基于PMU數(shù)據(jù)的300MW水電機組并網(wǎng)暫態(tài)分析

吳 凡 匡 蕾

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基于PMU數(shù)據(jù)的300MW水電機組并網(wǎng)暫態(tài)分析

吳 凡 匡 蕾

（湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000）

根據(jù)華中電力調(diào)控分中心2016年36號文件要求，隔河巖電廠于2016年底完成了同步相量測量裝置的升級改造，基于該裝置采集的機組并網(wǎng)過程毫秒級特征電氣量數(shù)據(jù)，對并網(wǎng)瞬間有功功率及無功功率的暫態(tài)過渡過程進行分析，涉及有功功率的低頻振蕩及收斂過程，勵磁調(diào)節(jié)器的電壓階躍響應(yīng)過程，以及機組發(fā)出無功功率和吸收無功功率的平衡過程等，對大型水電機組并網(wǎng)過程的特征電氣量數(shù)據(jù)分析有一定的參考意義。

PMU；并網(wǎng)；振蕩；有功功率；無功功率；進相

湖北清江隔河巖水力發(fā)電廠位于湖北省宜昌市長陽土家族自治縣境內(nèi)，安裝2臺300MW和2臺306MW共計4臺混流式水輪發(fā)電機組，總裝機1212MW，設(shè)計年發(fā)電量30.4億kW·h，是華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰調(diào)頻電廠。隔河巖水利樞紐控制流域面積14430km2，多年平均降水量1380ms，多年平均流量383m3/s，多年平均徑流量120.76億m3。隔河巖大壩為混凝土重力拱壩，壩頂高程206m，壩長653.50m，正常蓄水位200m，總庫容30.18億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫。隔河巖電廠1993年6月首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，1994年11月4臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電[1]。隔河巖電廠調(diào)速系統(tǒng)改造完成于2010—2012年，勵磁系統(tǒng)改造完成于2011—2013年，監(jiān)控系統(tǒng)改造完 成于2013—2016年，自動化輔控系統(tǒng)改造完成于 2014—2017年，改造后的調(diào)速設(shè)備為ANDRITZ的TC 1703系統(tǒng)，勵磁設(shè)備為ABB的Unitrol 6800系統(tǒng)，計算機監(jiān)控設(shè)備為南瑞的NC3.0系統(tǒng)，自動化輔控統(tǒng)一采用Siemens的S7 300系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，隔河巖電廠機組并網(wǎng)前，勵磁系統(tǒng)自動跟蹤系統(tǒng)電壓，調(diào)速系統(tǒng)自動跟蹤系統(tǒng)頻率，由同期裝置判斷同期點并發(fā)出合閘脈沖至機組出口斷路器。

大型水電機組并網(wǎng)瞬時過程主要受同期裝置對同期點的計算和捕捉，導(dǎo)前時間的合理配置，主斷路器的合閘響應(yīng)速度，以及并網(wǎng)瞬間勵磁系統(tǒng)對機端電壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和調(diào)速系統(tǒng)對導(dǎo)水機構(gòu)導(dǎo)葉開度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)影響，鑒于同期裝置、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)的更新改造直接影響了機組并網(wǎng)瞬間的暫態(tài)過渡過程，為綜合評估隔河巖電廠水電動機組主要電氣控制系統(tǒng)的實際工作性能以及二次系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，本研究在計算機監(jiān)控系統(tǒng)秒級分辨率歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，利用PMU毫秒級分辨率錄波數(shù)據(jù)完成了相關(guān)分析工作。

1 系統(tǒng)硬件

1.1 同步相量測量裝置

電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（WAMS）是基于同步相量測量以及現(xiàn)代通信技術(shù)，對地域廣闊的電力系統(tǒng)進行動態(tài)過程監(jiān)測和分析的系統(tǒng)，同步相量測量裝置（PMU）用于同步相量的測量、記錄和輸出，所有接入華中電網(wǎng)調(diào)度端WAMS系統(tǒng)的PMU裝置需滿足華中電網(wǎng)對PMU裝置的技術(shù)要求，配置于發(fā)電廠端的PMU裝置需采集該廠所有機組及出線信息，交流電流和交流電壓采集需接入測量CT/ PT回路[2]。

國家電力調(diào)度控制中心2014年依據(jù)《電網(wǎng)運行準(zhǔn)則》[3]印發(fā)了國調(diào)中心調(diào)運（2014）32號《國調(diào)中心關(guān)于印發(fā)源網(wǎng)動態(tài)性能在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）的通知》[4]，華中電力調(diào)控分中心2016年依據(jù)上述文件印發(fā)了華中電調(diào)（2016）36號《關(guān)于進一步完善直調(diào)電廠并網(wǎng)機組源網(wǎng)動態(tài)性能在線監(jiān)測信息接入PMU的通知》[5]，要求直調(diào)電廠百萬千瓦級機組于2016年10月1日前完成信息接入工作，其他機組于2016年12月底前全面完成信息接入工作，各直調(diào)廠站需加強PMU裝置的現(xiàn)場運行管理，根據(jù)《源網(wǎng)動態(tài)性能在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[6]和《華中電網(wǎng)PMU接入規(guī)范》[7]完善PMU相關(guān)信息接入工作。

隔河巖電廠原PMU裝置于2008年10月投入運行，包含主機處理屏和數(shù)據(jù)采集屏共計2面盤柜，采集屏安裝在3、4號機組單元控制室，主機處理屏安裝在繼電保護室。主機處理屏配置2臺CSS200/1P處理單元與華中電網(wǎng)調(diào)度端通信，配置1臺CSS200/1A采集單元采集清長Ⅰ線、清長Ⅱ線、清葛線三相電壓、電流量；采集屏配置2臺CSS200/1A測量單元采集4臺機組機端電壓、電流量以及勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)模擬量及開關(guān)量信號。根據(jù)華中電調(diào)（2016）36號文件要求，隔河巖電廠于2016年11月完成了PMU裝置的升級改造工作[8]，新裝置按照雙主處理主機和雙網(wǎng)冗余模式規(guī)劃[9]，配置1面數(shù)據(jù)處理屏和2面數(shù)據(jù)采集屏共計3面屏柜，數(shù)據(jù)處理屏安裝在原位置，在1、2號機組單元控制室新增位置安裝1號數(shù)據(jù)采集屏，2號數(shù)據(jù)采集屏安裝在3、4號機組單元控制室原位置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主機處理屏配置2臺PCS-996G處理單元與華中電網(wǎng)調(diào)度端通信[10]，配置1臺PCS-996A采集單元采集線路信息，詳細測點見表1。每面數(shù)據(jù)采集屏分別配置2臺PCS-996B測量單元采集機組模擬量及開關(guān)量信號，詳細測點見表2。

圖1 隔河巖電廠PMU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 隔河巖電廠機組出線PMU接入信息

表2 隔河巖電廠4臺機組PMU接入信息

（續(xù)）

4臺機組PMU接入信息符號量程 導(dǎo)葉開度VAL0～100 機組轉(zhuǎn)速SPR0～273.2 一次調(diào)頻修正前功率設(shè)定BFT0～332 一次調(diào)頻修正后功率設(shè)定AFT0～332 AVR電壓給定ARV0～18000 PSS輸出信號PSA0～0.2 監(jiān)控系統(tǒng)到調(diào)速器的功率設(shè)定RSO0～332 調(diào)速器功率設(shè)定SPO0～332 一次調(diào)頻投入RFT0～1 一次調(diào)頻動作MFT0～1 勵磁自動AVR0～1 PSS投入PSS0～1 低勵限制LFZ0～1 過勵限制HFZ0～1 V/Hz限制VFZ0～1 定子電流過負荷限制SCH0～1

1.2 同期裝置

隔河巖電廠于2013年實施了計算機監(jiān)控系統(tǒng)升級改造，隨同機組現(xiàn)地控制單元整體更換了同期裝置，新設(shè)備選用西門子7VE61發(fā)電機自動同期裝置[11]，底層采用一個半通道設(shè)計，由同步檢查判據(jù)和并列檢查判據(jù)冗余產(chǎn)生合閘命令，同步檢查判據(jù)用于判別主斷路器兩側(cè)的壓差、頻差和角差是否在定值范圍之內(nèi)，并列檢查判據(jù)用于判別主斷路器兩側(cè)的壓差、頻差以及裝置預(yù)測的相角重合時間是否在定值范圍之內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。7VE61裝置僅在同步檢查判據(jù)滿足的前提下，開放并列檢查判據(jù)，裝置可根據(jù)整定值自動平衡由于接線方式帶來的電壓不平衡以及固定轉(zhuǎn)角差，而無需在電壓回路中串接中間變壓器。此外，隔河巖電廠在同期合閘回路中冗余增加了獨立的機械同步檢查繼電器以增加系統(tǒng)可靠性，同期裝置相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表3。

圖2 隔河巖電廠同期裝置邏輯結(jié)構(gòu)圖

表3 隔河巖電廠機組同期裝置參數(shù)設(shè)置表

1.3 系統(tǒng)主接線圖

隔河巖電廠水電機組系統(tǒng)主接線示意圖如圖3所示。

2 并網(wǎng)過程

本文基于PMU采集到的機組同期并網(wǎng)毫秒級分辨率數(shù)據(jù)[12]，以隔河巖電廠2號機組為例，選取兩次典型并網(wǎng)過程詳細分析并網(wǎng)瞬間調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程，解析典型并網(wǎng)過程中機組有功功率、無功功率、機端電壓、定子電流、系統(tǒng)頻率、勵磁電壓、勵磁電流、導(dǎo)葉開度，以及線路電壓、線路電流等PMU錄波數(shù)據(jù)，量化并網(wǎng)過程相關(guān)特征量的暫態(tài)變化過程[13]，為評估大型水電機組主要二次控制系統(tǒng)設(shè)備性能提供數(shù)據(jù)支撐。在理想狀態(tài)下，機組并網(wǎng)后若計算機監(jiān)控系統(tǒng)未介入進行有功及無功調(diào)節(jié)，則機組無功功率為0，既不吸收無功功率也不發(fā)出無功功率，機組有功功率由調(diào)速器固有特性決定，默認帶有功負荷10MW左右。

圖3 隔河巖電廠機組主接線示意圖

2.1 并網(wǎng)后遲相運行

2017年6月30日06∶21∶34∶810，隔河巖電廠 2號機組并網(wǎng)，并網(wǎng)前機端電壓9.85kV，線路電壓132.29kV，定子電流48.66A，線路電流0，系統(tǒng)頻率50.08Hz，勵磁電壓142.59V，勵磁電流1143.57A，導(dǎo)葉開度20.66%，并網(wǎng)后持續(xù)4s相關(guān)特征量達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定后機端電壓10.49kV，線路電壓134.39kV，定子電流3641.31A，線路電流271.00A，系統(tǒng)頻率50.00Hz，勵磁電壓206.98V，勵磁電流1694.43A，導(dǎo)葉開度22.44%，有功4.22MW，無功114.60Mvar。暫態(tài)過渡過程有功最大變化至35.38MW，無功最大變化至121.00Mvar，勵磁電壓最大變化至573.08V，勵磁電流最大變化至1731.06A，具體PMU測值見表4，其中工況A為并網(wǎng)前準(zhǔn)同期點，時刻34s810ms，B為并網(wǎng)后有功最大變化點，時刻34s970ms，C為并網(wǎng)后勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)前，時刻35s050ms，D為并網(wǎng)后勵磁電壓最大變化點，時刻35s090ms，E為并網(wǎng)后無功最大變化點，時刻37s080ms，F(xiàn)為并網(wǎng)后穩(wěn)定態(tài)點，時刻38s810ms。

相關(guān)特征電氣量過渡過程曲線如圖4至圖9所示。由圖4、圖5可知，機組于34s810ms并網(wǎng)，有功功率經(jīng)過5次低頻震蕩[14]后于38s810ms收斂穩(wěn)定至4.22MW，低頻振蕩周期為0.8s，振蕩頻率為1.25Hz，持續(xù)時間4s，期間導(dǎo)葉開度穩(wěn)定不變，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)滯后于有功功率0.23s的同頻反向振蕩。機組并網(wǎng)瞬間水輪機的機械輸入功率和發(fā)電機的電磁輸出功率通過相互作用達到新的平衡，具體為主斷路器閉合瞬間，有功功率迅速升至35.38MW，此時因電磁輸出功率大于機械輸入功率，發(fā)電機組出現(xiàn)機電振蕩，發(fā)電機轉(zhuǎn)子降速，系統(tǒng)頻率降低，電磁輸出功率隨之降低，當(dāng)電磁輸出功率降低至與機械輸入功率相等時，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的慣性作用，電磁輸出功率繼續(xù)降低至-24.75MW，使得電磁輸出功率小于機械輸入功率，發(fā)電機轉(zhuǎn)子增速，系統(tǒng)頻率升高，如此反復(fù)，經(jīng)過5次收斂振蕩，發(fā)電機的電磁輸出功率和水輪機的機械輸入功率達到新的平衡后機組有功功率穩(wěn)定。

表4 并網(wǎng)暫態(tài)過渡過程遲相運行特征量數(shù)據(jù)

圖4 機組有功和導(dǎo)葉開度過渡過程曲線

圖5 機組有功和系統(tǒng)頻率過渡過程曲線

圖6 機組無功和機端電壓過渡過程曲線

圖7 勵磁電流和勵磁電壓過渡過程曲線

圖8 線路電壓和機端電壓過渡過程曲線

圖9 定子電流和線路電流過渡過程曲線

隔河巖電廠勵磁設(shè)備為ABB的Unitrol 6800系統(tǒng)，采用PSS 2B模型[15]，PSS輸出限幅±10%，PSS自動投切臨界有功功率為180MW，勵磁調(diào)差系數(shù)設(shè)定為+5%，因ABB勵磁系統(tǒng)正負調(diào)差定義與國內(nèi)定義相反，所以+5%為負調(diào)差。由圖6、圖7可知，機組并網(wǎng)后無功功率滯后0.1s在34s910ms穩(wěn)定至-3.50Mvar，清長Ⅱ線系統(tǒng)電壓在勵磁系統(tǒng)未進行主動調(diào)節(jié)的情況下于34s930ms受電網(wǎng)影響由132.29kV開始上升，在35s090ms時達到132.93kV，機端電壓相應(yīng)的由9.85kV上升至10.04kV，相當(dāng)于對勵磁調(diào)節(jié)器施加了2%的電壓階躍，勵磁系統(tǒng)因此主動介入調(diào)節(jié)，勵磁電壓由142.59V上調(diào)至573.08V，勵磁電流隨之上升，于37s080ms勵磁電流達到最大1731.06A，無功功率達到最大121.00Mvar，此刻機端電壓10.53kV，線路電壓134.49kV。

由圖8、圖9可知，機端電壓，線路電壓，定子電流，線路電流4個特征電氣量并網(wǎng)前分別為9.85kV、132.29kV、48.66A、0，并網(wǎng)后分別為10.49kV、134.39kV、3641.31A、271.00A。因清長Ⅱ線系統(tǒng)電壓波動及勵磁調(diào)節(jié)器階躍電壓調(diào)節(jié)作用，本次機組并網(wǎng)前后特征電氣量變化較大。

2.2 并網(wǎng)后進相運行

2018年5月9日5∶59∶58∶450，隔河巖電廠2號機組并網(wǎng)，并網(wǎng)前機端電壓9.81kV，線路電壓131.57kV，定子電流48.66A，線路電流0，系統(tǒng)頻率50.01Hz，勵磁電壓139.80V，勵磁電流1136.02A，導(dǎo)葉開度20.44%，并網(wǎng)后同樣持續(xù)4s相關(guān)特征量達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定后機端電壓9.80kV，線路電壓131.52kV，定子電流169.51A，線路電流12.69A，系統(tǒng)頻率49.98Hz，勵磁電壓137.99V，勵磁電流1113.63A，導(dǎo)葉開度21.82%，有功2.62MW，無功-4.66Mvar。暫態(tài)過渡過程有功最大變化至13.98MW，無功最大變化至-5.39Mvar，勵磁電壓最大變化至125.64V，勵磁電流最大變化至1111.60A，具體測值見表5，其中工況A為并網(wǎng)前準(zhǔn)同期點，時刻58s450ms，B為并網(wǎng)后勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)前，時刻58s550ms，C為并網(wǎng)后有功最大變化點，時刻58s630ms，D為并網(wǎng)后勵磁電壓最大變化點，時刻58s720ms，E為并網(wǎng)后無功最大變化點，時刻01s100ms，F(xiàn)為并網(wǎng)后穩(wěn)定態(tài)點，時刻02s450ms。

表5 并網(wǎng)暫態(tài)過渡過程進相運行特征量數(shù)據(jù)

相關(guān)特征電氣量過渡過程曲線如圖10至圖15所示，由圖10、圖11可知，機組于05∶59∶58∶450并網(wǎng)，有功功率同樣經(jīng)過5次低頻震蕩后于06∶00∶02∶450收斂穩(wěn)定至2.62MW，低頻振蕩周期為0.8s，振蕩頻率為1.25Hz，持續(xù)時間4s，期間導(dǎo)葉開度穩(wěn)定不變，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)滯后于有功功率0.24s的同頻反向振蕩。機組并網(wǎng)瞬間水輪機的機械輸入功率和發(fā)電機的電磁輸出功率通過相互作用達到新的平衡，有功功率正向最大為13.98MW，負向最大為-9.90MW，經(jīng)過5次收斂振蕩后發(fā)電機的電磁輸出功率和水輪機的機械輸入功率達到新的平衡。

圖10 機組有功和導(dǎo)葉開度過渡過程曲線

圖11 機組有功和系統(tǒng)頻率過渡過程曲線

圖12 機組無功和機端電壓過渡過程曲線

圖13 勵磁電流和勵磁電壓過渡過程曲線

圖14 線路電壓和機端電壓過渡過程曲線

圖15 定子電流和線路電流過渡過程曲線

由圖12、圖13可知，機組并網(wǎng)后無功功率滯后0.1s即05∶59∶58∶550穩(wěn)定至-1.46Mvar，因并網(wǎng)后系統(tǒng)作用，05∶59∶58∶720勵磁電壓由139.80V下降至125.64V，勵磁電流隨之下降，于06∶00∶01∶100勵磁電流達到最小1111.60A，無功功率達到進相最大-5.39Mvar，此次機組并網(wǎng)清長Ⅱ線無系統(tǒng)電壓波動，勵磁調(diào)節(jié)器未產(chǎn)生階躍調(diào)節(jié)[16-17]。

由圖14、圖15可知，機端電壓，線路電壓，定子電流，線路電流4個特征電氣量并網(wǎng)前分別為9.81kV、131.57kV、48.66A、0，并網(wǎng)后分別為9.80kV、131.52kV、169.51A、12.69A，機端電壓及線路電壓并網(wǎng)前后基本無變化，本次機組并網(wǎng)過程比較接近理想狀態(tài)。

3 結(jié)論

根據(jù)華中電力調(diào)控分中心36號文要求，隔河巖電廠于2016年11月完成了同步相量測量裝置PMU的升級改造工作，完善了廠站端源網(wǎng)動態(tài)性能在線監(jiān)測的硬件技術(shù)支撐，本文介紹了隔河巖電廠PMU的系統(tǒng)布置及信號接入情況，分析了自動同期裝置的硬件配置及參數(shù)設(shè)置情況，選取隔河巖電廠2號機組2017年6月30日和2018年5月9日的兩次典型并網(wǎng)過程，基于PMU采集的300MW水電機組并網(wǎng)瞬間毫秒級特征電氣量數(shù)據(jù)，對并網(wǎng)瞬間有功功率及無功功率的暫態(tài)過渡過程加以詳細分析，涉及有功功率的低頻振蕩及收斂過程，勵磁調(diào)節(jié)器的電壓階躍響應(yīng)過程，以及機組發(fā)出無功功率和吸收無功功率的平衡過程等，為評估大型水電機組主要二次控制系統(tǒng)設(shè)備性能提供數(shù)據(jù)支撐，對同類型水電機組的并網(wǎng)特征數(shù)據(jù)分析有一定的參考意義。

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[5] 華中電調(diào). 關(guān)于進一步完善直調(diào)電廠并網(wǎng)機組源網(wǎng)動態(tài)性能在線監(jiān)測信息接入PMU的通知[Z]. 2016.

[6] 國家電力調(diào)度控制中心. 源網(wǎng)動態(tài)性能在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[Z]. 2014.

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Transient analysis of 300MW hydro-power units grid-connected based on PMU data

Wu Fan Kuang Lei

(Hubei Qingjiang Hydropower Development Co., Ltd, Yichang, Hubei 443000)

According to the requirements of the No.36 Document of Central China Power Regulatory Sub-center, the Geheyan Power Plant completed the upgrade of the synchronized phasor measurement unit at the end of 2016. Based on the millisecond level characteristic electric quantity data collected by the unit during the grid connection, the grid-connected instantaneous of the transient transition process of active power and reactive power were analyzed, including the low-frequency oscillation and convergence of active power, the voltage step response process of the excitation regulator, and the process of balancing the reactive power and reactive power absorbed by the unit. There is a certain reference value for the analysis of the characteristic electric quantity data of the large-scale hydropower unit grid-connected process.

PMU; grid-connected; oscillation; active power; reactive power; phase advance

2018-06-11

吳 凡（1983-），碩士研究生，工程師，主要研究方向為水電廠電氣設(shè)備運行與維護。