同步相量測量系統(tǒng)的組建與應(yīng)用

孟為群 胡 月 潘高峰

（1.大唐國際發(fā)電股份有限公司，北京 100023；

2.大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠，河北 張家口 075133）

前言

20世紀(jì)90年代初，基于全球定位系統(tǒng)Global Positioning System（GPS）的相量測量單元Phasor Measurement Unit（PMU）的成功研制，標(biāo)志著同步相量（synchrophasor）技術(shù)的誕生。隨著近二十年來在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，尤其是美國等西方國家的幾次大停電事故，由于沒有有效的電網(wǎng)動態(tài)檢測手段，更促進(jìn)了大電網(wǎng)廣域測量/監(jiān)視系統(tǒng)Wide-Area Measurement/Monitoring System（WAMS）的形成和發(fā)展。我國電力電力系統(tǒng)正在進(jìn)行西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)交直流混連、新能源并網(wǎng)，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)潮流的不確定性增大，互聯(lián)電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性有下降的可能。為了進(jìn)一步加強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)度對電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控和分析的能力，需要在變電站和發(fā)電廠側(cè)安裝同步相量測量裝置，構(gòu)建電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并通過調(diào)度中心對電力系統(tǒng)的動態(tài)過程進(jìn)行檢測和分析。

一、廣域同步相量測量系統(tǒng)的組成

廣域同步相量測量系統(tǒng)由以下幾部分組成：

相量測量裝置PMU（Phasor Measurement Unit）—用于同步相量的測量和輸出并進(jìn)行動態(tài)記錄。

數(shù)據(jù)集中器DC（Data Concentrate）—用于站端的數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)的通訊裝置。

子站（Substation）—安裝在同一電廠或變電站的PMU和DC的集合。

主站（Main Station）—安裝在電力調(diào)度中心，用于接收、管理、存儲、分析、告警、分析和轉(zhuǎn)發(fā)動態(tài)數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（Real Time Power System Dynamic Monitoring System）—以同步向量測量和現(xiàn)代通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，對電力系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)檢測和分析的系統(tǒng)。

二、PMU的主要功能

根據(jù)功能要求.PMU應(yīng)包括同步采樣觸發(fā)脈沖的發(fā)生模塊、同步相量的測量計算模塊和通信模塊。同步采樣觸發(fā)脈沖的發(fā)生部分主要功能是提供秒脈沖和當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)時間 (精確到秒)。為了降低對GPS/北斗的依賴性.在GPS/北斗丟失衛(wèi)星后一段時間內(nèi).由本機(jī)自身晶振提供相當(dāng)精確的秒脈沖。相量測量運算部分輸入模擬交流信號A/D由外部產(chǎn)生的同步采樣脈沖觸發(fā).轉(zhuǎn)換完成后發(fā)送“中斷”給信號處理模塊(DSP)，DSP每讀取一點的數(shù)據(jù)就和前面的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換(DFF)運算，計算出該交流信號基波的幅值和相位。主DSP在計算相位后同時加上相應(yīng)的時標(biāo)從通信接口將相量數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測主站或保存在本地共控機(jī)上.同步串口通信數(shù)據(jù)除了采樣點時刻的時標(biāo)外.還測量CPU發(fā)出的當(dāng)前交流信號頻率。

PMU的核心特征包括基于標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號的同步相量測量、失去標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號的守時能力、PMU與主站之間能夠?qū)崟r通信并遵循有關(guān)通信協(xié)議。

PMU的基本測量包括同步相量測量和發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢角度測量。

同步相量測量主要進(jìn)行交流正弦量的測量。正弦量具有三要素：振幅、頻率和初相角。

用復(fù)數(shù)（相量）代表交流正弦量，在研究穩(wěn)態(tài)工頻量時，頻率是常數(shù)，由歐拉公式，可以將同頻率的正弦量轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)運算。

用復(fù)數(shù)量進(jìn)行電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)和機(jī)電暫態(tài)分析。交流正弦量的加、減、微分、積分等運算轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)量的代數(shù)運算。交流正弦量對時間的導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的復(fù)數(shù)量與jω的乘積；交流正弦量的積分轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的復(fù)數(shù)量與1/jω的乘積。這樣就將交流微分、積分方程轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)的代數(shù)方程。從而簡化電力系統(tǒng)的分析計算。在全網(wǎng)以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時鐘（GPS/北斗）為時間參考點，在全網(wǎng)同步進(jìn)行相量計算，稱為同步相量測量。

發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢角度(轉(zhuǎn)子角)的測量方法主要分為兩種：

間接法（電氣法）指測得機(jī)端電壓、電流相量以后，根據(jù)已知的發(fā)電機(jī)直軸、縱軸電抗，計算出發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相量，進(jìn)一步計算出發(fā)電機(jī)的功角。

直接法（機(jī)械法）是指利用發(fā)電機(jī)鍵相傳感器產(chǎn)生的鍵相脈沖，確定轉(zhuǎn)子位置。利用轉(zhuǎn)子位置與空載電勢的相位對應(yīng)關(guān)系，確定各發(fā)電機(jī)之間內(nèi)電勢的相對關(guān)系。俗稱鍵相脈沖信號。

直接法克服了間接法在暫態(tài)過程中發(fā)電機(jī)參數(shù)飽和以及機(jī)端電壓、電流測量不準(zhǔn)帶來的計算誤差。兩者相結(jié)合應(yīng)用，有效的提高了PMU裝置測量工作的穩(wěn)定性和可靠性。

三、發(fā)電廠PMU系統(tǒng)的組建與優(yōu)化

以張家口發(fā)電廠PMU系統(tǒng)改造為例進(jìn)行組建：

張家口發(fā)電廠共裝設(shè)8臺300MW機(jī)組，220kV主接線采用雙母線帶旁路接線方式，共有四回出線，500kV主接線采用3/2接線方式，共有六串間隔。目前共有17臺斷路器。兩個系統(tǒng)由500/220kV自耦變壓器相聯(lián)（下稱聯(lián)變）。1號機(jī)組、1—4號啟備變、沙島一、二線及沙閆一、二線接于220kV母線。2—8號機(jī)組、萬沙線及沙南一、二線接于500kV母線。

PMU系統(tǒng)共安裝6面屏柜，其中包括網(wǎng)控PMU功角測量處理屏一面、網(wǎng)控PMU功角測量采集屏一面、單元PMU功角測量采集屏四面，每兩臺機(jī)組共用一面PMU功角測量采集屏。網(wǎng)控PMU功角測量處理屏主要負(fù)責(zé)全500kV系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和廠PMU數(shù)據(jù)的處理和傳輸；網(wǎng)控PMU功角測量采集屏負(fù)責(zé)220kV系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集；單元PMU功角測量采集屏負(fù)責(zé)1—8號機(jī)組數(shù)據(jù)的采集。

所有PMU功角測量處理和采集裝置全部采用GPS/北斗衛(wèi)星信號對時。

圖一：PMU子站系統(tǒng)連接示意圖

在改造過程中實現(xiàn)調(diào)度對未改造機(jī)組及線路持續(xù)監(jiān)控，原系統(tǒng)PMU設(shè)備與調(diào)度通訊不動，由調(diào)度對新增加的PMU設(shè)備分配一個臨時IP。每次改造一臺機(jī)組，就把這個機(jī)組從原PMU系統(tǒng)上撤下，在新增加的PMU系統(tǒng)上增加所改造的機(jī)組，這樣分別對每臺機(jī)組改造完成后，撤掉原PMU系統(tǒng)。再按調(diào)度要求更改配置使用原IP。保證調(diào)度實時地持續(xù)地監(jiān)控到全廠PMU數(shù)據(jù)狀況。

PMU系統(tǒng)的電源輸入采用直流電源供電，雙路電源輸入后經(jīng)切換繼電器實現(xiàn)無縫切換，確保PMU系統(tǒng)在任意一路電源失去時可靠供電，正常工作，不影響全廠PMU數(shù)據(jù)上傳。

四、發(fā)電廠PMU系統(tǒng)的應(yīng)用和維護(hù)

張家口發(fā)電廠PMU功角測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括：

間隔名稱 采集信息 用途3回500kV出線 Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低頻振蕩監(jiān)測分析4回220kV出線 Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低頻振蕩監(jiān)測分析220kV雙母線 Ua、Ub、Uc、Un 低頻振蕩監(jiān)測分析500kV/220kV聯(lián)絡(luò)變壓器500kV側(cè) Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低頻振蕩監(jiān)測分析1～8號發(fā)電機(jī) 勵磁電壓、勵磁電流（4～20mA） 次同步振蕩監(jiān)測分析、勵磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測1～8號發(fā)電機(jī) Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低頻振蕩監(jiān)測分析、勵磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測1～8號發(fā)電機(jī) 鍵相脈沖信號 低頻振蕩監(jiān)測分析1～8號發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速 低頻振蕩監(jiān)測分析、勵磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測、調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測1～8號發(fā)電機(jī) 調(diào)節(jié)級壓力信號（4～20mA） 調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測1～8號發(fā)電機(jī) 調(diào)頻修整前指令信號（4～20mA） 調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測1～8號發(fā)電機(jī) 調(diào)頻修整后指令信號（4～20mA） 調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測1～8號發(fā)電機(jī) PSS投入/退出信號 勵磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測1～8號發(fā)電機(jī) AVR自動/手動信號 勵磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測1～8號發(fā)電機(jī) 一次調(diào)頻動作信號 調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測

所有數(shù)據(jù)經(jīng)采集后全部送至網(wǎng)控PMU數(shù)據(jù)處理裝置，打包發(fā)送至調(diào)度WAMS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運算，作為系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)判的依據(jù)。

PMU向調(diào)度主站傳送的每幀數(shù)據(jù)分別包含每臺采集裝置的報文，其中每臺采集裝置的數(shù)據(jù)報文都含有2個字節(jié)共16位的狀態(tài)字，從最高為到最低位按照Bit15到Bit0的順序排列，根據(jù)《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸規(guī)約》進(jìn)行了每位的定義，其中最高的前三位對PMU的運行狀態(tài)判斷比較重要，分別是：

Bit 15：相量測量裝置的數(shù)據(jù)可用標(biāo)志，0表示數(shù)據(jù)可用，1表示數(shù)據(jù)不可用；

Bit14：相量測量裝置的裝置正常標(biāo)志，0表示裝置正常，1表示裝置異常；

Bit13：相量測量裝置的同步狀態(tài)標(biāo)志，0表示裝置同步，1表示裝置失步。

正常情況下，這三個狀態(tài)字應(yīng)該為0的狀態(tài)，若調(diào)度反映該廠的PMU有狀態(tài)字置1的情況，則需要到現(xiàn)場確定是哪臺裝置出現(xiàn)異常情況，再根據(jù)是哪個狀態(tài)字置1來檢查問題：

若是數(shù)據(jù)可用標(biāo)志置1，則檢查該采集裝置是否運行正常，連接的通訊裝置是否正常工作，通訊尾纖是否有松動或折斷的情況。

若是裝置正常標(biāo)志置1，則同樣也檢查該采集裝置是否運行正常，是否出現(xiàn)斷開連接的情況。

若是同步狀態(tài)標(biāo)志置1，則需要檢查時鐘對時單元是否正常工作，是否能正常鎖星，對時尾纖是否有松動或折斷的情況。

大部分情況下，數(shù)據(jù)可用標(biāo)志和裝置正常標(biāo)志是同時改變狀態(tài)的，因此檢查網(wǎng)絡(luò)是否正常和裝置運行是否正常是兩個比較重要的手段。

由于各個PMU系統(tǒng)生產(chǎn)廠家原理的不同，某廠家生產(chǎn)的SMU-2型PMU裝置可以將各個采集器所采到的數(shù)據(jù)分別判斷，如有一臺采集器數(shù)據(jù)異常，只在此臺采集器上送數(shù)據(jù)置1（數(shù)據(jù)不可用），并不影響站內(nèi)其他采集器可用數(shù)據(jù)的上送；而另外一個廠家生產(chǎn)的CSD-361型PMU裝置是將全站所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行判斷，任意一臺采集裝置的數(shù)據(jù)不異常，全廠上送的數(shù)據(jù)均會置1（數(shù)據(jù)不可用），需進(jìn)行盡快檢查，否則就影響到站內(nèi)其他采集器可用數(shù)據(jù)的上送。

五、結(jié)束語

目前很多電廠都在積極進(jìn)行PMU站點用于電網(wǎng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)的建設(shè)。基于廣域同步相量測量的暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)決策應(yīng)用于安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)在系統(tǒng)發(fā)生故障后利用功角測量系統(tǒng)測得的各臺發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度來預(yù)測系統(tǒng)的未來行為。在預(yù)測出系統(tǒng)失穩(wěn)的情況下，按照預(yù)定的方案對系統(tǒng)進(jìn)行解列控制，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供給了有力的保障。

[1]國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸規(guī)約.2003

[2]謝小榮.同步相量技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)性穩(wěn)定控制的可行性分析.電網(wǎng)技術(shù).2004

[3]國家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范.2005

[4]沈建輝潘銳標(biāo).PMU的原理和在電廠的應(yīng)用.科技資訊2011.

[5]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.電力系統(tǒng)同步相量測量裝置通用技術(shù)條件.DL/T 280—2012.