同步相量测量控制技术在500kV换流站的应用

2017-03-13

电气开关 2017年4期

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙 410004)

1 引言

在跨区联网、超远距离输电和清洁能源蓬勃发展的新形势下，电力系统运行环境发生着变化，电网稳定运行不确定性增加。因此有必要构建全网动态稳定性控制与监测系统加强调控中心对电力系统的分析能力和动态稳定监测[1-2]。同步相量测量单元(Synchronous Phasor Measurement Unit SPMU)是搭建全网动态稳定监控系统的重要设备，其基于北斗或GPS系统高精度授时，可实现电网不同地理区域节点功角数据的同步实时采集、记录、远程传输和处理，克服变电站及调控中心故障录波和数据采集与监视控制系统(Supervisory Control And Data Acquisition SCADA)系统不足[3-5]。在电网状态估计、输电线路故障定位、动态故障录波以及防灾预警系统等方面已有广泛应用。

本文以惠州500kV鹅城换流站采用的南瑞继保PCS-996型同步相量测量子站系统为例，阐述同步相量测量系统工作原理、实施方案、维护要点及改进建议。

2 同步相量测量原理

同步稳定、频率稳定、电压稳定和功率平衡是电力系统稳定运行必须满足的因素，电网失去同步稳定会导致中枢点电压等交流量产生周期性波动，影响正常供电[3]。在重要电厂和变电站安装SPMU子站系统，实现对频率、电网功率、相角、线路电流同步相量的测量，通过调度数据网传输系统输送到调控中心SPMU主站系统，从而实现对电网同步稳定运行的分析和监测。厂站SPMU系统同时采集电流电压幅值和相角，用相量表示交流量幅值X(有效值)和相角(在坐标系中为实部和虚部)，任意两个相量测得两地功角相角差，基于统一同步对时时钟参考点考虑在不同时间同一个功角信号的动态变化性。

=XR+jXI

(1)

将输入采样值转换到频域信号得到相量值，通过傅里叶变换[2]。式(1)相量表示为：

(2)

图1 交流信号相量

图2 同步相量测量原理

3 同步相量测量关键技术

同步相量采集装置是电力系统SPMU系统的基础和核心，通过该装置进行同步相量测量、输出及动态记录，应具备以下特点及关键技术：

(1)实时同步性：相量测量装置必须以精确的同步时钟信号作为采样基准使厂站各节点保持确定统一的相位关系，在高速通信系统的支撑下，实时、准确地将采集量传送至多个主站。

(2)高速度：相量测量装置必须具有高速的内部数据总线和对外通信接口，以满足大量实时数据测量、存贮和对外发送。

(3)高精度：装置内部模数转换(A/D)芯片一般需在16位及以上，装置测量环节产生的信号相移必须要进行补偿，测量精度包括幅值和相角的精度。

(4)高可靠性：相量测量装置必须能满足未来动态监控系统可靠性要求。体现在两方面，一是装置运行的稳定性；二是记录数据的安全可靠性。

(5)大容量：具备足够大的存贮容量，以保证能长期记录和保存相量数据、暂态数据。

4 500kV鹅城站SPMU实施方案

4.1 系统结构

惠州500kV鹅城换流站同步相量测量控制系统采用系统组屏与分布式安装相结合方法。其应用SPMU-CS数据集中处理单元(PCS-996G)、SPMU-M数据采集单元(PCS-996A)、SPMU-GPS时钟同步单元(RCS-9785D)、SPMU-P后台管理调试单元构成系统。系统结构示意如图3所示。

图3 系统配置

其中，SPMU-GPS单元接收统一对时信号，将1PPS秒脉冲信号、GPS报文信息、同步采样脉冲信号通过光纤通讯向厂站测量单元SPMU-M发送。各SPMU-M装置采集线路及主变三相基波电流、电压等带时标矢量值，以R2001规约向SPMU-CS单元发送；SPMU-CS单元负责接收SPMU-M单元发送的报文并向主站转发数据。在需要进行现场分析的情况下,SPMU-P单元提供人机接口对现场模拟量变化进行实时监视，同时具有分析录波数据的功能。

4.2 鹅城换流站SPMU子站系统配置

鹅城站现有两条500kV交流出线(鹅博甲线、鹅博乙线)。SPMU系统组屏安装于#2继电器小室，配置一台SPMU-M单元、一台SPMU-CS单元、一台SPMU-GPS单元；SPMU-M单元同时采集两条出线的模拟量及开关量信息。小室SPMU-M单元通过以太网与SPMU-CS单元传输数据(远距可通过多模光缆传输)，SPMU-GPS单元通过光纤与SPMU-M单元单元进行时间同步。SPMU-CS单元通过主控楼国调调度数据网和省调调度数据网双通道多路由将采集数据上传至国调和华中网调实时动态监控及广域测量系统。

4.3 系统调试及施工风险控制

建立与各调度主站的通信连接，进行PMU系统通信调试。根据国网/省网两套调度数据网的网络设置，配置数据集中器的IP地址及网关，通过两套调度数据网分别与国调、华中网调PMU主站系统进行通信；路由通道测试正常后，可进行二次交流量接入及信号核对验收。

(1)交流量接入：鹅城换流站以从故障录波交流量采集回路接入SPMU-M数据采集单元，该项工序涉及与继电保护专业交叉作业，需防止TV短路、TA开路，接线前需协调相关专业人员，确认紧固接线端子联片做好安全措施。

(2)子站系统调试：进行同步相量采集装置功能试验，检查装置的模拟量回路工作是否正常，根据线路的TA、TV变比完成装置配置文件的修改。在检查模拟量时需要使用标准源测试仪对各路模拟量通道单独加标准电压、电流量，核对对应的模拟量通道是否与外接线路相一致，并检查模拟量值的精度，测试完毕记录实验结果。由于该项工序加量测试有影响主站系统潮流数据的风险，一方面测试前需通知相关调度做好数据封锁或其他安全措施，另一方面采取电压电流分开加量方式(同时测试电压电流上送功率影响潮流计算)。

(3)信号核对验收：与调度完成线路交流量、装置告警遥信量测试验收。该项工序需确保GPS对时单元正常，可通过GPS对时单元面板及调度上送数据时标双核对对时准确性。

4.4 运维建议

从实际运维经验来看，同步相量测量系统维护重点在于SPMU-GPS单元与SPMU-M单元。SPM U-GPS与SPMU-M对时光纤接口为易损件，运维单位在湖南500kV牌楼变、500kV船山变曾多次处理该类缺陷，建议运维单位配置一定数量备件确保应急消缺。光口正常指示灯特征为：同步采样脉冲为常亮，1PPS秒脉冲指示灯每秒闪烁一次，为不规则的闪烁，并结合光纤接口指示灯运行状态可直观判断通信异常故障点。

从设计角度来看，鉴于时间同步对于SPMU系统的重要性，可采用我国北斗卫星系统作为主信号源、美国GPS备用的双授时方案，增强授时可靠性；同时建立时间同步光纤接口自动切换装置，当检测光纤接口异常时自动切换到备用接口，提高时间同步光纤接口运行可靠性，总体提高设备不间断运行能力。