摘要：根據(jù)國網(wǎng)四川省《關(guān)于開展并網(wǎng)電廠PMU裝置布點(diǎn)建設(shè)和信息完善工作的通知》要求，DXG水電站完成了CSD-361同步相量測量裝置（PMU）的安裝，按冗余配置方式通過一、二平面接入省調(diào)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（WAMS），實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心對機(jī)組勵(lì)磁、調(diào)速器等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控?，F(xiàn)主要介紹DXG水電站同步相量測量裝置的結(jié)構(gòu)和功能，電壓、電流相量的計(jì)算，PMU系統(tǒng)的建設(shè)過程，PMU裝置功能實(shí)現(xiàn)的方式，并分析PMU在DXG水電站的應(yīng)用成效、PMU裝置故障的處理方法。

關(guān)鍵詞：同步相量測量；PMU；電力系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP23" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0030-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.008

0" " 引言

隨著中國電力市場化改革的推進(jìn)，我國進(jìn)入了由區(qū)域性聯(lián)網(wǎng)向全國聯(lián)網(wǎng)邁進(jìn)的新時(shí)代，特別是“西電東送”使我國電力系統(tǒng)得到快速發(fā)展，但同時(shí)電網(wǎng)的穩(wěn)定性也隨之降低，使電力系統(tǒng)監(jiān)控面臨巨大的考驗(yàn)。以前采用的采集穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和局部暫態(tài)數(shù)據(jù)的方式，已經(jīng)不能勝任這種大范圍的實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

1" " 同步相量測量裝置（PMU）建設(shè)的目的和意義

同步相量測量系統(tǒng)（Phasor Measurement Unit，PMU）是用于電力系統(tǒng)同步相量測量和輸出以及動態(tài)過程記錄的系統(tǒng)，PMU和北斗、高速通信網(wǎng)絡(luò)、子站和主站分析系統(tǒng)共同構(gòu)成實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（Wide Area Measurement System，WAMS），實(shí)現(xiàn)區(qū)域及跨區(qū)域大電網(wǎng)的動態(tài)過程監(jiān)測和分析。電力系統(tǒng)相量測量技術(shù)即在高精度時(shí)鐘同步下，電網(wǎng)各廠站端的PMU實(shí)時(shí)測量電壓和電流相量，并實(shí)時(shí)傳送到調(diào)度端的WAMS主站，經(jīng)計(jì)算分析后提供電網(wǎng)的相量信息，彌補(bǔ)現(xiàn)有系統(tǒng)不能直接測量的缺陷，監(jiān)測電網(wǎng)的實(shí)時(shí)動態(tài)特性，填補(bǔ)了運(yùn)行人員不能監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)過程的空白[1]。

俞鄂背靠背直流工程2022年投運(yùn)后，西南電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性發(fā)生重大變化，對發(fā)電機(jī)組涉網(wǎng)性能的要求大大提高。因此，DXG水電站將調(diào)速器系統(tǒng)的一次調(diào)頻投/退，監(jiān)控至調(diào)速器的輸出指令、調(diào)速器指令等信號接入同步相量測量裝置采集傳輸信息，以滿足源網(wǎng)動態(tài)性能在線監(jiān)測以及電力系統(tǒng)一次調(diào)頻管理需求[2]。

2" " 同步相量測量原理

電力系統(tǒng)的正弦電壓和電流均可表示為相量。

電力系統(tǒng)采用北斗為全網(wǎng)提供統(tǒng)一的時(shí)鐘信號，通過北斗時(shí)鐘信號，可以在各廠站以f0=50 Hz為參考相量，得到“絕對”相角和“相對”相角，如圖1所示。

DXG水電站PMU裝置相量測量方法采用離散傅里葉變換法（DFT），通過DFT算法將信號的時(shí)域形式變換成頻域形式進(jìn)行分析。經(jīng)一系列濾波和相位補(bǔ)償?shù)忍幚砗?，相量測量誤差減小，能夠得到最接近真實(shí)信號的結(jié)果。

3" " PMU子站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

DXG水電站采用CSD-361-CG同步相量測量裝置和CSD-363相量數(shù)據(jù)集中器共同構(gòu)成PMU子站系統(tǒng)。同步相量測量裝置主要用于數(shù)據(jù)采集及計(jì)算，相量數(shù)據(jù)集中器主要用于匯集站內(nèi)所有同步相量測量裝置的數(shù)據(jù)并與WAMS主站實(shí)時(shí)通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1" " 同步相量測量裝置（PMU）功能

PMU具有同步相量測量功能、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄功能、次同步振蕩監(jiān)視功能、同步相量數(shù)據(jù)傳輸功能。

同步相量測量功能是指測量發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相角、功角等，同步采集測量點(diǎn)的三相電壓和電流，計(jì)算頻率、頻率變化率，同步測量勵(lì)磁信號、轉(zhuǎn)速信號等發(fā)電機(jī)輔助信號，測量發(fā)電機(jī)AVR、PSS等采集點(diǎn)開關(guān)量信息。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能是指向主站傳送實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，電網(wǎng)故障時(shí)以最高速率輸出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)延小于30 ms。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄功能是指記錄頻率、頻率變化率、電壓/電流基波正序相量、發(fā)電機(jī)功角和內(nèi)電勢，發(fā)生相電壓越下限、正序電壓越下限、機(jī)端電壓超前、發(fā)電機(jī)功角越限、頻率越限、頻率變化率越限、開關(guān)量變位低頻振蕩、次同步振蕩、聯(lián)網(wǎng)觸發(fā)，相電壓和電流越上限、負(fù)序電壓和電流越上限、正序電壓和電流越上限等事件時(shí)獲取電網(wǎng)動態(tài)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)記錄裝置告警信息、操作信息、開關(guān)量變位信息，按照時(shí)間順序存儲，保證掉電數(shù)據(jù)不丟失，方便運(yùn)行人員查閱，進(jìn)行事故分析。

次同步振蕩監(jiān)視功能是使用電壓和電流采樣值，實(shí)時(shí)計(jì)算瞬時(shí)功率并做頻譜分析，同時(shí)將瞬時(shí)功率中次同步振蕩最大分量實(shí)時(shí)上送主站。

同步相量數(shù)據(jù)傳輸功能是指實(shí)時(shí)將電壓相量、電流相量等狀態(tài)信息傳送到相量數(shù)據(jù)集中器（PDC），實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收，同時(shí)與多個(gè)PDC實(shí)時(shí)通信。整定裝置動態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送速率，保證裝置和PDC通信的應(yīng)用層協(xié)議符合《電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸協(xié)議》，支持IEC 61850 MMS機(jī)制接入站控層設(shè)備。

3.2" " 相量數(shù)據(jù)集中器（PDC）功能

相量數(shù)據(jù)集中器具有實(shí)時(shí)顯示同步相量、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信等功能，實(shí)時(shí)顯示采集裝置采集的頻率和頻率變化率、有功功率和無功功率以及開關(guān)狀態(tài)信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄能連續(xù)記錄狀態(tài)信息，并實(shí)時(shí)記錄裝置告警信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信能夠?qū)崟r(shí)與5臺同步相量測量裝置通信，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)和裝置的狀態(tài)信息傳送到WAMS主站，裝置和WAMS主站通信的應(yīng)用層協(xié)議符合《電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸協(xié)議》，支持IEC 61850 MMS機(jī)制接入站控層設(shè)備。相量數(shù)據(jù)集中器電源為220 V，允許偏差-20%～+15%。對時(shí)接口為ST型，多模，波長820 nm。通信接口為100M電以太網(wǎng)口，多模ST光口，波長1 310 nm。

4" " PMU裝置硬件結(jié)構(gòu)

PMU裝置結(jié)構(gòu)功能組件分為交流插件、CPU插件、管理插件、開入插件、開出插件、電源插件，如圖3所示。

交流插件用于接入模擬量，其中AC12I型用于測量12路交流電流，DC12I型用于測量12路4～20 mA直流電流。

CPU插件配置了16位AD轉(zhuǎn)換器，以9 600 Hz的采樣率高速采樣，插件上配置的高性能DSP芯片負(fù)責(zé)相量計(jì)算。在需要測量發(fā)電機(jī)功角的場合，CPU插件支持測量兩路脈沖信號。

管理插件是裝置的核心插件，具備對時(shí)、管理、錄波、存儲和通信功能。管理插件有四種接口，其中，以太網(wǎng)的ETH1～ETH4為獨(dú)立網(wǎng)口，實(shí)現(xiàn)裝置與PDC或MMS通信。光B碼輸入接口是IRIG-B碼的光信號輸入接口。差分B碼IN接口是IRIG-B碼的RS-485信號輸入接口，與光B碼輸入信號互斥。因PMU的對時(shí)精度要求較高，對時(shí)信號經(jīng)長距離的電纜傳輸會導(dǎo)致附加延時(shí)，一般不使用。脈沖輸出接口輸出基于內(nèi)部同步信號的秒脈沖。

開入插件用于接入常規(guī)開入，根據(jù)接入電壓等級分為三種類型。24路24 V開入，DI1～DI12共用一組公共端，DI13～DI24共用另一組公共端。24路220 V/110 V開入，DI1～DI12共用一組公共端，DI13～DI24共用另一組公共端。12路24 V開入、12路220 V/110 V開入，DI1～DI12為24 V開入，共用一組公共端；DI13～DI24為220 V/110 V開入，共用另一組公共端。裝置中第一塊開入插件的DI1固定為裝置檢修開入。

開出插件支持16路獨(dú)立的空接點(diǎn)開出。

電源插件分為110 V和220 V兩種，均為交直流混用，能對外輸出一組24 V電源，具備直流消失告警信號輸出。

開入開出地址跳線，采用二進(jìn)制8421碼的設(shè)計(jì)，4組跳線由上至下依次是bit3、bit2、bit1、bit0。左側(cè)兩針短接時(shí)該位置0，右側(cè)兩針短接時(shí)該位置1，地址計(jì)算公式=bit3×8＋bit2×4＋bit1×2＋bit0×1。管理插件跳線J16接通，CPU插件跳線J6、J8接通。

電源電壓為220 V，交流額定電壓為57.73 V，測量范圍為0～120 V。交流額定電流為1 A，測量范圍為0～2倍額定值。額定頻率為50 Hz，直流回路測量范圍為4～20 mA直流電流，采樣率9 600 Hz。

發(fā)電機(jī)脈沖類型是鍵相脈沖，脈沖電壓有效范圍為-24～+24 V，脈沖質(zhì)量要求為：當(dāng)前脈沖周期與脈沖在5 s內(nèi)的平均周期之間差值不超過±40 μs，干擾脈沖的電壓值不超過脈沖信號的波谷值與波峰值的中值，脈沖峰峰值大于2 V。

次同步監(jiān)測頻率范圍是10～40 Hz，頻率分辨率1 Hz。

5" " 同步相量測量裝置（PMU）接入信號的采集方法

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的PT信號從同期屏用機(jī)端PT端子并接，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的CT信號從同期屏用機(jī)端CT端子串接。鍵相脈沖的脈沖量在機(jī)組檢修期間新增鍵相傳感器后接入。

勵(lì)磁接入PMU裝置：勵(lì)磁自動/手動、PSS投入/退出、低勵(lì)限制動作、過勵(lì)限制動作、V/Hz限制動作、定子電流過負(fù)荷限制動作的開關(guān)量都采用修改勵(lì)磁調(diào)節(jié)器程序，定義DO板的備用輸出通道接入。AVR電壓參考給定、PSS輸出信號的信號類型為4～20 mA，采用修改勵(lì)磁調(diào)節(jié)器程序，增加變送器及A/B套切換繼電器接入。勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流信號類型為4～20 mA，通過增加勵(lì)磁電壓變送器并引至備用輸出端子的方式采集。

調(diào)速器接入PMU裝置：一次調(diào)頻動作/復(fù)歸、一次調(diào)頻投入/退出的開關(guān)量需要修改調(diào)速器程序，利用備用DO繼電器開出信號。監(jiān)控系統(tǒng)到調(diào)速器下發(fā)指令、調(diào)速器指令、導(dǎo)葉開度、槳葉開度指令、槳葉開度反饋的信號類型為4～20 mA，采用修改調(diào)速器程序，增加AO信號接入的方法。

1B主變高壓側(cè)電流、2B主變高壓側(cè)電流的CT信號接入采用保護(hù)繞組代替，從電力故障記錄裝置串接。母聯(lián)高壓側(cè)電流、10 kV GR線電流、110 kV GZ一線電流、110 kV GZ二線電流、110 kV GZ三線電流、110 kV GD線電流、110 kV GL線電流的CT信號接入采用從電力故障記錄裝置串接。110 kV Ⅰ段母線電壓、110 kV Ⅱ段母線電壓的PT信號接入由開關(guān)站GIS室輔助屏端子排并接。

5.1" " 機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)信息接入同步相量測量裝置

調(diào)速器至PMU信號連接如圖4所示，DXG電站調(diào)速器系統(tǒng)為國電南京某公司產(chǎn)品，由于該型號產(chǎn)品投運(yùn)時(shí)間較早，其配置已不支持直接在控制器上進(jìn)行I/O擴(kuò)展，需要附加控制器模件與現(xiàn)控制器進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)模塊輸入/輸出信號的擴(kuò)展，在附加控制器中進(jìn)行通信組態(tài)采集PMU裝置接入的調(diào)速部分相關(guān)信息，通過模出/開出信號接入PMU的模入/開入模塊，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)信息的接入，根據(jù)PMU信息接入相關(guān)要求，采集接入遙測的機(jī)組功率給定、調(diào)速器指令、導(dǎo)葉開度、主接力器行程信號，遙信的一次調(diào)頻投入/退出信號、一次調(diào)頻動作信號。新增控制器模塊與I/O組件布置在調(diào)速器電柜后背面板，至PMU的遙測和遙信信號通過電纜連接。

5.2" " 機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)信息接入同步相量測量裝置

DXG電站機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)為廣州某公司產(chǎn)品EXC9000，勵(lì)磁系統(tǒng)當(dāng)初建設(shè)未考慮PMU接入的相關(guān)接口，根據(jù)PMU的建設(shè)需求，勵(lì)磁系統(tǒng)需要進(jìn)行必要的技術(shù)改造，按照接入相關(guān)要求將信息接入PMU裝置，PMU裝置需要的勵(lì)磁接入信號分為遙信信號和遙測信號。其中遙信信號包括：AVR自動/手動、PSS投入/退出、低勵(lì)限制動作信號、過勵(lì)限制動作信號、V/Hz限制動作信號和定子電流過負(fù)荷限制動作信號。遙測信號包括：勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出電壓、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出電流、AVR電壓給定和PSS輸出。

遙信信號勵(lì)磁系統(tǒng)輸出為繼電器無源節(jié)點(diǎn)，智能I/O板有8個(gè)備用無源接點(diǎn)，通過修改智能I/O板定義進(jìn)行輸出，將需要接入的勵(lì)磁遙信信息輸入PMU裝置，開入信號電壓為DC220 V。

遙測信號勵(lì)磁系統(tǒng)輸出為4～20 mA信號，其中勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流信號通過滅磁柜勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流變送器輸出；輸出該信號需在原有程序中開發(fā)兩組DAC模塊，因此需要升級相關(guān)程序和修改相應(yīng)DAC參數(shù)，然后通過開關(guān)量總線板（EXC9000）或CPU板（EXC9100）端子輸出（0～5 V），同時(shí)增加兩個(gè)變送器轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號。由于勵(lì)磁系統(tǒng)有A、B兩個(gè)數(shù)字通道，還需增加一個(gè)切換繼電器，保證AVR電壓給定和PSS輸出信號為當(dāng)前運(yùn)行通道的輸出信號。

6" " 同步相量測量系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試

設(shè)備安裝調(diào)試時(shí)需要進(jìn)行PMU數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備調(diào)試，具備完整的上送調(diào)度數(shù)據(jù)功能。零漂檢驗(yàn)是裝置在不加任何交流量時(shí)，檢查電流、電壓回路的零漂，電流值小于0.01In，電壓值小于0.05 V。電流精度檢驗(yàn)是在同步相量測量屏（機(jī)組1-21I1D，開關(guān)站3-21I1D、3-21I2D、3-21I3D、3-21I4D、3-21I5D、3-21I6D、3-21I7D、3-21I8D、3-21I9D）交流電流端子處分別按0.2In、1.0In加入三相交流電流，誤差小于±2%、±0.5%，檢查輸入值與采樣值幅值、相位均一致，相位誤差小于2°。電壓精度檢驗(yàn)是在同步相量測量屏（機(jī)組1-21U1D，開關(guān)站3-21U1D、3-21U2D）交流電壓端子處分別按0.2Un、1.0Un加入三相交流電壓，誤差小于±2%、±0.5%，檢查輸入值與采樣值幅值、相位均一致，相位誤差應(yīng)小于2°。

7" " 同步相量測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)上送

DXG水電站同步相量測量系統(tǒng)建設(shè)后的PMU數(shù)據(jù)上送至調(diào)度平臺專用網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場一平面、二平面加密裝置增加了PMU業(yè)務(wù)加密隧道，一平面、二平面一區(qū)交換機(jī)配置PMU業(yè)務(wù)使用地址，配合調(diào)度主站開通主站策略，保證PMU數(shù)據(jù)順利與調(diào)度平臺通信。

8" " 建設(shè)過程中遇到的問題和解決方案

在同步相量測量系統(tǒng)建設(shè)過程中，遇到了插件通信中斷、對時(shí)異常、指示燈不亮等問題。

造成插件通信中斷的原因有兩種，第一種是插件與背板端子接觸不可靠，第二種是開入、開出插件地址設(shè)置錯(cuò)誤。解決辦法是檢查各開入、開出插件3個(gè)并排的跳線器J2，并將插件推緊使其接觸到位。

出現(xiàn)對時(shí)異常時(shí)應(yīng)采用排除法，先檢查對時(shí)裝置的輸出、輸入和對時(shí)信號線的連接，確定裝置的時(shí)鐘信號是否異常。然后檢查管理插件硬盤的掛載，確定數(shù)據(jù)記錄存盤是否異常，若不能解決則將硬盤重新初始化。

出現(xiàn)指示燈不亮先檢查指示燈本體是否損壞，若指示燈正常，則更換備用板。

后續(xù)完善工作：因?yàn)榻尤牍ぷ鲿绊戦_關(guān)站設(shè)備運(yùn)行，造成機(jī)組全停，開關(guān)站PMU裝置Ⅰ母電壓、Ⅰ母電流、GR線電流、GZ三線電流、GZ二線電流通道配置后未能接入，在1B主變及Ⅰ段母線檢修期間才完成了接入工作。因2F、3F、4F機(jī)組探測頭與鍵相塊之間距離大于1 mm，鍵相脈沖檢測不到數(shù)據(jù)，機(jī)組檢修期間調(diào)整后正常。

9" " 結(jié)束語

DXG水電站同步相量測量系統(tǒng)（PMU）通過相量計(jì)算，對信號進(jìn)行精密濾波并量化處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，通過報(bào)文形式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中器，電網(wǎng)通過同步相量測量系統(tǒng)上傳的信息，能夠?qū)崟r(shí)分析水電站運(yùn)行狀態(tài)，提升了電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步的精度與可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 同步發(fā)電機(jī)組源網(wǎng)動態(tài)性能在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：Q/GDW 11538—2016[S].

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收稿日期：2024-06-26

作者簡介：諶音潔（1982—），女，四川南充人，工程師，主要從事水電站通信自動化運(yùn)維工作。＋＋