某水電站PMU系統(tǒng)監(jiān)測功能完善及優(yōu)化

高志羽　曹鋼 高福嵩

摘 要：同步相量測量單元（phasor measurement unit， PMU）因其量測具有同步性與快速性的優(yōu)勢，成為電力系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測的重要技術手段。PMU系統(tǒng)是水電站水輪發(fā)電機組及500kV系統(tǒng)運行監(jiān)測和故障分析的重要設備，因此如何優(yōu)化電站PMU系統(tǒng)的功能與提高系統(tǒng)的可靠性顯得格外重要。本文介紹了PMU系統(tǒng)的應用現狀，闡述了某水電站PMU新增信號、實現次/超同步振蕩監(jiān)測和72小時、1200Hz循環(huán)錄波功能及增加國調二平面接入的必要性和方法。

關鍵詞：同步相量測量單元;次/超同步振蕩;循環(huán)錄波

0 引言

近年來，同步相量測量單元（phasor measurement unit， PMU）及廣域同步測量系統(tǒng)（widearea measure-ment system， WAMS）的廣泛應用，推動了基于PMU的電力系統(tǒng)動態(tài)安全監(jiān)視和控制的發(fā)展。PMU對基頻相量的同步、快速和精確的測量為水電站的安全運行、穩(wěn)發(fā)滿發(fā)提供了保障，如圖1所示。然而，隨著新能源集中并網以及高壓直流輸電工程的大量投運，越來越多的電力電子設備接入了電網。這同時也引入大量非整數次倍于基頻的間諧波，從而改變了基頻相量的量測，并可能進一步威脅電力系統(tǒng)的安全。其中，對電力系統(tǒng)極大的威脅包括次同步振蕩。從2015年下半年開始，在我國的新能源發(fā)電和高壓直流輸電匯集地區(qū)發(fā)生了多次由間諧波引起的次同步振蕩事件，觸發(fā)了相關局域電網配套發(fā)電機組的扭振保護動作。

次同步振蕩事件中間諧波包括次同步諧波和超同步諧波，其頻率范圍從10～100 Hz。PMU系統(tǒng)需具有次同步振蕩的擴展監(jiān)測功能，通過增加連續(xù)錄波，實現以1200 Hz采樣率連續(xù)記錄交流電壓、交流電流原始波形，為基于PMU的間諧波準確監(jiān)測提供基礎。

1 PMU裝置采集次/超同步數據分析

目前，某水電站PMU裝置的數據采樣頻率為100Hz。當被檢測信號頻率偏離額定頻率時，采樣頻率與被檢測信號不同步，周期采樣信號的相位在始端和終端不連續(xù)，會產生頻率泄漏;由于主站在接收數據時低于100Hz，存在一個二次抽樣的過程，可能會丟失一些信息，導致無法識別出一些原本存在的頻率成分。由于實際電網運行的頻率正常情況下均保持在49.9-50.1Hz，基本保持在額定頻率50Hz左右，即使在頻率偏離額定頻率50Hz較大（>1Hz）時，也不會偏移較大;通過對算法進行改進，采用離散傅里葉變換（discrete Fourier transform， DFT）計算可以保證向量的精度，消除頻率泄漏現象。

某水電站原PMU裝置采集的數據如表1所示，不滿足直調機組參與區(qū)域電網調頻調壓工作的要求。且記錄的數據是50Hz基波下的幅值、相角、有功、無功功率等，濾除了50Hz以上的高次諧波。對于50Hz以下的信號不會產生頻率混疊，可以反映出50Hz以下的頻率成分，但PMU動態(tài)錄波數據只記錄了電流有效值I、電壓有效值U及有功功率的平均值P，且PMU測試技術規(guī)范還規(guī)定了在數字濾波環(huán)節(jié)采用了15Hz@50Hz帶通方式，由于U、I有效值及有功功率的平均值算法已將低于35Hz、大于65Hz的諧波分量幾乎全部濾除;因此，理論上就不可能再復現電流電壓中所含有的低于35Hz、大于65Hz的間諧波分量原始值，存在遺漏的頻率成分，造成部分頻率成分的數據信息缺失。

2 對原PMU裝置進行改造

2.1 新增信號

某水電站作為國調直調廠站，站內機組參與西南電網調頻調壓工作，有利于加強網間送受電潮流的控制，并且有助于在全網范圍內實現資源優(yōu)化。西南網調對網內直調機組采用新的調管模式，使直調機組更加有效的參與系統(tǒng)頻率控制，并在更大范圍內進行調度優(yōu)化，提高電網優(yōu)質、經濟的運行水平。

為滿足直調機組參與區(qū)域電網調頻調壓工作的要求，某水電站對原PMU裝置進行新增信號改造，新增信號如表2所示。

2.2 監(jiān)測功能完善

為了準確記錄某水電站5OOkV系統(tǒng)發(fā)生次/超同步振蕩的數據，解決現有PMU裝置中常規(guī)動態(tài)數據記錄信息不完整問題，暫態(tài)故障錄波數據需啟動錄波問題。經對現有PMU裝置功能的分析和挖掘，發(fā)現現使用的PMU裝置可通過升級管理插件，在原PMU裝置功能上建立基于原故障錄波功能原理的長過程錄波功能，避免裝置整體更換。

某水電站通過對PMU裝置進行改造，升級管理插件及軟件程序，并增加次/超同步振蕩監(jiān)測配置，實現了連續(xù)采樣值錄波功能和72h的不間斷錄波，從而為5OOkV系統(tǒng)間諧波分析提供精確、完備的數據源。通過提高次/超同步振蕩監(jiān)測與控制裝置的啟動靈敏度，實現了長過程錄波。

2.3 次同步振蕩監(jiān)視

對電網次同步振蕩的準確監(jiān)視，需要對PMU裝置同步采集的原始采樣數據進行頻譜分析，比較同一時刻的線路振蕩強度分布，查找次同步振蕩的傳輸路徑，定位振蕩源。PMU在進行常規(guī)相量計算的同時，對采樣數據進行瞬時功率計算和頻譜分析，檢測是否存在次同步振蕩分量，并將計算結果通過相量數據幀實時上送WAMS主站，并同時上送次同步振蕩標識。如果算法求解有多個次同步分量，默認傳送幅值最大的。

此外，構建局部電網相關廠站PMU裝置的升級改造、完善系統(tǒng)對時功能，通過PMU裝置信息主站對相關廠站的運行數據進行全信息的掃描和分析，不但可以確定次/超同步振蕩頻率的幅值和頻率，而且可以確定次/超同步振蕩的傳播路徑。

3 增加國調二平面接入

某水電站PMU裝置配置兩塊通信插件，PMU數據分別通過該兩塊通信插件及其配置通道上送至國調、西南網調、省調、華中網調、集控中心，通道配置如表3所示。

如上圖所示，某水電站PMU系統(tǒng)至國調通信僅單平面接入（電力專網），若該通道出現故障，某水電站PMU系統(tǒng)將無法上送數據至國調PMU主站，為保證上送國調數據不中斷，提高PMU系統(tǒng)通信的可靠性，有必要對某水電站PMU系統(tǒng)至國調通道進行了雙平面接入改造，通過對國調二平面通道配置IP地址，經西南網調轉接至國調二平面，實現雙平面通信。

4 結論

某水電站此次PMU系統(tǒng)升級改造工作為站內機組參與西南電網調頻調壓工作提供了保障，實現了次/超同步振蕩監(jiān)測功能和72小時、1200Hz循環(huán)錄波功能，提高了PMU系統(tǒng)至國調通信的可靠性，解決了PMU裝置中常規(guī)動態(tài)數據可能記錄信息不完整的問題、暫態(tài)故障錄波數據需要啟動錄波問題，為準確記錄某水電站500kV系統(tǒng)發(fā)生次/超同步振蕩的數據提供了基礎。

某水電站PMU裝置的升級改造，完善了PMU裝置的監(jiān)測功能，擴充了PMU裝置在電力系統(tǒng)應用中的深化，有助于電網的穩(wěn)定、優(yōu)質、經濟運行，可為局部電網及同行業(yè)相關廠站的PMU裝置的升級改造提供借鑒與參考。