同步相量測(cè)量系統(tǒng)的組建與應(yīng)用

孟為群 胡 月 潘高峰

（1.大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司，北京 100023；

2.大唐國(guó)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(cè)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(lái)在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，尤其是美國(guó)等西方國(guó)家的幾次大停電事故，由于沒(méi)有有效的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段，更促進(jìn)了大電網(wǎng)廣域測(cè)量/監(jiān)視系統(tǒng)Wide-Area Measurement/Monitoring System（WAMS）的形成和發(fā)展。我國(guó)電力電力系統(tǒng)正在進(jìn)行西電東送、全國(guó)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(lái)越大，電網(wǎng)潮流的不確定性增大，互聯(lián)電網(wǎng)的運(yùn)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(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)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(cè)量裝置，構(gòu)建電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)調(diào)度中心對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)和分析。

一、廣域同步相量測(cè)量系統(tǒng)的組成

廣域同步相量測(cè)量系統(tǒng)由以下幾部分組成：

相量測(cè)量裝置PMU（Phasor Measurement Unit）—用于同步相量的測(cè)量和輸出并進(jìn)行動(dòng)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(chǔ)、分析、告警、分析和轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Real Time Power System Dynamic Monitoring System）—以同步向量測(cè)量和現(xiàn)代通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)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(cè)量計(jì)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(shí)間 (精確到秒)。為了降低對(duì)GPS/北斗的依賴性.在GPS/北斗丟失衛(wèi)星后一段時(shí)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(cè)量運(yùn)算部分輸入模擬交流信號(hào)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(hào)處理模塊(DSP)，DSP每讀取一點(diǎn)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(yùn)算，計(jì)算出該交流信號(hào)基波的幅值和相位。主DSP在計(jì)算相位后同時(shí)加上相應(yīng)的時(shí)標(biāo)從通信接口將相量數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)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(diǎn)時(shí)刻的時(shí)標(biāo)外.還測(cè)量CPU發(fā)出的當(dāng)前交流信號(hào)頻率。

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

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

同步相量測(cè)量主要進(jìn)行交流正弦量的測(cè)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(shí)，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(yùn)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(yùn)算轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)量的代數(shù)運(yùn)算。交流正弦量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)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(duì)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(jiǎn)化電力系統(tǒng)的分析計(jì)算。在全網(wǎng)以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘（GPS/北斗）為時(shí)間參考點(diǎn)，在全網(wǎng)同步進(jìn)行相量計(jì)算，稱(chēng)為同步相量測(cè)量。

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

間接法（電氣法）指測(cè)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(jì)算出發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)相量，進(jìn)一步計(jì)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(shì)的相位對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定各發(fā)電機(jī)之間內(nèi)電勢(shì)的相對(duì)關(guān)系。俗稱(chēng)鍵相脈沖信號(hào)。

直接法克服了間接法在暫態(tài)過(guò)程中發(fā)電機(jī)參數(shù)飽和以及機(jī)端電壓、電流測(cè)量不準(zhǔn)帶來(lái)的計(jì)算誤差。兩者相結(jié)合應(yīng)用，有效的提高了PMU裝置測(cè)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(tái)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(tái)斷路器。兩個(gè)系統(tǒng)由500/220kV自耦變壓器相聯(lián)（下稱(chēng)聯(lián)變）。1號(hào)機(jī)組、1—4號(hào)啟備變、沙島一、二線及沙閆一、二線接于220kV母線。2—8號(hào)機(jī)組、萬(wàn)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(cè)量處理屏一面、網(wǎng)控PMU功角測(cè)量采集屏一面、單元PMU功角測(cè)量采集屏四面，每?jī)膳_(tái)機(jī)組共用一面PMU功角測(cè)量采集屏。網(wǎng)控PMU功角測(cè)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(cè)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(cè)量采集屏負(fù)責(zé)1—8號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)的采集。

所有PMU功角測(cè)量處理和采集裝置全部采用GPS/北斗衛(wèi)星信號(hào)對(duì)時(shí)。

圖一：PMU子站系統(tǒng)連接示意圖

在改造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)調(diào)度對(duì)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(dòng)，由調(diào)度對(duì)新增加的PMU設(shè)備分配一個(gè)臨時(shí)IP。每次改造一臺(tái)機(jī)組，就把這個(gè)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(duì)每臺(tái)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，確保PMU系統(tǒng)在任意一路電源失去時(shí)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(cè)量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括：

間隔名稱(chēng) 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(cè)分析4回220kV出線 Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低頻振蕩監(jiān)測(cè)分析220kV雙母線 Ua、Ub、Uc、Un 低頻振蕩監(jiān)測(cè)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(cè)分析1～8號(hào)發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流（4～20mA） 次同步振蕩監(jiān)測(cè)分析、勵(lì)磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)1～8號(hào)發(fā)電機(jī) Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低頻振蕩監(jiān)測(cè)分析、勵(lì)磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)1～8號(hào)發(fā)電機(jī) 鍵相脈沖信號(hào) 低頻振蕩監(jiān)測(cè)分析1～8號(hào)發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速 低頻振蕩監(jiān)測(cè)分析、勵(lì)磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)、調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)1～8號(hào)發(fā)電機(jī) 調(diào)節(jié)級(jí)壓力信號(hào)（4～20mA） 調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)1～8號(hào)發(fā)電機(jī) 調(diào)頻修整前指令信號(hào)（4～20mA） 調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)1～8號(hào)發(fā)電機(jī) 調(diào)頻修整后指令信號(hào)（4～20mA） 調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)1～8號(hào)發(fā)電機(jī) PSS投入/退出信號(hào) 勵(lì)磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)1～8號(hào)發(fā)電機(jī) AVR自動(dòng)/手動(dòng)信號(hào) 勵(lì)磁系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)1～8號(hào)發(fā)電機(jī) 一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào) 調(diào)速系統(tǒng)性能在線監(jiān)測(cè)

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(yùn)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(tái)采集裝置的報(bào)文，其中每臺(tái)采集裝置的數(shù)據(jù)報(bào)文都含有2個(gè)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(duì)PMU的運(yùn)行狀態(tài)判斷比較重要，分別是：

Bit 15：相量測(cè)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(cè)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(cè)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(gè)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(chǎng)確定是哪臺(tái)裝置出現(xiàn)異常情況，再根據(jù)是哪個(gè)狀態(tài)字置1來(lái)檢查問(wèn)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(yùn)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(dòng)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(yùn)行正常，是否出現(xiàn)斷開(kāi)連接的情況。

若是同步狀態(tài)標(biāo)志置1，則需要檢查時(shí)鐘對(duì)時(shí)單元是否正常工作，是否能正常鎖星，對(duì)時(shí)尾纖是否有松動(dòng)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(shí)改變狀態(tài)的，因此檢查網(wǎng)絡(luò)是否正常和裝置運(yùn)行是否正常是兩個(gè)比較重要的手段。

由于各個(gè)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(gè)采集器所采到的數(shù)據(jù)分別判斷，如有一臺(tái)采集器數(shù)據(jù)異常，只在此臺(tái)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(gè)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(tái)采集裝置的數(shù)據(jù)不異常，全廠上送的數(shù)據(jù)均會(huì)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(yǔ)

目前很多電廠都在積極進(jìn)行PMU站點(diǎn)用于電網(wǎng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)的建設(shè)?；趶V域同步相量測(cè)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的各臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)行為。在預(yù)測(cè)出系統(tǒng)失穩(wěn)的情況下，按照預(yù)定的方案對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解列控制，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供給了有力的保障。

[1]國(guó)家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(guó)家電力調(diào)度通信中心.電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量裝置通用技術(shù)條件.DL/T 280—2012.