡监测功能。
此外，标准中也明确了振荡信号的判定方法，优先采用次/超同步振荡的主导分量或者等效值作为越限的监测量，当瞬时功率或者电流的次/超同步振荡幅值超过预设门槛并持续设置的时间后启动振荡告警，但具体的门槛值和持续的时间仍然是由用户自行设定。
3）100～300 Hz 宽频振荡
从宽频振荡的定义看，低频振荡、次/超同步振荡也都属于宽频振荡的范围。之所以将其单独列出，主要是考虑到行业内对这两类振荡频率的范围已经有相对清晰的界定，便于理解。而对于更高频率范围的振荡，标准中通过频率范围进行了限定，这也为今后更高频率振荡的监测预留了空间。
标准中明确了100～300 Hz 宽频振荡频率测量的误差不大于1 Hz，且宜采用宽频振荡的功率或电流作为告警判据，瞬时功率振荡幅值超过预设门槛并持续设定的时间后进行振荡告警。所有振荡的告警预警、持续时间都可以灵活设置，类似保护的整定值。
本标准对振荡频率和幅值测量精度的要求并不高，一方面是因为宽频振荡在装置层面实时测量属于新的要求，国内外暂无可参照的相关标准；
另一方面由于各制造商研发思路不同，测量精度也存在差异，考虑到在行业内首次制定宽频测量装置的标准，在指标的制定上充分考虑了各方面的需求，故此次制定的标准相对较低，随着今后研究和工程应用的深入，各项指标可再进行修订和完善。
3.3 录波文件存储
宽频测量装置具有事件触发录波和连续录波两种功能，这两类录波功能设置初衷文献［8］已有论述。现阶段，因为振荡告警阈值设置依据的缺乏，连续录波是事件触发录波的有益补充。对于触发录波，标准要求支持事件告警、人工触发及远程触发3 种方式。事件触发录波采样率不应低于12.8 kHz，告警信号持续存在的情况下录波时间不小于60 s，录波记录文件不少于256 条，循环记录。触发录波需提供与录波数据对应的动作报告，包括触发事件及时间、触发时刻各间隔告警量幅值及频率等内容。
连续录波要求支持不少于72 h 连续记录，宜每分钟形成一个录波文件，方便后续的查询和调阅。标准明确要求装置的采样频率不低于12.8 kHz，而连续录波要求不低于6.4 kHz，这就意味装置在连续录波时可以进行抽点存储，之所以如此规定主要是考虑到不同制造商装置存储空间的差异。如果装置存储空间足够，按照原始高频采样数据进行连续录波最为合适。
4.1 总体方案
为有效促进宽频测量装置的工程应用，在标准中给出了宽频测量应用的总体方案。该方案涉及整个宽频测量系统，由厂站端宽频测量装置、宽频测量处理单元和主站端的宽频测量主站组成，具体架构如图2 所示。
图2 宽频测量系统结构Fig.2 Structure of wide-frequency measurement system
厂站端主要包括宽频测量装置和宽频测量处理单元。其中，宽频测量装置接入厂站中多个电气间隔的电气量，厂站内可部署多台；
宽频测量处理单元则接入全站所有宽频测量装置的实时数据，就地化存储、分析，同时实现对调度主站的数据传输，同时兼容了PDC（phasor data concentrator）装置功能，为宽频测量数据的厂站端处理分析和对外传输提供支撑。
宽频测量主站是基于调度系统独立部署的宽频测量主站系统，既可单独部署，也可作为一个高级应用功能模块融入调度主站系统，类似当前WAMS功能模块。此方式下，该模块与WAMS 模块独立运行。
4.2 典型工程配置
现场部署时，宽频测量装置接入各个电气间隔三相电压和三相电流，其外部接线方式和测控装置、PMU 完全相同，本标准中要求单台宽频测量装置能够接入的电气间隔不少于2 个，并给出了1～2 个间隔的基础配置和4～6 个间隔的典型配置，用来满足不同工程应用的需求。之所以如此考虑，主要是因为接入间隔的数量越多，其所配置的模拟采样插件也越多。而对于宽频测量处理单元，则每个厂站至少应部署1 台，220 kV 及以上电压等级的厂站宜部署2 台，以提升可靠性。
在具体工程部署时，可选择新增宽频测量屏柜部署，也可在现场的测控装置屏柜进行部署，方便具体工程实施。前者部署独立的屏柜，安装宽频测量装置和宽频处理单元；
后者则是利用现场所监测间隔的测控屏柜空间，在其中安装宽频测量装置和宽频处理单元。目前两种方式在实际工程中都有广泛应用。
4.3 应用场景
1）新能源厂站
考虑到现有风电、光伏、储能等新能源厂站的测量以工频信号为主，缺乏对包含振荡在内的间谐波信号的测量，宽频测量装置可广泛部署于新能源厂站。具体部署时可结合实际的需求，优先在新能源厂站内的并网点进行监测，同时也可在新能源汇集站进行部署，实现对各接入的风电厂的全面监测。GB/T 19963.1—2021《风电场接入电力系统技术规定第1 部分：陆上风电》也明确了“对于接入220 kV及以上电压等级的风电场应部署PMU 设备，必要时应根据电力系统实际需求在风电汇集站加装宽频测量系统”［25］，这为其在新能源领域的应用提供了支撑。
2）新能源并网接入的各电压等级变电站
变电站内接入的新能源间隔是宽频测量装置部署的重点。无论是对于储能接入的10 kV 电压等级，还是光伏、风电并网接入的35 kV、110 kV 乃至220 kV 及以上电压等级，这些外部新能源并网接入的间隔是变电站内重点监测对象。因为从振荡溯源及传播来看，这些新能源并网接入是潜在的风险点，有必要对其进行实时监测，为次/超同步振荡以及宽频振荡的监测与抑制提供支撑，而这也符合GB 38755—2019《电力系统安全稳定导则》国家标准中“存在次同步振荡或超同步振荡风险的新能源场站及送出工程，应采取抑制和监测措施”的规定［26］。目前，宽频测量装置已在华东、华北等电网百余座变电站部署应用，在实际运行中发现了一系列典型次/超同步振荡事件和谐波越限等事件，为电网的快速响应和及时应对提供了支撑。
3）高比例电力电子化负荷接入的变电站
一些110 kV 或220 kV 高电压等级的变电站连接牵引变电站、冶炼企业以及电力电子负荷，这些电气间隔也可优先部署宽频测量装置，实现对间谐波和谐波的监测。目前，在华东地区一些220 kV 高铁牵引变电站的出线间隔部署了宽频测量装置，可以清楚监测到高铁进入牵引线路供电区间前后基波、谐波的变化情况，可为潜在的谐波越限和间谐波分布规律的监测提供支撑。
4）直流和柔性直流近区电网的部署
现阶段发现的柔性直流近区电网发生了从数百赫兹到1 800 多赫兹的宽频振荡，现有的测量设备无法对其进行实时监测，而宽频测量装置12.8 kHz的采样频率可有效实现中高频振荡的实时监测。文献［27］基于宽频测量装置，对超高压变电站附近某发电厂500 kV 母线电压伪振荡问题进行了分析。该500 kV 母线电压测量值异常波动，波动区间约501～518 kV，幅度达到20 kV 左右，经过宽频测量装置实时监测，发现现场存在较大幅值的35 次和37 次谐波，而该火电厂早期投运的测控装置采样频率只有1 800 Hz，导致35 次和37 次谐波混叠至工频区间，造成了伪振荡的现象，这个工程案例验证了宽频测量装置的应用效果。
5）传统PMU 的替换和升级改造
宽频测量装置已经集成了PMU 功能，而宽频测量处理单元也集成了PDC 的全部功能。因此，实际工程中，新建变电站的PMU 和PDC 可考虑全部替换为宽频测量装置和宽频测量数据处理单元。而对于面临改造升级的变电站，也可考虑将原有PMU和PDC 升级为宽频测量装置和宽频测量处理单元。这样既能完全兼容PMU 的所有功能，也能有效应对各类间谐波、高次谐波的测量需求，尤其是能够实时监测宽频振荡，可为电网的运行监测提供有力支撑。目前，宽频测量装置已在某抽水蓄能电站部署替代PMU 进行工程应用。
4.4 应用展望
宽频测量装置除了为电网的运行监测提供全景监测手段外，包含基波、间谐波和谐波的宽频测量数据也可为新型电力系统的基础研究和工程应用提供新的数据支撑。
首先，宽频测量装置间谐波实时测量功能可实现电力电子化电网宽频振荡的实时监测，在宽频测量装置广泛部署的基础上可为振荡源的定位提供有力支撑。同时，基于间谐波的实时监测，可实时监测振荡从发生、放大、告警的全过程，而这也为振荡预警提供了技术手段，将有力推动振荡事件从被动监测向主动预防转变。
此外，宽频测量装置还能够为电力电子化电网的负荷参数辨识、转动惯量在线评估等提供有力支撑。其长录波功能还能够为电网的仿真分析提供现场高频采样数据，有利于为电力电子化电网的建模与参数校正提供参考。
随着新型电力系统各类研究的深入，宽频测量装置除了在大电网领域外，在配电网、谐波源定位及电能质量监测等其他领域也具有广阔的应用前景。
5.1 间谐波测量精度
宽频测量装置是为应对电网电力电子化发展的挑战所研发的新型测量装置，其关键的技术指标国内外目前都处于缺失阶段，一方面是缺乏理论研究支撑，另一方面也缺乏工程应用验证。尤其是间谐波电压、电流测量的精度问题，如果仍然遵循电能质量相关标准显然无法满足今后电力电子化电网宽频域范围内振荡信号精准测量需求，迫切需要制定新的标准。此外，对于间谐波信号，尤其是振荡信号的幅值和相位的测量精度也缺乏相应的规定，这是今后需要重点研究和解决的问题。
5.2 宽频振荡告警阈值
从现有研究可以看出，大量电力电子设备接入所导致的新型振荡属于电磁振荡，其产生机理往往并非源于单个设备，而是多个设备之间或者与电网相互耦合所致，因此，其发生振荡时振荡频率覆盖范围较广，且具有时变的特性。宽频测量装置虽然可以监测到这些间谐波信号，但是振荡告警阈值如何设置行业内还缺乏相关依据，完全依赖用户自行设置，容易导致振荡事件遗漏或者振荡告警频繁启动，不利于电网的运行监测，而这也将是今后迫切需要解决的问题。
5.3 宽频振荡统一实时监测
现阶段宽频振荡监测限定在300 Hz 以内，随着振荡频率范围的提升，实现0～2 500 Hz 范围的宽频振荡监测将是今后面对的挑战，如此宽范围、多振荡频率信号的精准监测对振荡算法、监测机制及装置的硬件都提出了挑战，而这也是今后需要进一步改进完善的问题。
随着以构建新能源为主体的新型电力系统的目标的提出，以逆变器为代表的大量电力电子设备将会在电网中广泛应用，其呈现的非工频特性将日益凸显。本标准所规范的宽频测量装置为电力电子化电网宽频特性的运行监测提供了全新的技术手段，尤其是宽频测量装置所具有的宽频振荡监测功能，能够在保障电网安全的前提下，有效推进新能源大规模并网接入，为新型电力系统的发展建设提供了有力支撑。后续将进一步开展该设备行业标准和国家标准的制定工作，逐步建立未来新型电力系统的宽频测量体系，以有效应对以电力电子设备为主体电网的运行监测需求。同时，将进一步完善间谐波测量精度算法研究，制定间谐波实时测量精度的指标标准；
进一步开展振荡告警阈值、振荡判定依据等方面的研究工作，为宽频振荡实时监测提供支撑，推动宽频测量装置在更多领域的应用，有力支撑新型电力系统的发展建设。
