水电机组低频振荡在线监测系统的研究与应用

张凤香

（中国内燃机工业协会，北京 100825）

0 引言

随着国民经济的发展，水力发电越来越重要，其稳定运行成为影响国民经济稳定的重要因素之一。水电站是电网的骨干电源点，能够为电网提供电力服务，也能够为电网提供辅助服务，以实现电网调频、调峰、调功等方面的需求。为了满足电网网源协调管理的需求，需要对水电站发电机组进行有效控制。水电站并入全国电网中，电频振荡是引发电力事故的重要因素之一，为了减少低频振荡的影响，需要加强水电站发电机组低频振荡的在线监测。当前水电站采用WAMS（Wide Area Measurement System，电网动态测量系统），结合PMU（Power Management Unit，电源管理单元）同步向量测量技术，对水电站发电机组低频振荡定子能够在线监测，及时了解水电站发电机组低频振荡情况，为电网稳定运行提供保障。但是传统的PMU 系统的数据测量相对单一，单独的水电站的长站端PMU 无法实现低频振荡在线监测和分析[1]。在传统PMU 系统的基础上，采用WAMS 系统构建水电站发电机组低频振荡在线监测系统，合理利用PMU 的布点，在线监测低频振荡情形，为低频振荡分析、诊断以及控制提供依据。

1 低频振荡监测分析

1.1 低频振荡产生机理

电力系统的低频振荡产生的机理包括负阻尼机理、谐振机理、强迫共振机理等，强迫共振机理和负阻尼机理引发的低频振荡最为常见。在1969 年发现低频振荡之后，关于低频振荡的研究逐渐增多，其对于电力系统的影响的研究也逐渐增多。强迫共振主要是指在受到周期性的小扰动的情况下，电力系统扰动频率接近系统固有频率，将会造成电力系统发生大幅度功率振荡，破坏电力系统的稳定性[2]。

针对低频振荡系统的破坏，除了虚度控制低频振荡的方法。PSS（Power System Stabilizer，电力系统稳定器）是应对低频振荡最有效的方法，广泛地应用于电力系统中。随着电力系统日益复杂化，单纯的控制方法已经无法满足电力系统的需求。WAMS 系统的发展，为电力系统的广域控制提供技术支持。将WAMS 系统应用于水电站发电系统中，能够有效的监测低频振荡，并且控制低频振荡。

1.2 低频振荡监测技术

针对低频率振荡的监测和识别可以分为两组，一种是参数化的识别技术，另一种是非参数的识别技术。在传统的监测技术中，通常是针对电力系统中的某种固定参数进行测试，如果参数发生变化，则表明低频振荡发生。但是传统的监测方法无法适应复杂电力系统低频振荡识别的需要，也无法快速更新辨识结果。

PMU 装置是用于低频振荡动态监测的装置，将PMU 装置应用于水电站中，可以对水电站的发电机运行情况进行分析。水电站发电机机组包括调速系统、励磁系统、继电保护系统等，其中调速系统控制着发电机叶轮的转速与角度，从而控制发电频率和功率波动；励磁系统用于控制发电机组的电压波动，有效控制机组的负阻尼振荡；继电保护系统主要是通过继电保护，从而实现对机组的控制，确保机组功能正常。PMU 能够继承水电站的相关系统，实现对水电站的信息采集和控制。PMU 系统能够获取发电机组的调速系统、励磁系统和继电保护系统的相关数据，将数据上传到调度中心，能够实现对低频振荡的识别和分析[3]。

1.3 PMU 监测识别依据与原理

利用PMU 技术，能够对低频振荡的相关因素进行分析，通过对发电机组的调速系统、励磁系统和继电保护系统相关数据进行分析，能够识别线路短路、机组跳闸等故障。通过对基础平台的实时动态数据进行监测，并且分析其中的低频振荡特性，能够计算出振荡中心区域，为调度员了解电网低频振荡特性，及时处理低频振荡提供技术依据。

2 低频振荡在线监测系统

2.1 总体部署

WAMS 系统是用于水电站发电机组低频振荡在线监测的主要平台，主要基于WAMS 技术进行开发的系统。从该系统的构成来看，主要是由前置服务器、应用服务器、历史数据存储等构成。通过WAMS 技术，能够对水电站发电机组的数据进行在线监测与分析。从当前水电站的运行来看，省调以及以上的调度中心都已经开展WAMS 系统的构建与建设。采用WAMS 系统能够对水电运行状况进行实时监测与分析，同时能够对低频振荡进行识别和监控。通过对水电站发电机组低频振荡进行在线监控，能够实现故障报警，及时开展低频振荡识别与处理。低频振荡在线监测系统构成如图1 所示。

图1 低频振荡在线监测系统结构

2.2 功能实现

从WAMS 系统的功能来看，该系统主要是由PMU 历史事件时候计算模块、低频振荡在线监测与告警模块、低频振荡事件历史查询模块、外部数据文件的时候计算反演模块等构成，具体的低频振荡在线监测与预警的功能实现如下：①数据调取。PMU系统采集水电站发电机机组的相关信号，获得机组的调速、励磁、继电保护等相关数据，将数据装入水电站厂站端进行数据处理与分析，从数据安全的角度来看，为了保护水电站数据的安全性，PMU 系统一方面将数据送入低频振荡识别与分析平台，另一方面，将数据送往调度中心，作为低频振荡数据的分析和应用利用原始数据；调度中心与低频振荡识别系统不能有链路联系，需要进行无力隔离和逻辑隔离[4]；②低频振荡在线监测与告警。通过对PMU 系统传入的数据进行分析，当识别到低频振荡事件时，需要记录低频振荡发生的时间、振荡机组数量、振荡持续时间等数据，并且低频振荡源进行识别，了解低频振荡发生的源头，显示低频振荡相关的设备信息，完整采集低频振荡信息并且存储，发送低频振荡告警；③基于PMU 历史数据的事后计算反演。将低频振荡的数据存储，并且按照时间序列将数据保存，为事后的计算反演，分析低频振荡原因提供数据支持；将反演结果和在线监测结果进行对比分析；④低频振荡事件历史查询。对于低频振荡全过程的数据进行查询，了解产生低频振荡的设备、因素，分析低频振荡的起始时间以及阻尼比、振荡幅度等参数。低频振荡在线监测功能实现如图2 所示。

图2 低频振荡在线监测系统功能实现图

2.3 系统设计

基于WAMS 技术的低频振荡系统主要包括平台软件和功能软件，平台软件提供数据库以及相关数据信息的集成和运行；功能软件主要是提供PMU 数据、WAMS 相关数据等。通过以太网连接低频振荡在线监测的前置服务器、数据应用服务器等，并且由中控室和信号处理装置性相连接，以便及时观察低频振荡数据，为后续处理提供依据。

为了完成低频振荡在线监测与分析，界面设计与分析如下：①主界面。主界面包括电网实时功率波动曲线，低频振荡分析窗口，低频振荡总体信息以及低频振荡相关设备信息流表；其中低频振荡分析窗口包括低频振荡参数设置、历史查询、事后计算等功能；通过主界面能够了解电网运行情况，并且能够切换至低频振荡分析窗口，实现低频振荡扰动识别、低频振荡监测、离线数据分析；②参数设置。参数设置界面包括全局参数设置、设备级参数设置，能够对电网线路、发电机机组、变压器等设备参数进行设置[5]；③详细信息。主要是对低频振荡的信息进行详细设计与分析，展示与低频振荡相关的设备以及分析结果，能够展示发电机组中的励磁、调速等大量实时数据，以及相关的设备信息，实现对运行状态的在线监测与可视化监视；④历史查询。可用以查询低压振荡的历史数据，包括振荡数据信息、设备信息等，为后续的分析研究提供历史数据。

3 低频振荡在线监测系统应用

3.1 机组低频振荡案例分析

2019 年11 月，某水电站发电机组中出现低频振荡告警。从低频振荡的特征来看，主要是幂法子空间的告警信息，对低频振荡曲线进行算法仿真，数据显示的低频振动的设备为水电发电机组。采用Prony 算法对低频振荡进行识别和分析，数据显示低频振荡频率为0.1～2.5 Hz，振荡幅值为10 MW，阻尼比＜3.5%，可以判断为低频振荡。从产生低频振荡的原因来看，主要是功率波动引发的振荡。该次低频振荡具有一定的代表性，一般发电机组低频振荡主要是由于机组参数配置错误或是系统缺陷所引发的低频振荡。而本次的低频振荡之前的检查中，运行人员并未及时发现、记住振荡，直到在线系统告警才得知发生低频振荡。相比较而言，低频振荡在线监测系统告警时间提前，能够更快地识别低频振荡信号。由于低频振荡信号具有周期短、破坏性大的特点，因此在线监测系统准确、快速地识别低频信号，能够为及时处理低频振荡信号提供依据，提升发电机组的运行稳定性。

3.2 在线监测系统分析、定位和控制全过程

从该次低频振荡事件来看，在线监测系统能够准确获取发电机组信号，并且及时发布告警信息。调度人员从在线监测系统中，对低频振荡进行识别，判断低频振荡个数以及频率大小。在可视化监测的模式下，将PMU 的电网低频振荡信号转化为二维时频图，能够在界面上准确显示振荡信号随着时间变化的情况，直观地显示频率与幅值和时间的变化曲线。在时频图中，每隔10 ms 完成一次数据采集，PMU 波形图也随之更新。从时频图可知，该机组的振荡模式只有一个，主导频率为1.85 Hz，在18 s 后的主导频率幅度明显增大，可以依据该时频图，分析振荡起振时间。引发该低频振动的主要设备为汽轮机气门。通过关闭汽轮机汽门，减小发电机输出，从而有效控制低频振荡。

4 结语

低频振荡在线监测与告警对于水电站发电机组的稳定运行十分重要。随着水电站规模扩大，水电站系统越来越复杂，低频振荡的在线监测、识别、告警和处理对于水电站稳定运行的作用越来越关键。在传统的PMU 系统的基础上，对水电站发电机组的低频振荡信号进行识别，将发电家族的调速、励磁、继电保护等相关信号传输到WAMS 系统平台，为低频振荡识别和分析提供依据。利用WAMS 的系统功能，能够准确对PMU 上传数据进行识别，有助于分析和控制发电机组的低频振荡。在低频振荡在线系统的应用实践可知，通过WAMS 能够准确识别低频振荡信号，分析低频振荡源，采取有效的信息处理低频振荡，降低低频振荡的危害。