(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 引言

在跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)、超遠(yuǎn)距離輸電和清潔能源蓬勃發(fā)展的新形勢(shì)下，電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境發(fā)生著變化，電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行不確定性增加。因此有必要構(gòu)建全網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加強(qiáng)調(diào)控中心對(duì)電力系統(tǒng)的分析能力和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)[1-2]。同步相量測(cè)量單元(Synchronous Phasor Measurement Unit SPMU)是搭建全網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定監(jiān)控系統(tǒng)的重要設(shè)備，其基于北斗或GPS系統(tǒng)高精度授時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不同地理區(qū)域節(jié)點(diǎn)功角數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)采集、記錄、遠(yuǎn)程傳輸和處理，克服變電站及調(diào)控中心故障錄波和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition SCADA)系統(tǒng)不足[3-5]。在電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)、輸電線路故障定位、動(dòng)態(tài)故障錄波以及防災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)等方面已有廣泛應(yīng)用。

本文以惠州500kV鵝城換流站采用的南瑞繼保PCS-996型同步相量測(cè)量子站系統(tǒng)為例，闡述同步相量測(cè)量系統(tǒng)工作原理、實(shí)施方案、維護(hù)要點(diǎn)及改進(jìn)建議。

2 同步相量測(cè)量原理

同步穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和功率平衡是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行必須滿足的因素，電網(wǎng)失去同步穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致中樞點(diǎn)電壓等交流量產(chǎn)生周期性波動(dòng)，影響正常供電[3]。在重要電廠和變電站安裝SPMU子站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、電網(wǎng)功率、相角、線路電流同步相量的測(cè)量，通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)輸送到調(diào)控中心SPMU主站系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)同步穩(wěn)定運(yùn)行的分析和監(jiān)測(cè)。廠站SPMU系統(tǒng)同時(shí)采集電流電壓幅值和相角，用相量表示交流量幅值X(有效值)和相角(在坐標(biāo)系中為實(shí)部和虛部)，任意兩個(gè)相量測(cè)得兩地功角相角差，基于統(tǒng)一同步對(duì)時(shí)時(shí)鐘參考點(diǎn)考慮在不同時(shí)間同一個(gè)功角信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化性。

=XR+jXI

(1)

將輸入采樣值轉(zhuǎn)換到頻域信號(hào)得到相量值，通過(guò)傅里葉變換[2]。式(1)相量表示為：

(2)

圖1 交流信號(hào)相量

圖2 同步相量測(cè)量原理

3 同步相量測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

同步相量采集裝置是電力系統(tǒng)SPMU系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，通過(guò)該裝置進(jìn)行同步相量測(cè)量、輸出及動(dòng)態(tài)記錄，應(yīng)具備以下特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)：

(1)實(shí)時(shí)同步性：相量測(cè)量裝置必須以精確的同步時(shí)鐘信號(hào)作為采樣基準(zhǔn)使廠站各節(jié)點(diǎn)保持確定統(tǒng)一的相位關(guān)系，在高速通信系統(tǒng)的支撐下，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地將采集量傳送至多個(gè)主站。

(2)高速度：相量測(cè)量裝置必須具有高速的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和對(duì)外通信接口，以滿足大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量、存貯和對(duì)外發(fā)送。

(3)高精度：裝置內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)芯片一般需在16位及以上，裝置測(cè)量環(huán)節(jié)產(chǎn)生的信號(hào)相移必須要進(jìn)行補(bǔ)償，測(cè)量精度包括幅值和相角的精度。

(4)高可靠性：相量測(cè)量裝置必須能滿足未來(lái)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性要求。體現(xiàn)在兩方面，一是裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性；二是記錄數(shù)據(jù)的安全可靠性。

(5)大容量：具備足夠大的存貯容量，以保證能長(zhǎng)期記錄和保存相量數(shù)據(jù)、暫態(tài)數(shù)據(jù)。

4 500kV鵝城站SPMU實(shí)施方案

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

惠州500kV鵝城換流站同步相量測(cè)量控制系統(tǒng)采用系統(tǒng)組屏與分布式安裝相結(jié)合方法。其應(yīng)用SPMU-CS數(shù)據(jù)集中處理單元(PCS-996G)、SPMU-M數(shù)據(jù)采集單元(PCS-996A)、SPMU-GPS時(shí)鐘同步單元(RCS-9785D)、SPMU-P后臺(tái)管理調(diào)試單元構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)配置

其中，SPMU-GPS單元接收統(tǒng)一對(duì)時(shí)信號(hào)，將1PPS秒脈沖信號(hào)、GPS報(bào)文信息、同步采樣脈沖信號(hào)通過(guò)光纖通訊向廠站測(cè)量單元SPMU-M發(fā)送。各SPMU-M裝置采集線路及主變?nèi)嗷娏?、電壓等帶時(shí)標(biāo)矢量值，以R2001規(guī)約向SPMU-CS單元發(fā)送；SPMU-CS單元負(fù)責(zé)接收SPMU-M單元發(fā)送的報(bào)文并向主站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。在需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析的情況下,SPMU-P單元提供人機(jī)接口對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬量變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，同時(shí)具有分析錄波數(shù)據(jù)的功能。

4.2 鵝城換流站SPMU子站系統(tǒng)配置

鵝城站現(xiàn)有兩條500kV交流出線(鵝博甲線、鵝博乙線)。SPMU系統(tǒng)組屏安裝于#2繼電器小室，配置一臺(tái)SPMU-M單元、一臺(tái)SPMU-CS單元、一臺(tái)SPMU-GPS單元；SPMU-M單元同時(shí)采集兩條出線的模擬量及開(kāi)關(guān)量信息。小室SPMU-M單元通過(guò)以太網(wǎng)與SPMU-CS單元傳輸數(shù)據(jù)(遠(yuǎn)距可通過(guò)多模光纜傳輸)，SPMU-GPS單元通過(guò)光纖與SPMU-M單元單元進(jìn)行時(shí)間同步。SPMU-CS單元通過(guò)主控樓國(guó)調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和省調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)雙通道多路由將采集數(shù)據(jù)上傳至國(guó)調(diào)和華中網(wǎng)調(diào)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控及廣域測(cè)量系統(tǒng)。

4.3 系統(tǒng)調(diào)試及施工風(fēng)險(xiǎn)控制

建立與各調(diào)度主站的通信連接，進(jìn)行PMU系統(tǒng)通信調(diào)試。根據(jù)國(guó)網(wǎng)/省網(wǎng)兩套調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，配置數(shù)據(jù)集中器的IP地址及網(wǎng)關(guān)，通過(guò)兩套調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)分別與國(guó)調(diào)、華中網(wǎng)調(diào)PMU主站系統(tǒng)進(jìn)行通信；路由通道測(cè)試正常后，可進(jìn)行二次交流量接入及信號(hào)核對(duì)驗(yàn)收。

(1)交流量接入：鵝城換流站以從故障錄波交流量采集回路接入SPMU-M數(shù)據(jù)采集單元，該項(xiàng)工序涉及與繼電保護(hù)專業(yè)交叉作業(yè)，需防止TV短路、TA開(kāi)路，接線前需協(xié)調(diào)相關(guān)專業(yè)人員，確認(rèn)緊固接線端子聯(lián)片做好安全措施。

(2)子站系統(tǒng)調(diào)試：進(jìn)行同步相量采集裝置功能試驗(yàn)，檢查裝置的模擬量回路工作是否正常，根據(jù)線路的TA、TV變比完成裝置配置文件的修改。在檢查模擬量時(shí)需要使用標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)試儀對(duì)各路模擬量通道單獨(dú)加標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流量，核對(duì)對(duì)應(yīng)的模擬量通道是否與外接線路相一致，并檢查模擬量值的精度，測(cè)試完畢記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于該項(xiàng)工序加量測(cè)試有影響主站系統(tǒng)潮流數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，一方面測(cè)試前需通知相關(guān)調(diào)度做好數(shù)據(jù)封鎖或其他安全措施，另一方面采取電壓電流分開(kāi)加量方式(同時(shí)測(cè)試電壓電流上送功率影響潮流計(jì)算)。

(3)信號(hào)核對(duì)驗(yàn)收：與調(diào)度完成線路交流量、裝置告警遙信量測(cè)試驗(yàn)收。該項(xiàng)工序需確保GPS對(duì)時(shí)單元正常，可通過(guò)GPS對(duì)時(shí)單元面板及調(diào)度上送數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)雙核對(duì)對(duì)時(shí)準(zhǔn)確性。

4.4 運(yùn)維建議

從實(shí)際運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，同步相量測(cè)量系統(tǒng)維護(hù)重點(diǎn)在于SPMU-GPS單元與SPMU-M單元。SPM U-GPS與SPMU-M對(duì)時(shí)光纖接口為易損件，運(yùn)維單位在湖南500kV牌樓變、500kV船山變?cè)啻翁幚碓擃惾毕荩ㄗh運(yùn)維單位配置一定數(shù)量備件確保應(yīng)急消缺。光口正常指示燈特征為：同步采樣脈沖為常亮，1PPS秒脈沖指示燈每秒閃爍一次，為不規(guī)則的閃爍，并結(jié)合光纖接口指示燈運(yùn)行狀態(tài)可直觀判斷通信異常故障點(diǎn)。

從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，鑒于時(shí)間同步對(duì)于SPMU系統(tǒng)的重要性，可采用我國(guó)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為主信號(hào)源、美國(guó)GPS備用的雙授時(shí)方案，增強(qiáng)授時(shí)可靠性；同時(shí)建立時(shí)間同步光纖接口自動(dòng)切換裝置，當(dāng)檢測(cè)光纖接口異常時(shí)自動(dòng)切換到備用接口，提高時(shí)間同步光纖接口運(yùn)行可靠性，總體提高設(shè)備不間斷運(yùn)行能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

同步相量測(cè)量系統(tǒng)做為電力系統(tǒng)新型的安全監(jiān)控手段，本文對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，著重介紹該系統(tǒng)在500kV鵝城換流站的應(yīng)用。隨著全球互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的實(shí)施，合理配置和充分利用同步相量信息，構(gòu)筑新一代安全防衛(wèi)系統(tǒng)，為解決廣域電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高動(dòng)態(tài)安全水平和防止大停電事故提供了新的技術(shù)途徑。

[1] 許樹(shù)楷,謝小榮,辛耀中.基于同步相量測(cè)量技術(shù)的廣域測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(2):44-49.

[2] 王茂海,孫元章.基于DFT的電力系統(tǒng)相量及功率測(cè)量新算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(2):20-24.

[3] 范琦,穆鋼,王克英.基于同步相量測(cè)量的線路參數(shù)在線測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究[J]東北電力學(xué)院報(bào),2002,22(4):5-11.

[4] 莊黎明，戚宏偉.同步相量測(cè)量技術(shù)在變電站問(wèn)隔層中的應(yīng)用[J].華東電力,2006，34(10):90-92.

[5] 莊玉飛,井石.IRIG-B時(shí)間碼在同步相量測(cè)量裝置(PMU)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試,2010(11):78-80.

[6] 電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[M].中國(guó)電力出版社.