同步相量测量系统的组建与应用

孟为群 胡 月 潘高峰

（1.大唐国际发电股份有限公司，北京 100023；

2.大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂，河北 张家口 075133）

前言

20世纪90年代初，基于全球定位系统Global Positioning System（GPS）的相量测量单元Phasor Measurement Unit（PMU）的成功研制，标志着同步相量（synchrophasor）技术的诞生。随着近二十年来在电力系统的广泛应用，尤其是美国等西方国家的几次大停电事故，由于没有有效的电网动态检测手段，更促进了大电网广域测量/监视系统Wide-Area Measurement/Monitoring System（WAMS）的形成和发展。我国电力电力系统正在进行西电东送、全国联网、电网交直流混连、新能源并网，电网规模越来越大，电网潮流的不确定性增大，互联电网的运行稳定性有下降的可能。为了进一步加强电力系统调度对电力系统的动态稳定监控和分析的能力，需要在变电站和发电厂侧安装同步相量测量装置，构建电力系统实时动态监测系统，并通过调度中心对电力系统的动态过程进行检测和分析。

一、广域同步相量测量系统的组成

广域同步相量测量系统由以下几部分组成：

相量测量装置PMU（Phasor Measurement Unit）—用于同步相量的测量和输出并进行动态记录。

数据集中器DC（Data Concentrate）—用于站端的数据接收和转发的通讯装置。

子站（Substation）—安装在同一电厂或变电站的PMU和DC的集合。

主站（Main Station）—安装在电力调度中心，用于接收、管理、存储、分析、告警、分析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（Real Time Power System Dynamic Monitoring System）—以同步向量测量和现代通讯技术为基础，对电力系统进行动态检测和分析的系统。

二、PMU的主要功能

根据功能要求.PMU应包括同步采样触发脉冲的发生模块、同步相量的测量计算模块和通信模块。同步采样触发脉冲的发生部分主要功能是提供秒脉冲和当前标准时间 (精确到秒)。为了降低对GPS/北斗的依赖性.在GPS/北斗丢失卫星后一段时间内.由本机自身晶振提供相当精确的秒脉冲。相量测量运算部分输入模拟交流信号A/D由外部产生的同步采样脉冲触发.转换完成后发送“中断”给信号处理模块(DSP)，DSP每读取一点的数据就和前面的采样数据进行数字傅里叶变换(DFF)运算，计算出该交流信号基波的幅值和相位。主DSP在计算相位后同时加上相应的时标从通信接口将相量数据发送到监测主站或保存在本地共控机上.同步串口通信数据除了采样点时刻的时标外.还测量CPU发出的当前交流信号频率。

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。

PMU的基本测量包括同步相量测量和发电机内电势角度测量。

同步相量测量主要进行交流正弦量的测量。正弦量具有三要素：振幅、频率和初相角。

用复数（相量）代表交流正弦量，在研究稳态工频量时，频率是常数，由欧拉公式，可以将同频率的正弦量转换为复数运算。

用复数量进行电力系统的稳态、准稳态和机电暂态分析。交流正弦量的加、减、微分、积分等运算转换为复数量的代数运算。交流正弦量对时间的导数转换为对应的复数量与jω的乘积；交流正弦量的积分转换为对应的复数量与1/jω的乘积。这样就将交流微分、积分方程转换为复数的代数方程。从而简化电力系统的分析计算。在全网以统一标准时钟（GPS/北斗）为时间参考点，在全网同步进行相量计算，称为同步相量测量。

发电机内电势角度(转子角)的测量方法主要分为两种：

间接法（电气法）指测得机端电压、电流相量以后，根据已知的发电机直轴、纵轴电抗，计算出发电机内电势相量，进一步计算出发电机的功角。

直接法（机械法）是指利用发电机键相传感器产生的键相脉冲，确定转子位置。利用转子位置与空载电势的相位对应关系，确定各发电机之间内电势的相对关系。俗称键相脉冲信号。

直接法克服了间接法在暂态过程中发电机参数饱和以及机端电压、电流测量不准带来的计算误差。两者相结合应用，有效的提高了PMU装置测量工作的稳定性和可靠性。

三、发电厂PMU系统的组建与优化

以张家口发电厂PMU系统改造为例进行组建：

张家口发电厂共装设8台300MW机组，220kV主接线采用双母线带旁路接线方式，共有四回出线，500kV主接线采用3/2接线方式，共有六串间隔。目前共有17台断路器。两个系统由500/220kV自耦变压器相联（下称联变）。1号机组、1—4号启备变、沙岛一、二线及沙闫一、二线接于220kV母线。2—8号机组、万沙线及沙南一、二线接于500kV母线。

PMU系统共安装6面屏柜，其中包括网控PMU功角测量处理屏一面、网控PMU功角测量采集屏一面、单元PMU功角测量采集屏四面，每两台机组共用一面PMU功角测量采集屏。网控PMU功角测量处理屏主要负责全500kV系统数据的采集和厂PMU数据的处理和传输；网控PMU功角测量采集屏负责220kV系统数据的采集；单元PMU功角测量采集屏负责1—8号机组数据的采集。

所有PMU功角测量处理和采集装置全部采用GPS/北斗卫星信号对时。

图一：PMU子站系统连接示意图

在改造过程中实现调度对未改造机组及线路持续监控，原系统PMU设备与调度通讯不动，由调度对新增加的PMU设备分配一个临时IP。每次改造一台机组，就把这个机组从原PMU系统上撤下，在新增加的PMU系统上增加所改造的机组，这样分别对每台机组改造完成后，撤掉原PMU系统。再按调度要求更改配置使用原IP。保证调度实时地持续地监控到全厂PMU数据状况。

PMU系统的电源输入采用直流电源供电，双路电源输入后经切换继电器实现无缝切换，确保PMU系统在任意一路电源失去时可靠供电，正常工作，不影响全厂PMU数据上传。

四、发电厂PMU系统的应用和维护

张家口发电厂PMU功角测量系统采集的数据包括：

间隔名称 采集信息 用途3回500kV出线 Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低频振荡监测分析4回220kV出线 Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低频振荡监测分析220kV双母线 Ua、Ub、Uc、Un 低频振荡监测分析500kV/220kV联络变压器500kV侧 Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低频振荡监测分析1～8号发电机 励磁电压、励磁电流（4～20mA） 次同步振荡监测分析、励磁系统性能在线监测1～8号发电机 Ia、Ib、Ic、In、Ua、Ub、Uc、Un 低频振荡监测分析、励磁系统性能在线监测1～8号发电机 键相脉冲信号 低频振荡监测分析1～8号发电机 转速 低频振荡监测分析、励磁系统性能在线监测、调速系统性能在线监测1～8号发电机 调节级压力信号（4～20mA） 调速系统性能在线监测1～8号发电机 调频修整前指令信号（4～20mA） 调速系统性能在线监测1～8号发电机 调频修整后指令信号（4～20mA） 调速系统性能在线监测1～8号发电机 PSS投入/退出信号 励磁系统性能在线监测1～8号发电机 AVR自动/手动信号 励磁系统性能在线监测1～8号发电机 一次调频动作信号 调速系统性能在线监测

所有数据经采集后全部送至网控PMU数据处理装置，打包发送至调度WAMS系统进行数据处理运算，作为系统暂态稳定预判的依据。

PMU向调度主站传送的每帧数据分别包含每台采集装置的报文，其中每台采集装置的数据报文都含有2个字节共16位的状态字，从最高为到最低位按照Bit15到Bit0的顺序排列，根据《电力系统实时动态监测系统传输规约》进行了每位的定义，其中最高的前三位对PMU的运行状态判断比较重要，分别是：

Bit 15：相量测量装置的数据可用标志，0表示数据可用，1表示数据不可用；

Bit14：相量测量装置的装置正常标志，0表示装置正常，1表示装置异常；

Bit13：相量测量装置的同步状态标志，0表示装置同步，1表示装置失步。

正常情况下，这三个状态字应该为0的状态，若调度反映该厂的PMU有状态字置1的情况，则需要到现场确定是哪台装置出现异常情况，再根据是哪个状态字置1来检查问题：

若是数据可用标志置1，则检查该采集装置是否运行正常，连接的通讯装置是否正常工作，通讯尾纤是否有松动或折断的情况。

若是装置正常标志置1，则同样也检查该采集装置是否运行正常，是否出现断开连接的情况。

若是同步状态标志置1，则需要检查时钟对时单元是否正常工作，是否能正常锁星，对时尾纤是否有松动或折断的情况。

大部分情况下，数据可用标志和装置正常标志是同时改变状态的，因此检查网络是否正常和装置运行是否正常是两个比较重要的手段。

由于各个PMU系统生产厂家原理的不同，某厂家生产的SMU-2型PMU装置可以将各个采集器所采到的数据分别判断，如有一台采集器数据异常，只在此台采集器上送数据置1（数据不可用），并不影响站内其他采集器可用数据的上送；而另外一个厂家生产的CSD-361型PMU装置是将全站所有的数据统一进行判断，任意一台采集装置的数据不异常，全厂上送的数据均会置1（数据不可用），需进行尽快检查，否则就影响到站内其他采集器可用数据的上送。

五、结束语

目前很多电厂都在积极进行PMU站点用于电网的稳定控制系统的建设。基于广域同步相量测量的暂态稳定预决策应用于安全稳定控制系统在系统发生故障后利用功角测量系统测得的各台发电机转子角度来预测系统的未来行为。在预测出系统失稳的情况下，按照预定的方案对系统进行解列控制，为电力系统的安全稳定运行提供给了有力的保障。

[1]国家电力调度通信中心.电力系统实时动态监测系统传输规约.2003

[2]谢小荣.同步相量技术应用于电力系统暂态性稳定控制的可行性分析.电网技术.2004

[3]国家电力调度通信中心.电力系统实时动态监测系统技术规范.2005

[4]沈建辉潘锐标.PMU的原理和在电厂的应用.科技资讯2011.

[5]中国电力企业联合会.电力系统同步相量测量装置通用技术条件.DL/T 280—2012.