電廠端相量測(cè)量系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用分析

任保瑞，郭玉恒，陸建宏

(二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

1 同步相量測(cè)量系統(tǒng)的廣域測(cè)量系統(tǒng)

基于同步相量測(cè)量技術(shù)的廣域測(cè)量系統(tǒng)WAMS(Wide Area Measurement System)為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與控制奠定了基礎(chǔ)［1－2］。我國(guó)已建立了數(shù)個(gè)區(qū)域電網(wǎng)WAMS，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與控制［3－6］。系統(tǒng)記錄的同步故障數(shù)據(jù)為事故分析和參數(shù)辨識(shí)提供了參考［7］。WAMS主要用于電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，隨著研究的深入，基于WAMS的廣域控制系統(tǒng)將逐步投入使用，中心站可利用相量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視并在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，制訂并采取實(shí)時(shí)控制措施，有效提高電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性［8－9］。

二灘水電站是四川電網(wǎng)的骨干電廠，目前建立了1套廠站相量測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)是四川電網(wǎng)WAMS的一個(gè)重要子站，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)二灘水電站主要電氣設(shè)備的相量測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至電網(wǎng)主站和流域集控中心。

2 同步相量測(cè)量的基本原理

同步相量測(cè)量裝置PMU(Phasor Measurement Unit)是廣域測(cè)量系統(tǒng)的基本組成部分，利用全球定位系統(tǒng)提供的同步時(shí)鐘，同步測(cè)量不同地域各廠站的電氣參數(shù)，將各廠站電氣參數(shù)統(tǒng)一到相同時(shí)標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步測(cè)量。

2.1 PMU的基本組成

PMU主要由電氣量采集部分、全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)授時(shí)部分、數(shù)據(jù)處理部分和通信部分組成，基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 PMU裝置的基本組成

2.2 相量測(cè)量基本原理

全球定位系統(tǒng)為全網(wǎng)各廠(站)提供了統(tǒng)一的參考時(shí)鐘，各廠(站)的測(cè)量數(shù)據(jù)傳至主站后，主站即可得到各廠站以統(tǒng)一的參考相量為基準(zhǔn)的相對(duì)相角，即全網(wǎng)的相量測(cè)量數(shù)據(jù)。其原理如圖2所示。

圖2 相量測(cè)量的基本原理

在圖2中，廠(站)1內(nèi)電氣量U1以參考相量Ref為參考的相角為φ1，主站內(nèi)電氣量U以參考相量Ref為參考的相角為φ，由于主站和廠站采用統(tǒng)一的參考相量Ref。因此，可得出廠站1內(nèi)電氣量U1相對(duì)于主站電氣量U的相對(duì)相角θ=φ1－φ。同理可得各廠站在同一時(shí)標(biāo)下的同步相量數(shù)據(jù)。

2.3 發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)和功角測(cè)量基本原理

發(fā)電機(jī)功角是判斷其運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，目前普遍采用鍵相脈沖信號(hào)測(cè)量?jī)?nèi)電勢(shì)和功角。通過(guò)采集鍵相脈沖、機(jī)端電壓，將采集的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功角和內(nèi)電勢(shì)的實(shí)時(shí)同步測(cè)量。由于不需要比較發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)相量和機(jī)端電壓相量，故利用轉(zhuǎn)子鍵相脈沖相量即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功角的測(cè)量。因此，可避免電氣量暫態(tài)過(guò)程對(duì)測(cè)量精度造成的影響。功角測(cè)量的基本原理如圖3所示。

圖3 功角測(cè)量的基本原理

圖3中:δ為發(fā)電機(jī)的功角;φ為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)超前參考相量的角度;θ為鍵相脈沖相量超前發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)的角度。

3 相量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成

二灘水電站是四川電網(wǎng)的骨干電網(wǎng)，擔(dān)負(fù)著川渝電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰作用，電廠配置的相量測(cè)量系統(tǒng)是四川電網(wǎng)WAMS的重要組成部分。系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，采用CSS200系列裝置，由3面屏配置而成，主要由同步相量采集單元、數(shù)據(jù)集中處理單元、發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)測(cè)量裝置、GPS同步授時(shí)單元和通信系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

3.1 二灘水電站PMU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四川電網(wǎng)相量測(cè)量系統(tǒng)總體建設(shè)采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)。因二灘水電站發(fā)電機(jī)變壓器組單元和500 kV出線距離較遠(yuǎn)，電廠內(nèi)部配置的相量測(cè)量系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由3面屏組成，其中#1屏用于500 kV開關(guān)站的電氣量測(cè)量，#2屏用于#1～#3機(jī)組的電氣量測(cè)量，#3屏用于#4～#6機(jī)組的電氣量測(cè)量。位于#1屏的衛(wèi)星對(duì)時(shí)裝置利用光纖通過(guò)IRIG－B碼為PMU裝置提供對(duì)時(shí)信號(hào)，各屏之間PMU通過(guò)光纖通信網(wǎng)將相量數(shù)據(jù)上傳至位于#1屏的數(shù)據(jù)集中處理單元，數(shù)據(jù)集中處理單元通過(guò)2 M路由將電廠的相量信息上傳至四川省電力調(diào)度中心和雅礱江流域集控中心。每面屏配有現(xiàn)地工作站，實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)視、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)打印、裝置參數(shù)配置等功能，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)配置2臺(tái)CSS－200/1P數(shù)據(jù)集中處理單元，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和記錄的雙重化，提高了數(shù)據(jù)記錄的可靠性。

3.2 二灘水電站PMU系統(tǒng)的組成

二灘水電站相量測(cè)量系統(tǒng)采用了CSS200系列裝置，該裝置由5臺(tái)CSS200/1A同步相量采集單元、2臺(tái) CSS200/1P數(shù)據(jù)集中處理單元、6臺(tái)CSFU－107發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)測(cè)量裝置、1套GPS同步授時(shí)單元、現(xiàn)地工作站和通信系統(tǒng)等構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集單元CSS－200/1A。該單元可實(shí)現(xiàn)機(jī)組和出線的三相電壓相量、三相電流相量、開關(guān)狀態(tài)、機(jī)組勵(lì)磁電壓、機(jī)組勵(lì)磁電流和導(dǎo)葉開度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并通過(guò)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)集中處理單元。

圖4 二灘水電站相量測(cè)量系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)測(cè)量單元CSFU－107。該單元負(fù)責(zé)發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)、發(fā)電機(jī)功角和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)測(cè)量。利用對(duì)測(cè)量的鍵相脈沖和機(jī)端電壓進(jìn)行同步對(duì)時(shí)，精確測(cè)量發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)和功角。

數(shù)據(jù)集中處理單元CSS200/1。該單元負(fù)責(zé)接收各相量采集單元的測(cè)量數(shù)據(jù)，將各采集單元的測(cè)量數(shù)據(jù)利用統(tǒng)一時(shí)標(biāo)對(duì)時(shí)后向主站發(fā)送，按行業(yè)規(guī)范對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)設(shè)置啟動(dòng)判據(jù)對(duì)啟動(dòng)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

GPS授時(shí)單元。該單元利用IRIG－B(DC)碼格式脈沖為各采集單元提供統(tǒng)一的對(duì)時(shí)信號(hào)，對(duì)時(shí)誤差小于 1 μs，自有時(shí)鐘誤差小于 55 μs/h。

通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)由交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換裝置、光纖通信線路等部分組成。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)各測(cè)量單元、集中處理單元、四川電網(wǎng)WAMS主站和雅礱江流域集控中心之間的數(shù)據(jù)通信。

現(xiàn)地工作站主要由工控機(jī)和系統(tǒng)監(jiān)控軟件組成。負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理、顯示、打印和系統(tǒng)配置功能。

4 相量測(cè)量系統(tǒng)的功能

二灘水電站相量測(cè)量單元主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二灘電站5條500 kV出線、6臺(tái)發(fā)電機(jī)變壓器組單元的運(yùn)行狀態(tài)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至電網(wǎng)WAMS主站和雅礱江流域集控中心。

4.1 相量測(cè)量系統(tǒng)的基本功能

相量測(cè)量系統(tǒng)的基本功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備電氣參數(shù)、記錄擾動(dòng)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)通信，具體包括低頻振蕩、發(fā)電機(jī)功角、發(fā)電機(jī)進(jìn)相等狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。相量測(cè)量系統(tǒng)記錄的電網(wǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)和故障錄波數(shù)據(jù)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回放和分析，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別等多種擴(kuò)展應(yīng)用。

4.2 功角在線監(jiān)測(cè)

功角是判斷發(fā)電網(wǎng)運(yùn)行同步性的重要參考。發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間失步和系統(tǒng)之間失步都會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)和變壓器的安全運(yùn)行造成影響，甚至影響整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，必須加強(qiáng)對(duì)功角的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

二灘水電站配置的PMU能直接測(cè)量發(fā)電機(jī)的功角。通過(guò)相量測(cè)量系統(tǒng)，運(yùn)行人員可實(shí)時(shí)監(jiān)視和調(diào)整機(jī)組功角，從而有效提高系統(tǒng)的輸電能力、靜態(tài)功角穩(wěn)定水平和暫態(tài)功角穩(wěn)定性。

4.3 低頻振蕩監(jiān)測(cè)功能

二灘水電站遠(yuǎn)離川渝電網(wǎng)負(fù)荷中心，采用超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路和高倍數(shù)快速勵(lì)磁，導(dǎo)致電廠和系統(tǒng)之間的低頻振蕩問(wèn)題比較突出，曾發(fā)生過(guò)由于系統(tǒng)擾動(dòng)導(dǎo)致的低頻振蕩情況。目前采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS(Power System Stabilization)來(lái)抑制低頻振蕩，取得了較好的效果。

相量測(cè)量系統(tǒng)具有系統(tǒng)低頻振蕩在線檢測(cè)功能，通過(guò)監(jiān)視機(jī)組和線路的功角、電壓和電流量來(lái)識(shí)別使系統(tǒng)的低頻振蕩，可有效檢測(cè)局部振蕩模式和區(qū)間振蕩模式的低頻振蕩。發(fā)生低頻振蕩后，根據(jù)相量測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)錄波數(shù)據(jù)，分析電氣量的振蕩情況，可為判斷振蕩引發(fā)地點(diǎn)和原因提供參考。目前，電力系統(tǒng)中配置的相量測(cè)量系統(tǒng)能可靠監(jiān)測(cè)到數(shù)次低頻振蕩，為事故分析和控制提供參考。

4.4 進(jìn)相運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能

二灘水電站機(jī)組在枯水期經(jīng)常處于進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)電機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，應(yīng)關(guān)注其與勵(lì)磁系統(tǒng)限制條件以及發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)的配合關(guān)系。此外，進(jìn)相運(yùn)行還會(huì)造成發(fā)電機(jī)的端部發(fā)熱，影響發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓降低等。當(dāng)發(fā)電間及進(jìn)相深度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電間極端電壓嚴(yán)重降低，對(duì)廠用電造成影響，甚至使發(fā)電間靜穩(wěn)遭到破壞，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失步。

相量測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的有功、無(wú)功、定子電壓和定子電流，在P－Q曲線上實(shí)時(shí)描述出機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)軌跡。設(shè)置各參數(shù)的限制條件，如定子電流限制、電子電壓限制、P－Q曲線限制等，當(dāng)參數(shù)越限時(shí)實(shí)時(shí)告警提示運(yùn)行人員，為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整提供了條件。

5 運(yùn)行和應(yīng)用情況分析

二灘水電站同步相量測(cè)量系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行情況良好。各相量采集單元運(yùn)行穩(wěn)定，所采集的相量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。GPS同步對(duì)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行正常，為各相量采集單元提供了穩(wěn)定、可靠的統(tǒng)一對(duì)時(shí)脈沖。同步相量測(cè)量系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好，保障了實(shí)時(shí)向集控中心和主站輸送相量數(shù)據(jù)?，F(xiàn)地工作站運(yùn)行可靠，為數(shù)據(jù)提取和分析提供了保障。

相量測(cè)量系統(tǒng)為調(diào)度人員和集控中心人員實(shí)時(shí)掌握二灘水電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)提供了依據(jù)。通過(guò)設(shè)置各種擾動(dòng)啟動(dòng)量，實(shí)時(shí)記錄各種擾動(dòng)數(shù)據(jù)并通過(guò)告警輸出提醒運(yùn)行值班人員加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的監(jiān)視和調(diào)整，為四川省電力調(diào)度中心和流域集控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電廠設(shè)備運(yùn)行提供了更科學(xué)直觀的測(cè)量方法，對(duì)協(xié)調(diào)處理事故起了重要作用。

利用工作站軟件的分析功能實(shí)現(xiàn)了故障數(shù)據(jù)回放和事故分析;同時(shí)，裝置的同步相量數(shù)據(jù)為利用廣域數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析奠定了基礎(chǔ)。相量測(cè)量系統(tǒng)投運(yùn)后，多次記錄到線路和廠內(nèi)主要電氣設(shè)備的典型擾動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)事故分析起到了重要作用。如枯水期發(fā)生過(guò)數(shù)次電壓波動(dòng)，通過(guò)讀取系統(tǒng)內(nèi)相鄰廠站的相量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為判別電壓波動(dòng)原因提供了數(shù)據(jù)支持。

6 總結(jié)

二灘水電站相量測(cè)量系統(tǒng)作為四川電網(wǎng)WAMS重要子站，為四川電網(wǎng)WAMS主站和流域集控中心提供了大量的實(shí)時(shí)相量信息，同時(shí)為電廠人員監(jiān)視電氣設(shè)備運(yùn)行情況和事故分析提供了參考。隨著電網(wǎng)WAMS的完善和分析控制功能的開發(fā)，將會(huì)逐步建成電力系統(tǒng)廣域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。

［1］龍厚軍，胡志堅(jiān)，陳允平.基于GPS的功角測(cè)量及同步相量在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.繼電器，2004，32(3):39－44.

［2］吳京濤，謝小榮，王立鼎，等.廣域測(cè)量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的發(fā)展與展望［J］.電力設(shè)備，2006，7(3):46－49.

［3］邱夕兆，于占勛，雷鳴，等.山東電網(wǎng)基于WAMS的低頻振蕩統(tǒng)計(jì)與評(píng)估［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(6):95－98.

［4］蘇和，常鮮戎，萬(wàn)江.廣域測(cè)量系統(tǒng)在內(nèi)蒙古電網(wǎng)的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2010，28(3):6 －8.

［5］曹路，張濤，汪德星，等.華東電網(wǎng)WAMAP系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(21):97 －101.

［6］莊黎明，戚宏偉.同步相量測(cè)量技術(shù)在變電站間隔層中的應(yīng)用［J］.華東電力，2006，34(10):91 －93.

［7］李丹，蘇為民，張晶，等.“9.1”內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)振蕩的仿真研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(6):41 －47.

［8］王茂海，高洵，王蓓，等.基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的次同步振蕩在線監(jiān)測(cè)預(yù)警方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(6):98－102.

［9］王茂海，鮑捷，齊霞，等.基于PMU實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的輸電線路參數(shù)在線評(píng)估方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(1):25－27.