PMU同步相量测量装置在万家寨水电站的应用

摘　要：结合万家寨水电站的运行方式，介绍了SMU-2型同步相量测量装置的组成、系统常规配置、功能、技术性能及在万家寨水电站的应用情况。在同类电站中具有较好的代表性和先进性。

关键词：水电站；同步相量测量装置（Phasor Measurement Unit:PMU）
1.概述
　　万家寨水电站地处黄河北干流托克托至龙口河段峡谷内，左岸隶属山西省偏关县，右岸隶属内蒙古自治区准格尔旗。枢纽水库总容量8.96亿立方米，坝后建有地面式电站厂房，厂内安装六台混流式水轮发电机组，单机容量180MW，山西、内蒙电网各调度3台机组。万家寨水利枢纽发电后，在山西电网、蒙西电网中发挥了调峰、调潮流及事故备用等重要的作用，同时为调水调沙、改善下游河道生态环境做出了贡献。万家寨水电站山西侧三台机组及三条线路选用了SMU-2型同步相量测量装置，对系统动态安全稳定实施监控，为山西省电力系统调度中心的动态实时数据平台的提供了可靠的实时数据，便于调度中心分析和监测电力系统的动态过程。
2.系统结构及其配置
　　万家寨水电站PMU同步相量测量装置采用的是国电南瑞科技股份有限公司的SMU-2型同步相量测量装置。
2.1硬件配置
　　相量测量装置：用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录的装置。PMU的核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去标准时钟信号的守时能力、PMU与主站之间能够实时通信并遵循有关通信协议。
　　数据集中器：用于站端数据接收和转发的通讯装置。能够同时接收多个通道的测量数据，并能实时向多个通道转发测量数据。
　　子站：安装在同一发电厂或变电站的相量测量装置和数据集中器的集合。子站可以是单台相量测量装置，也可以由多台相量测量装置和数据集中器构成。一个子站可以同时向多个主站传送测量数据。
　　主站：安装在电力系统调度中心，用于接收、管理、存储、分析、告警、决策和转发动态数据的计算机系统。
　　电力系统实时动态监测系统：基于同步相量测量以及现代通信技术，对地域广阔的电力系统动态过程进行监测和分析的系统。
软件配置
　　软件包括以下模块：GPS授时信号处理模块；模拟量信号采集处理模块；开关量信号采集处理模块；发电机内电势信号采集处理模块；数据转换模块；通信模块；扰动录波模块；控制输出模块（输出4-20mA控制信号）
3。同步相量测量装置主要技术原理
3.1发电机功角测量方法
3.1.1 间接计算法
　　基于稳态相量图的解析法。用发电机交/直轴同步电抗参数及机端电压、电流计算获取发电机功角的测量方法。

　　发电机直轴电流：
　　发电机交轴电流：
　　发电机功角：
3.1.2 转速积分法
　　通过计算法获取稳态功角值，采集转子脉冲，对转速求积分修正功角。   
3.1.3 转子位置测量法（脉冲直接法）
　　通过在发电机转子轴上设置机械测点或测速齿轮，在转子周围安装光电或电磁装置，通过一定变换来实现功角测量。 通过上面的GPS控制采样计算，我们即可得到如下的关键测量量：
　　发电机功角 ：
　　发电机内电势绝对相角 ：
3.2空载下的初相角检测
　　在发电机空载状态下测得频率f0、时间t10、t20、机端正序电压相角：
　　机组转轴位置脉冲的绝对相角：
　　发电机空载时的内电势初相角：

3.3发电机运行状态自动判断：
　　发电机运行状态通过接入的机端电压、电流、脉冲等运行信息进行判断。目前的计算机技术可在毫秒级的时间内判断出运行状态。
　　在发电机从检修状态转入空载状态后自动判断初相角。
3.4多重化的滤波措施：硬件手段上，脉冲正确性的检测、空载情况下，多次数据的平滑综合处理、测量数据的软件平滑滤波。
的主要功能
4.1 PMU的数据采集
　　包括每条线路三相电压、三相电流、开关量， 发电机机端三相电压、三相电流、开关量、转轴鉴相信号，气门开度信号、GPS标准时间信号、AGC、AVC、PSS等信号。
4.2判别并获取事件标识
　　建立事件标识的情况包括：频率越限；频率变化率越限；幅值越上限（正序电压、正序电流、负序电压、负序电流、零序电压、零序电流、相电压、相电流越上限等）；幅值越下限（正序电压、相电压越下限等）；线性组合（线路功率振荡等）；发电机功角越限等。
　　当装置监测到继电保护或安全自动装置的跳闸输出信号或接到手动记录命令时应建立事件标识，以方便获取对应时段的动态数据。
4.3与当地监控系统交换数据：通信接口可用于和励磁系统、AGC系统、电厂监控系统等进行数据交换。
4.4数据存储：存储暂态录波数据；存储实时同步相量数据
4.5监测功能：能接受多个主站的召唤命令，传送部分或全部测量通道的实时监测数据并可同时向主站传送实时监测数据。
的作用
5.1  PMU装置对电网安全监测具有重要意义。PMU是WAMS/WAMAP系统的基础、可为电网的安全提供丰富的数据源、正常运行的实时监测数据、小扰动情况下的离线数据记录、大扰动情况下的录波数据记录。
5.2  进行快速的故障分析：在PMU系统实施以前，对广域范围内的故障事故分析，由于不同地区的时标问题，进行故障分析时，迅速地寻找故障点分析事故原因比较困难，需要投入较大的人力物力。通过PMU实时记录的带有精确时标的波形数据对事故的分析提供有力的保障。同时通过其实时信息，可实现在线判断电网中发生的各种故障以及复杂故障的起源和发展过程，辅助调度员处理故障；给出引起大量报警的根本原因，实现智能告警。
5.3  捕捉电网的低频振荡：电网的低频振荡的捕捉是PMU装置的一个重要功能。通过传统的SCADA系统分析低频振荡，由于其数据通讯的刷新速度为秒级，不能够很可靠的判断出系统的振荡情况。基于PMU高速实时通讯（每秒可高达100HZ数据）可较快地获取系统运行信息。
5.4  实时测量发电机功角信息：发电机功角是发电机转子内电势与定子端电压或电网参考点母线电压正序相量之间的夹角，是表征电力系统安全稳定运行的重要状态变量之一，是电网扰动、振荡和失稳轨迹的重要记录数据。
5.5  分析发电机组的动态特性及安全峪度分析：通过PMU装置高速采集的发电机组励磁电压、励磁电流、气门开度信号、AGC控制信号、PSS控制信号等，可分析出发电机组的动态调频特性，进行发电机的安全峪度分析，为分析发电机的动态过程提供依据。监测发电机进相、欠励、过励等运行工况，异常时报警。绘制发电机运行极限图，根据实时测量数据确定发电机的运行点，实时计算发电机运行裕度，在异常运行时告警。
6.结语
　　结合万家寨水电站的运行方式，介绍了SMU-2型同步相量测量装置)的组成、系统常规配置、功能、技术性能及在万家寨水电站的应用情况。应用结果表明，PMU同步相量测量装置的应用进一步加强了电力系统调度中心对重要发电厂的动态稳定监测和分析能力，对电力系统安全稳定的监控，取得了良好的效果。