某水電站PMU系統監測功能完善及優化

高志羽　曹鋼 高福嵩

摘 要：同步相量測量單元（phasor measurement unit， PMU）因其量測具有同步性與快速性的優勢，成為電力系統動態過程監測的重要技術手段。PMU系統是水電站水輪發電機組及500kV系統運行監測和故障分析的重要設備，因此如何優化電站PMU系統的功能與提高系統的可靠性顯得格外重要。本文介紹了PMU系統的應用現狀，闡述了某水電站PMU新增信號、實現次/超同步振蕩監測和72小時、1200Hz循環錄波功能及增加國調二平面接入的必要性和方法。

關鍵詞：同步相量測量單元;次/超同步振蕩;循環錄波

0 引言

近年來，同步相量測量單元（phasor measurement unit， PMU）及廣域同步測量系統（widearea measure-ment system， WAMS）的廣泛應用，推動了基于PMU的電力系統動態安全監視和控制的發展。PMU對基頻相量的同步、快速和精確的測量為水電站的安全運行、穩發滿發提供了保障，如圖1所示。然而，隨著新能源集中并網以及高壓直流輸電工程的大量投運，越來越多的電力電子設備接入了電網。這同時也引入大量非整數次倍于基頻的間諧波，從而改變了基頻相量的量測，并可能進一步威脅電力系統的安全。其中，對電力系統極大的威脅包括次同步振蕩。從2015年下半年開始，在我國的新能源發電和高壓直流輸電匯集地區發生了多次由間諧波引起的次同步振蕩事件，觸發了相關局域電網配套發電機組的扭振保護動作。

次同步振蕩事件中間諧波包括次同步諧波和超同步諧波，其頻率范圍從10～100 Hz。PMU系統需具有次同步振蕩的擴展監測功能，通過增加連續錄波，實現以1200 Hz采樣率連續記錄交流電壓、交流電流原始波形，為基于PMU的間諧波準確監測提供基礎。

1 PMU裝置采集次/超同步數據分析

目前，某水電站PMU裝置的數據采樣頻率為100Hz。當被檢測信號頻率偏離額定頻率時，采樣頻率與被檢測信號不同步，周期采樣信號的相位在始端和終端不連續，會產生頻率泄漏;由于主站在接收數據時低于100Hz，存在一個二次抽樣的過程，可能會丟失一些信息，導致無法識別出一些原本存在的頻率成分。由于實際電網運行的頻率正常情況下均保持在49.9-50.1Hz，基本保持在額定頻率50Hz左右，即使在頻率偏離額定頻率50Hz較大（>1Hz）時，也不會偏移較大;通過對算法進行改進，采用離散傅里葉變換（discrete Fourier transform， DFT）計算可以保證向量的精度，消除頻率泄漏現象。

某水電站原PMU裝置采集的數據如表1所示，不滿足直調機組參與區域電網調頻調壓工作的要求。且記錄的數據是50Hz基波下的幅值、相角、有功、無功功率等，濾除了50Hz以上的高次諧波。對于50Hz以下的信號不會產生頻率混疊，可以反映出50Hz以下的頻率成分，但PMU動態錄波數據只記錄了電流有效值I、電壓有效值U及有功功率的平均值P，且PMU測試技術規范還規定了在數字濾波環節采用了15Hz@50Hz帶通方式，由于U、I有效值及有功功率的平均值算法已將低于35Hz、大于65Hz的諧波分量幾乎全部濾除;因此，理論上就不可能再復現電流電壓中所含有的低于35Hz、大于65Hz的間諧波分量原始值，存在遺漏的頻率成分，造成部分頻率成分的數據信息缺失。

2 對原PMU裝置進行改造

2.1 新增信號

某水電站作為國調直調廠站，站內機組參與西南電網調頻調壓工作，有利于加強網間送受電潮流的控制，并且有助于在全網范圍內實現資源優化。西南網調對網內直調機組采用新的調管模式，使直調機組更加有效的參與系統頻率控制，并在更大范圍內進行調度優化，提高電網優質、經濟的運行水平。

為滿足直調機組參與區域電網調頻調壓工作的要求，某水電站對原PMU裝置進行新增信號改造，新增信號如表2所示。

2.2 監測功能完善

為了準確記錄某水電站5OOkV系統發生次/超同步振蕩的數據，解決現有PMU裝置中常規動態數據記錄信息不完整問題，暫態故障錄波數據需啟動錄波問題。經對現有PMU裝置功能的分析和挖掘，發現現使用的PMU裝置可通過升級管理插件，在原PMU裝置功能上建立基于原故障錄波功能原理的長過程錄波功能，避免裝置整體更換。

某水電站通過對PMU裝置進行改造，升級管理插件及軟件程序，并增加次/超同步振蕩監測配置，實現了連續采樣值錄波功能和72h的不間斷錄波，從而為5OOkV系統間諧波分析提供精確、完備的數據源。通過提高次/超同步振蕩監測與控制裝置的啟動靈敏度，實現了長過程錄波。

2.3 次同步振蕩監視

對電網次同步振蕩的準確監視，需要對PMU裝置同步采集的原始采樣數據進行頻譜分析，比較同一時刻的線路振蕩強度分布，查找次同步振蕩的傳輸路徑，定位振蕩源。PMU在進行常規相量計算的同時，對采樣數據進行瞬時功率計算和頻譜分析，檢測是否存在次同步振蕩分量，并將計算結果通過相量數據幀實時上送WAMS主站，并同時上送次同步振蕩標識。如果算法求解有多個次同步分量，默認傳送幅值最大的。

此外，構建局部電網相關廠站PMU裝置的升級改造、完善系統對時功能，通過PMU裝置信息主站對相關廠站的運行數據進行全信息的掃描和分析，不但可以確定次/超同步振蕩頻率的幅值和頻率，而且可以確定次/超同步振蕩的傳播路徑。

3 增加國調二平面接入

某水電站PMU裝置配置兩塊通信插件，PMU數據分別通過該兩塊通信插件及其配置通道上送至國調、西南網調、省調、華中網調、集控中心，通道配置如表3所示。

如上圖所示，某水電站PMU系統至國調通信僅單平面接入（電力專網），若該通道出現故障，某水電站PMU系統將無法上送數據至國調PMU主站，為保證上送國調數據不中斷，提高PMU系統通信的可靠性，有必要對某水電站PMU系統至國調通道進行了雙平面接入改造，通過對國調二平面通道配置IP地址，經西南網調轉接至國調二平面，實現雙平面通信。

4 結論

某水電站此次PMU系統升級改造工作為站內機組參與西南電網調頻調壓工作提供了保障，實現了次/超同步振蕩監測功能和72小時、1200Hz循環錄波功能，提高了PMU系統至國調通信的可靠性，解決了PMU裝置中常規動態數據可能記錄信息不完整的問題、暫態故障錄波數據需要啟動錄波問題，為準確記錄某水電站500kV系統發生次/超同步振蕩的數據提供了基礎。

某水電站PMU裝置的升級改造，完善了PMU裝置的監測功能，擴充了PMU裝置在電力系統應用中的深化，有助于電網的穩定、優質、經濟運行，可為局部電網及同行業相關廠站的PMU裝置的升級改造提供借鑒與參考。