基于FFT算法的同步相量測(cè)量裝置相角反向輸出故障分析與對(duì)策

余侃勝，吳 穎，陳明亮，鄒 進(jìn)，謝國(guó)強(qiáng)，王志成，潘本仁

（1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌 330096；3.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077）

0 引言

實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)信息，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和控制是對(duì)現(xiàn)代電網(wǎng)的重要要求。同步相量測(cè)量裝置（PMU）基本功能是利用GPS信號(hào)對(duì)電網(wǎng)中母線或節(jié)點(diǎn)電壓（電流）同步測(cè)量，并進(jìn)行分析計(jì)算，提供頻率、相角和幅值信息，對(duì)電力系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)[1-2]、參數(shù)辨識(shí)[3-4]、暫態(tài)穩(wěn)定控制[5]、電壓監(jiān)控等有重大意義。

目前，大部分發(fā)電廠PMU裝置投運(yùn)前均未開(kāi)展投運(yùn)前檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分裝置存在相角反向輸出問(wèn)題，嚴(yán)重影響廣域測(cè)量系統(tǒng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)分析，不能及時(shí)正確處理動(dòng)態(tài)擾動(dòng)引起的電網(wǎng)穩(wěn)定問(wèn)題。

1 PMU子站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PMU子站測(cè)量系統(tǒng)由同步相量測(cè)量裝置、PDC相量數(shù)據(jù)集中器及本地監(jiān)控工作站等三部分硬件組成，并通過(guò)軟件形成裝置內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和各部分之間的數(shù)據(jù)流，如圖1所示。

圖1 同步相量測(cè)量系統(tǒng)硬件組成

2 故障現(xiàn)象

2017年4月25日20:08左右，通過(guò)PMU測(cè)試儀加量至某發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組PMU裝置中，發(fā)現(xiàn)PDC顯示電壓相角與PMU測(cè)試儀加量（標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)量測(cè)試故障期間的顯示值與標(biāo)準(zhǔn)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(shù)人員認(rèn)為，出現(xiàn)相角輸出反向測(cè)試故障原因可能有：1）PMU測(cè)試儀和PMU裝置來(lái)自不同授時(shí)裝置；2）站內(nèi)統(tǒng)一授時(shí)，不同被授時(shí)裝置的延時(shí)引起授時(shí)偏差。分析以上兩種可能性是不可能的，原因是：

1）現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)PMU裝置與PMU測(cè)試儀所接入的授時(shí)信號(hào)來(lái)自電廠全廠統(tǒng)一授時(shí)裝置，所以排除該項(xiàng)原因；

2）測(cè)試時(shí)，PMU裝置與PMU測(cè)試儀均采取接收光纖對(duì)時(shí)信號(hào)，裝置通過(guò)精確計(jì)算光纖的延時(shí)時(shí)間，同步精度可達(dá)到60 ns。所以2臺(tái)裝置的延時(shí)誤差最大值不超過(guò)0.00108°，遠(yuǎn)小于179.9°。所以排除該原因。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看PMU裝置說(shuō)明書(shū)，提到理論相量取在相量計(jì)算時(shí)間窗的中點(diǎn)，而PMU測(cè)試儀按照標(biāo)準(zhǔn)中定義時(shí)間標(biāo)的，即當(dāng)計(jì)算相量值的時(shí)標(biāo)是采用計(jì)算時(shí)間窗口的第一個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)世界時(shí)間。PMU裝置說(shuō)明書(shū)指出數(shù)據(jù)計(jì)算窗口寬度是10ms，并同步相量定義與工頻余弦信號(hào)一致，即與協(xié)調(diào)世界時(shí)同步，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)工頻余弦信號(hào)

那么相差應(yīng)該是90°左右，而非180°左右，如圖3所示。

圖3 計(jì)算窗口時(shí)間寬度半個(gè)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(shù)據(jù)后處理數(shù)據(jù)采用FFT算法，如果只采用間隔10 ms的數(shù)據(jù)，將不能準(zhǔn)確算出該波形的幅值、諧波分量及相角。經(jīng)過(guò)與該廠家研發(fā)技術(shù)人員溝通了解到，計(jì)算部分采用了補(bǔ)窗，即計(jì)算本次10 ms數(shù)據(jù)時(shí)結(jié)合了上次相鄰的10 ms數(shù)據(jù)，組成20 ms數(shù)據(jù)窗口計(jì)算。

通過(guò)Labview波形仿真分析如圖4所示，分析整個(gè)異常過(guò)程可以確定，此次測(cè)試故障是PMU裝置計(jì)算窗口時(shí)標(biāo)定義有誤引起的，原因是該裝置是在行標(biāo)規(guī)范之前生產(chǎn)運(yùn)行的，而測(cè)試儀是按照行標(biāo)規(guī)范之后定義的，導(dǎo)致本次測(cè)試故障。

圖4 不同時(shí)標(biāo)定義時(shí)輸出的相角仿真圖

4 防范措施和建議

雖然此次測(cè)試異常是PMU裝置計(jì)算窗口時(shí)間定義有誤引起的，但此次測(cè)試異常故障也暴露出PMU裝置規(guī)范生產(chǎn)、出廠驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及生產(chǎn)運(yùn)維人員技術(shù)水平等問(wèn)題。針對(duì)此次故障分析，應(yīng)采取以下防范措施：

1）提高技術(shù)人員關(guān)于PMU子站系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)和設(shè)備管理水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理；

2）規(guī)范PMU裝置生產(chǎn)，統(tǒng)一定義時(shí)間標(biāo)管理；

3）嚴(yán)格執(zhí)行出廠驗(yàn)收及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等環(huán)節(jié)，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

5 結(jié)論

本文介紹了一起PMU裝置相角測(cè)試異常案例，驗(yàn)證了PMU測(cè)試儀同步相量正確定義，通過(guò)Labview仿真分析了基于FFT算法的PMU裝置相角測(cè)試異常原因及其解決辦法，給出了針對(duì)性防范措施和建議，希望對(duì)于今后處理和預(yù)防PMU裝置相角測(cè)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(tǒng)非線性諧波狀態(tài)估計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（22）∶98-102.

[2]李虹，李衛(wèi)國(guó)，熊浩清.WAMS中計(jì)及量測(cè)函數(shù)非線性項(xiàng)的電力系統(tǒng)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（5）∶155-161.

[3]孫昊，王茂海，齊霞.基于PMU實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的同步發(fā)電機(jī)參數(shù)在線辨識(shí)方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（3）∶31-36.

[4]牛勝鎖，梁志瑞，張建華，等.基于多時(shí)段同步測(cè)量信息的T接線路參數(shù)在線測(cè)量[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，43（1）∶238-244.

[5]黃弘揚(yáng)，徐政，華文，等.基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)控制方案[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（6）∶49-56.