同步相量测量装置（PMU）在尼尔基发电厂的应用

王英东

（嫩江尼尔基水利水电有限责任公司尼尔基发电厂，黑龙江 齐齐哈尔161005）

同步相量测量装置（PMU）在尼尔基发电厂的应用

王英东

（嫩江尼尔基水利水电有限责任公司尼尔基发电厂，黑龙江 齐齐哈尔161005）

尼尔基发电厂安装了国电南瑞公司研发生产的SMU2-2G型PMU装置，作为东北网调广域测量系统系统的一个子站。文中主要介绍了PMU的在尼尔基电厂建设的必要性、装置基本原理、功能及对东北电网及发电厂的意义。

PMU；发电机内能电势；广域测量系统；尼尔基发电厂

1　工程概述

尼尔基发电厂位于黑龙江省与内蒙古自治区交接的嫩江干流中上游，距下游齐齐哈尔市直线距离130km。电厂共装有4台轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量为250MW，采用扩大单元接线方式，2台主变，通过1条220 kV的输电线路并入黑龙江省电网。电厂2006年10月4台机组全部投产发电，属东北电力调度中心直调电厂，参与并承担东北电网调峰、调频、事故备用、负荷备用和基荷。

目前的电力系统通常都建立了用于测量和监视系统稳态运行的EMS系统和测量电磁暂态过程的故障录波系统。EMS系统侧重于监测系统稳态运行，测量周期通常是秒级，而且不带时标，不同地点之间缺乏准确的共同时间标记，对电网动态预测、低频振荡及故障分析等不能提供任何帮助。基于调度自动化系统技术的局限性及近年来同步相量测量装置（简称PMU）技术的发展，结合国外电网的事故启示，国网公司在全国范围内大力推动广域测量系统及PMU的建设工作。尼尔基发电厂作为东北网调的直调电厂，为配合东北网调组建广域测量系统（WAMS），在2012年完成了PMU的建设和接入工作。

2　PMU基本原理

PMU的其核心技术是实时动态录波功能及发电机功角的测量。各厂站端PMU作为调度WAMS系统的一个子站，利用高精度的GPS（北斗）同步时钟实现对各厂、站发电机电压电流、功角、励磁电压电流、导叶开度、母线电压、线路电流相量的同步测量，通过调度数据网将数据传送至调度端WAMS系统上，用于实现全网实时的动态监控。

2.1电压电流相量的计算

对于任意一个正弦函数都有与其对应的复数函数。在通过向量/相量/矢量/旋转矢量/旋转相量的推算，可以建立正弦电压/电流与相量的对应关系。利用GPS（北斗）的秒脉冲作为统一的时间参考点，得出输电线两端的电压相量。1）电压相量表达式：

式中：u（t）——电压向量；U——电压峰值；t——时间；ω——角频率；δ——初相角；·U——电压向量。

U1∠δ1，U2∠δ2，δ压=δ1-δ2（2）式中：U1∠δ1——电网测点1电压向量；U2∠δ2——电网测点2电压向量；δ——电网测点1与电网测点2电压相角差。

2）电流相量表达式：

式中：（it）——电流向量；I——电流峰值；·I——电流向量。

I1∠δ1，I2∠δ2，δ流=δ1-δ2（4）式中：I1∠δ1——电网测点1电流向量；I2∠δ2——电网测点2电流向量；δ流——电网测点1与电网测点2电流相角差。

两地相角差δ实际上是指在同一时刻两个节点正序电压的相角差，它是系统运行的重要状态变量之一。利用这个角度，可以得知两端电力潮流的方向与大小；相角差的大小也反映了静稳裕度的大小，它的周期变化就表明系统发生了功率振荡。

2.2发电机功角的测量

尼尔基发电厂采购的是由国电南瑞科技股份有限公司研发生的SMU-2G型同步相量测量装置。SMU-2G型PMU其发电机内能电势（功角）测量方面采用的是间接计算法和自适应直测内电势发的冗余配置。

2.2.1间接计算法

该方法是纯电气测量方法，即采集同步发电机的输出电压、电流和其他电气量，进而通过理论分析和计算来获得功角。

式中：·ε——发电机内电势同步向量；U——机端电压；I——机端电流；φ——发电机电压/电流夹角；Xd——发电机直轴同步电抗；Xq——发电机交轴同步电抗。

发电机直轴电流：Id=I*sin（δ+φ）（6）

发电机交轴电流：Iq=I*cos（δ+φ）（7）

发电机功角：

δ=arctg（Xq*I*cosφ）/（U+Xq*I*sinφ）（8）2.2.2自适应直测内电势法

该测量方法通过安装在水轮发电机大轴上的齿屏及固定在下机架上的电感式接近式开关构成。PMU对齿屏的要求是齿数为28个（与转子极对数相同），各齿等间距均匀排列在发电机大轴上。相量测量装置利用高性能处理器对键相脉冲、以10kHz进行高速采样，同时结合发电机电压电流相量，根据所获得的数据对发电机空载、负载运行比对分析得出发电机初相角和实时功角。

以GPS秒脉冲上升沿时刻定义为0时刻。

快速采集发电机机端电压的U的过零时刻t1，则可得到其绝对相角：

φu1=2πft1（9）

采集键相脉冲发生时刻t2，则可得到转子绝对机械角：

φp=2πft2（10）

在发电机理想空载状态下，由于负载电流为0，机端电压与内电势相同，此时刻：

空载状态下：φε=φu1（11）式中：φε——机组内电势绝对相角。

t2对应的机组转轴位置与机组内电势ε之间有一个固定的机械角度α，α数值的大小不受发电机运行状态的改变而改变，除非转轴位置传感器的机械位置发生变化。发电机空载内电势初相角α：

α=φu10-φp0=2πf0（t1-t2）（12）式中：φu10——t10时刻机端电压正序相角；φp0——机组转轴位置脉冲绝对相角；t10——发电机空载状态下，频率f0，时间t10；t20——发电机空载状态下，频率f0，时间t20。

实时相角：

δ=φu1-φp-α=2πf0（t1-t2）-α（13）

PMU安装完成投运后，在额定功率（有功功率62.5 MW，cosφ=0.875）下，装置通过齿盘实测发电机功角为23°，间接法计算发电机功角为22.8°（发电机出厂设计功角为23.4°），测量结果准确。

2.3通讯方式

PMU屏内安装1台内网交换机，负责屏内集中器与同步向量采集单元进行数据交换，采用TCP/IP网络方式。上行数据链路数据集中器与调度数据网连接也采用TCP/ IP网络方式，数据集中器接入尼尔基厂与东北网调2M调度数据网实时交换机，采用IEEEstd1344规约将同步相量数据传输至东北网调CC2000和D5000主站上。

3　尼尔基电厂PMU系统组屏

国电南瑞科技股份有限公司研发生产的PMU单元系统主要由时钟同步单元（SMU-2GPS）、发电机同步相量测量单元（SMU-2G）、数据集中器（SMU-2CS）、同步相量辅助分析单元（SMU-2P）四部分构成。

1）SMU-2GPS时钟同步单元。内置高精度GPS定位授时模块，负责给PMU测量单元提供精准的钟对时。

2）SMU-2G发电机同步相量测量单元。负责发电机键相脉冲，电压、电流同步相量，励磁电压、电流，导叶开度，一次调频动作等信号采集、处理，是PMU装置的核心单元。

3）MU-2CS数据集中器单元。采用源码开放的Linux嵌入式实时操作系统，可靠性高，网络通讯能力强。负责将采集数据通过2M数据网传送至与上级调度部门。

4）SMU-2P同步相量辅助分析单元。硬件为一台工控机，主要用于同步相量测量单元及数据集中器的人机界面显示，参数整定，动态数据的显示分析，录波数据的分析功能，发电机组的试验分析，波形计算打印等。

4　尼尔基发电厂接入量

为监视与分析机组振荡、机组一次调频特性、AGC调频特性、机组涉网装置性能、系统暂态或动态稳定问题等，满足电网安全稳定分析要求。东北网调对尼尔基厂PMU的接入量要求如下：

1）发电机动态数据采集主要包括：机端A、B、C三相电压同步相量Ua/φua、Ub/φub、Uc/φuc；机端正序电压同步相量U1/φu1；机端A、B、C三相电流同步相量Ia/φia、Ib/φib、Ic/φic；机端正序电流同步相量I1/φi1；内电势同步相量ε/φ（ε）；发电机功角δ；发电机鉴相脉冲（功角）；机组转速；机端频率变化率；发电机的励磁电压、励磁电流；开关量为一次调频投入/退出信号，一次调频动作/复归信号。

2）发电机组调节系统运行工况信息：转速信号、导叶开度。

3）2台主变、220kV母线及尼拉线动态数据：2台主变、220kV母线及尼拉线A、B、C三相电压同步相量Ua/ φua，Ub/φub，Uc/φuc；2台主变、220kV母线及尼拉线正序电压同步相量U1/φu1；2台主变、220kV母线及尼拉线A、B、C三相电流同步相量Ia/φia，Ib/φib，Ic/φic；2台主变、220kV母线及尼拉线正序电流同步相量I1/φi1；母线及线路频率变化率。

5　尼尔基PMU建设的作用及意义

PMU技术先进，功能强大，弥补了调度端现有EMS及SCADA系统的技术局限，同时也弥补了厂站端故障录波器1）电网的功用。组建东北电网广域测量系统（WAMS），完成对尼尔基发电厂发变组、线路的UIPQ、功角、调节系统运行工况等数据的精准采集，实时监测电网的运行状态，观测系统的稳定裕度，记录电压失稳、低频振荡等动态过程，探测电网将要发生的紧急情况，实现电力系统安全预警，为调度员提供决策依据。

的不足，为各厂站提供了设备运行状态评估及试验过程数据记录的重要工具。

2）暂态录波功能是PMU设备的一个重要功能，

可进行发电机分析，包括转速、频率、过激磁、开关量变位时序、假同期、测量阻抗、功率及功角分析。为发变组设备的异工况运行及故障诊断提供分析依据。

3）动态录波功能是PMU的核心技术之一，区别于传统故障录波器的技术优势是横轴以秒计时，而且录波文件是动态的、实时的，硬屏存储的录波文件在14d以上，填补了现调度软件无法动态录波的技术空白。该项技术对尼尔基厂也起到重要的作用，主要用于为发电厂主设备的修后试验及运行状态评估提供数据支持，对厂站侧在事故追忆上起到非常重要的作用。

4）构建全方位立体式的动态监控系统。尼尔基厂安装有机组状态监测系统作为水轮发电机组振动、摆度、压力脉动、发电机空气间隙等运行参数的动态监测，而PMU作为电气参数的动态监测，积极探讨将两者有机进行结合，可共同构成机组的全方位立体式的监测系统，为尼尔基厂机组安全可靠运行提供有力保障。

［1］刘素英，等.发电机功角微机测量及应用［J］.电力系统自动化，1998，22（10）.

［2］严登俊，等.基于GPS时钟信号的发电机功角实时测量方法［J］.电力系统自动化，2002，26（8）.

［3］谢小荣，等.一种估计同步发电机功角的新方法［J］.电力系统自动化，2003，27（11）.

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