電廠端相量測量系統建設和應用分析

任保瑞，郭玉恒，陸建宏

(二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000)

1 同步相量測量系統的廣域測量系統

基于同步相量測量技術的廣域測量系統WAMS(Wide Area Measurement System)為實現互聯電網的動態監測與控制奠定了基礎［1－2］。我國已建立了數個區域電網WAMS，實現了對電網狀態的在線監測與控制［3－6］。系統記錄的同步故障數據為事故分析和參數辨識提供了參考［7］。WAMS主要用于電網動態監測，隨著研究的深入，基于WAMS的廣域控制系統將逐步投入使用，中心站可利用相量數據實時監視并在線預測系統狀態，制訂并采取實時控制措施，有效提高電網的動態穩定性［8－9］。

二灘水電站是四川電網的骨干電廠，目前建立了1套廠站相量測量系統，該系統是四川電網WAMS的一個重要子站，主要實現對二灘水電站主要電氣設備的相量測量，并將測量數據上傳至電網主站和流域集控中心。

2 同步相量測量的基本原理

同步相量測量裝置PMU(Phasor Measurement Unit)是廣域測量系統的基本組成部分，利用全球定位系統提供的同步時鐘，同步測量不同地域各廠站的電氣參數，將各廠站電氣參數統一到相同時標下，實現數據的同步測量。

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GPS(Global Positioning System)授時部分、數據處理部分和通信部分組成，基本構成如圖1所示。

圖1 PMU裝置的基本組成

2.2 相量測量基本原理

全球定位系統為全網各廠(站)提供了統一的參考時鐘，各廠(站)的測量數據傳至主站后，主站即可得到各廠站以統一的參考相量為基準的相對相角，即全網的相量測量數據。其原理如圖2所示。

圖2 相量測量的基本原理

在圖2中，廠(站)1內電氣量U1以參考相量Ref為參考的相角為φ1，主站內電氣量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一的參考相量Ref。因此，可得出廠站1內電氣量U1相對于主站電氣量U的相對相角θ=φ1－φ。同理可得各廠站在同一時標下的同步相量數據。

2.3 發電機內電勢和功角測量基本原理

發電機功角是判斷其運行狀態的重要參數，目前普遍采用鍵相脈沖信號測量內電勢和功角。通過采集鍵相脈沖、機端電壓，將采集的信號進行統一對時，即可實現發電機功角和內電勢的實時同步測量。由于不需要比較發電機內電勢相量和機端電壓相量，故利用轉子鍵相脈沖相量即可實現發電機功角的測量。因此，可避免電氣量暫態過程對測量精度造成的影響。功角測量的基本原理如圖3所示。

圖3 功角測量的基本原理

圖3中:δ為發電機的功角;φ為發電機內電勢超前參考相量的角度;θ為鍵相脈沖相量超前發電機內電勢的角度。

3 相量測量系統結構和組成

二灘水電站是四川電網的骨干電網，擔負著川渝電網的調頻、調峰作用，電廠配置的相量測量系統是四川電網WAMS的重要組成部分。系統采用分層分布式結構，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、數據集中處理單元、發電機內電勢測量裝置、GPS同步授時單元和通信系統等部分構成。

3.1 二灘水電站PMU系統結構

四川電網相量測量系統總體建設采用分層分布式體系結構。因二灘水電站發電機變壓器組單元和500 kV出線距離較遠，電廠內部配置的相量測量系統采用分布式體系結構，系統由3面屏組成，其中#1屏用于500 kV開關站的電氣量測量，#2屏用于#1～#3機組的電氣量測量，#3屏用于#4～#6機組的電氣量測量。位于#1屏的衛星對時裝置利用光纖通過IRIG－B碼為PMU裝置提供對時信號，各屏之間PMU通過光纖通信網將相量數據上傳至位于#1屏的數據集中處理單元，數據集中處理單元通過2 M路由將電廠的相量信息上傳至四川省電力調度中心和雅礱江流域集控中心。每面屏配有現地工作站，實現就地監視、數據存取、數據打印、裝置參數配置等功能，系統體系結構如圖4所示。

系統配置2臺CSS－200/1P數據集中處理單元，實現了數據處理和記錄的雙重化，提高了數據記錄的可靠性。

3.2 二灘水電站PMU系統的組成

二灘水電站相量測量系統采用了CSS200系列裝置，該裝置由5臺CSS200/1A同步相量采集單元、2臺 CSS200/1P數據集中處理單元、6臺CSFU－107發電機內電勢測量裝置、1套GPS同步授時單元、現地工作站和通信系統等構成。

數據采集單元CSS－200/1A。該單元可實現機組和出線的三相電壓相量、三相電流相量、開關狀態、機組勵磁電壓、機組勵磁電流和導葉開度等數據的實時采集并通過通信系統將數據傳輸至數據集中處理單元。

圖4 二灘水電站相量測量系統的體系結構

發電機內電勢測量單元CSFU－107。該單元負責發電機內電勢、發電機功角和轉子轉速的實時測量。利用對測量的鍵相脈沖和機端電壓進行同步對時，精確測量發電機內電勢和功角。

數據集中處理單元CSS200/1。該單元負責接收各相量采集單元的測量數據，將各采集單元的測量數據利用統一時標對時后向主站發送，按行業規范對歷史數據進行存儲，通過設置啟動判據對啟動后的數據進行存儲。

GPS授時單元。該單元利用IRIG－B(DC)碼格式脈沖為各采集單元提供統一的對時信號，對時誤差小于 1 μs，自有時鐘誤差小于 55 μs/h。

通信系統。通信系統由交換機、光電轉換裝置、光纖通信線路等部分組成。該系統負責各測量單元、集中處理單元、四川電網WAMS主站和雅礱江流域集控中心之間的數據通信。

現地工作站主要由工控機和系統監控軟件組成。負責完成數據存儲、分析處理、顯示、打印和系統配置功能。

4 相量測量系統的功能

二灘水電站相量測量單元主要負責實時監測二灘電站5條500 kV出線、6臺發電機變壓器組單元的運行狀態，并將測量數據上傳至電網WAMS主站和雅礱江流域集控中心。

4.1 相量測量系統的基本功能

相量測量系統的基本功能包括實時監測設備電氣參數、記錄擾動數據、數據分析和數據通信，具體包括低頻振蕩、發電機功角、發電機進相等狀態的監測。相量測量系統記錄的電網實時測量數據和故障錄波數據，可進行實時數據回放和分析，以此為基礎進行參數識別等多種擴展應用。

4.2 功角在線監測

功角是判斷發電網運行同步性的重要參考。發電機與系統之間失步和系統之間失步都會對發電機和變壓器的安全運行造成影響，甚至影響整個系統穩定運行，因此，必須加強對功角的實時監測。

二灘水電站配置的PMU能直接測量發電機的功角。通過相量測量系統，運行人員可實時監視和調整機組功角，從而有效提高系統的輸電能力、靜態功角穩定水平和暫態功角穩定性。

4.3 低頻振蕩監測功能

二灘水電站遠離川渝電網負荷中心，采用超高壓遠距離輸電線路和高倍數快速勵磁，導致電廠和系統之間的低頻振蕩問題比較突出，曾發生過由于系統擾動導致的低頻振蕩情況。目前采用電力系統穩定器PSS(Power System Stabilization)來抑制低頻振蕩，取得了較好的效果。

相量測量系統具有系統低頻振蕩在線檢測功能，通過監視機組和線路的功角、電壓和電流量來識別使系統的低頻振蕩，可有效檢測局部振蕩模式和區間振蕩模式的低頻振蕩。發生低頻振蕩后，根據相量測量系統的實時錄波數據，分析電氣量的振蕩情況，可為判斷振蕩引發地點和原因提供參考。目前，電力系統中配置的相量測量系統能可靠監測到數次低頻振蕩，為事故分析和控制提供參考。

4.4 進相運行監測功能

二灘水電站機組在枯水期經常處于進相運行狀態。發電機在進相運行時，應關注其與勵磁系統限制條件以及發電機失磁保護的配合關系。此外，進相運行還會造成發電機的端部發熱，影響發電機的靜態穩定性，導致發電機機端電壓降低等。當發電間及進相深度較大時，會導致發電間極端電壓嚴重降低，對廠用電造成影響，甚至使發電間靜穩遭到破壞，最終導致發電機失步。

相量測量系統實現了對發電機進相運行狀態的在線監測。在線監測發電機的有功、無功、定子電壓和定子電流，在P－Q曲線上實時描述出機組進相運行狀態軌跡。設置各參數的限制條件，如定子電流限制、電子電壓限制、P－Q曲線限制等，當參數越限時實時告警提示運行人員，為發電機運行狀態進行及時調整提供了條件。

5 運行和應用情況分析

二灘水電站同步相量測量系統自投運以來運行情況良好。各相量采集單元運行穩定，所采集的相量數據準確可靠。GPS同步對時系統運行正常，為各相量采集單元提供了穩定、可靠的統一對時脈沖。同步相量測量系統通信網絡運行良好，保障了實時向集控中心和主站輸送相量數據。現地工作站運行可靠，為數據提取和分析提供了保障。

相量測量系統為調度人員和集控中心人員實時掌握二灘水電站設備運行狀態提供了依據。通過設置各種擾動啟動量，實時記錄各種擾動數據并通過告警輸出提醒運行值班人員加強對設備的監視和調整，為四川省電力調度中心和流域集控中心實時監測電廠設備運行提供了更科學直觀的測量方法，對協調處理事故起了重要作用。

利用工作站軟件的分析功能實現了故障數據回放和事故分析;同時，裝置的同步相量數據為利用廣域數據進行綜合分析奠定了基礎。相量測量系統投運后，多次記錄到線路和廠內主要電氣設備的典型擾動數據，對事故分析起到了重要作用。如枯水期發生過數次電壓波動，通過讀取系統內相鄰廠站的相量數據進行綜合分析，為判別電壓波動原因提供了數據支持。

6 總結

二灘水電站相量測量系統作為四川電網WAMS重要子站，為四川電網WAMS主站和流域集控中心提供了大量的實時相量信息，同時為電廠人員監視電氣設備運行情況和事故分析提供了參考。隨著電網WAMS的完善和分析控制功能的開發，將會逐步建成電力系統廣域實時監測和控制系統。

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