王英東
(嫩江尼爾基水利水電有限責任公司尼爾基發(fā)電廠,黑龍江 齊齊哈爾161005)
同步相量測量裝置(PMU)在尼爾基發(fā)電廠的應用
王英東
(嫩江尼爾基水利水電有限責任公司尼爾基發(fā)電廠,黑龍江 齊齊哈爾161005)
尼爾基發(fā)電廠安裝了國電南瑞公司研發(fā)生產的SMU2-2G型PMU裝置,作為東北網調廣域測量系統(tǒng)系統(tǒng)的一個子站。文中主要介紹了PMU的在尼爾基電廠建設的必要性、裝置基本原理、功能及對東北電網及發(fā)電廠的意義。
PMU;發(fā)電機內能電勢;廣域測量系統(tǒng);尼爾基發(fā)電廠
尼爾基發(fā)電廠位于黑龍江省與內蒙古自治區(qū)交接的嫩江干流中上游,距下游齊齊哈爾市直線距離130km。電廠共裝有4臺軸流轉槳式水輪發(fā)電機組,總裝機容量為250MW,采用擴大單元接線方式,2臺主變,通過1條220 kV的輸電線路并入黑龍江省電網。電廠2006年10月4臺機組全部投產發(fā)電,屬東北電力調度中心直調電廠,參與并承擔東北電網調峰、調頻、事故備用、負荷備用和基荷。
目前的電力系統(tǒng)通常都建立了用于測量和監(jiān)視系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的EMS系統(tǒng)和測量電磁暫態(tài)過程的故障錄波系統(tǒng)。EMS系統(tǒng)側重于監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行,測量周期通常是秒級,而且不帶時標,不同地點之間缺乏準確的共同時間標記,對電網動態(tài)預測、低頻振蕩及故障分析等不能提供任何幫助。基于調度自動化系統(tǒng)技術的局限性及近年來同步相量測量裝置(簡稱PMU)技術的發(fā)展,結合國外電網的事故啟示,國網公司在全國范圍內大力推動廣域測量系統(tǒng)及PMU的建設工作。尼爾基發(fā)電廠作為東北網調的直調電廠,為配合東北網調組建廣域測量系統(tǒng)(WAMS),在2012年完成了PMU的建設和接入工作。
PMU的其核心技術是實時動態(tài)錄波功能及發(fā)電機功角的測量。各廠站端PMU作為調度WAMS系統(tǒng)的一個子站,利用高精度的GPS(北斗)同步時鐘實現對各廠、站發(fā)電機電壓電流、功角、勵磁電壓電流、導葉開度、母線電壓、線路電流相量的同步測量,通過調度數據網將數據傳送至調度端WAMS系統(tǒng)上,用于實現全網實時的動態(tài)監(jiān)控。
2.1電壓電流相量的計算
對于任意一個正弦函數都有與其對應的復數函數。在通過向量/相量/矢量/旋轉矢量/旋轉相量的推算,可以建立正弦電壓/電流與相量的對應關系。利用GPS(北斗)的秒脈沖作為統(tǒng)一的時間參考點,得出輸電線兩端的電壓相量。1)電壓相量表達式:
式中:u(t)——電壓向量;U——電壓峰值;t——時間;ω——角頻率;δ——初相角;·U——電壓向量。
U1∠δ1,U2∠δ2,δ壓=δ1-δ2(2)式中:U1∠δ1——電網測點1電壓向量;U2∠δ2——電網測點2電壓向量;δ——電網測點1與電網測點2電壓相角差。
2)電流相量表達式:
式中:(it)——電流向量;I——電流峰值;·I——電流向量。
I1∠δ1,I2∠δ2,δ流=δ1-δ2(4)式中:I1∠δ1——電網測點1電流向量;I2∠δ2——電網測點2電流向量;δ流——電網測點1與電網測點2電流相角差。
兩地相角差δ實際上是指在同一時刻兩個節(jié)點正序電壓的相角差,它是系統(tǒng)運行的重要狀態(tài)變量之一。利用這個角度,可以得知兩端電力潮流的方向與大小;相角差的大小也反映了靜穩(wěn)裕度的大小,它的周期變化就表明系統(tǒng)發(fā)生了功率振蕩。
2.2發(fā)電機功角的測量
尼爾基發(fā)電廠采購的是由國電南瑞科技股份有限公司研發(fā)生的SMU-2G型同步相量測量裝置。SMU-2G型PMU其發(fā)電機內能電勢(功角)測量方面采用的是間接計算法和自適應直測內電勢發(fā)的冗余配置。
2.2.1間接計算法
該方法是純電氣測量方法,即采集同步發(fā)電機的輸出電壓、電流和其他電氣量,進而通過理論分析和計算來獲得功角。
式中:·ε——發(fā)電機內電勢同步向量;U——機端電壓;I——機端電流;φ——發(fā)電機電壓/電流夾角;Xd——發(fā)電機直軸同步電抗;Xq——發(fā)電機交軸同步電抗。
發(fā)電機直軸電流:Id=I*sin(δ+φ)(6)
發(fā)電機交軸電流:Iq=I*cos(δ+φ)(7)
發(fā)電機功角:
δ=arctg(Xq*I*cosφ)/(U+Xq*I*sinφ)(8)2.2.2自適應直測內電勢法
該測量方法通過安裝在水輪發(fā)電機大軸上的齒屏及固定在下機架上的電感式接近式開關構成。PMU對齒屏的要求是齒數為28個(與轉子極對數相同),各齒等間距均勻排列在發(fā)電機大軸上。相量測量裝置利用高性能處理器對鍵相脈沖、以10kHz進行高速采樣,同時結合發(fā)電機電壓電流相量,根據所獲得的數據對發(fā)電機空載、負載運行比對分析得出發(fā)電機初相角和實時功角。
以GPS秒脈沖上升沿時刻定義為0時刻。
快速采集發(fā)電機機端電壓的U的過零時刻t1,則可得到其絕對相角:
φu1=2πft1(9)
采集鍵相脈沖發(fā)生時刻t2,則可得到轉子絕對機械角:
φp=2πft2(10)
在發(fā)電機理想空載狀態(tài)下,由于負載電流為0,機端電壓與內電勢相同,此時刻:
空載狀態(tài)下:φε=φu1(11)式中:φε——機組內電勢絕對相角。
t2對應的機組轉軸位置與機組內電勢ε之間有一個固定的機械角度α,α數值的大小不受發(fā)電機運行狀態(tài)的改變而改變,除非轉軸位置傳感器的機械位置發(fā)生變化。發(fā)電機空載內電勢初相角α:
α=φu10-φp0=2πf0(t1-t2)(12)式中:φu10——t10時刻機端電壓正序相角;φp0——機組轉軸位置脈沖絕對相角;t10——發(fā)電機空載狀態(tài)下,頻率f0,時間t10;t20——發(fā)電機空載狀態(tài)下,頻率f0,時間t20。
實時相角:
δ=φu1-φp-α=2πf0(t1-t2)-α(13)
PMU安裝完成投運后,在額定功率(有功功率62.5 MW,cosφ=0.875)下,裝置通過齒盤實測發(fā)電機功角為23°,間接法計算發(fā)電機功角為22.8°(發(fā)電機出廠設計功角為23.4°),測量結果準確。
2.3通訊方式
PMU屏內安裝1臺內網交換機,負責屏內集中器與同步向量采集單元進行數據交換,采用TCP/IP網絡方式。上行數據鏈路數據集中器與調度數據網連接也采用TCP/ IP網絡方式,數據集中器接入尼爾基廠與東北網調2M調度數據網實時交換機,采用IEEEstd1344規(guī)約將同步相量數據傳輸至東北網調CC2000和D5000主站上。
國電南瑞科技股份有限公司研發(fā)生產的PMU單元系統(tǒng)主要由時鐘同步單元(SMU-2GPS)、發(fā)電機同步相量測量單元(SMU-2G)、數據集中器(SMU-2CS)、同步相量輔助分析單元(SMU-2P)四部分構成。
1)SMU-2GPS時鐘同步單元。內置高精度GPS定位授時模塊,負責給PMU測量單元提供精準的鐘對時。
2)SMU-2G發(fā)電機同步相量測量單元。負責發(fā)電機鍵相脈沖,電壓、電流同步相量,勵磁電壓、電流,導葉開度,一次調頻動作等信號采集、處理,是PMU裝置的核心單元。
3)MU-2CS數據集中器單元。采用源碼開放的Linux嵌入式實時操作系統(tǒng),可靠性高,網絡通訊能力強。負責將采集數據通過2M數據網傳送至與上級調度部門。
4)SMU-2P同步相量輔助分析單元。硬件為一臺工控機,主要用于同步相量測量單元及數據集中器的人機界面顯示,參數整定,動態(tài)數據的顯示分析,錄波數據的分析功能,發(fā)電機組的試驗分析,波形計算打印等。
為監(jiān)視與分析機組振蕩、機組一次調頻特性、AGC調頻特性、機組涉網裝置性能、系統(tǒng)暫態(tài)或動態(tài)穩(wěn)定問題等,滿足電網安全穩(wěn)定分析要求。東北網調對尼爾基廠PMU的接入量要求如下:
1)發(fā)電機動態(tài)數據采集主要包括:機端A、B、C三相電壓同步相量Ua/φua、Ub/φub、Uc/φuc;機端正序電壓同步相量U1/φu1;機端A、B、C三相電流同步相量Ia/φia、Ib/φib、Ic/φic;機端正序電流同步相量I1/φi1;內電勢同步相量ε/φ(ε);發(fā)電機功角δ;發(fā)電機鑒相脈沖(功角);機組轉速;機端頻率變化率;發(fā)電機的勵磁電壓、勵磁電流;開關量為一次調頻投入/退出信號,一次調頻動作/復歸信號。
2)發(fā)電機組調節(jié)系統(tǒng)運行工況信息:轉速信號、導葉開度。
3)2臺主變、220kV母線及尼拉線動態(tài)數據:2臺主變、220kV母線及尼拉線A、B、C三相電壓同步相量Ua/ φua,Ub/φub,Uc/φuc;2臺主變、220kV母線及尼拉線正序電壓同步相量U1/φu1;2臺主變、220kV母線及尼拉線A、B、C三相電流同步相量Ia/φia,Ib/φib,Ic/φic;2臺主變、220kV母線及尼拉線正序電流同步相量I1/φi1;母線及線路頻率變化率。
PMU技術先進,功能強大,彌補了調度端現有EMS及SCADA系統(tǒng)的技術局限,同時也彌補了廠站端故障錄波器1)電網的功用。組建東北電網廣域測量系統(tǒng)(WAMS),完成對尼爾基發(fā)電廠發(fā)變組、線路的UIPQ、功角、調節(jié)系統(tǒng)運行工況等數據的精準采集,實時監(jiān)測電網的運行狀態(tài),觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度,記錄電壓失穩(wěn)、低頻振蕩等動態(tài)過程,探測電網將要發(fā)生的緊急情況,實現電力系統(tǒng)安全預警,為調度員提供決策依據。
的不足,為各廠站提供了設備運行狀態(tài)評估及試驗過程數據記錄的重要工具。
2)暫態(tài)錄波功能是PMU設備的一個重要功能,
可進行發(fā)電機分析,包括轉速、頻率、過激磁、開關量變位時序、假同期、測量阻抗、功率及功角分析。為發(fā)變組設備的異工況運行及故障診斷提供分析依據。
3)動態(tài)錄波功能是PMU的核心技術之一,區(qū)別于傳統(tǒng)故障錄波器的技術優(yōu)勢是橫軸以秒計時,而且錄波文件是動態(tài)的、實時的,硬屏存儲的錄波文件在14d以上,填補了現調度軟件無法動態(tài)錄波的技術空白。該項技術對尼爾基廠也起到重要的作用,主要用于為發(fā)電廠主設備的修后試驗及運行狀態(tài)評估提供數據支持,對廠站側在事故追憶上起到非常重要的作用。
4)構建全方位立體式的動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。尼爾基廠安裝有機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為水輪發(fā)電機組振動、擺度、壓力脈動、發(fā)電機空氣間隙等運行參數的動態(tài)監(jiān)測,而PMU作為電氣參數的動態(tài)監(jiān)測,積極探討將兩者有機進行結合,可共同構成機組的全方位立體式的監(jiān)測系統(tǒng),為尼爾基廠機組安全可靠運行提供有力保障。
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1002-0624(2015)12-0046-02
2014-11-14