浅谈同步相量测量技术在电厂的应用

关键词：发电厂负荷电压变电站

电力系统稳定运行必须同时满足同步稳定、频率稳定、电压稳定, 其中失去同步稳定将引起中枢点电压等产生周期性波动, 不能继续向负荷正常供电。运用同步相量测量技术, 通过在重要的变电站和发电厂安装同步相量测量子站系统, 构建电力系统实时动态监测系统, 并通过同步相量测量主站系统实现对电力系统同步运行稳定的监测和分析具有重要的意义。

笔者以所在电厂采用的SMU-1型同步相量测量子站系统 (以下简称SMU-1系统) 为例, 简述电厂同步相量测量装置 (以下简称PMU装置) 的工作原理、实施方案、维护纪要、改进建议等。

1 PMU装置的工作原理

1.1 同步相量测量

S M U-1系统采用G P S时钟单元, 产生1PPS秒脉冲, 并通过1PPS秒脉冲信号锁相产生与绝对时间同步的10k Hz同步采样信号, 当取得采样数据后, 利用全波F F T算法, 以1PPS秒脉冲上升沿为每秒开始, 记录上升沿前20ms的相量数据, 从而使分布于电厂不同位置的P M U装置进行测量同步。

1.2 发电机功角测量

发电机功角δ是发电机电动势与系统参考轴电压之间的夹角。SMU-1系统先采用两种方法得到发电机电动势与机端电压的夹角θ, 再采用潮流计算得到机端电压与系统参考轴电压的夹角ϕ, 最后得到发电机功角δ=θ+ϕ。

方法一:通过测量发电机机端电压、机端电流, 根据已知的发电机参数, 计算生成发电机电动势角度, 即计算法。

方法二:采用发电机转子机械角度代替发电机电动势角度, 同时计算发电机机端电压角度, 比较并生成δ=ϖu Tu-ϖz Tq= (ϖu Tu-ϖz Tz) -θm, 即测量法。其中, Tz为测得的转子脉冲信号出现时刻、Tu为测得的发电机机端电压上升沿 (过零点) 时刻、Tq为测得的发电机电动势上升沿 (过零点) 时刻, ϖz为发电机转子转速, ϖu为发电机机端电压角速度, θm为转子机械q轴与其转速表发出脉冲的固定点之间的夹角。

2 电厂同步相量测量子站系统的实施方案

2.1 SMU-1系统构成

该系统主要由SMU-1M线路同步相量测量单元、S M U-1 G发电机同步相量测量单元、S M U-1 C S同步相量数据集中器单元、SMU-1GPS时钟同步单元、SMU-1P同步相量测量管理单元等构成。其中S M U-1M单元负责采集线路三相基波电压、电流等带实时时标的矢量值, 并以R2001规约通过以太网方式向S M U-1 C S单元发送;SMU-1G单元负责采集发电机机端三相基波电压、电流等带实时时标的矢量值, 通过计算法或测量法得到发电机功角及电动势幅值, 并以R2001规约通过以太网方式向SMU-1CS单元发送;SMU-1CS单元负责接收S M U-1 M单元和S M U-1 G单元发送的数据报文, 并以R2001规约向主站转发数据报文, 笔者认为SMU-1CS单元的作用相当于目前电厂调度自动化系统的RTU, 均可向调度中心传送实时数据, 所不同的是SMU-1CS单元对应的是电力系统实时动态监测系统 (W A M S) , 而R T U对应的是电力监控和数据采集系统 (S C A D A) ;S M U-1 G P S单元负责接收GPS信号, 并通过光纤方式将GPS报文信息、1PPS秒脉冲信号、同步采样脉冲信号向各个S M U-1型测量单元发送;SMU-1P单元负责提供人机接口, 实时监视现场模拟量等的变化, 并具有录波数据的分析功能等, 笔者认为S M U-1 P单元的作用相当于目前电厂NCS系统的操作员站。

2.2 本厂SMU-1系统的构成

本厂现有两条220k V出线, 两台发电机组。S M U-1系统共由两面屏柜构建, 其中一面屏柜放置在网控楼继电器室, 其上装有一台S M U-1 M单元、一台S M U-1 C S单元、一台S M U-1 G P S单元、一台S M U-1 P单元;另一面屏柜放置在集控楼继电器室, 其上装有两台S M U-1 G单元。一台S M U-1 M单元可同时采集两条出线的模拟量及开关量信息, 一台S M U-1 G单元只能采集一台发电机组的模拟量及开关量信息。S M U-1M单元通过网线与S M U-1 C S单元相连传输数据。两台S M U-1 G单元通过光纤级联集线器与S M U-1 C S单元相连传输数据。S M U-1 G P S单元通过光纤分别与S M U-1 M单元、SMU-1G单元进行时间同步。

3 电厂同步相量测量子站系统的维护纪要

本厂同步相量测量子站系统自2008年5月投入运行以来, 运行情况相对可靠, 仅出现过两次异常情况。一次是由于S M U-1GPS单元内置主板损坏, G P S报文信息、1PPS秒脉冲信号、同步采样脉冲信号均消失, 导致S M U-1 P单元报“线路P M U、#1发电机PMU、#2发电机PMU通信异常”告警, 联系厂家更换主板后恢复正常;另一次是由于S M U-1 G P S单元的F O T 3-2光纤接口无同步采样脉冲信号发出, 导致S M U-1 P单元报“#1发电机PMU通信异常”告警, 整体更换FOT3光纤接口至备用的FOT5光纤接口后恢复正常。上述两次异常情况均是由于SMU-1GPS单元异常导致时间无法同步造成的。

笔者认为SMU-1系统的维护重点在于S M U-1 G P S单元通过光纤与S M U-1 M单元及S M U-1 G单元进行时间同步。S M U-1GPS单元共有3个光纤接口与一个S M U-1M单元或S M U-1 G单元相连, 这三个光纤接口均为可见光信号, 其特征分别为:同步采样脉冲为常亮 (由于同步采样脉冲的频率为10k Hz, 其闪烁用肉眼根本无法分辨, 故认为是常亮) , 1PPS秒脉冲为每秒闪烁一次, GPS报文信息为数据的传输, 表现为不规则的闪烁, 只要清楚了以上三个光纤接口的正常运行状态就很容易判断出现通信异常告警的问题所在。

4 改进建议

鉴于时间同步对于P M U装置的重要性, 厂家是否可以考虑采用双模授时, 即一套时间信号源取自美国GPS卫星系统, 另一套时间信号源取自我国具有自主知识产权的北斗卫星系统, 增强其授时的可靠性;同时为了提高时间同步光纤接口运行的可靠性, 厂家是否可以考虑建立时间同步光纤接口的自动切换装置, 当检测到时间同步光纤接口异常时, 自动切换到备用光纤接口, 从而减少故障消除时间, 提高设备不间断运行的能力。

摘要：由同步相量测量技术构建的实时动态监测系统对于电力系统同步运行稳定的监测和分析具有重要的意义。笔者结合所在电厂采用的同步相量测量子站系统, 简述其工作原理、实施方案、维护纪要、改进建议等, 希望对其他电厂起到借鉴作用。

关键词：同步相量测量 (PMU) ,实时动态监测系统 (WAMS) ,发电机功角