PMU动态监测装置在风电运行控制中的深化应用

常喜强周专王衡郭小龙张艳

（1、国网新疆电力公司新疆乌鲁木齐830002；2、国网新疆电力公司经济技术研究院新疆乌鲁木齐830011)

ApplicationofPMUDynamicMonitoringDeviceinWindPowerOperationControl

CHAGNXi-qiang1，ZHOUZhuan2，WANGHeng1，GUOXiao-long1，ZHANGyan1

(1.Stategridelectricpowercompanyinxinjiang,Urumchi830002；2.StateGridXinjiangElectricPowerCompanyEconomicandTechnologicalResearchInstituteUrumchi8300011)

ABSTRACT:Withtherapiddevelopmentoflarge-scalewindpower,thethree-zoneclusterwindpowerbasehasbeeninitiallybuilt,butbecausethewindpowerisattheendofthegrid,thegridstructureisweak,andthestringofrelaypowersupply,windpowerfluctuationsandrandomnessofthepowergridSafeandstableoperationofagreaterimpactonhowtodynamicallymonitorthedevicethroughthePMUexcavationofwindfarmsandfansofthesecond-leveloperationofinformationandtomasteritsoperatingcharacteristics,fortheregulationofwindpoweroperationisofgreatsignificance,especiallyforwindpowerinrecentyears,theemergenceofpowerfluctuations,Theoscillationisofgreatsignificance.Inthispaper,throughthein-depthanalysisofthedatacollectedbythePMUandthecomparisonoftherelevantdata,theshortcomingsofthecurrentPMUdeviceinmonitoringthewindpoweroperationandthemeasuresandsuggestionstobeimprovedareputforward.Onthefollow-upwindpowermonitoringhaslaidasolidfoundation.

KEYWORDS：PMU;dynamicmonitoring;fan;modal

摘要:随着规模化风电的快速开发，三北地区集群化风电基地已初步建成规模，但由于风电均处于电网末端，网架结构薄弱，且呈现串供接力供电，风电的波动性和随机性对电网的安全稳定运行产生较大的影响，如何通过动态监测装置PMU深入挖掘风电场及风机的秒级运行信息以及掌握其运行特性，对于调控风电运行意义重大，特别是针对近年来风电场出现的功率波动、振荡意义重大，本文通过对PMU装置采集数据的深入分析以及相关数据的对比，提出了目前PMU装置在监测风电运行时弊端以及需要改进的措施和建议。对后续风电运行监测奠定了坚实的基础。

关键字:PMU；动态监测；风机；模态

1引言

近年来，随着对清洁能源建设的大力推进，规模化新能源得到了快速发展，受风能资源与负荷中心的逆向分布，风电普遍采用“集中式开发、远距离输送”的发展模式。风电汇集系统内风电场多为辐射型连接,汇集线路较长,并且少有或没有负荷接入,形成弱联接串供接力送电的送端电网，由于缺少电源支撑、短路容量小、风电随机波动性，电缆和架空线路并存，风机变频器运行特性的影响，风电汇集地区出现了次同步和超同步频率的功率波动振荡现象。如何利用PMU装置收集动态监测数据，通过对动态数据的监测分析，深入研究风机和风电场的运行特性，提高对风电运行的深入认识，特别是对次同步和超同步振荡的运行机理的认识，是一个全新的研究内容，本文通过对PMU监测装置的原理分析，数据采集分析，以及对风电次同步和超同步振荡数据的分析，指出了现有的PMU装置对次同步和超同步振荡监测存在的不足之处，提出了改进措施和建议，对完善PMU装置的功能，扩充PMU装置在电力系统中的深化应用具有重要的现实意义。同时，将本文提出扩充PMU装置功能的建议在试点工程中也证明了其有效性。

2PMU装置及采集数据情况

PMU装置是全球卫星定位系统和相量测量单元结合的产物，在电力系统监测、保护、控制等诸多方面有很多应用。现有的PMU装置，用于进行同步相量的测量和数据以及进行动态记录，用于将电力系统的动态数据进行测量存储，其核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量，失去标准时钟信号的守时能力，PMU与主站之间能够实时通信并遵循有关通信协议，通过站端数据接收和转发的数据集中器，同时接收多个通道的测量数据、并实时向多个通道转发测量数据。装置实时记录数据的最高速率不低于100次/秒，具有多种选择记录的速率。当系统发生频率越限，频率变化率越限，相电压越限，正序电压越限，相电流越限，正序电流越限，线路低频振荡，相角差越限等事件时，装置建立事件标识，通过标识可以获取事件发生时段的实时记录数据。PMU装置可为的安全提供丰富的数据源，包括电网正常运行的实时监测数据，小扰动情况下的离线数据记录，大扰动情况下的录波数据记录。通过PMU实时记录的带有精确时标的波形数据可以对电网事故分析提供有力的数据支撑，基于PMU高速实时通讯（每秒高达100Hz数据），可以实现在线判断电网中发生的各种故障以及复杂故障的起源和发展过程，给出引起大量报警的根本原因，实现智能告警。

现有的PMU装置测量输出的向量结果是根据A/D采样的录波数据计算得出的。国内主流PMU装置目前均采用定间隔采样,采样数据以离散傅立叶变换(DFT)为核心算法来计算向量的幅值和相角,频率计算分为过零检测法和DFT法两种。根据现有PMU装置的测量原理可知,PMU测量出三相电压、电流向量是根据三相电压、电流录波数据计算出来的。从下图PMU装置典型的结构图可以看出：

图1PMU装置结构图

Fig.1PMUdevicestructure

3风电次、超同步功率波动情况及频率范围

大规模风机通过35千伏电缆、架空线汇集成单个风电汇集站后经过串供接力送电汇集成220千伏及以上高电压汇集站后送入电网。风电汇集地区网架结构薄弱，串供接力供电，汇集地区稳定性较弱，由于直驱、双馈风机的变频器效益，风机与电网之间控制的耦合相互作用，在特定的情况下易产生次同步和超同步的功率波动、表现在联络线上的功率、电压、电流的波动。其由于风机机组结构、并网方式、并网点系统特性，风机及辅助设备的运行特性不同与传统火电机组的次同步振荡不同，本质上有很大差别。目前对其产生的机理还在进一步的研究当中，对于风电次同步振荡的研究目前通过频率扫描分析法，小信号分析法和电磁暂态分析法等方法研究。

通过对国内风电汇集地区功率波动振荡数据分析，风电汇集地区联络线出现的次同步和超同步功率波动的频率范围较宽，通过对录波数据的离散傅立叶变换(DFT)初步分析为7Hz，25Hz，30Hz，75Hz，80Hz等多个频率段，且动态漂移。下图为某地区风电汇集站与系统联络线功率波动的频率范围分析情况，功率波动振荡的谐波比较丰富，高次83.8Hz左右的谐波分量明显，成分较多。频率在7-40Hz，60-80Hz范围内都有，如下图所示：

图2次同步振荡曲线

Fig.2Sub-synchronousoscillationcurve

4现有的PMU装置采集风电次同步、超同步数据分析

目前，主流的PMU装置的数据采样频率为100Hz，但当被检测信号频率偏离额定频率时，由于采样频率与被检测信号不同步，周期采样信号的相位在始端和终端不连续，会产生频率泄漏，对于主站在接收数据时低于100Hz,存在一个二次抽样的过程，可能会丢失一些信息，导致无法识别出一些存在的频率成分。由于实际电网运行的频率正常情况下均保持在49.9～50.1Hz之间，基本保持在额定频率50Hz左右，即使在频率偏离额定频率50Hz较大(>1Hz)时,也不会偏移较大，但通过对DFT算法进行改进，采用离散傅立叶变换（DFT）计算向量的精度是可以保证,可以消除频率泄漏现象。

但是通过对PMU装置输出风电次同步功率波动振荡数据和原始录波数据对比分析，现有的PMU装置记录的数据是50Hz基波下的幅值、相角、有功、无功等值，滤除了50Hz以上的高次谐波，PMU装置是以10ms为周期记录数据，上送至WAMS主站数据的周期一般有10ms，20ms，40ms，根据奈奎斯特定律，对于50Hz以下的信号不会产生频率混叠，可以反映出50Hz以下的频率成分，但PMU动态录波数据经过计算转换，按相关标准一般只记录了电流有效值U、电压有效值I及有功功率的平均值P，且PMU的标准还规定了在数字滤波环节采用了50Hz带通方式，由于U、I有效值及有功功率的平均值算法，已将低于35Hz、大于65Hz的谐波分量几乎全部滤除，因此理论上就不可能再复原电流电压中所含有的低于35Hz、大于65Hz的间谐波分量原始值。仍存在有遗漏的频率成分，对于风电高低频率成分的数据存在信息缺失的情况。下图为PMU动态录波数据、离散数据分析频率分布和幅值对比图表。通过对次同步、超同步振荡数据的分析，瞬时有功功率值是从电流、电压瞬时采样值相乘运算出来的，而仅仅采用基波的算法或一个周期积分的算法是不能反映30Hz附近有功分量的，用全电流全电压且不进行积分的算法才能真实反映有功功率中30Hz附近的间谐波分量，因此进行有功功率的录波只能采用这种算法。电压与电流的瞬时录波数据是次同步振荡间谐波分析的基础，为了能准确进行偏离50Hz较大的范围附近的间谐波分析，波形的采样频率至少为600Hz，目前较普遍采用的1200Hz采样频率记录的数据（即每个工频周期采用24点，且不进行频率跟踪），能够很好地做为次同步相关的间谐波分析基础。

某风电汇集地区风电次同步功率波动振荡频率及幅值分析结果，PMU波形由于采样频率低，分析结果有偏离。

图3风电次同步功率波动振荡频率及幅值分析结果

Fig.3Windpowerfrequencyandamplitudeanalysisresults

目前现有主流的PMU装置本身又带有具有触发录波功能（主站也可下发录波命令），可利用PMU的暂态录波数据。按照PMU技术标准，在电网发生大扰动或有开关量变位时，PMU装置应启动暂态录波，录波内容为原始的电压、电流采样值。由于国内PMU装置采用测量级CT，正常负荷下的测量精度高于保护、录波器和稳控装置，因此PMU暂态录波有利于电压、电流信号中的间谐波的精确分析。通常PMU暂态录波速率不低于1.2kHz，因此可有效分析10Hz～200Hz的频率分量。因此，在分析次同步、超同步振荡方面，PMU暂态录波比PMU动态录波（相量数据）具有优势，能够将三相线路的电压、电流录波数据保存为Comtrade文件，同时Comtrade文件数据带有精确的时标。因此可以通过触发PMU录波，该录波数据能反映电网次同步振荡过程，能计算出某一时刻的三相电压、电流向量，从而进行深入的分析判断风电场汇集地区的次同步、超同步功率振荡的频率成分。但由于PMU暂态录波需要启动，在电网扰动不够大时，不产生暂态录波，也存在一个缺陷。

5对现有的PMU装置改进措施建议

为了准确记录风电汇集地区发生次同步、超同步振荡的数据，解决现有PMU装置中常规动态数据记录信息不完整问题，暂态故障录波数据需要启动录波问题，通过对现有主流PMU装置功能的分析和梳理挖掘，发现南瑞继保公司的PMU装置在PMU装置功能上建立了基于故障保护录波功能原理的长过程录波功能，通过对装置进行改造，加装长过程录波插件，可以实现连续采样值录波功能，实现7天×24小时的不间断录波，从而为电网间谐波分析提供精确、完备的数据源，通过提高风电汇集地区次同步振荡监测与控制装置的启动灵敏度就可以实现对长过程录波，并可通过对录波数据的随机调用，对风电汇集地区运行数据进行全信息的扫描和分析，从而确定风电次同步振荡频率和幅值覆盖范围。

此外，构建风电汇集地区相关厂站的PMU装置的对时及改造，形成PMU装置信息主站，对风电汇集地区相关厂站的运行数据进行全信息的扫描和分析，不但可以确定风电汇集地区次同步振荡频率的幅值、频带，而且可以确定次同步振荡的传播路径。

6结论

风力发电系统的结构，并网方式与传统火电发电机组相比均有本质的区别，风电场群又通过多种类型的风电机组构成，并经过多级电压等级串供接力送电，导致大规模风电基地外送的次同步振荡问题十分复杂，传统的次同步振荡研究方法和手段应用与规模化风电次同步振荡问题还需要进一步研究，通过对现有的PMU装置的改造和完善功能，利用现有的PMU装置实现对风电汇集地区运行数据的全信息的覆盖，对信息上传召唤并利用分析软件，对其进行振荡频率的幅值、频带的分析及同步对比，就可以确定次同步振荡的传播路径，能量传播范围、振荡起源。为风电汇集地区次同步、超同步振荡的研究及机理分析创造条件。

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作者简介：

常喜强（1976-），男，河南，研究生，高级工程师，电力系统分析与控制

常喜强，李渝作者的收出刊址：新疆乌鲁木