[论文解读] Database of Power Grid Frequency Measurements

Richard Jumar, H. Maaß+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 27被引用 8

一句话总结

本文提出一个公开可用的、高分辨率的电力系统频率测量数据库，涵盖欧洲、北美和亚洲的12个同步区域，数据由自研电气数据记录仪（EDR）以1秒采样频率采集。该数据集可支持在可再生能源渗透率和系统惯性变化条件下的电网频率动态经验分析，为高比例可再生能源接入的未来电力系统模型提供关键验证数据。

ABSTRACT

The transformation of the electrical energy system attracts much attention in diverse research communities. Novel approaches for modeling, control, and power grid architectures are widely proposed. Data from actual power system operation are therefore critical to evaluate models and to analyze real-world scenarios. However, they are rarely available. In the present paper, we introduce a precisely time-stamped data set of power grid frequency measurements. It covers twelve synchronous areas of different sizes in one-second resolution. The contribution includes synchronized measurements within the Continental European synchronous area acquired in Portugal, Germany, and Turkey, maximizing the geographical span. Finally, we provide excerpts of the underlying waveform. Data were collected using a self-developed measurement instrument, the Electrical Data Recorder (EDR), connected mostly to conventional power sockets. We close our description with a discussion on measurement error and data quality.

研究动机与目标

• 为解决未来能源系统研究中缺乏公开可用的高分辨率电力系统频率数据的问题。
• 提供一个涵盖不同规模和能源结构的多种同步区域的综合性数据集。
• 支持对电网稳定性、频率控制及可再生能源集成模型的经验验证。
• 支持分析系统惯性、负荷波动及可再生能源发电对频率动态的影响。
• 促进智能电网技术、需求响应及微电网控制策略的开发与测试。

提出的方法

• 部署自研电气数据记录仪（EDR）设备，连接至标准电源插座，实现连续频率测量。
• 在12个同步区域采集1秒时间分辨率的频率数据，包括欧洲大陆同步区的同步测量。
• 采用UTC时间戳和毫毫赫兹（mHz）单位以确保一致性，通过公式（10）对名义频率偏移进行校正，以适应特定应用场景。
• 应用质量指标（QI）标记插值或无效数据点，支持数据质量控制的过滤处理。
• 进行数据处理与重处理，以确保多源数据的时间戳准确性和一致性。
• 使用Python与地理制图工具进行可视化及测量位置的空间表达。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同规模和能源结构的同步区域中，频率动态表现有何差异？
• RQ2 可再生能源发电占比不断提高，对频率波动和系统惯性的影响程度如何？
• RQ3 在真实运行条件下，负荷变化与市场活动如何影响电网频率稳定性？
• RQ4 系统规模与网络拓扑对频率控制需求与稳定性有何影响？
• RQ5 频率扰动在同步区域内如何传播，对微电网运行有何影响？

主要发现

• 该数据集覆盖欧洲、北美和亚洲的12个同步区域，测量时间跨度为2017年至2019年，总持续时间为428.1天。
• 在欧洲大陆同步区的葡萄牙、德国和土耳其站点，连续一个月采集了同步测量数据，支持跨区域频率比较。
• 数据集包含1秒时间分辨率的频率数据，具备时间戳精度，支持对瞬态与长期动态的高保真分析。
• 实施了质量指标（QI）以标记插值或无效数据点，QI ≠ 2 表示数据不可靠。
• 数据以CSV格式公开获取，包含UTC时间戳，支持在Python、MATLAB和R分析流程中的集成。
• 该数据集支持对高比例可再生能源接入系统中频率稳定性、惯性降低及控制策略等理论模型的经验验证。