根據華中電力調控分中心2016年36號文件要求，隔河巖電廠(chǎng)于2016年底完成了同步相量測量裝置的升級改造，基于該裝置采集的機組并網(wǎng)過(guò)程毫秒級特征電氣量數據，對并網(wǎng)瞬間有功功率及無(wú)功功率的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行分析，涉及有功功率的低頻振蕩及收斂過(guò)程，勵磁調節器的電壓階躍響應過(guò)程，以及機組發(fā)出無(wú)功功率和吸收無(wú)功功率的平衡過(guò)程等，對大型水電機組并網(wǎng)過(guò)程的特征電氣量數據分析有一定的參考意義。
湖北清江隔河巖水力發(fā)電廠(chǎng)位于湖北省宜昌市長(cháng)陽(yáng)土家族自治縣境內，安裝2臺300MW和2臺306MW共計4臺混流式水輪發(fā)電機組，總裝機1212MW，設計年發(fā)電量30.4億kW?h，是華中電網(wǎng)骨干調峰調頻電廠(chǎng)。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(cháng)653.50m，正常蓄水位200m，總庫容30.18億m3，屬年調節水庫。隔河巖電廠(chǎng)1993年6月首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，1994年11月4臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。
隔河巖電廠(chǎng)調速系統改造完成于2010—2012年，勵磁系統改造完成于2011—2013年，監控系統改造完 成于2013—2016年，自動(dòng)化輔控系統改造完成于 2014—2017年，改造后的調速設備為ANDRITZ的TC 1703系統，勵磁設備為ABB的Unitrol 6800系統，計算機監控設備為南瑞的NC3.0系統，自動(dòng)化輔控統一采用Siemens的S7 300系統，根據系統設計，隔河巖電廠(chǎng)機組并網(wǎng)前，勵磁系統自動(dòng)跟蹤系統電壓，調速系統自動(dòng)跟蹤系統頻率，由同期裝置判斷同期點(diǎn)并發(fā)出合閘脈沖至機組出口斷路器。
大型水電機組并網(wǎng)瞬時(shí)過(guò)程主要受同期裝置對同期點(diǎn)的計算和捕捉，導前時(shí)間的合理配置，主斷路器的合閘響應速度，以及并網(wǎng)瞬間勵磁系統對機端電壓的自適應調節和調速系統對導水機構導葉開(kāi)度的自適應調節等環(huán)節影響，鑒于同期裝置、勵磁系統、調速系統的更新改造直接影響了機組并網(wǎng)瞬間的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程。
為綜合評估隔河巖電廠(chǎng)水電動(dòng)機組主要電氣控制系統的實(shí)際工作性能以及二次系統間的協(xié)調配合關(guān)系，本研究在計算機監控系統秒級分辨率歷史數據的基礎之上，利用PMU毫秒級分辨率錄波數據完成了相關(guān)分析工作。
1 系統硬件
1.1 同步相量測量裝置
電力系統實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測系統（WAMS）是基于同步相量測量以及現代通信技術(shù)，對地域廣闊的電力系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程監測和分析的系統，同步相量測量裝置（PMU）用于同步相量的測量、記錄和輸出，所有接入華中電網(wǎng)調度端WAMS系統的PMU裝置需滿(mǎn)足華中電網(wǎng)對PMU裝置的技術(shù)要求，配置于發(fā)電廠(chǎng)端的PMU裝置需采集該廠(chǎng)所有機組及出線(xiàn)信息，交流電流和交流電壓采集需接入測量CT/ PT回路。
國家電力調度控制中心2014年依據《電網(wǎng)運行準則》印發(fā)了國調中心調運（2014）32號《國調中心關(guān)于印發(fā)源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線(xiàn)監測技術(shù)規范（試行）的通知》，華中電力調控分中心2016年依據上述文件印發(fā)了華中電調（2016）36號《關(guān)于進(jìn)一步完善直調電廠(chǎng)并網(wǎng)機組源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線(xiàn)監測信息接入PMU的通知》，要求直調電廠(chǎng)百萬(wàn)千瓦級機組于2016年10月1日前完成信息接入工作，其他機組于2016年12月底前全面完成信息接入工作，各直調廠(chǎng)站需加強PMU裝置的現場(chǎng)運行管理，根據《源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線(xiàn)監測技術(shù)規范》和《華中電網(wǎng)PMU接入規范》完善PMU相關(guān)信息接入工作。
隔河巖電廠(chǎng)原PMU裝置于2008年10月投入運行，包含主機處理屏和數據采集屏共計2面盤(pán)柜，采集屏安裝在3、4號機組單元控制室，主機處理屏安裝在繼電保護室。主機處理屏配置2臺CSS200/1P處理單元與華中電網(wǎng)調度端通信，配置1臺CSS200/1A采集單元采集清長(cháng)Ⅰ線(xiàn)、清長(cháng)Ⅱ線(xiàn)、清葛線(xiàn)三相電壓、電流量；采集屏配置2臺CSS200/1A測量單元采集4臺機組機端電壓、電流量以及勵磁系統、調速系統相關(guān)模擬量及開(kāi)關(guān)量信號。
根據華中電調（2016）36號文件要求，隔河巖電廠(chǎng)于2016年11月完成了PMU裝置的升級改造工作，新裝置按照雙主處理主機和雙網(wǎng)冗余模式規劃，配置1面數據處理屏和2面數據采集屏共計3面屏柜，數據處理屏安裝在原位置，在1、2號機組單元控制室新增位置安裝1號數據采集屏，2號數據采集屏安裝在3、4號機組單元控制室原位置，系統結構如圖1所示。
主機處理屏配置2臺PCS-996G處理單元與華中電網(wǎng)調度端通信[10]，配置1臺PCS-996A采集單元采集線(xiàn)路信息，詳細測點(diǎn)見(jiàn)表1。每面數據采集屏分別配置2臺PCS-996B測量單元采集機組模擬量及開(kāi)關(guān)量信號，詳細測點(diǎn)見(jiàn)表2。
圖1 隔河巖電廠(chǎng)PMU系統結構圖
表1 隔河巖電廠(chǎng)機組出線(xiàn)PMU接入信息
表2 隔河巖電廠(chǎng)4臺機組PMU接入信息
1.2 同期裝置
隔河巖電廠(chǎng)于2013年實(shí)施了計算機監控系統升級改造，隨同機組現地控制單元整體更換了同期裝置，新設備選用西門(mén)子7VE61發(fā)電機自動(dòng)同期裝置[11]，底層采用一個(gè)半通道設計，由同步檢查判據和并列檢查判據冗余產(chǎn)生合閘命令，同步檢查判據用于判別主斷路器兩側的壓差、頻差和角差是否在定值范圍之內，并列檢查判據用于判別主斷路器兩側的壓差、頻差以及裝置預測的相角重合時(shí)間是否在定值范圍之內，系統結構如圖2所示。
7VE61裝置僅在同步檢查判據滿(mǎn)足的前提下，開(kāi)放并列檢查判據，裝置可根據整定值自動(dòng)平衡由于接線(xiàn)方式帶來(lái)的電壓不平衡以及固定轉角差，而無(wú)需在電壓回路中串接中間變壓器。此外，隔河巖電廠(chǎng)在同期合閘回路中冗余增加了獨立的機械同步檢查繼電器以增加系統可靠性，同期裝置相關(guān)參數設置見(jiàn)表3。
圖2 隔河巖電廠(chǎng)同期裝置邏輯結構圖
表3 隔河巖電廠(chǎng)機組同期裝置參數設置表
1.3 系統主接線(xiàn)圖
隔河巖電廠(chǎng)水電機組系統主接線(xiàn)示意圖如圖3所示。
2 并網(wǎng)過(guò)程
本文基于PMU采集到的機組同期并網(wǎng)毫秒級分辨率數據，以隔河巖電廠(chǎng)2號機組為例，選取兩次典型并網(wǎng)過(guò)程詳細分析并網(wǎng)瞬間調速系統、勵磁系統的自適應調節過(guò)程，解析典型并網(wǎng)過(guò)程中機組有功功率、無(wú)功功率、機端電壓、定子電流、系統頻率、勵磁電壓、勵磁電流、導葉開(kāi)度，以及線(xiàn)路電壓、線(xiàn)路電流等PMU錄波數據，量化并網(wǎng)過(guò)程相關(guān)特征量的暫態(tài)變化過(guò)程，為評估大型水電機組主要二次控制系統設備性能提供數據支撐。
在理想狀態(tài)下，機組并網(wǎng)后若計算機監控系統未介入進(jìn)行有功及無(wú)功調節，則機組無(wú)功功率為0，既不吸收無(wú)功功率也不發(fā)出無(wú)功功率，機組有功功率由調速器固有特性決定，默認帶有功負荷10MW左右。
圖3 隔河巖電廠(chǎng)機組主接線(xiàn)示意圖
2.1 并網(wǎng)后遲相運行
2017年6月30日06∶21∶34∶810，隔河巖電廠(chǎng) 2號機組并網(wǎng)，并網(wǎng)前機端電壓9.85kV，線(xiàn)路電壓132.29kV，定子電流48.66A，線(xiàn)路電流0，系統頻率50.08Hz，勵磁電壓142.59V，勵磁電流1143.57A，導葉開(kāi)度20.66%，并網(wǎng)后持續4s相關(guān)特征量達到穩態(tài)，穩定后機端電壓10.49kV，線(xiàn)路電壓134.39kV，定子電流3641.31A，線(xiàn)路電流271.00A，系統頻率50.00Hz，勵磁電壓206.98V，勵磁電流1694.43A，導葉開(kāi)度22.44%，有功4.22MW，無(wú)功114.60Mvar。
暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程有功最大變化至35.38MW，無(wú)功最大變化至121.00Mvar，勵磁電壓最大變化至573.08V，勵磁電流最大變化至1731.06A，具體PMU測值見(jiàn)表4，其中工況A為并網(wǎng)前準同期點(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)后勵磁系統調節前，時(shí)刻35s050ms，D為并網(wǎng)后勵磁電壓最大變化點(diǎn)，時(shí)刻35s090ms，E為并網(wǎng)后無(wú)功最大變化點(diǎn)，時(shí)刻37s080ms，F為并網(wǎng)后穩定態(tài)點(diǎn)，時(shí)刻38s810ms。
相關(guān)特征電氣量過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)如圖4至圖9所示。由圖4、圖5可知，機組于34s810ms并網(wǎng)，有功功率經(jīng)過(guò)5次低頻震蕩[14]后于38s810ms收斂穩定至4.22MW，低頻振蕩周期為0.8s，振蕩頻率為1.25Hz，持續時(shí)間4s，期間導葉開(kāi)度穩定不變，系統頻率出現滯后于有功功率0.23s的同頻反向振蕩。
機組并網(wǎng)瞬間水輪機的機械輸入功率和發(fā)電機的電磁輸出功率通過(guò)相互作用達到新的平衡，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械輸入功率，發(fā)電機組出現機電振蕩，發(fā)電機轉子降速，系統頻率降低，電磁輸出功率隨之降低，當電磁輸出功率降低至與機械輸入功率相等時(shí)，由于發(fā)電機轉子的慣性作用，電磁輸出功率繼續降低至?24.75MW，使得電磁輸出功率小于機械輸入功率，發(fā)電機轉子增速，系統頻率升高，如此反復，經(jīng)過(guò)5次收斂振蕩，發(fā)電機的電磁輸出功率和水輪機的機械輸入功率達到新的平衡后機組有功功率穩定。
表4 并網(wǎng)暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程遲相運行特征量數據
圖4 機組有功和導葉開(kāi)度過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)
隔河巖電廠(chǎng)勵磁設備為ABB的Unitrol 6800系統，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，勵磁調差系數設定為+5%，因ABB勵磁系統正負調差定義與國內定義相反，所以+5%為負調差。
由圖6、圖7可知，機組并網(wǎng)后無(wú)功功率滯后0.1s在34s910ms穩定至?3.50Mvar，清長(cháng)Ⅱ線(xiàn)系統電壓在勵磁系統未進(jìn)行主動(dòng)調節的情況下于34s930ms受電網(wǎng)影響由132.29kV開(kāi)始上升，在35s090ms時(shí)達到132.93kV，機端電壓相應的由9.85kV上升至10.04kV，相當于對勵磁調節器施加了2%的電壓階躍，勵磁系統因此主動(dòng)介入調節，勵磁電壓由142.59V上調至573.08V，勵磁電流隨之上升，于37s080ms勵磁電流達到最大1731.06A，無(wú)功功率達到最大121.00Mvar，此刻機端電壓10.53kV，線(xiàn)路電壓134.49kV。
由圖8、圖9可知，機端電壓，線(xiàn)路電壓，定子電流，線(xiàn)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(cháng)Ⅱ線(xiàn)系統電壓波動(dòng)及勵磁調節器階躍電壓調節作用，本次機組并網(wǎng)前后特征電氣量變化較大。
2.2 并網(wǎng)后進(jìn)相運行
2018年5月9日5∶59∶58∶450，隔河巖電廠(chǎng)2號機組并網(wǎng)，并網(wǎng)前機端電壓9.81kV，線(xiàn)路電壓131.57kV，定子電流48.66A，線(xiàn)路電流0，系統頻率50.01Hz，勵磁電壓139.80V，勵磁電流1136.02A，導葉開(kāi)度20.44%，并網(wǎng)后同樣持續4s相關(guān)特征量達到穩態(tài)，穩定后機端電壓9.80kV，線(xiàn)路電壓131.52kV，定子電流169.51A，線(xiàn)路電流12.69A，系統頻率49.98Hz，勵磁電壓137.99V，勵磁電流1113.63A，導葉開(kāi)度21.82%，有功2.62MW，無(wú)功?4.66Mvar。
暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程有功最大變化至13.98MW，無(wú)功最大變化至?5.39Mvar，勵磁電壓最大變化至125.64V，勵磁電流最大變化至1111.60A，具體測值見(jiàn)表5，其中工況A為并網(wǎng)前準同期點(diǎn)，時(shí)刻58s450ms，B為并網(wǎng)后勵磁系統調節前，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)后勵磁電壓最大變化點(diǎn)，時(shí)刻58s720ms，E為并網(wǎng)后無(wú)功最大變化點(diǎn)，時(shí)刻01s100ms，F為并網(wǎng)后穩定態(tài)點(diǎn)，時(shí)刻02s450ms。
表5 并網(wǎng)暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)相運行特征量數據
相關(guān)特征電氣量過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)如圖10至圖15所示，由圖10、圖11可知，機組于05∶59∶58∶450并網(wǎng)，有功功率同樣經(jīng)過(guò)5次低頻震蕩后于06∶00∶02∶450收斂穩定至2.62MW，低頻振蕩周期為0.8s，振蕩頻率為1.25Hz，持續時(shí)間4s，期間導葉開(kāi)度穩定不變，系統頻率出現滯后于有功功率0.24s的同頻反向振蕩。
機組并網(wǎng)瞬間水輪機的機械輸入功率和發(fā)電機的電磁輸出功率通過(guò)相互作用達到新的平衡，有功功率正向最大為13.98MW，負向最大為?9.90MW，經(jīng)過(guò)5次收斂振蕩后發(fā)電機的電磁輸出功率和水輪機的機械輸入功率達到新的平衡。
圖15 定子電流和線(xiàn)路電流過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn)
由圖12、圖13可知，機組并網(wǎng)后無(wú)功功率滯后0.1s即05∶59∶58∶550穩定至?1.46Mvar，因并網(wǎng)后系統作用，05∶59∶58∶720勵磁電壓由139.80V下降至125.64V，勵磁電流隨之下降，于06∶00∶01∶100勵磁電流達到最小1111.60A，無(wú)功功率達到進(jìn)相最大?5.39Mvar，此次機組并網(wǎng)清長(cháng)Ⅱ線(xiàn)無(wú)系統電壓波動(dòng)，勵磁調節器未產(chǎn)生階躍調節。
由圖14、圖15可知，機端電壓，線(xiàn)路電壓，定子電流，線(xiàn)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，機端電壓及線(xiàn)路電壓并網(wǎng)前后基本無(wú)變化，本次機組并網(wǎng)過(guò)程比較接近理想狀態(tài)。
結論
根據華中電力調控分中心36號文要求，隔河巖電廠(chǎng)于2016年11月完成了同步相量測量裝置PMU的升級改造工作，完善了廠(chǎng)站端源網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能在線(xiàn)監測的硬件技術(shù)支撐，本文介紹了隔河巖電廠(chǎng)PMU的系統布置及信號接入情況，分析了自動(dòng)同期裝置的硬件配置及參數設置情況。
選取隔河巖電廠(chǎng)2號機組2017年6月30日和2018年5月9日的兩次典型并網(wǎng)過(guò)程，基于PMU采集的300MW水電機組并網(wǎng)瞬間毫秒級特征電氣量數據，對并網(wǎng)瞬間有功功率及無(wú)功功率的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程加以詳細分析，涉及有功功率的低頻振蕩及收斂過(guò)程，勵磁調節器的電壓階躍響應過(guò)程，以及機組發(fā)出無(wú)功功率和吸收無(wú)功功率的平衡過(guò)程等，為評估大型水電機組主要二次控制系統設備性能提供數據支撐，對同類(lèi)型水電機組的并網(wǎng)特征數據分析有一定的參考意義。
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