同步相量測量裝置（PMU）在尼爾基發(fā)電廠的應用

王英東

（嫩江尼爾基水利水電有限責任公司尼爾基發(fā)電廠，黑龍江 齊齊哈爾161005）

同步相量測量裝置（PMU）在尼爾基發(fā)電廠的應用

王英東

（嫩江尼爾基水利水電有限責任公司尼爾基發(fā)電廠，黑龍江 齊齊哈爾161005）

尼爾基發(fā)電廠安裝了國電南瑞公司研發(fā)生產的SMU2-2G型PMU裝置，作為東北網調廣域測量系統(tǒng)系統(tǒng)的一個子站。文中主要介紹了PMU的在尼爾基電廠建設的必要性、裝置基本原理、功能及對東北電網及發(fā)電廠的意義。

PMU；發(fā)電機內能電勢；廣域測量系統(tǒng)；尼爾基發(fā)電廠

1　工程概述

尼爾基發(fā)電廠位于黑龍江省與內蒙古自治區(qū)交接的嫩江干流中上游，距下游齊齊哈爾市直線距離130km。電廠共裝有4臺軸流轉槳式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為250MW，采用擴大單元接線方式，2臺主變，通過1條220 kV的輸電線路并入黑龍江省電網。電廠2006年10月4臺機組全部投產發(fā)電，屬東北電力調度中心直調電廠，參與并承擔東北電網調峰、調頻、事故備用、負荷備用和基荷。

目前的電力系統(tǒng)通常都建立了用于測量和監(jiān)視系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的EMS系統(tǒng)和測量電磁暫態(tài)過程的故障錄波系統(tǒng)。EMS系統(tǒng)側重于監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行，測量周期通常是秒級，而且不帶時標，不同地點之間缺乏準確的共同時間標記，對電網動態(tài)預測、低頻振蕩及故障分析等不能提供任何幫助。基于調度自動化系統(tǒng)技術的局限性及近年來同步相量測量裝置（簡稱PMU）技術的發(fā)展，結合國外電網的事故啟示，國網公司在全國范圍內大力推動廣域測量系統(tǒng)及PMU的建設工作。尼爾基發(fā)電廠作為東北網調的直調電廠，為配合東北網調組建廣域測量系統(tǒng)（WAMS），在2012年完成了PMU的建設和接入工作。

2　PMU基本原理

PMU的其核心技術是實時動態(tài)錄波功能及發(fā)電機功角的測量。各廠站端PMU作為調度WAMS系統(tǒng)的一個子站，利用高精度的GPS（北斗）同步時鐘實現對各廠、站發(fā)電機電壓電流、功角、勵磁電壓電流、導葉開度、母線電壓、線路電流相量的同步測量，通過調度數據網將數據傳送至調度端WAMS系統(tǒng)上，用于實現全網實時的動態(tài)監(jiān)控。

2.1電壓電流相量的計算

對于任意一個正弦函數都有與其對應的復數函數。在通過向量/相量/矢量/旋轉矢量/旋轉相量的推算，可以建立正弦電壓/電流與相量的對應關系。利用GPS（北斗）的秒脈沖作為統(tǒng)一的時間參考點，得出輸電線兩端的電壓相量。1）電壓相量表達式：

式中：u（t）——電壓向量；U——電壓峰值；t——時間；ω——角頻率；δ——初相角；·U——電壓向量。

U1∠δ1，U2∠δ2，δ壓=δ1-δ2（2）式中：U1∠δ1——電網測點1電壓向量；U2∠δ2——電網測點2電壓向量；δ——電網測點1與電網測點2電壓相角差。

2）電流相量表達式：

式中：（it）——電流向量；I——電流峰值；·I——電流向量。

I1∠δ1，I2∠δ2，δ流=δ1-δ2（4）式中：I1∠δ1——電網測點1電流向量；I2∠δ2——電網測點2電流向量；δ流——電網測點1與電網測點2電流相角差。

兩地相角差δ實際上是指在同一時刻兩個節(jié)點正序電壓的相角差，它是系統(tǒng)運行的重要狀態(tài)變量之一。利用這個角度，可以得知兩端電力潮流的方向與大小；相角差的大小也反映了靜穩(wěn)裕度的大小，它的周期變化就表明系統(tǒng)發(fā)生了功率振蕩。

2.2發(fā)電機功角的測量

尼爾基發(fā)電廠采購的是由國電南瑞科技股份有限公司研發(fā)生的SMU-2G型同步相量測量裝置。SMU-2G型PMU其發(fā)電機內能電勢（功角）測量方面采用的是間接計算法和自適應直測內電勢發(fā)的冗余配置。

2.2.1間接計算法

該方法是純電氣測量方法，即采集同步發(fā)電機的輸出電壓、電流和其他電氣量，進而通過理論分析和計算來獲得功角。

式中：·ε——發(fā)電機內電勢同步向量；U——機端電壓；I——機端電流；φ——發(fā)電機電壓/電流夾角；Xd——發(fā)電機直軸同步電抗；Xq——發(fā)電機交軸同步電抗。

發(fā)電機直軸電流：Id=I*sin（δ+φ）（6）

發(fā)電機交軸電流：Iq=I*cos（δ+φ）（7）

發(fā)電機功角：

δ=arctg（Xq*I*cosφ）/（U+Xq*I*sinφ）（8）2.2.2自適應直測內電勢法

該測量方法通過安裝在水輪發(fā)電機大軸上的齒屏及固定在下機架上的電感式接近式開關構成。PMU對齒屏的要求是齒數為28個（與轉子極對數相同），各齒等間距均勻排列在發(fā)電機大軸上。相量測量裝置利用高性能處理器對鍵相脈沖、以10kHz進行高速采樣，同時結合發(fā)電機電壓電流相量，根據所獲得的數據對發(fā)電機空載、負載運行比對分析得出發(fā)電機初相角和實時功角。

以GPS秒脈沖上升沿時刻定義為0時刻。

快速采集發(fā)電機機端電壓的U的過零時刻t1，則可得到其絕對相角：

φu1=2πft1（9）

采集鍵相脈沖發(fā)生時刻t2，則可得到轉子絕對機械角：

φp=2πft2（10）

在發(fā)電機理想空載狀態(tài)下，由于負載電流為0，機端電壓與內電勢相同，此時刻：

空載狀態(tài)下：φε=φu1（11）式中：φε——機組內電勢絕對相角。

t2對應的機組轉軸位置與機組內電勢ε之間有一個固定的機械角度α，α數值的大小不受發(fā)電機運行狀態(tài)的改變而改變，除非轉軸位置傳感器的機械位置發(fā)生變化。發(fā)電機空載內電勢初相角α：

α=φu10-φp0=2πf0（t1-t2）（12）式中：φu10——t10時刻機端電壓正序相角；φp0——機組轉軸位置脈沖絕對相角；t10——發(fā)電機空載狀態(tài)下，頻率f0，時間t10；t20——發(fā)電機空載狀態(tài)下，頻率f0，時間t20。

實時相角：

δ=φu1-φp-α=2πf0（t1-t2）-α（13）

PMU安裝完成投運后，在額定功率（有功功率62.5 MW，cosφ=0.875）下，裝置通過齒盤實測發(fā)電機功角為23°，間接法計算發(fā)電機功角為22.8°（發(fā)電機出廠設計功角為23.4°），測量結果準確。

2.3通訊方式

PMU屏內安裝1臺內網交換機，負責屏內集中器與同步向量采集單元進行數據交換，采用TCP/IP網絡方式。上行數據鏈路數據集中器與調度數據網連接也采用TCP/ IP網絡方式，數據集中器接入尼爾基廠與東北網調2M調度數據網實時交換機，采用IEEEstd1344規(guī)約將同步相量數據傳輸至東北網調CC2000和D5000主站上。

3　尼爾基電廠PMU系統(tǒng)組屏

國電南瑞科技股份有限公司研發(fā)生產的PMU單元系統(tǒng)主要由時鐘同步單元（SMU-2GPS）、發(fā)電機同步相量測量單元（SMU-2G）、數據集中器（SMU-2CS）、同步相量輔助分析單元（SMU-2P）四部分構成。

1）SMU-2GPS時鐘同步單元。內置高精度GPS定位授時模塊，負責給PMU測量單元提供精準的鐘對時。

2）SMU-2G發(fā)電機同步相量測量單元。負責發(fā)電機鍵相脈沖，電壓、電流同步相量，勵磁電壓、電流，導葉開度，一次調頻動作等信號采集、處理，是PMU裝置的核心單元。

3）MU-2CS數據集中器單元。采用源碼開放的Linux嵌入式實時操作系統(tǒng)，可靠性高，網絡通訊能力強。負責將采集數據通過2M數據網傳送至與上級調度部門。

4）SMU-2P同步相量輔助分析單元。硬件為一臺工控機，主要用于同步相量測量單元及數據集中器的人機界面顯示，參數整定，動態(tài)數據的顯示分析，錄波數據的分析功能，發(fā)電機組的試驗分析，波形計算打印等。

4　尼爾基發(fā)電廠接入量

為監(jiān)視與分析機組振蕩、機組一次調頻特性、AGC調頻特性、機組涉網裝置性能、系統(tǒng)暫態(tài)或動態(tài)穩(wěn)定問題等，滿足電網安全穩(wěn)定分析要求。東北網調對尼爾基廠PMU的接入量要求如下：

1）發(fā)電機動態(tài)數據采集主要包括：機端A、B、C三相電壓同步相量Ua/φua、Ub/φub、Uc/φuc；機端正序電壓同步相量U1/φu1；機端A、B、C三相電流同步相量Ia/φia、Ib/φib、Ic/φic；機端正序電流同步相量I1/φi1；內電勢同步相量ε/φ（ε）；發(fā)電機功角δ；發(fā)電機鑒相脈沖（功角）；機組轉速；機端頻率變化率；發(fā)電機的勵磁電壓、勵磁電流；開關量為一次調頻投入/退出信號，一次調頻動作/復歸信號。

2）發(fā)電機組調節(jié)系統(tǒng)運行工況信息：轉速信號、導葉開度。

3）2臺主變、220kV母線及尼拉線動態(tài)數據：2臺主變、220kV母線及尼拉線A、B、C三相電壓同步相量Ua/ φua，Ub/φub，Uc/φuc；2臺主變、220kV母線及尼拉線正序電壓同步相量U1/φu1；2臺主變、220kV母線及尼拉線A、B、C三相電流同步相量Ia/φia，Ib/φib，Ic/φic；2臺主變、220kV母線及尼拉線正序電流同步相量I1/φi1；母線及線路頻率變化率。

5　尼爾基PMU建設的作用及意義

PMU技術先進，功能強大，彌補了調度端現有EMS及SCADA系統(tǒng)的技術局限，同時也彌補了廠站端故障錄波器1）電網的功用。組建東北電網廣域測量系統(tǒng)（WAMS），完成對尼爾基發(fā)電廠發(fā)變組、線路的UIPQ、功角、調節(jié)系統(tǒng)運行工況等數據的精準采集，實時監(jiān)測電網的運行狀態(tài)，觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，記錄電壓失穩(wěn)、低頻振蕩等動態(tài)過程，探測電網將要發(fā)生的緊急情況，實現電力系統(tǒng)安全預警，為調度員提供決策依據。

的不足，為各廠站提供了設備運行狀態(tài)評估及試驗過程數據記錄的重要工具。

2）暫態(tài)錄波功能是PMU設備的一個重要功能，

可進行發(fā)電機分析，包括轉速、頻率、過激磁、開關量變位時序、假同期、測量阻抗、功率及功角分析。為發(fā)變組設備的異工況運行及故障診斷提供分析依據。

3）動態(tài)錄波功能是PMU的核心技術之一，區(qū)別于傳統(tǒng)故障錄波器的技術優(yōu)勢是橫軸以秒計時，而且錄波文件是動態(tài)的、實時的，硬屏存儲的錄波文件在14d以上，填補了現調度軟件無法動態(tài)錄波的技術空白。該項技術對尼爾基廠也起到重要的作用，主要用于為發(fā)電廠主設備的修后試驗及運行狀態(tài)評估提供數據支持，對廠站側在事故追憶上起到非常重要的作用。

4）構建全方位立體式的動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。尼爾基廠安裝有機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為水輪發(fā)電機組振動、擺度、壓力脈動、發(fā)電機空氣間隙等運行參數的動態(tài)監(jiān)測，而PMU作為電氣參數的動態(tài)監(jiān)測，積極探討將兩者有機進行結合，可共同構成機組的全方位立體式的監(jiān)測系統(tǒng)，為尼爾基廠機組安全可靠運行提供有力保障。

［1］劉素英，等.發(fā)電機功角微機測量及應用［J］.電力系統(tǒng)自動化，1998，22（10）.

［2］嚴登俊，等.基于GPS時鐘信號的發(fā)電機功角實時測量方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2002，26（8）.

［3］謝小榮，等.一種估計同步發(fā)電機功角的新方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（11）.

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2014-11-14