基于FFT算法的同步相量測量裝置相角反向輸出故障分析與對策

余侃勝，吳 穎，陳明亮，鄒 進，謝國強，王志成，潘本仁

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌 330096；3.國網江西省電力有限公司，江西 南昌 330077）

0 引言

實時準確地監測電網信息，對系統的運行狀態進行動態分析和控制是對現代電網的重要要求。同步相量測量裝置（PMU）基本功能是利用GPS信號對電網中母線或節點電壓（電流）同步測量，并進行分析計算，提供頻率、相角和幅值信息，對電力系統的狀態估計[1-2]、參數辨識[3-4]、暫態穩定控制[5]、電壓監控等有重大意義。

目前，大部分發電廠PMU裝置投運前均未開展投運前檢測，檢測發現部分裝置存在相角反向輸出問題，嚴重影響廣域測量系統對區域電網的動態分析，不能及時正確處理動態擾動引起的電網穩定問題。

1 PMU子站系統結構

PMU子站測量系統由同步相量測量裝置、PDC相量數據集中器及本地監控工作站等三部分硬件組成，并通過軟件形成裝置內部的數據流和各部分之間的數據流，如圖1所示。

圖1 同步相量測量系統硬件組成

2 故障現象

2017年4月25日20:08左右，通過PMU測試儀加量至某發電廠1號機組PMU裝置中，發現PDC顯示電壓相角與PMU測試儀加量（標準參考量）的電壓相角相差-179.9°，即相角反向輸出，如表1所示。

表1 PMU加標準量測試故障期間的顯示值與標準量

3 故障排查方法和原因分析

3.1 故障排查方法

PMU廠家技術人員認為，出現相角輸出反向測試故障原因可能有：1）PMU測試儀和PMU裝置來自不同授時裝置；2）站內統一授時，不同被授時裝置的延時引起授時偏差。分析以上兩種可能性是不可能的，原因是：

1）現場檢查發現PMU裝置與PMU測試儀所接入的授時信號來自電廠全廠統一授時裝置，所以排除該項原因；

2）測試時，PMU裝置與PMU測試儀均采取接收光纖對時信號，裝置通過精確計算光纖的延時時間，同步精度可達到60 ns。所以2臺裝置的延時誤差最大值不超過0.00108°，遠小于179.9°。所以排除該原因。

通過現場查看PMU裝置說明書，提到理論相量取在相量計算時間窗的中點，而PMU測試儀按照標準中定義時間標的，即當計算相量值的時標是采用計算時間窗口的第一個采樣點對應的協調世界時間。PMU裝置說明書指出數據計算窗口寬度是10ms，并同步相量定義與工頻余弦信號一致，即與協調世界時同步，如圖2所示。

圖2 標準工頻余弦信號

那么相差應該是90°左右，而非180°左右，如圖3所示。

圖3 計算窗口時間寬度半個周波

3.2 故障原因分析及仿真

PMU裝置在匯集所有采集單元數據后處理數據采用FFT算法，如果只采用間隔10 ms的數據，將不能準確算出該波形的幅值、諧波分量及相角。經過與該廠家研發技術人員溝通了解到，計算部分采用了補窗，即計算本次10 ms數據時結合了上次相鄰的10 ms數據，組成20 ms數據窗口計算。

通過Labview波形仿真分析如圖4所示，分析整個異常過程可以確定，此次測試故障是PMU裝置計算窗口時標定義有誤引起的，原因是該裝置是在行標規范之前生產運行的，而測試儀是按照行標規范之后定義的，導致本次測試故障。

圖4 不同時標定義時輸出的相角仿真圖

4 防范措施和建議

雖然此次測試異常是PMU裝置計算窗口時間定義有誤引起的，但此次測試異常故障也暴露出PMU裝置規范生產、出廠驗收、現場測試及生產運維人員技術水平等問題。針對此次故障分析，應采取以下防范措施：

1）提高技術人員關于PMU子站系統的專業知識和設備管理水平，及時發現問題及時處理；

2）規范PMU裝置生產，統一定義時間標管理；

3）嚴格執行出廠驗收及現場測試等環節，提前發現問題。

5 結論

本文介紹了一起PMU裝置相角測試異常案例，驗證了PMU測試儀同步相量正確定義，通過Labview仿真分析了基于FFT算法的PMU裝置相角測試異常原因及其解決辦法，給出了針對性防范措施和建議，希望對于今后處理和預防PMU裝置相角測試異常故障提供參考。

[1]韓美玉，王艷松.基于粒子群算法的電力系統非線性諧波狀態估計[J].電力系統保護與控制，2013，41（22）∶98-102.

[2]李虹，李衛國，熊浩清.WAMS中計及量測函數非線性項的電力系統自適應動態狀態估計[J].電工技術學報，2010，25（5）∶155-161.

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[4]牛勝鎖，梁志瑞，張建華，等.基于多時段同步測量信息的T接線路參數在線測量[J].電工技術學報，2012，43（1）∶238-244.

[5]黃弘揚，徐政，華文，等.基于廣域測量系統的發電機強勵控制方案[J].電力系統保護與控制，2013，41（6）∶49-56.