水電機(jī)組低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張鳳香

（中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會，北京 100825）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水力發(fā)電越來越重要，其穩(wěn)定運(yùn)行成為影響國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的重要因素之一。水電站是電網(wǎng)的骨干電源點，能夠為電網(wǎng)提供電力服務(wù)，也能夠為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，以實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)功等方面的需求。為了滿足電網(wǎng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理的需求，需要對水電站發(fā)電機(jī)組進(jìn)行有效控制。水電站并入全國電網(wǎng)中，電頻振蕩是引發(fā)電力事故的重要因素之一，為了減少低頻振蕩的影響，需要加強(qiáng)水電站發(fā)電機(jī)組低頻振蕩的在線監(jiān)測。當(dāng)前水電站采用WAMS（Wide Area Measurement System，電網(wǎng)動態(tài)測量系統(tǒng)），結(jié)合PMU（Power Management Unit，電源管理單元）同步向量測量技術(shù)，對水電站發(fā)電機(jī)組低頻振蕩定子能夠在線監(jiān)測，及時了解水電站發(fā)電機(jī)組低頻振蕩情況，為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。但是傳統(tǒng)的PMU 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量相對單一，單獨的水電站的長站端PMU 無法實現(xiàn)低頻振蕩在線監(jiān)測和分析[1]。在傳統(tǒng)PMU 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用WAMS 系統(tǒng)構(gòu)建水電站發(fā)電機(jī)組低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng)，合理利用PMU 的布點，在線監(jiān)測低頻振蕩情形，為低頻振蕩分析、診斷以及控制提供依據(jù)。

1 低頻振蕩監(jiān)測分析

1.1 低頻振蕩產(chǎn)生機(jī)理

電力系統(tǒng)的低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理包括負(fù)阻尼機(jī)理、諧振機(jī)理、強(qiáng)迫共振機(jī)理等，強(qiáng)迫共振機(jī)理和負(fù)阻尼機(jī)理引發(fā)的低頻振蕩最為常見。在1969 年發(fā)現(xiàn)低頻振蕩之后，關(guān)于低頻振蕩的研究逐漸增多，其對于電力系統(tǒng)的影響的研究也逐漸增多。強(qiáng)迫共振主要是指在受到周期性的小擾動的情況下，電力系統(tǒng)擾動頻率接近系統(tǒng)固有頻率，將會造成電力系統(tǒng)發(fā)生大幅度功率振蕩，破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

針對低頻振蕩系統(tǒng)的破壞，除了虛度控制低頻振蕩的方法。PSS（Power System Stabilizer，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器）是應(yīng)對低頻振蕩最有效的方法，廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。隨著電力系統(tǒng)日益復(fù)雜化，單純的控制方法已經(jīng)無法滿足電力系統(tǒng)的需求。WAMS 系統(tǒng)的發(fā)展，為電力系統(tǒng)的廣域控制提供技術(shù)支持。將WAMS 系統(tǒng)應(yīng)用于水電站發(fā)電系統(tǒng)中，能夠有效的監(jiān)測低頻振蕩，并且控制低頻振蕩。

1.2 低頻振蕩監(jiān)測技術(shù)

針對低頻率振蕩的監(jiān)測和識別可以分為兩組，一種是參數(shù)化的識別技術(shù)，另一種是非參數(shù)的識別技術(shù)。在傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)中，通常是針對電力系統(tǒng)中的某種固定參數(shù)進(jìn)行測試，如果參數(shù)發(fā)生變化，則表明低頻振蕩發(fā)生。但是傳統(tǒng)的監(jiān)測方法無法適應(yīng)復(fù)雜電力系統(tǒng)低頻振蕩識別的需要，也無法快速更新辨識結(jié)果。

PMU 裝置是用于低頻振蕩動態(tài)監(jiān)測的裝置，將PMU 裝置應(yīng)用于水電站中，可以對水電站的發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。水電站發(fā)電機(jī)機(jī)組包括調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)等，其中調(diào)速系統(tǒng)控制著發(fā)電機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速與角度，從而控制發(fā)電頻率和功率波動；勵磁系統(tǒng)用于控制發(fā)電機(jī)組的電壓波動，有效控制機(jī)組的負(fù)阻尼振蕩；繼電保護(hù)系統(tǒng)主要是通過繼電保護(hù)，從而實現(xiàn)對機(jī)組的控制，確保機(jī)組功能正常。PMU 能夠繼承水電站的相關(guān)系統(tǒng)，實現(xiàn)對水電站的信息采集和控制。PMU 系統(tǒng)能夠獲取發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到調(diào)度中心，能夠?qū)崿F(xiàn)對低頻振蕩的識別和分析[3]。

1.3 PMU 監(jiān)測識別依據(jù)與原理

利用PMU 技術(shù)，能夠?qū)Φ皖l振蕩的相關(guān)因素進(jìn)行分析，通過對發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠識別線路短路、機(jī)組跳閘等故障。通過對基礎(chǔ)平臺的實時動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，并且分析其中的低頻振蕩特性，能夠計算出振蕩中心區(qū)域，為調(diào)度員了解電網(wǎng)低頻振蕩特性，及時處理低頻振蕩提供技術(shù)依據(jù)。

2 低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 總體部署

WAMS 系統(tǒng)是用于水電站發(fā)電機(jī)組低頻振蕩在線監(jiān)測的主要平臺，主要基于WAMS 技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的系統(tǒng)。從該系統(tǒng)的構(gòu)成來看，主要是由前置服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)存儲等構(gòu)成。通過WAMS 技術(shù)，能夠?qū)λ娬景l(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測與分析。從當(dāng)前水電站的運(yùn)行來看，省調(diào)以及以上的調(diào)度中心都已經(jīng)開展WAMS 系統(tǒng)的構(gòu)建與建設(shè)。采用WAMS 系統(tǒng)能夠?qū)λ娺\(yùn)行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測與分析，同時能夠?qū)Φ皖l振蕩進(jìn)行識別和監(jiān)控。通過對水電站發(fā)電機(jī)組低頻振蕩進(jìn)行在線監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)故障報警，及時開展低頻振蕩識別與處理。低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 功能實現(xiàn)

從WAMS 系統(tǒng)的功能來看，該系統(tǒng)主要是由PMU 歷史事件時候計算模塊、低頻振蕩在線監(jiān)測與告警模塊、低頻振蕩事件歷史查詢模塊、外部數(shù)據(jù)文件的時候計算反演模塊等構(gòu)成，具體的低頻振蕩在線監(jiān)測與預(yù)警的功能實現(xiàn)如下：①數(shù)據(jù)調(diào)取。PMU系統(tǒng)采集水電站發(fā)電機(jī)機(jī)組的相關(guān)信號，獲得機(jī)組的調(diào)速、勵磁、繼電保護(hù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)裝入水電站廠站端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，從數(shù)據(jù)安全的角度來看，為了保護(hù)水電站數(shù)據(jù)的安全性，PMU 系統(tǒng)一方面將數(shù)據(jù)送入低頻振蕩識別與分析平臺，另一方面，將數(shù)據(jù)送往調(diào)度中心，作為低頻振蕩數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用利用原始數(shù)據(jù)；調(diào)度中心與低頻振蕩識別系統(tǒng)不能有鏈路聯(lián)系，需要進(jìn)行無力隔離和邏輯隔離[4]；②低頻振蕩在線監(jiān)測與告警。通過對PMU 系統(tǒng)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)識別到低頻振蕩事件時，需要記錄低頻振蕩發(fā)生的時間、振蕩機(jī)組數(shù)量、振蕩持續(xù)時間等數(shù)據(jù)，并且低頻振蕩源進(jìn)行識別，了解低頻振蕩發(fā)生的源頭，顯示低頻振蕩相關(guān)的設(shè)備信息，完整采集低頻振蕩信息并且存儲，發(fā)送低頻振蕩告警；③基于PMU 歷史數(shù)據(jù)的事后計算反演。將低頻振蕩的數(shù)據(jù)存儲，并且按照時間序列將數(shù)據(jù)保存，為事后的計算反演，分析低頻振蕩原因提供數(shù)據(jù)支持；將反演結(jié)果和在線監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析；④低頻振蕩事件歷史查詢。對于低頻振蕩全過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，了解產(chǎn)生低頻振蕩的設(shè)備、因素，分析低頻振蕩的起始時間以及阻尼比、振蕩幅度等參數(shù)。低頻振蕩在線監(jiān)測功能實現(xiàn)如圖2 所示。

圖2 低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng)功能實現(xiàn)圖

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

基于WAMS 技術(shù)的低頻振蕩系統(tǒng)主要包括平臺軟件和功能軟件，平臺軟件提供數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)數(shù)據(jù)信息的集成和運(yùn)行；功能軟件主要是提供PMU 數(shù)據(jù)、WAMS 相關(guān)數(shù)據(jù)等。通過以太網(wǎng)連接低頻振蕩在線監(jiān)測的前置服務(wù)器、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器等，并且由中控室和信號處理裝置性相連接，以便及時觀察低頻振蕩數(shù)據(jù)，為后續(xù)處理提供依據(jù)。

為了完成低頻振蕩在線監(jiān)測與分析，界面設(shè)計與分析如下：①主界面。主界面包括電網(wǎng)實時功率波動曲線，低頻振蕩分析窗口，低頻振蕩總體信息以及低頻振蕩相關(guān)設(shè)備信息流表；其中低頻振蕩分析窗口包括低頻振蕩參數(shù)設(shè)置、歷史查詢、事后計算等功能；通過主界面能夠了解電網(wǎng)運(yùn)行情況，并且能夠切換至低頻振蕩分析窗口，實現(xiàn)低頻振蕩擾動識別、低頻振蕩監(jiān)測、離線數(shù)據(jù)分析；②參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面包括全局參數(shù)設(shè)置、設(shè)備級參數(shù)設(shè)置，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)線路、發(fā)電機(jī)機(jī)組、變壓器等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[5]；③詳細(xì)信息。主要是對低頻振蕩的信息進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計與分析，展示與低頻振蕩相關(guān)的設(shè)備以及分析結(jié)果，能夠展示發(fā)電機(jī)組中的勵磁、調(diào)速等大量實時數(shù)據(jù)，以及相關(guān)的設(shè)備信息，實現(xiàn)對運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測與可視化監(jiān)視；④歷史查詢?？捎靡圆樵兊蛪赫袷幍臍v史數(shù)據(jù)，包括振蕩數(shù)據(jù)信息、設(shè)備信息等，為后續(xù)的分析研究提供歷史數(shù)據(jù)。

3 低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 機(jī)組低頻振蕩案例分析

2019 年11 月，某水電站發(fā)電機(jī)組中出現(xiàn)低頻振蕩告警。從低頻振蕩的特征來看，主要是冪法子空間的告警信息，對低頻振蕩曲線進(jìn)行算法仿真，數(shù)據(jù)顯示的低頻振動的設(shè)備為水電發(fā)電機(jī)組。采用Prony 算法對低頻振蕩進(jìn)行識別和分析，數(shù)據(jù)顯示低頻振蕩頻率為0.1～2.5 Hz，振蕩幅值為10 MW，阻尼比＜3.5%，可以判斷為低頻振蕩。從產(chǎn)生低頻振蕩的原因來看，主要是功率波動引發(fā)的振蕩。該次低頻振蕩具有一定的代表性，一般發(fā)電機(jī)組低頻振蕩主要是由于機(jī)組參數(shù)配置錯誤或是系統(tǒng)缺陷所引發(fā)的低頻振蕩。而本次的低頻振蕩之前的檢查中，運(yùn)行人員并未及時發(fā)現(xiàn)、記住振蕩，直到在線系統(tǒng)告警才得知發(fā)生低頻振蕩。相比較而言，低頻振蕩在線監(jiān)測系統(tǒng)告警時間提前，能夠更快地識別低頻振蕩信號。由于低頻振蕩信號具有周期短、破壞性大的特點，因此在線監(jiān)測系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速地識別低頻信號，能夠為及時處理低頻振蕩信號提供依據(jù)，提升發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)分析、定位和控制全過程

從該次低頻振蕩事件來看，在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取發(fā)電機(jī)組信號，并且及時發(fā)布告警信息。調(diào)度人員從在線監(jiān)測系統(tǒng)中，對低頻振蕩進(jìn)行識別，判斷低頻振蕩個數(shù)以及頻率大小。在可視化監(jiān)測的模式下，將PMU 的電網(wǎng)低頻振蕩信號轉(zhuǎn)化為二維時頻圖，能夠在界面上準(zhǔn)確顯示振蕩信號隨著時間變化的情況，直觀地顯示頻率與幅值和時間的變化曲線。在時頻圖中，每隔10 ms 完成一次數(shù)據(jù)采集，PMU 波形圖也隨之更新。從時頻圖可知，該機(jī)組的振蕩模式只有一個，主導(dǎo)頻率為1.85 Hz，在18 s 后的主導(dǎo)頻率幅度明顯增大，可以依據(jù)該時頻圖，分析振蕩起振時間。引發(fā)該低頻振動的主要設(shè)備為汽輪機(jī)氣門。通過關(guān)閉汽輪機(jī)汽門，減小發(fā)電機(jī)輸出，從而有效控制低頻振蕩。

4 結(jié)語

低頻振蕩在線監(jiān)測與告警對于水電站發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。隨著水電站規(guī)模擴(kuò)大，水電站系統(tǒng)越來越復(fù)雜，低頻振蕩的在線監(jiān)測、識別、告警和處理對于水電站穩(wěn)定運(yùn)行的作用越來越關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的PMU 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對水電站發(fā)電機(jī)組的低頻振蕩信號進(jìn)行識別，將發(fā)電家族的調(diào)速、勵磁、繼電保護(hù)等相關(guān)信號傳輸?shù)絎AMS 系統(tǒng)平臺，為低頻振蕩識別和分析提供依據(jù)。利用WAMS 的系統(tǒng)功能，能夠準(zhǔn)確對PMU 上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，有助于分析和控制發(fā)電機(jī)組的低頻振蕩。在低頻振蕩在線系統(tǒng)的應(yīng)用實踐可知，通過WAMS 能夠準(zhǔn)確識別低頻振蕩信號，分析低頻振蕩源，采取有效的信息處理低頻振蕩，降低低頻振蕩的危害。