同步相量測量控制技術在500kV換流站的應用

(國網湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙 410004)

1 引言

在跨區(qū)聯(lián)網、超遠距離輸電和清潔能源蓬勃發(fā)展的新形勢下，電力系統(tǒng)運行環(huán)境發(fā)生著變化，電網穩(wěn)定運行不確定性增加。因此有必要構建全網動態(tài)穩(wěn)定性控制與監(jiān)測系統(tǒng)加強調控中心對電力系統(tǒng)的分析能力和動態(tài)穩(wěn)定監(jiān)測[1-2]。同步相量測量單元(Synchronous Phasor Measurement Unit SPMU)是搭建全網動態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)的重要設備，其基于北斗或GPS系統(tǒng)高精度授時，可實現電網不同地理區(qū)域節(jié)點功角數據的同步實時采集、記錄、遠程傳輸和處理，克服變電站及調控中心故障錄波和數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition SCADA)系統(tǒng)不足[3-5]。在電網狀態(tài)估計、輸電線路故障定位、動態(tài)故障錄波以及防災預警系統(tǒng)等方面已有廣泛應用。

本文以惠州500kV鵝城換流站采用的南瑞繼保PCS-996型同步相量測量子站系統(tǒng)為例，闡述同步相量測量系統(tǒng)工作原理、實施方案、維護要點及改進建議。

2 同步相量測量原理

同步穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和功率平衡是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行必須滿足的因素，電網失去同步穩(wěn)定會導致中樞點電壓等交流量產生周期性波動，影響正常供電[3]。在重要電廠和變電站安裝SPMU子站系統(tǒng)，實現對頻率、電網功率、相角、線路電流同步相量的測量，通過調度數據網傳輸系統(tǒng)輸送到調控中心SPMU主站系統(tǒng)，從而實現對電網同步穩(wěn)定運行的分析和監(jiān)測。廠站SPMU系統(tǒng)同時采集電流電壓幅值和相角，用相量表示交流量幅值X(有效值)和相角(在坐標系中為實部和虛部)，任意兩個相量測得兩地功角相角差，基于統(tǒng)一同步對時時鐘參考點考慮在不同時間同一個功角信號的動態(tài)變化性。

=XR+jXI

(1)

將輸入采樣值轉換到頻域信號得到相量值，通過傅里葉變換[2]。式(1)相量表示為：

(2)

圖1 交流信號相量

圖2 同步相量測量原理

3 同步相量測量關鍵技術

同步相量采集裝置是電力系統(tǒng)SPMU系統(tǒng)的基礎和核心，通過該裝置進行同步相量測量、輸出及動態(tài)記錄，應具備以下特點及關鍵技術：

(1)實時同步性：相量測量裝置必須以精確的同步時鐘信號作為采樣基準使廠站各節(jié)點保持確定統(tǒng)一的相位關系，在高速通信系統(tǒng)的支撐下，實時、準確地將采集量傳送至多個主站。

(2)高速度：相量測量裝置必須具有高速的內部數據總線和對外通信接口，以滿足大量實時數據測量、存貯和對外發(fā)送。

(3)高精度：裝置內部模數轉換(A/D)芯片一般需在16位及以上，裝置測量環(huán)節(jié)產生的信號相移必須要進行補償，測量精度包括幅值和相角的精度。

(4)高可靠性：相量測量裝置必須能滿足未來動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性要求。體現在兩方面，一是裝置運行的穩(wěn)定性；二是記錄數據的安全可靠性。

(5)大容量：具備足夠大的存貯容量，以保證能長期記錄和保存相量數據、暫態(tài)數據。

4 500kV鵝城站SPMU實施方案

4.1 系統(tǒng)結構

惠州500kV鵝城換流站同步相量測量控制系統(tǒng)采用系統(tǒng)組屏與分布式安裝相結合方法。其應用SPMU-CS數據集中處理單元(PCS-996G)、SPMU-M數據采集單元(PCS-996A)、SPMU-GPS時鐘同步單元(RCS-9785D)、SPMU-P后臺管理調試單元構成系統(tǒng)。系統(tǒng)結構示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)配置

其中，SPMU-GPS單元接收統(tǒng)一對時信號，將1PPS秒脈沖信號、GPS報文信息、同步采樣脈沖信號通過光纖通訊向廠站測量單元SPMU-M發(fā)送。各SPMU-M裝置采集線路及主變三相基波電流、電壓等帶時標矢量值，以R2001規(guī)約向SPMU-CS單元發(fā)送；SPMU-CS單元負責接收SPMU-M單元發(fā)送的報文并向主站轉發(fā)數據。在需要進行現場分析的情況下,SPMU-P單元提供人機接口對現場模擬量變化進行實時監(jiān)視，同時具有分析錄波數據的功能。

4.2 鵝城換流站SPMU子站系統(tǒng)配置

鵝城站現有兩條500kV交流出線(鵝博甲線、鵝博乙線)。SPMU系統(tǒng)組屏安裝于#2繼電器小室，配置一臺SPMU-M單元、一臺SPMU-CS單元、一臺SPMU-GPS單元；SPMU-M單元同時采集兩條出線的模擬量及開關量信息。小室SPMU-M單元通過以太網與SPMU-CS單元傳輸數據(遠距可通過多模光纜傳輸)，SPMU-GPS單元通過光纖與SPMU-M單元單元進行時間同步。SPMU-CS單元通過主控樓國調調度數據網和省調調度數據網雙通道多路由將采集數據上傳至國調和華中網調實時動態(tài)監(jiān)控及廣域測量系統(tǒng)。

4.3 系統(tǒng)調試及施工風險控制

建立與各調度主站的通信連接，進行PMU系統(tǒng)通信調試。根據國網/省網兩套調度數據網的網絡設置，配置數據集中器的IP地址及網關，通過兩套調度數據網分別與國調、華中網調PMU主站系統(tǒng)進行通信；路由通道測試正常后，可進行二次交流量接入及信號核對驗收。

(1)交流量接入：鵝城換流站以從故障錄波交流量采集回路接入SPMU-M數據采集單元，該項工序涉及與繼電保護專業(yè)交叉作業(yè)，需防止TV短路、TA開路，接線前需協(xié)調相關專業(yè)人員，確認緊固接線端子聯(lián)片做好安全措施。

(2)子站系統(tǒng)調試：進行同步相量采集裝置功能試驗，檢查裝置的模擬量回路工作是否正常，根據線路的TA、TV變比完成裝置配置文件的修改。在檢查模擬量時需要使用標準源測試儀對各路模擬量通道單獨加標準電壓、電流量，核對對應的模擬量通道是否與外接線路相一致，并檢查模擬量值的精度，測試完畢記錄實驗結果。由于該項工序加量測試有影響主站系統(tǒng)潮流數據的風險，一方面測試前需通知相關調度做好數據封鎖或其他安全措施，另一方面采取電壓電流分開加量方式(同時測試電壓電流上送功率影響潮流計算)。

(3)信號核對驗收：與調度完成線路交流量、裝置告警遙信量測試驗收。該項工序需確保GPS對時單元正常，可通過GPS對時單元面板及調度上送數據時標雙核對對時準確性。

4.4 運維建議

從實際運維經驗來看，同步相量測量系統(tǒng)維護重點在于SPMU-GPS單元與SPMU-M單元。SPM U-GPS與SPMU-M對時光纖接口為易損件，運維單位在湖南500kV牌樓變、500kV船山變曾多次處理該類缺陷，建議運維單位配置一定數量備件確保應急消缺。光口正常指示燈特征為：同步采樣脈沖為常亮，1PPS秒脈沖指示燈每秒閃爍一次，為不規(guī)則的閃爍，并結合光纖接口指示燈運行狀態(tài)可直觀判斷通信異常故障點。

從設計角度來看，鑒于時間同步對于SPMU系統(tǒng)的重要性，可采用我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為主信號源、美國GPS備用的雙授時方案，增強授時可靠性；同時建立時間同步光纖接口自動切換裝置，當檢測光纖接口異常時自動切換到備用接口，提高時間同步光纖接口運行可靠性，總體提高設備不間斷運行能力。

5 結束語

同步相量測量系統(tǒng)做為電力系統(tǒng)新型的安全監(jiān)控手段，本文對其系統(tǒng)結構進行了分析，著重介紹該系統(tǒng)在500kV鵝城換流站的應用。隨著全球互聯(lián)網戰(zhàn)略的實施，合理配置和充分利用同步相量信息，構筑新一代安全防衛(wèi)系統(tǒng)，為解決廣域電網系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，提高動態(tài)安全水平和防止大停電事故提供了新的技術途徑。

[1] 許樹楷,謝小榮,辛耀中.基于同步相量測量技術的廣域測量系統(tǒng)應用現狀及發(fā)展前景[J].電網技術,2005,29(2):44-49.

[2] 王茂海,孫元章.基于DFT的電力系統(tǒng)相量及功率測量新算法[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(2):20-24.

[3] 范琦,穆鋼,王克英.基于同步相量測量的線路參數在線測量的實驗研究[J]東北電力學院報,2002,22(4):5-11.

[4] 莊黎明，戚宏偉.同步相量測量技術在變電站問隔層中的應用[J].華東電力,2006，34(10):90-92.

[5] 莊玉飛,井石.IRIG-B時間碼在同步相量測量裝置(PMU)中的應用[J].電子測試,2010(11):78-80.

[6] 電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范[M].中國電力出版社.