周建忠 （大唐国际发电股份有限公司下花园发电厂 河北 张家口 075311）
【摘 要】 本文介绍了同步相量测量装置（PMU）的研究及应用的领域，以及发电厂侧PMU子站控制基本原理和控制方案的实现。现场试验、运行以及应用研究的结果表明：同步相量测量技术在电力系统状态估计与动态监视、稳定预测与控制、模型验证、继电保护、故障定位等方面获得了应用或有应用前景。
【关键词】 相量测量装置、电网稳定性、图形分析
中图分类号： TM621 文献标识码： Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2017）07-058-03
1、PMU概述
随着大电网互联和电力负荷需求的急剧增长,电网稳定性问题显得尤为重要。构建全网动态稳定性监视与控制系统成为当前电力系统急需解决的问题之一。
为配合全国联网，进一步加强电力系统调度中心对电力系统的动态稳定监测和分析能力，需要在重要的变电站和发电厂安装同步相量测量装置，构建电力系统实时动态监测系统，并通过调度中心分析中心站实现对电力系统动态过程的监测和分析。
同步相量测量装置（PMU）可实现异地相量实时同步采集、处理、记录和远程传输的装置。
2、PMU研究与应用领域
目前，同步相量测量技术的应用研究已涉及到状态估计与动态监视、稳定预测与控制、模型验证、继电保护及故障定位等领域。
(1) 状态估计与动态监视。状态估计是现代能量管理系统(EMS)最重要的功能之一。应用同步相量测量技术，系统各节点正序电压相量与线路的正序电流相量可以直接测得，系统状态则可由测量矢量乘一个常数矩阵获得，使得动态状态估计成为可能。
(2) 稳定预测与控制。同步相量测量技术可在扰动后的一个观察窗内实时监视、记录动态数据，利用这些数据可以预测系统的稳定性，并产生相应的控制决策。
(3) 模型验证。电力系统的许多运行极限是在数值仿真的基础上得到的，而仿真程序是否正确在很大程序上取决于所采用的模型。同步相量测量技术使直接观察扰动后的系统振荡成为可能，比较观察所得的数据与仿真的结果是否一致以验证模型，修正模型直到二者一致。
(4) 继电保护和故障定位。同步相量测量技术能提高设备保护、系统保护等各类保护的效率。
3、SMU-2相量测量装置及其基本原理
我厂使用的SMU-2系列同步相量测量控制装置
图
3.1 SMU-2GPS同步时钟单元
在SMU-2系统中，采用高精度GPS时钟单元，在其接受到3颗GPS卫星的条件下，其1pps时钟精度可达到20ns。SMU采集装置通过GPS的1pps信号锁相产生10kHz的高精度同步信号，使分布于广域的各SMU装置进行同步。
在由于天气或其他特殊原因条件下，GPS信号丢失，此时在SMU-2单元中，立即起用内部恒温晶振的时钟(稳定度1ppb)并且锁相刚失步的1pps信号，同时通过硬件及软件算法将此信号进行实时补偿，为SMU-2装置进行内部授时。通过此补偿，在GPS信号丢失的情况下，可确保在数小时内，装置时钟具有较高的精度，从而使得装置的相位测量具有较高的精度。
高精度GPS时钟单元通过光纤信号输出，对同一站内的各装置进行授时及同步。其结构示意如下：
3.2 SMU-2M线路相量测量单元
线路的相量采集主要测量相对于绝对时间的相量角度及幅值，并通过其计算系统功率潮流等信息。
在SMU-2同步相量测量装置中，采用SMU-2GPS时钟同步单元发生的1PPS及同步信号进行信号采集。
如下图所示的交流量：
图3.3 相量采集示意图
SMU-2装置，每秒以10kHz速度进行采样。采样数据采用全波FFT进行计算，以1PPS上升沿为每秒开始，记录在上升沿前20ms的相量数据。在每秒中，按规定桢数产生报文数据。
全波FFT计算中，在频率变化下，SMU-2装置首先通过软件精确计算出系统频率，在得到频率后，采用特殊的变窗口算法调整计算的窗口，选取完整周波数据计算，从而可精确计算出系统的相量。
对于线路、母线的U、I，通过FFT计算后装置将给出：
1）幅值、谐波、相角
2）频率
3）正序量、负序量、零序量
4）有功、无功、功率因素
在计算出以上相量后，可根据系统要求设定扰动判据，在达到启动条件下，按照国标要求，分时段记录系统扰动数据，存贮于装置内部FLASH中，直至被数据集中器收集。
每桢的数据上送后，系统将在其数据帧打上精确GPS时钟标签及当前系统状态。在数据集中器中，根据主站需要选择转发的相量数据及发送时间间隔进行发送。
3.3 SMU-2G机组相量测量单元
发电机功角是电力系统的重要变量，但其缺乏直接测量的方法，SMU-2装置可采用两种方法测量或计算发电机内电势。方法一：采用发电机转子角度来代替发电机的内电势角度，同时计算发电机机端电压角度，比较并生成。方法二：通过测量发电机机端电压、机端电流，根据已知的发电机内部参数，计算生成发电机的内电势及角度。
以单机对无穷大系统为例，如下图所示，对隐极或凸极同步发电机来说， 内电势可由下式表示：
发电机功角即为发电机q轴位置与系统参考轴（取无穷大母线电压U）的夹角。对多机系统，每台发电机的功角i是该机q轴与系统参考轴（可选取国内电网某枢纽接点电压）之间的夹角，因该台发电机机端电压相角与系统参考轴之间的夹角可通过潮流计算得到，故在SMU-1系统中仅需要测量发电机q轴与其机端电压之间的夹角。
3.4 SMU-2CS数据集中器单元
该单元负责收集各采集单元的实时采集数据，按照国调IEEE13444规约重新整理打包数据，并将整理后的数据包实时的发送到各主站以及当地功能单元，同时将数据发送到SMU-2P同步相量管理单元进行历史存储。在主站需要的时候，主站通过该单元召唤当地存储的14天以内的历史数据。
3.5 SMU-2P同步相量测量管理单元
该单元负责对各采集装置进行管理，包括参数配置、发送定值、实时数据、暂态分析、转发配置、历史数据记录存储等功能。
4、相量测量装置技术要求
相量测量装置至少能满足下列测点的测量，并留有适当裕度：
4.1 接入的线路量
220kV出线2211、2212、旁路2245的Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un；
220kV四、五母线Ua、Ub、Uc、Un；
4.2 接入的发电机量
#3发电机励磁电压、励磁电流（4～20mA）；
#3发电机主励磁机励磁电压、励磁电流（4～20mA）；
#3发电机Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un；
励磁PSS投入/退出信号；
励磁AVR自动/手动信号；
4.3 接入的热工信号
#3发电机转速（4～20mA或脉冲）；
#3发电机调节级压力信号（4～20mA）；
#3发电机调频修整前指令信号（4～20mA）；
#3发电机调频修整后指令信号（4～20mA）；
#3发电机一次调频动作信号；
#3发电机键相脉冲信号；
5、相量测量装置PMU的图形分析应用
我厂#3机组在2009年9月24日8时33分因机组有功功率波动掉闸。事后对此进行原因分析时，根据PMU记录的波形说明了当时的运行工况。
由图形1可以看出，机组在正常运行时，有功功率的正常波动范围是141.857MW与137.883MW的差值为3.974MW，无功功率的正常波动范围是20.555Mvar与16.084Mvar的差值为4.471Mvar.
由图形2可以看出，发生在8时32分的机组负荷波动，有功功率的波动最大值是192.62MW，波动最小值是85.236MW，波动范围是107.384MW，无功功率的波动最大值是9.489Mvar，波动最小值是-67.93Mvar，
波动范围是77.419Mvar,由此可见，机组在32秒之内发生如此大的波动，机组是不能稳定运行的。
由图形3可以看出，发电机转子励磁电压和转子励磁电流的正常波动分别是54V和71A.
由图形4可以看出，发电机转子励磁电压和转子励磁电流的非正常波动分别140V和230A.由此比较励磁电压
和励磁电流大范围的波动与无功功率波动是完全对应的。
由图形5可以看出，是机组在1分钟内一次调频动作情况和励磁系统AVR动作情况。
6、相量测量装置PMU的建设意义
以同步相量测量装置为基础的测量系统为电力系统提供了新的安全监控手段。合理配置和充分利用同步相
量信息可为电网的安全提供丰富的数据源。为电力系统动态过程的监测和分析提供的有力的依据。
论文作者:周建忠
论文发表刊物:《科学教育前沿》2017年7期
论文发表时间:2017/9/12
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