20世纪90年代初, 基于全球定位系统 (G lobal 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。然而由于当时商业GPS技术条件的限制以及缺少高速通信的网络, PMU直到最近几年才在电力系统中的广泛应用。它的出现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。我国电力发展趋势逐年实现全国电网互联, 随着电网的规模不断扩大, 单台机组容量不断增大, 电网的动态特性变的非常复杂。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, 需要在重要的变电站和电厂安装同步相量测量装置, 构建电力系统实时动态检测系统, 并通过调度中心对电力系统的动态过程进行监测和分析。
大型电力系统的功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性三者之间相互诱发、相互影响, 其中电压相量和功角状况是系统的主要状态变量, 是系统是否稳定运行的标志。如果能直接测量, 那么将大大节约电力系统稳定计算的时间, 提高了状态估计可靠性, 甚至有可能实现电力系统实时自动控制。
1 广域同步相量测量系统的组成
广域相量监测系统由以下几个部分组成。
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。
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P M U和D C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) ——以同步相量测量和现代通讯技术为基础, 对电力系统进行动态监测和分析的系统。
2 同步相量测量系统原理及应用
电力系统在发生大的干扰的情况下 (如单相接地、两相短路或接地、三相短路) , 发电机送出的功率发生不同程度的突变。在稳定运行时, 发电机原动机的机械转矩Tm与电磁转矩T e是相等的, 即, 式中Pe为发电机的电磁功率;ω为发电机转子的角速度;δ为发电机的功率角。
这时电磁转矩的特性曲线 (见图1) 曲线Ⅰ所示, 当系统运行条件发生变化时, 如切除一部分负荷时, 这时的电磁转矩特性曲线如图曲线Ⅱ所示, 电磁转矩发生突变, 从a点到b点, 此时Tm>Te, 发电机的转子开始加速, δ从δ0Ⅰ加速到δ0Ⅱ, 此时Tm=Te, 由于惯性的存在, 发电机功角δ还将有个变大的过程, 从c到d由于, Tm
但实际上, 很多时候电力系统在受到一些扰动, 如发生低频振荡等长期动态过程, 调度中心的EMS系统无法察觉到系统的异常。因为低频振荡在线监视需要发电机有功功率、功角和转速变化率, 以及联络线有功功率等连续的动态过程数据和发电机的转动惯量, 通过分析, 计算功角和线路有功功率的振荡模式, 确定功角振荡模式和机组的相关关系, 自动刷新阻尼比小于设定门槛值的最严重的振荡模式。低频振荡在线监视的目的在于帮助电网调度员实时监视系统振荡模式变化, 及时发现系统最严重的低频振荡模式, 让调度员有充裕的时间采取预防措施, 防止振荡进一步恶化, 避免大事故的发生。
即使电力系统发生大的扰动, 如短路故障等, 虽然各个电厂机组的继电保护装置的主保护能可靠快速动作, 但是由于没有系统级的协调和配合, 仅采用局部信息作为动作判据, 实施就地控制, 增加了连锁故障的发生, 恶化了事故, 导致事故区域扩大, 美加大停电事故就是前车之鉴。
为了能更好地监控系统运行参数, 提高系统状态预估的可靠性和反应时间, 目前一些新上发电机组大部分安装了PMU。利用GPS标准时间信号作为采样过程的基准, 使得系统各个关键节点的状态信息具有统一的时间基准, 采样数据通过光纤等高速网络进行数据传输, 使得系统的状态信息能迅速传输到调度中心进行处理并做出反应。通过安装在发电机转轴上的探头 (见图2) , 我们可以直接测量发电机的转子键相脉冲信号, 测得脉冲信号发出的时间Tz, 机端电压的上升沿 (过零点) 时间Tu以及内电势上升沿 (过零点) 的时间Tq, 根据图3可知。
上式中的ωu为机端电压的转速, ωz是转子q轴的机械转速, θm是q轴与转子上某个固定点 (即转速表发出的脉冲点) 之间的夹角。在稳态的情况下, ωu和ωz是相同的, 但是暂态的时候是不相同的, 而θm无论是稳态还是暂态的时候都是不变的。另外从上式可得知, 只要测得ωu、uT、ωz、zT和θm就能得出δ。由于θm是恒定的, 目前的PMU装置为了能方便地得到θm, 采用了特定的算法, 使得可以在发电机不停机的情况下自动校正θm。用直接测量的方法测量发电机内电势, 在系统稳态和暂态条件下都能够精确测量, 而且又可以直接利用发电机端的脉冲表输出键相脉冲, 在工程建设中也较易实现。
3 结语
目前很多电厂都在积极建设PMU站点用于电网的稳定控制系统, 基于广域同步相量测量的暂态稳定预决策应用于安全稳控系统在系统发生故障后利用功角测量系统测得的各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, 按预定的方案对系统进行解列控制。在未来研究开发相应的暂态稳定预测软件, 可实现系统故障时对系统稳定裕度进行预测的功能。
摘要：随着全球经济一体化发展的加快, 能源分布和经济发展的不平衡, 以及大电网互联、跨国电网互联趋势的不断发展, 电网稳定运行的问题日益突出。对电网稳定运行影响最大的是运行稳定性的破坏, 包括功角稳定、频率稳定和电压稳定。功角稳定又分暂态稳定和系统低频振荡。因此建立广域电网的稳定监视和控制系统具有重要的意义, 它可为功角稳定提供最直接的原始数据。
关键词：同步相量,GPS,相量测量装置,键相脉冲,状态预估
参考文献
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