摘要：湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司的研究人員吳凡、匡蕾，在2018年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，根據(jù)華中電力調(diào)控分中心2016年36號(hào)文件要求，隔河巖電廠于2016年底完成了同步相量測(cè)量裝置的升級(jí)改造，基于該裝置采集的機(jī)組并網(wǎng)過程毫秒級(jí)特征電氣量數(shù)據(jù)，對(duì)并網(wǎng)瞬間有功功率及無功功率的暫態(tài)過渡過程進(jìn)行分析，涉及有功功率的低頻振蕩及收斂過程，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電壓階躍響應(yīng)過程，以及機(jī)組發(fā)出無功功率和吸收無功功率的平衡過程等，對(duì)大型水電機(jī)組并網(wǎng)過程的特征電氣量數(shù)據(jù)分析有一定的參考意義。

湖北清江隔河巖水力發(fā)電廠位于湖北省宜昌市長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣境內(nèi)，安裝2臺(tái)300MW和2臺(tái)306MW共計(jì)4臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)1212MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量30.4億kW•h，是華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰調(diào)頻電廠。隔河巖水利樞紐控制流域面積14430km2，多年平均降水量1380ms，多年平均流量383m3/s，多年平均徑流量120.76億m3。

隔河巖大壩為混凝土重力拱壩，壩頂高程206m，壩長(zhǎng)653.50m，正常蓄水位200m，總庫(kù)容30.18億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫(kù)。隔河巖電廠1993年6月首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，1994年11月4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

隔河巖電廠調(diào)速系統(tǒng)改造完成于2010—2012年，勵(lì)磁系統(tǒng)改造完成于2011—2013年，監(jiān)控系統(tǒng)改造完 成于2013—2016年，自動(dòng)化輔控系統(tǒng)改造完成于 2014—2017年，改造后的調(diào)速設(shè)備為ANDRITZ的TC 1703系統(tǒng)，勵(lì)磁設(shè)備為ABB的Unitrol 6800系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備為南瑞的NC3.0系統(tǒng)，自動(dòng)化輔控統(tǒng)一采用Siemens的S7 300系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，隔河巖電廠機(jī)組并網(wǎng)前，勵(lì)磁系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)電壓，調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)頻率，由同期裝置判斷同期點(diǎn)并發(fā)出合閘脈沖至機(jī)組出口斷路器。

大型水電機(jī)組并網(wǎng)瞬時(shí)過程主要受同期裝置對(duì)同期點(diǎn)的計(jì)算和捕捉，導(dǎo)前時(shí)間的合理配置，主斷路器的合閘響應(yīng)速度，以及并網(wǎng)瞬間勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)機(jī)端電壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和調(diào)速系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉開度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)影響，鑒于同期裝置、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)的更新改造直接影響了機(jī)組并網(wǎng)瞬間的暫態(tài)過渡過程。

為綜合評(píng)估隔河巖電廠水電動(dòng)機(jī)組主要電氣控制系統(tǒng)的實(shí)際工作性能以及二次系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合關(guān)系，本研究在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)秒級(jí)分辨率歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，利用PMU毫秒級(jí)分辨率錄波數(shù)據(jù)完成了相關(guān)分析工作。

1 系統(tǒng)硬件

1.1 同步相量測(cè)量裝置

電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(WAMS)是基于同步相量測(cè)量以及現(xiàn)代通信技術(shù)，對(duì)地域廣闊的電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)和分析的系統(tǒng)，同步相量測(cè)量裝置(PMU)用于同步相量的測(cè)量、記錄和輸出，所有接入華中電網(wǎng)調(diào)度端WAMS系統(tǒng)的PMU裝置需滿足華中電網(wǎng)對(duì)PMU裝置的技術(shù)要求，配置于發(fā)電廠端的PMU裝置需采集該廠所有機(jī)組及出線信息，交流電流和交流電壓采集需接入測(cè)量CT/ PT回路。

國(guó)家電力調(diào)度控制中心2014年依據(jù)《電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則》印發(fā)了國(guó)調(diào)中心調(diào)運(yùn)(2014)32號(hào)《國(guó)調(diào)中心關(guān)于印發(fā)源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行)的通知》，華中電力調(diào)控分中心2016年依據(jù)上述文件印發(fā)了華中電調(diào)(2016)36號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步完善直調(diào)電廠并網(wǎng)機(jī)組源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線監(jiān)測(cè)信息接入PMU的通知》，要求直調(diào)電廠百萬千瓦級(jí)機(jī)組于2016年10月1日前完成信息接入工作，其他機(jī)組于2016年12月底前全面完成信息接入工作，各直調(diào)廠站需加強(qiáng)PMU裝置的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理，根據(jù)《源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和《華中電網(wǎng)PMU接入規(guī)范》完善PMU相關(guān)信息接入工作。

隔河巖電廠原PMU裝置于2008年10月投入運(yùn)行，包含主機(jī)處理屏和數(shù)據(jù)采集屏共計(jì)2面盤柜，采集屏安裝在3、4號(hào)機(jī)組單元控制室，主機(jī)處理屏安裝在繼電保護(hù)室。主機(jī)處理屏配置2臺(tái)CSS200/1P處理單元與華中電網(wǎng)調(diào)度端通信，配置1臺(tái)CSS200/1A采集單元采集清長(zhǎng)Ⅰ線、清長(zhǎng)Ⅱ線、清葛線三相電壓、電流量;采集屏配置2臺(tái)CSS200/1A測(cè)量單元采集4臺(tái)機(jī)組機(jī)端電壓、電流量以及勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)相關(guān)模擬量及開關(guān)量信號(hào)。

根據(jù)華中電調(diào)(2016)36號(hào)文件要求，隔河巖電廠于2016年11月完成了PMU裝置的升級(jí)改造工作，新裝置按照雙主處理主機(jī)和雙網(wǎng)冗余模式規(guī)劃，配置1面數(shù)據(jù)處理屏和2面數(shù)據(jù)采集屏共計(jì)3面屏柜，數(shù)據(jù)處理屏安裝在原位置，在1、2號(hào)機(jī)組單元控制室新增位置安裝1號(hào)數(shù)據(jù)采集屏，2號(hào)數(shù)據(jù)采集屏安裝在3、4號(hào)機(jī)組單元控制室原位置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主機(jī)處理屏配置2臺(tái)PCS-996G處理單元與華中電網(wǎng)調(diào)度端通信[10]，配置1臺(tái)PCS-996A采集單元采集線路信息，詳細(xì)測(cè)點(diǎn)見表1。每面數(shù)據(jù)采集屏分別配置2臺(tái)PCS-996B測(cè)量單元采集機(jī)組模擬量及開關(guān)量信號(hào)，詳細(xì)測(cè)點(diǎn)見表2。

圖1 隔河巖電廠PMU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 隔河巖電廠機(jī)組出線PMU接入信息

表2 隔河巖電廠4臺(tái)機(jī)組PMU接入信息

1.2 同期裝置

隔河巖電廠于2013年實(shí)施了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造，隨同機(jī)組現(xiàn)地控制單元整體更換了同期裝置，新設(shè)備選用西門子7VE61發(fā)電機(jī)自動(dòng)同期裝置[11]，底層采用一個(gè)半通道設(shè)計(jì)，由同步檢查判據(jù)和并列檢查判據(jù)冗余產(chǎn)生合閘命令，同步檢查判據(jù)用于判別主斷路器兩側(cè)的壓差、頻差和角差是否在定值范圍之內(nèi)，并列檢查判據(jù)用于判別主斷路器兩側(cè)的壓差、頻差以及裝置預(yù)測(cè)的相角重合時(shí)間是否在定值范圍之內(nèi)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

7VE61裝置僅在同步檢查判據(jù)滿足的前提下，開放并列檢查判據(jù)，裝置可根據(jù)整定值自動(dòng)平衡由于接線方式帶來的電壓不平衡以及固定轉(zhuǎn)角差，而無需在電壓回路中串接中間變壓器。此外，隔河巖電廠在同期合閘回路中冗余增加了獨(dú)立的機(jī)械同步檢查繼電器以增加系統(tǒng)可靠性，同期裝置相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表3。

圖2 隔河巖電廠同期裝置邏輯結(jié)構(gòu)圖

表3 隔河巖電廠機(jī)組同期裝置參數(shù)設(shè)置表

1.3 系統(tǒng)主接線圖

隔河巖電廠水電機(jī)組系統(tǒng)主接線示意圖如圖3所示。

2 并網(wǎng)過程

本文基于PMU采集到的機(jī)組同期并網(wǎng)毫秒級(jí)分辨率數(shù)據(jù)，以隔河巖電廠2號(hào)機(jī)組為例，選取兩次典型并網(wǎng)過程詳細(xì)分析并網(wǎng)瞬間調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程，解析典型并網(wǎng)過程中機(jī)組有功功率、無功功率、機(jī)端電壓、定子電流、系統(tǒng)頻率、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、導(dǎo)葉開度，以及線路電壓、線路電流等PMU錄波數(shù)據(jù)，量化并網(wǎng)過程相關(guān)特征量的暫態(tài)變化過程，為評(píng)估大型水電機(jī)組主要二次控制系統(tǒng)設(shè)備性能提供數(shù)據(jù)支撐。

在理想狀態(tài)下，機(jī)組并網(wǎng)后若計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)未介入進(jìn)行有功及無功調(diào)節(jié)，則機(jī)組無功功率為0，既不吸收無功功率也不發(fā)出無功功率，機(jī)組有功功率由調(diào)速器固有特性決定，默認(rèn)帶有功負(fù)荷10MW左右。

圖3 隔河巖電廠機(jī)組主接線示意圖

2.1 并網(wǎng)后遲相運(yùn)行

2017年6月30日06∶21∶34∶810，隔河巖電廠 2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)，并網(wǎng)前機(jī)端電壓9.85kV，線路電壓132.29kV，定子電流48.66A，線路電流0，系統(tǒng)頻率50.08Hz，勵(lì)磁電壓142.59V，勵(lì)磁電流1143.57A，導(dǎo)葉開度20.66%，并網(wǎng)后持續(xù)4s相關(guān)特征量達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定后機(jī)端電壓10.49kV，線路電壓134.39kV，定子電流3641.31A，線路電流271.00A，系統(tǒng)頻率50.00Hz，勵(lì)磁電壓206.98V，勵(lì)磁電流1694.43A，導(dǎo)葉開度22.44%，有功4.22MW，無功114.60Mvar。

暫態(tài)過渡過程有功最大變化至35.38MW，無功最大變化至121.00Mvar，勵(lì)磁電壓最大變化至573.08V，勵(lì)磁電流最大變化至1731.06A，具體PMU測(cè)值見表4，其中工況A為并網(wǎng)前準(zhǔn)同期點(diǎn)，時(shí)刻34s810ms，B為并網(wǎng)后有功最大變化點(diǎn)，時(shí)刻34s970ms，C為并網(wǎng)后勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)前，時(shí)刻35s050ms，D為并網(wǎng)后勵(lì)磁電壓最大變化點(diǎn)，時(shí)刻35s090ms，E為并網(wǎng)后無功最大變化點(diǎn)，時(shí)刻37s080ms，F(xiàn)為并網(wǎng)后穩(wěn)定態(tài)點(diǎn)，時(shí)刻38s810ms。

相關(guān)特征電氣量過渡過程曲線如圖4至圖9所示。由圖4、圖5可知，機(jī)組于34s810ms并網(wǎng)，有功功率經(jīng)過5次低頻震蕩[14]后于38s810ms收斂穩(wěn)定至4.22MW，低頻振蕩周期為0.8s，振蕩頻率為1.25Hz，持續(xù)時(shí)間4s，期間導(dǎo)葉開度穩(wěn)定不變，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)滯后于有功功率0.23s的同頻反向振蕩。

機(jī)組并網(wǎng)瞬間水輪機(jī)的機(jī)械輸入功率和發(fā)電機(jī)的電磁輸出功率通過相互作用達(dá)到新的平衡，具體為主斷路器閉合瞬間，有功功率迅速升至35.38MW，此時(shí)因電磁輸出功率大于機(jī)械輸入功率，發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)機(jī)電振蕩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子降速，系統(tǒng)頻率降低，電磁輸出功率隨之降低，當(dāng)電磁輸出功率降低至與機(jī)械輸入功率相等時(shí)，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性作用，電磁輸出功率繼續(xù)降低至?24.75MW，使得電磁輸出功率小于機(jī)械輸入功率，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子增速，系統(tǒng)頻率升高，如此反復(fù)，經(jīng)過5次收斂振蕩，發(fā)電機(jī)的電磁輸出功率和水輪機(jī)的機(jī)械輸入功率達(dá)到新的平衡后機(jī)組有功功率穩(wěn)定。

表4 并網(wǎng)暫態(tài)過渡過程遲相運(yùn)行特征量數(shù)據(jù)

圖4 機(jī)組有功和導(dǎo)葉開度過渡過程曲線

圖5 機(jī)組有功和系統(tǒng)頻率過渡過程曲線

圖6 機(jī)組無功和機(jī)端電壓過渡過程曲線

圖7 勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓過渡過程曲線

圖8 線路電壓和機(jī)端電壓過渡過程曲線

圖9 定子電流和線路電流過渡過程曲線

隔河巖電廠勵(lì)磁設(shè)備為ABB的Unitrol 6800系統(tǒng)，采用PSS 2B模型[15]，PSS輸出限幅±10%，PSS自動(dòng)投切臨界有功功率為180MW，勵(lì)磁調(diào)差系數(shù)設(shè)定為+5%，因ABB勵(lì)磁系統(tǒng)正負(fù)調(diào)差定義與國(guó)內(nèi)定義相反，所以+5%為負(fù)調(diào)差。

由圖6、圖7可知，機(jī)組并網(wǎng)后無功功率滯后0.1s在34s910ms穩(wěn)定至?3.50Mvar，清長(zhǎng)Ⅱ線系統(tǒng)電壓在勵(lì)磁系統(tǒng)未進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)的情況下于34s930ms受電網(wǎng)影響由132.29kV開始上升，在35s090ms時(shí)達(dá)到132.93kV，機(jī)端電壓相應(yīng)的由9.85kV上升至10.04kV，相當(dāng)于對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器施加了2%的電壓階躍，勵(lì)磁系統(tǒng)因此主動(dòng)介入調(diào)節(jié)，勵(lì)磁電壓由142.59V上調(diào)至573.08V，勵(lì)磁電流隨之上升，于37s080ms勵(lì)磁電流達(dá)到最大1731.06A，無功功率達(dá)到最大121.00Mvar，此刻機(jī)端電壓10.53kV，線路電壓134.49kV。

由圖8、圖9可知，機(jī)端電壓，線路電壓，定子電流，線路電流4個(gè)特征電氣量并網(wǎng)前分別為9.85kV、132.29kV、48.66A、0，并網(wǎng)后分別為10.49kV、134.39kV、3641.31A、271.00A。因清長(zhǎng)Ⅱ線系統(tǒng)電壓波動(dòng)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器階躍電壓調(diào)節(jié)作用，本次機(jī)組并網(wǎng)前后特征電氣量變化較大。

2.2 并網(wǎng)后進(jìn)相運(yùn)行

2018年5月9日5∶59∶58∶450，隔河巖電廠2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)，并網(wǎng)前機(jī)端電壓9.81kV，線路電壓131.57kV，定子電流48.66A，線路電流0，系統(tǒng)頻率50.01Hz，勵(lì)磁電壓139.80V，勵(lì)磁電流1136.02A，導(dǎo)葉開度20.44%，并網(wǎng)后同樣持續(xù)4s相關(guān)特征量達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定后機(jī)端電壓9.80kV，線路電壓131.52kV，定子電流169.51A，線路電流12.69A，系統(tǒng)頻率49.98Hz，勵(lì)磁電壓137.99V，勵(lì)磁電流1113.63A，導(dǎo)葉開度21.82%，有功2.62MW，無功?4.66Mvar。

暫態(tài)過渡過程有功最大變化至13.98MW，無功最大變化至?5.39Mvar，勵(lì)磁電壓最大變化至125.64V，勵(lì)磁電流最大變化至1111.60A，具體測(cè)值見表5，其中工況A為并網(wǎng)前準(zhǔn)同期點(diǎn)，時(shí)刻58s450ms，B為并網(wǎng)后勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)前，時(shí)刻58s550ms，C為并網(wǎng)后有功最大變化點(diǎn)，時(shí)刻58s630ms，D為并網(wǎng)后勵(lì)磁電壓最大變化點(diǎn)，時(shí)刻58s720ms，E為并網(wǎng)后無功最大變化點(diǎn)，時(shí)刻01s100ms，F(xiàn)為并網(wǎng)后穩(wěn)定態(tài)點(diǎn)，時(shí)刻02s450ms。

表5 并網(wǎng)暫態(tài)過渡過程進(jìn)相運(yùn)行特征量數(shù)據(jù)

相關(guān)特征電氣量過渡過程曲線如圖10至圖15所示，由圖10、圖11可知，機(jī)組于05∶59∶58∶450并網(wǎng)，有功功率同樣經(jīng)過5次低頻震蕩后于06∶00∶02∶450收斂穩(wěn)定至2.62MW，低頻振蕩周期為0.8s，振蕩頻率為1.25Hz，持續(xù)時(shí)間4s，期間導(dǎo)葉開度穩(wěn)定不變，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)滯后于有功功率0.24s的同頻反向振蕩。

機(jī)組并網(wǎng)瞬間水輪機(jī)的機(jī)械輸入功率和發(fā)電機(jī)的電磁輸出功率通過相互作用達(dá)到新的平衡，有功功率正向最大為13.98MW，負(fù)向最大為?9.90MW，經(jīng)過5次收斂振蕩后發(fā)電機(jī)的電磁輸出功率和水輪機(jī)的機(jī)械輸入功率達(dá)到新的平衡。

圖10 機(jī)組有功和導(dǎo)葉開度過渡過程曲線

圖11 機(jī)組有功和系統(tǒng)頻率過渡過程曲線

圖12 機(jī)組無功和機(jī)端電壓過渡過程曲線

圖13 勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓過渡過程曲線

圖14 線路電壓和機(jī)端電壓過渡過程曲線

圖15 定子電流和線路電流過渡過程曲線

由圖12、圖13可知，機(jī)組并網(wǎng)后無功功率滯后0.1s即05∶59∶58∶550穩(wěn)定至?1.46Mvar，因并網(wǎng)后系統(tǒng)作用，05∶59∶58∶720勵(lì)磁電壓由139.80V下降至125.64V，勵(lì)磁電流隨之下降，于06∶00∶01∶100勵(lì)磁電流達(dá)到最小1111.60A，無功功率達(dá)到進(jìn)相最大?5.39Mvar，此次機(jī)組并網(wǎng)清長(zhǎng)Ⅱ線無系統(tǒng)電壓波動(dòng)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器未產(chǎn)生階躍調(diào)節(jié)。

由圖14、圖15可知，機(jī)端電壓，線路電壓，定子電流，線路電流4個(gè)特征電氣量并網(wǎng)前分別為9.81kV、131.57kV、48.66A、0，并網(wǎng)后分別為9.80kV、131.52kV、169.51A、12.69A，機(jī)端電壓及線路電壓并網(wǎng)前后基本無變化，本次機(jī)組并網(wǎng)過程比較接近理想狀態(tài)。

結(jié)論

根據(jù)華中電力調(diào)控分中心36號(hào)文要求，隔河巖電廠于2016年11月完成了同步相量測(cè)量裝置PMU的升級(jí)改造工作，完善了廠站端源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線監(jiān)測(cè)的硬件技術(shù)支撐，本文介紹了隔河巖電廠PMU的系統(tǒng)布置及信號(hào)接入情況，分析了自動(dòng)同期裝置的硬件配置及參數(shù)設(shè)置情況。

選取隔河巖電廠2號(hào)機(jī)組2017年6月30日和2018年5月9日的兩次典型并網(wǎng)過程，基于PMU采集的300MW水電機(jī)組并網(wǎng)瞬間毫秒級(jí)特征電氣量數(shù)據(jù)，對(duì)并網(wǎng)瞬間有功功率及無功功率的暫態(tài)過渡過程加以詳細(xì)分析，涉及有功功率的低頻振蕩及收斂過程，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的電壓階躍響應(yīng)過程，以及機(jī)組發(fā)出無功功率和吸收無功功率的平衡過程等，為評(píng)估大型水電機(jī)組主要二次控制系統(tǒng)設(shè)備性能提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)同類型水電機(jī)組的并網(wǎng)特征數(shù)據(jù)分析有一定的參考意義。