同步相量測量裝置在水電站的應用

摘要：根據國網四川省《關于開展并網電廠PMU裝置布點建設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、二平面接入省調電力系統實時動態監測系統（WAMS），實現調度中心對機組勵磁、調速器等實時數據的監控。現主要介紹DXG水電站同步相量測量裝置的結構和功能，電壓、電流相量的計算，PMU系統的建設過程，PMU裝置功能實現的方式，并分析PMU在DXG水電站的應用成效、PMU裝置故障的處理方法。

關鍵詞：同步相量測量；PMU；電力系統動態監測；數據采集

中圖分類號：TP23" " 文獻標志碼：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，我國進入了由區域性聯網向全國聯網邁進的新時代，特別是“西電東送”使我國電力系統得到快速發展，但同時電網的穩定性也隨之降低，使電力系統監控面臨巨大的考驗。以前采用的采集穩態數據和局部暫態數據的方式，已經不能勝任這種大范圍的實時動態數據采集任務。

1" " 同步相量測量裝置（PMU）建設的目的和意義

同步相量測量系統（Phasor Measurement Unit，PMU）是用于電力系統同步相量測量和輸出以及動態過程記錄的系統，PMU和北斗、高速通信網絡、子站和主站分析系統共同構成實時動態監測系統（Wide Area Measurement System，WAMS），實現區域及跨區域大電網的動態過程監測和分析。電力系統相量測量技術即在高精度時鐘同步下，電網各廠站端的PMU實時測量電壓和電流相量，并實時傳送到調度端的WAMS主站，經計算分析后提供電網的相量信息，彌補現有系統不能直接測量的缺陷，監測電網的實時動態特性，填補了運行人員不能監測系統動態過程的空白[1]。

俞鄂背靠背直流工程2022年投運后，西南電網聯網結構和運行特性發生重大變化，對發電機組涉網性能的要求大大提高。因此，DXG水電站將調速器系統的一次調頻投/退，監控至調速器的輸出指令、調速器指令等信號接入同步相量測量裝置采集傳輸信息，以滿足源網動態性能在線監測以及電力系統一次調頻管理需求[2]。

2" " 同步相量測量原理

電力系統的正弦電壓和電流均可表示為相量。

電力系統采用北斗為全網提供統一的時鐘信號，通過北斗時鐘信號，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算法將信號的時域形式變換成頻域形式進行分析。經一系列濾波和相位補償等處理后，相量測量誤差減小，能夠得到最接近真實信號的結果。

3" " PMU子站系統結構及功能

DXG水電站采用CSD-361-CG同步相量測量裝置和CSD-363相量數據集中器共同構成PMU子站系統。同步相量測量裝置主要用于數據采集及計算，相量數據集中器主要用于匯集站內所有同步相量測量裝置的數據并與WAMS主站實時通信。系統結構如圖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、實時數據監測功能、實時數據記錄功能、次同步振蕩監視功能、同步相量數據傳輸功能。

同步相量測量功能是指測量發電機內電勢相角、功角等，同步采集測量點的三相電壓和電流，計算頻率、頻率變化率，同步測量勵磁信號、轉速信號等發電機輔助信號，測量發電機AVR、PSS等采集點開關量信息。

實時數據監測功能是指向主站傳送實時監測數據，電網故障時以最高速率輸出數據，實現實時監測數據的時延小于30 ms。

實時數據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、發電機功角和內電勢，發生相電壓越下限、正序電壓越下限、機端電壓超前、發電機功角越限、頻率越限、頻率變化率越限、開關量變位低頻振蕩、次同步振蕩、聯網觸發，相電壓和電流越上限、負序電壓和電流越上限、正序電壓和電流越上限等事件時獲取電網動態數據。實時記錄裝置告警信息、操作信息、開關量變位信息，按照時間順序存儲，保證掉電數據不丟失，方便運行人員查閱，進行事故分析。

次同步振蕩監視功能是使用電壓和電流采樣值，實時計算瞬時功率并做頻譜分析，同時將瞬時功率中次同步振蕩最大分量實時上送主站。

同步相量數據傳輸功能是指實時將電壓相量、電流相量等狀態信息傳送到相量數據集中器（PDC），實現一發多收，同時與多個PDC實時通信。整定裝置動態數據的實時傳送速率，保證裝置和PDC通信的應用層協議符合《電力系統實時動態監測系統傳輸協議》，支持IEC 61850 MMS機制接入站控層設備。

3.2" " 相量數據集中器（PDC）功能

相量數據集中器具有實時顯示同步相量、實時數據記錄、實時數據通信等功能，實時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狀態信息。實時數據記錄能連續記錄狀態信息，并實時記錄裝置告警信息。實時數據通信能夠實時與5臺同步相量測量裝置通信，實時將數據和裝置的狀態信息傳送到WAMS主站，裝置和WAMS主站通信的應用層協議符合《電力系統實時動態監測系統傳輸協議》，支持IEC 61850 MMS機制接入站控層設備。相量數據集中器電源為220 V，允許偏差-20%～+15%。對時接口為ST型，多模，波長820 nm。通信接口為100M電以太網口，多模ST光口，波長1 310 nm。

4" " PMU裝置硬件結構

PMU裝置結構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芯片負責相量計算。在需要測量發電機功角的場合，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、管理、錄波、存儲和通信功能。管理插件有四種接口，其中，以太網的ETH1～ETH4為獨立網口，實現裝置與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的對時精度要求較高，對時信號經長距離的電纜傳輸會導致附加延時，一般不使用。脈沖輸出接口輸出基于內部同步信號的秒脈沖。

開入插件用于接入常規開入，根據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路獨立的空接點開出。

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，采用二進制8421碼的設計，4組跳線由上至下依次是bit3、bit2、bit1、bit0。左側兩針短接時該位置0，右側兩針短接時該位置1，地址計算公式=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。

發電機脈沖類型是鍵相脈沖，脈沖電壓有效范圍為-24～+24 V，脈沖質量要求為：當前脈沖周期與脈沖在5 s內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

發電機機端電壓的PT信號從同期屏用機端PT端子并接，發電機機端電壓的CT信號從同期屏用機端CT端子串接。鍵相脈沖的脈沖量在機組檢修期間新增鍵相傳感器后接入。

勵磁接入PMU裝置：勵磁自動/手動、PSS投入/退出、低勵限制動作、過勵限制動作、V/Hz限制動作、定子電流過負荷限制動作的開關量都采用修改勵磁調節器程序，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，采用修改勵磁調節器程序，增加變送器及A/B套切換繼電器接入。勵磁電壓、勵磁電流信號類型為4～20 mA，通過增加勵磁電壓變送器并引至備用輸出端子的方式采集。

調速器接入PMU裝置：一次調頻動作/復歸、一次調頻投入/退出的開關量需要修改調速器程序，利用備用DO繼電器開出信號。監控系統到調速器下發指令、調速器指令、導葉開度、槳葉開度指令、槳葉開度反饋的信號類型為4～20 mA，采用修改調速器程序，增加AO信號接入的方法。

1B主變高壓側電流、2B主變高壓側電流的CT信號接入采用保護繞組代替，從電力故障記錄裝置串接。母聯高壓側電流、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信號接入由開關站GIS室輔助屏端子排并接。

5.1" " 機組調速系統信息接入同步相量測量裝置

調速器至PMU信號連接如圖4所示，DXG電站調速器系統為國電南京某公司產品，由于該型號產品投運時間較早，其配置已不支持直接在控制器上進行I/O擴展，需要附加控制器模件與現控制器進行通信實現模塊輸入/輸出信號的擴展，在附加控制器中進行通信組態采集PMU裝置接入的調速部分相關信息，通過模出/開出信號接入PMU的模入/開入模塊，從而實現調速系統信息的接入，根據PMU信息接入相關要求，采集接入遙測的機組功率給定、調速器指令、導葉開度、主接力器行程信號，遙信的一次調頻投入/退出信號、一次調頻動作信號。新增控制器模塊與I/O組件布置在調速器電柜后背面板，至PMU的遙測和遙信信號通過電纜連接。

5.2" " 機組勵磁系統信息接入同步相量測量裝置

DXG電站機組勵磁系統為廣州某公司產品EXC9000，勵磁系統當初建設未考慮PMU接入的相關接口，根據PMU的建設需求，勵磁系統需要進行必要的技術改造，按照接入相關要求將信息接入PMU裝置，PMU裝置需要的勵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、低勵限制動作信號、過勵限制動作信號、V/Hz限制動作信號和定子電流過負荷限制動作信號。遙測信號包括：勵磁調節器輸出電壓、勵磁調節器輸出電流、AVR電壓給定和PSS輸出。

遙信信號勵磁系統輸出為繼電器無源節點，智能I/O板有8個備用無源接點，通過修改智能I/O板定義進行輸出，將需要接入的勵磁遙信信息輸入PMU裝置，開入信號電壓為DC220 V。

遙測信號勵磁系統輸出為4～20 mA信號，其中勵磁電壓和勵磁電流信號通過滅磁柜勵磁電壓和勵磁電流變送器輸出；輸出該信號需在原有程序中開發兩組DAC模塊，因此需要升級相關程序和修改相應DAC參數，然后通過開關量總線板（EXC9000）或CPU板（EXC9100）端子輸出（0～5 V），同時增加兩個變送器轉換為4～20 mA信號。由于勵磁系統有A、B兩個數字通道，還需增加一個切換繼電器，保證AVR電壓給定和PSS輸出信號為當前運行通道的輸出信號。

6" " 同步相量測量系統設備調試

設備安裝調試時需要進行PMU數據傳輸設備調試，具備完整的上送調度數據功能。零漂檢驗是裝置在不加任何交流量時，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。電流精度檢驗是在同步相量測量屏（機組1-21I1D，開關站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°。電壓精度檢驗是在同步相量測量屏（機組1-21U1D，開關站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，相位誤差應小于2°。

7" " 同步相量測量系統數據上送

DXG水電站同步相量測量系統建設后的PMU數據上送至調度平臺專用網絡，現場一平面、二平面加密裝置增加了PMU業務加密隧道，一平面、二平面一區交換機配置PMU業務使用地址，配合調度主站開通主站策略，保證PMU數據順利與調度平臺通信。

8" " 建設過程中遇到的問題和解決方案

在同步相量測量系統建設過程中，遇到了插件通信中斷、對時異常、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、開出插件地址設置錯誤。解決辦法是檢查各開入、開出插件3個并排的跳線器J2，并將插件推緊使其接觸到位。

出現對時異常時應采用排除法，先檢查對時裝置的輸出、輸入和對時信號線的連接，確定裝置的時鐘信號是否異常。然后檢查管理插件硬盤的掛載，確定數據記錄存盤是否異常，若不能解決則將硬盤重新初始化。

出現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。

后續完善工作：因為接入工作會影響開關站設備運行，造成機組全停，開關站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據，機組檢修期間調整后正常。

9" " 結束語

DXG水電站同步相量測量系統（PMU）通過相量計算，對信號進行精密濾波并量化處理，將數據轉化為信息，通過報文形式傳輸到數據集中器，電網通過同步相量測量系統上傳的信息，能夠實時分析水電站運行狀態，提升了電力系統實時同步的精度與可靠性。

[參考文獻]

[1] 電力系統實時動態監測系統技術規范：Q/GDW 10131—2017[S].

[2] 同步發電機組源網動態性能在線監測技術規范：Q/GDW 11538—2016[S].

[3] 王英東.同步相量測量裝置（PMU）在尼爾基發電廠的應用[J].東北水利水電，2015，33（12）：46-47.

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維工作。＋＋