吳開武，徐 晶，余志強(qiáng)，黃家志

（三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443000）

大型水電站是電網(wǎng)的骨干電源點(diǎn)，為電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)功等輔助服務(wù)已經(jīng)成為趨勢(shì)，且輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模在擴(kuò)大、范圍在增廣、力度在加強(qiáng)；為更好地為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，水電站應(yīng)能滿足電網(wǎng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理的相關(guān)要求，需要對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)的涉網(wǎng)性能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。全國區(qū)域聯(lián)網(wǎng)后，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性越來越復(fù)雜，低頻振蕩時(shí)有發(fā)生，危害系統(tǒng)穩(wěn)定。利用PMU同步相量測(cè)量和WAMS廣域測(cè)量技術(shù)來對(duì)低頻振蕩進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，是一個(gè)極其重要的研究與發(fā)展方向。低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)在省級(jí)及以上調(diào)度中心應(yīng)用較多，但在電廠應(yīng)用較少；傳統(tǒng)的PMU系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)單一，只采集了機(jī)組和線路相關(guān)電壓和電流數(shù)據(jù)，沒有集中采集勵(lì)磁、調(diào)速的相關(guān)數(shù)據(jù)，不能在同一時(shí)域集中分析低頻振蕩，也不滿足網(wǎng)源協(xié)調(diào)新的要求；廠站端PMU系統(tǒng)作為調(diào)度PMU系統(tǒng)的一個(gè)子站，廠站端PMU系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)低頻振蕩在線預(yù)警和在線分析，只能進(jìn)行離線分析，運(yùn)行人員無法第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到低頻振蕩，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理低頻振蕩。本文提出廠站端PMU系統(tǒng)集中采集水電機(jī)組調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，并基于PMU數(shù)據(jù)進(jìn)行低頻振蕩識(shí)別判據(jù)研究，搭建本地低頻振蕩識(shí)別平臺(tái)，有助于及時(shí)監(jiān)測(cè)和分析發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的低頻振蕩，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施。

1 水電機(jī)組PMU數(shù)據(jù)接入量及其意義

PMU裝置接入的信息應(yīng)該確保電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（WAMS）的基本應(yīng)用、高級(jí)應(yīng)用功能需要，兼顧電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)功能需求。水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)著機(jī)組穩(wěn)定控制和監(jiān)測(cè)的功能，調(diào)速系統(tǒng)通過控制導(dǎo)葉的開度和角度來控制機(jī)組頻率、功率波動(dòng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AVR通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來控制電壓波動(dòng)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制器PSS輸出附加信號(hào)來抑制機(jī)組負(fù)阻尼振蕩，繼電保護(hù)系統(tǒng)通過檢測(cè)和切除故障來保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)安全。為監(jiān)測(cè)與分析機(jī)組振蕩、機(jī)組一次調(diào)頻特性、涉網(wǎng)裝置性能、系統(tǒng)暫態(tài)或動(dòng)態(tài)穩(wěn)定問題，對(duì)于發(fā)電機(jī)來說，根據(jù)網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理相關(guān)規(guī)定，廠站端機(jī)組PMU裝置需采集繼電保護(hù)系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)[1]。

PMU數(shù)據(jù)接入量及意義見下頁表1。

2 低頻振蕩識(shí)別判據(jù)分析與研究

2.1 短路擾動(dòng)識(shí)別判據(jù)研究

2.1.1 線路短路識(shí)別判據(jù)

通過短路過程中三相電流、三相電壓幅值變化的邏輯特征及順序進(jìn)行判斷。推薦算法如下：

（1）突變電流大于或等于整定參數(shù)值；

（2）零序電流|Ia+Ib+Ic|=3|I0|大于整定參數(shù)值。

表1 水電機(jī)組PMU數(shù)據(jù)接入量及意義

滿足以上任一條件，且故障期間，相電壓、相電流小于整定值，持續(xù)時(shí)間200～300 ms之間，線路才會(huì)確認(rèn)為發(fā)生真實(shí)的短路故障。此方法可克服傳統(tǒng)調(diào)度中心調(diào)度員只能在線獲取動(dòng)作信息，而不能知道原因的缺點(diǎn)，從而輔助調(diào)度員做出正確的安全穩(wěn)定控制決策。

2.1.2 機(jī)組跳閘識(shí)別判據(jù)

機(jī)組出線跳閘識(shí)別根據(jù)PMU量測(cè)的機(jī)組電流相量、有功功率，當(dāng)機(jī)組設(shè)備正常運(yùn)行，有功功率突變至零并保持，機(jī)組突變量要求是機(jī)組有功突變前高于機(jī)組有功下限，則判別為機(jī)組跳閘，同時(shí)對(duì)故障跳閘情況發(fā)出告警。此方法使得控制中心的調(diào)度人員實(shí)現(xiàn)對(duì)線路跳閘引起的發(fā)電機(jī)非正常停機(jī)進(jìn)行識(shí)別，從而可以采取合理的電網(wǎng)控制措施，及時(shí)恢復(fù)停機(jī)機(jī)組的運(yùn)行。

2.2 低頻振蕩識(shí)別判據(jù)研究

在線低頻振蕩檢測(cè)功能是監(jiān)視來自基礎(chǔ)平臺(tái)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，在振蕩時(shí)實(shí)時(shí)分析低頻振蕩特性，識(shí)別主導(dǎo)的振蕩模式，計(jì)算出PMU布點(diǎn)范圍內(nèi)的廠站（或機(jī)組）強(qiáng)相關(guān)因子、振蕩中心大致區(qū)域等，幫助調(diào)度員及時(shí)了解電網(wǎng)低頻振蕩特性，從而采取有效的措施抑制低頻振蕩。

2.2.1 基于振蕩角加速度的振蕩檢測(cè)判據(jù)

發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程如下：

在系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，對(duì)某一振蕩頻率模式I同樣有：

一般情況下，可以認(rèn)為原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩中沒有該振蕩模式，即Tmi=0，若阻尼系數(shù)KDi和Δωi都很小，I模式下振蕩角加速度與電磁轉(zhuǎn)矩Tei成正比，又電磁轉(zhuǎn)矩Tei與電磁功率Pei電網(wǎng)成正比，所以在I模式下，振蕩角加速度與振蕩功率Pei成正比，振蕩中的振蕩功率必然對(duì)應(yīng)一對(duì)吸收功率和注入功率的區(qū)域，吸收功率區(qū)域?qū)?yīng)頻率增加的區(qū)域，注入功率區(qū)域?qū)?yīng)頻率減少的區(qū)域。可見發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間交換的電磁振蕩功率，主要由其轉(zhuǎn)子反復(fù)加減速的動(dòng)能轉(zhuǎn)化而成。

由于實(shí)際PMU測(cè)量中角加速度在電網(wǎng)振蕩時(shí)受噪聲信號(hào)影響較大，根據(jù)頻率信號(hào)與角加速度的信號(hào)在相位上相差90°的原理，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行相位比較時(shí)，也可用頻率信號(hào)代替角加速度信號(hào)。

2.2.2 基于有功功率的振蕩檢測(cè)判據(jù)

由于有功功率是系統(tǒng)中的功率振蕩現(xiàn)象直接反映，并且有功信號(hào)變化范圍大，分辨率高，因此可通過在線掃描各線路中的有功功率來確定電網(wǎng)中是否有低頻振蕩發(fā)生。當(dāng)某線路振蕩功率經(jīng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解出的某一振蕩模式的峰峰值超過閾值（推薦值50 MW），并且持續(xù)5個(gè)周波以上，則認(rèn)為系統(tǒng)中發(fā)生了一次較為激烈的低頻振蕩，當(dāng)振蕩模式的峰峰值低于閾值（推薦值50 MW）時(shí)，認(rèn)為振蕩平息。

2.2.3 節(jié)點(diǎn)振蕩同調(diào)性分析

采用前述的方法將低頻振蕩檢測(cè)出后，并不能告訴調(diào)度員參與振蕩各機(jī)組間或節(jié)點(diǎn)間的振蕩關(guān)系，調(diào)度員難以判斷振蕩的起因，從而妨礙進(jìn)一步采取正確的消除或抑制振蕩的措施。節(jié)點(diǎn)振蕩同調(diào)性分析模塊是為了了解各機(jī)組的振蕩關(guān)系，重點(diǎn)在于分群，找出各個(gè)節(jié)點(diǎn)在此模式下的同調(diào)關(guān)系，分群之后可以發(fā)現(xiàn)某個(gè)模式存在振蕩相位相反的兩個(gè)機(jī)組群，這兩個(gè)群中的發(fā)電機(jī)組以該模式下的振蕩頻率進(jìn)行功率的交換，對(duì)于分群結(jié)果進(jìn)行著色可實(shí)現(xiàn)振蕩的可視化。

2.3 低頻振蕩在線分析工具

低頻振蕩分析的基礎(chǔ)是頻譜分析方法，低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)需提供分析工具。常用的對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的方法主要有離散傅里葉變換法、小波分析法和Prony法。但是前兩者存在難以提取振蕩信號(hào)的衰減特征等局限性，而Prony方法可以確定系統(tǒng)振蕩頻率、幅值和相位，并定量分析系統(tǒng)振蕩的阻尼問題。因此在電力系統(tǒng)低頻振蕩的信號(hào)分析中廣泛應(yīng)用Prony方法，提取曲線的振蕩特征，并提供分析結(jié)果擬合曲線和原始曲線比較的功能。如圖1、圖2有振蕩和無振蕩時(shí)有功Prony擬合曲線對(duì)比圖所示，有低頻振蕩時(shí)擬合波形和原始波形基本重合，且呈現(xiàn)規(guī)律正弦波，包絡(luò)線清晰可見。

圖1 無低頻振蕩

圖2 有低頻振蕩

3 低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

本地在線低頻振蕩及擾動(dòng)識(shí)別平臺(tái)主要基于WAMS技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，WAMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的精準(zhǔn)、同步測(cè)量，信息涵蓋電壓電流相量、頻率、以及發(fā)電機(jī)的功率、同步電勢(shì)、功角、轉(zhuǎn)速等。國內(nèi)省調(diào)及以上調(diào)度中心均已開展WAMS建設(shè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理、動(dòng)態(tài)監(jiān)視、低頻振蕩、擾動(dòng)識(shí)別等功能，在技術(shù)研究和工程實(shí)施上都有很大進(jìn)步，低頻振蕩和擾動(dòng)識(shí)別平臺(tái)在水電站的應(yīng)用較少，大多數(shù)電廠都是將PMU數(shù)據(jù)送至國調(diào)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和處理，在廠站內(nèi)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別低頻振蕩，但隨著WAMS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，重要電源點(diǎn)特別是大型水電廠，在廠站內(nèi)部署低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有亟需性和可行性，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理振蕩事件。

在線低頻振蕩監(jiān)視的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，在檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，當(dāng)振蕩頻率、振蕩幅值和持續(xù)時(shí)間都滿足預(yù)警要求時(shí)，發(fā)出低頻振蕩告警信息；在低頻振蕩事件的發(fā)生發(fā)展過程中，持續(xù)給出振蕩告警信息，含有當(dāng)前振幅最大線路的振幅和振蕩頻率；對(duì)振蕩模式進(jìn)行識(shí)別，模式信息包括振蕩頻率、幅值、阻尼比。

3.1 低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)取

PMU系統(tǒng)現(xiàn)地采集站采集機(jī)組勵(lì)磁、調(diào)速、保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)后，送至PMU廠站端子站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，考慮網(wǎng)絡(luò)安全等因素，低頻振蕩識(shí)別平臺(tái)不建議直接從國調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)調(diào)取數(shù)據(jù)，故廠站端PMU子站將數(shù)據(jù)一方面送至國調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)，另一方面送至低頻振蕩識(shí)別平臺(tái)，低頻振蕩識(shí)別平臺(tái)和國調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)之間要進(jìn)行物理和邏輯隔離，不能有鏈路聯(lián)系，其數(shù)據(jù)調(diào)取及組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件包括前置實(shí)時(shí)服務(wù)器、數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器、維護(hù)應(yīng)用工作站、信號(hào)處理及開出裝置等，它們之間通過以太網(wǎng)連接。信號(hào)處理及開出裝置與中控室監(jiān)控屏相連接，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到低頻振蕩時(shí)第一時(shí)間送至中控室，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。

低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)一般包含平臺(tái)軟件和功能軟件，平臺(tái)軟件提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理機(jī)制，支持各功能軟件的信息集成和運(yùn)行管理，提供圖形系統(tǒng)管理。功能軟件由若干子系統(tǒng)構(gòu)成，提供PMU數(shù)據(jù)采集與管理、WAMS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)服務(wù)、圖形擴(kuò)展服務(wù)、WEB發(fā)布、與EMS數(shù)據(jù)接口、與遠(yuǎn)方WAMS主站通信和報(bào)警信息服務(wù)、高級(jí)應(yīng)用軟件等。高級(jí)應(yīng)用軟件包括：擾動(dòng)識(shí)別、低頻振蕩檢測(cè)、離線數(shù)據(jù)分析等。低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為水電廠低頻振蕩的在線識(shí)別和在線分析提供了很好的平臺(tái)，運(yùn)行調(diào)度人員可及時(shí)獲得表征振蕩的有效信息，并確定下一步對(duì)策。該系統(tǒng)集中采集了保護(hù)、勵(lì)磁、調(diào)速的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可在其數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行更高級(jí)的應(yīng)用開發(fā)，諸如實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、振蕩可視化監(jiān)視等。

4 結(jié)語

本文提出廠站端PMU系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)方法和建議，提出的PMU系統(tǒng)集中采集水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)要闡述了各接入量的意義，并基于PMU數(shù)據(jù)進(jìn)行低頻振蕩識(shí)別判據(jù)研究，搭建本地低頻振蕩識(shí)別平臺(tái)，研究了低頻振蕩檢測(cè)和識(shí)別原理、分析方法，有助于及時(shí)監(jiān)測(cè)和分析發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的低頻振蕩，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施，為建立水力發(fā)電廠低頻振蕩在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)提供理論和實(shí)踐支撐。