同步相量測量裝置PMU構(gòu)成及原理講座

優(yōu)選同步相量測量裝置PMU構(gòu)成及原理講座當前1頁，總共91頁。2PMU主站A1//t當前2頁，總共91頁。3內(nèi)容介紹PMU國內(nèi)外概況PMU主要功能PMU工作原理PMU關鍵技術(shù)PMU應用介紹PMU測試介紹問題討論當前3頁，總共91頁。4PMU國內(nèi)外概況當前4頁，總共91頁。5國內(nèi)外概況應用背景1：經(jīng)濟及電力發(fā)展的需求

1)全球經(jīng)濟一體化；能源分布和經(jīng)濟發(fā)展的不平衡;電網(wǎng)互聯(lián)運行的巨大效益使大電網(wǎng)互聯(lián)、跨國聯(lián)網(wǎng)輸電的趨勢不斷發(fā)展。

2)電網(wǎng)互聯(lián)產(chǎn)生電網(wǎng)穩(wěn)定運行問題日益突出,提出構(gòu)建

WAMS系統(tǒng)（WideAreaMeasurementSystem）．目前國內(nèi)大多數(shù)將其作為除保護／安控裝置外的第三道防線;3)系統(tǒng)穩(wěn)定按性質(zhì)可分為三種：功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定。本系統(tǒng)可為功角穩(wěn)定提供最直接的原始數(shù)據(jù)。當前5頁，總共91頁。6應用背景2：美國等西方國家的大停電

1)由于沒有有效的監(jiān)視手段,導致了美國8.14大停電

2)我國電網(wǎng)規(guī)模越來越大,需應對措施應用背景3：世界技術(shù)的發(fā)展使得該項目成為可能

1）高速計算機及數(shù)據(jù)管理計算機計算速度大幅度提高,商用數(shù)據(jù)庫越來越成熟.2）高精度GPS

微秒級誤差

3）高速廣域通信技術(shù)

100M以上以太網(wǎng)

4）穩(wěn)定成熟的應用算法如EEAC算法已經(jīng)成功應用于發(fā)達國家的電力系統(tǒng)穩(wěn)定預警.國內(nèi)外概況當前6頁，總共91頁。7WAMS技術(shù)發(fā)展狀況國內(nèi)外概況主站通信子站當前7頁，總共91頁。81）高速計算機及數(shù)據(jù)管理：（1）單一計算機的計算速度大幅度提高（2）并行計算技術(shù)（3）數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)（PI數(shù)據(jù)庫）（4）1G網(wǎng)絡傳輸（5）海量存儲器2）高精度GPS

（1）GPS模塊本身的時間精度達到0.1us

（2）各個廠商的守時技術(shù)達到50us/2-10小時當前8頁，總共91頁。93）成熟的PMU技術(shù)（1）各個廠商的PMU已經(jīng)在變電站／電廠廣泛使用，并在內(nèi)電勢測量技術(shù)方面取得很好的進展（2）國內(nèi)的PMU性能優(yōu)于國外的PMU4）高速廣域通信技術(shù)

100M／1000M數(shù)據(jù)網(wǎng)建設成為電力公司通信的建設目標當前9頁，總共91頁。105）穩(wěn)定成熟的主站系統(tǒng)（1）WAMS單一系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)視（2）基于WAMS、保護系統(tǒng)、SCADA的（動／穩(wěn)／暫態(tài)）三態(tài)數(shù)據(jù)整合及故障分析（華東）（3）基于EEAC（南瑞薛禹勝）算法的在線預防決策及控制。通過計算獲得系統(tǒng)慣性中心（虛擬）的參考相量，從而可計算出任何點對系統(tǒng)慣性中心的功角，從而判斷功角穩(wěn)定并實施在線切機／切負荷（江蘇WAMAP）當前10頁，總共91頁。116）也有設想利用WAMS技術(shù)來構(gòu)建廣域保護系統(tǒng)（如：美國西部電網(wǎng)繼電保護委員會提出）當前11頁，總共91頁。12國內(nèi)外主要PMU制造商Rochestor

（TR-2000）Macrodyne

（1690）SEL

（SEL-421）ArbiterSystems

（1133A）ABB（RES521）電科院（ADX3000／PAC-2000）四方（CSS-200）南瑞（SMU-1）國內(nèi)外概況當前12頁，總共91頁。13PMU設計思路比較功能實現(xiàn)方式

相量測量+故障錄波（多） 相量測量+電能質(zhì)量（多） 相量測量+繼電保護（多)

相量測量+RTU（少）硬件設計方式嵌入式采集（可靠性高）（多）計算機插板（可靠性受制于計算機及WIN軟件）（少）通信實現(xiàn)方式

RS232(少）

10/100M以太網(wǎng)（多）國內(nèi)外概況當前13頁，總共91頁。14PMU主要技術(shù)指標及國內(nèi)外比較國外國內(nèi)開關分辨率0.1ms

0.1ms模擬精度0.1%0.1%A/D位數(shù)1616采樣點/周384200對時GPS/1usGPS/1us通信10M*110/100M*3功能非單一單一相量刷新速度25/S

100/S多線路測量1-2線路/單元>8條線路/單元發(fā)電機鍵相測量無有國內(nèi)外概況當前14頁，總共91頁。15PMU主要參考文件1、IEEEstd1344（1995）2、EPRI：PC37.1183、電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(送審中）4、行業(yè)檢測標準（制定中）國內(nèi)外概況當前15頁，總共91頁。16PMU主要功能當前16頁，總共91頁。171、同步相量測量

(1)測量變電站每條線路三相電壓、三相電流、開關量，通過計算獲得：A相電壓同步相量Ua/Фua；B相電壓同步相量Ub/Фub；C相電壓同步相量Uc/Фuc；正序電壓同步相量U1/Фu1；A相電流同步相量Ia/Фia；B相電流同步相量Ib/Фib；C相電流同步相量Ic/Фic；正序電流同步相量I1/Фi1；開關量當前17頁，總共91頁。18(2)測量發(fā)電機機端三相電壓、三相電流、開關量、轉(zhuǎn)軸鍵相信號，通過計算可獲得以下數(shù)據(jù)：機端A相電壓同步相量Ua/Фua；機端B相電壓同步相量Ub/Фub；機端C相電壓同步相量Uc/Фuc；機端正序電壓同步相量U1/Фu1；機端A相電流同步相量Ia/Фia；機端B相電流同步相量Ib/Фib；機端C相電流同步相量Ic/Фic；機端正序電流同步相量I1/Фi1；內(nèi)電勢同步相量ε/Ф(ε)；發(fā)電機功角δ；開關量當前18頁，總共91頁。19(3)同步測量勵磁電流／礪磁電壓，用于分析機組的礪磁特性

(4)同步AGC控制信號，用于分析AGC控制響應特性

(5)獲取高精度的時間信號當前19頁，總共91頁。202、判別并獲取事件標識

1）下列情況建立事件標識：

a）頻率越限；

b)頻率變化率越限；

c)幅值越上限，包括正序電壓、正序電流、負序電壓、負序電流、零序電壓、零序電流、相電壓、相電流越上限等；

d)幅值越下限，包括正序電壓、相電壓越下限等；

e)線性組合，包括線路功率振蕩等；

f)相角差，即發(fā)電機功角越限。當前20頁，總共91頁。212）當裝置監(jiān)測到繼電保護或/和安全自動裝置跳閘輸出信號（空接點）或接到手動記錄命令時應建立事件標識，以方便用戶獲取對應時段的動態(tài)數(shù)據(jù)。3）當同步時鐘信號丟失、異常以及同步時鐘信號恢復正常時，裝置應建立事件標識。當前21頁，總共91頁。223、廣域啟動或擾動啟動錄波

(1)具備暫態(tài)錄波功能。用于記錄瞬時采樣的數(shù)據(jù)的輸出格式符合ANSI/IEEEPC37.111-1991（COMTRADE）的要求；

(2)具有全域啟動命令的發(fā)送和接收，以記錄特定的系統(tǒng)擾動數(shù)據(jù)；

(3)可以以IEC60870-5-103或FTP的方式和主站交換定值及故障數(shù)據(jù)；4、就地數(shù)據(jù)管理及顯示

(1)裝置的參數(shù)當?shù)卣ǎ?/p>

(2)裝置的測量數(shù)據(jù)可以在計算機界面上顯示出來當前22頁，總共91頁。235、同步相量數(shù)據(jù)傳輸裝置根據(jù)通信規(guī)約將同步相量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡?，傳輸?shù)耐ǖ栏鶕?jù)實際情況而定，如：2M／10M／

100M／64K／Modem等，傳輸通信鏈路一般采用

TCP/IP。6、與當?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)裝置提供通信接口用于和勵磁系統(tǒng)、AGC系統(tǒng)、電廠監(jiān)控系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交換。7、數(shù)據(jù)存儲存儲暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)；存儲實時同步相量數(shù)據(jù)（14天）

2.4G/(1天，48路）當前23頁，總共91頁。24同步相量及計算PMU測量硬件PMU測量軟件PMU構(gòu)成單元及配置PMU安裝及通信模式PMU工作原理當前24頁，總共91頁。25構(gòu)造一個復函數(shù)對A(t)取實部對于任意一個正弦時間函數(shù)都有唯一與其對應的復數(shù)函數(shù)無物理意義是一個正弦量有物理意義同步相量及計算

1、正弦函數(shù)與復函數(shù)當前25頁，總共91頁。26復常數(shù)2、向量／相量／矢量／旋轉(zhuǎn)矢量／旋轉(zhuǎn)相量ω=2πf相量為唯一矢量，隨著時間變化，相量以ω的速度旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)相量，但從nT0的時間點看，相量一直不變當前26頁，總共91頁。27ωω01、如果以ω0為參考旋轉(zhuǎn)矢量，則當ω＝ω0時，U旋轉(zhuǎn)相量等于靜止不動2、但此方法定義的絕對相量違背同步相量的定義3、當ω不等于ω0時，U相量仍然旋轉(zhuǎn)當前27頁，總共91頁。28相量的模表示正弦量的有效值相量的幅角表示正弦量的初相位同樣可以建立正弦電壓／電流與相量的對應關系：3、相量的意義及U/I相量當前28頁，總共91頁。291PPSt1、以1PPS為時間參考點（0）2、以t=n*T0為相量觀察點(T0=10/20/30/40/50ms)3、角度＝采樣數(shù)據(jù)窗第一點nT0的角度［nT0，nT0+T0)4、每一觀察點的相量稱為同步相量4、同步相量定義當前29頁，總共91頁。30Vmt=0(1PPS)Vmt=0(1PPS)signalx(t)0度-90度當前30頁，總共91頁。31當前31頁，總共91頁。32AAt5、PMU與其他裝置的測量不同當前32頁，總共91頁。336、同步相量角度與t/f的關系當前33頁，總共91頁。34U為最大值的時間點為tm(n)，（n=…,-2,-1,0,1,2,3,4,5,…）當觀察點為kT0時，根據(jù)同步相量定義計算出同步相量為:7、不同觀察點的同步相量角度當前34頁，總共91頁。35knknknknknknknkn0+0/801+0/812+0/823+0/834+0/845+0/856+0/867+0/870+1/801+1/812+1/823+1/834+1/845+1/856+1/867+1/870+2/801+2/812+2/823+2/834+2/845+2/856+2/867+2/870+3/801+3/812+3/823+3/834+3/845+3/856+3/867+3/870+4/801+4/812+4/823+4/834+4/845+4/856+4/867+4/870+5/801+5/812+5/823+5/834+5/845+5/856+5/867+5/870+6/801+6/812+6/823+6/834+6/845+6/856+6/867+6/870+7/801+7/812+7/823+7/834+7/845+7/856+7/867+7/87當前35頁，總共91頁。361）假設，則在任何時刻永久不變當前36頁，總共91頁。372）觀察點為3周波點(60ms)觀察點Kn同步相量同步相量f=f00001312623934124515561867217當前37頁，總共91頁。383）觀察點為2周波點(40ms)觀察點Kn同步相量同步相量f=f0000121242363484510561267147當前38頁，總共91頁。394）觀察點為整周波點(20ms)觀察點kn同步相量同步相量f=f0000111222333444555666777當前39頁，總共91頁。405）觀察點為0.5*整周波點(10ms)觀察點kn同步相量同步相量f=f000/2011/2022/2133/2144/2255/2266/2377/23當前40頁，總共91頁。416）觀察點為1/4整周波點(5ms)觀察點Kn同步相量同步相量f=f000/4011/4022/4033/4044/4155/4166/4177/41當前41頁，總共91頁。42DFTDFTDFT50Hz數(shù)據(jù)計算fdf/dt暫態(tài)檢測正序觸發(fā)標志實時輸出GPSTimeReceiver0.1msPowerSystemUa/Ub/UcIa/Ib/Ic輸入同步采樣計算判別及記錄數(shù)據(jù)輸出8、相量測量及計算Pulse當前42頁，總共91頁。43U／I計算當前43頁，總共91頁。44內(nèi)電勢計算發(fā)電機直軸電流：發(fā)電機交軸電流：發(fā)電機功角：直接測量：U、I、φ已知參數(shù)：Xq、Xd先計算：δ、ε當前44頁，總共91頁。45內(nèi)電勢角度直接測量=

=

＝空載初相角實時相角當前45頁，總共91頁。469、測量誤差計算TotalVectorError當前46頁，總共91頁。47GPSGPSPMUPMU兩點之間的功角計算10、功角計算當前47頁，總共91頁。48GPSPMU指定或計算的參考點對參考點的功角計算當前48頁，總共91頁。49時鐘模塊交流電流／電壓以太網(wǎng)輸出

主CPU

＋

DSP板上時鐘外部GPS內(nèi)部GPS電纜1PPS光纖1PPS開關量信號顯示／鍵盤PMU測量硬件發(fā)電機轉(zhuǎn)軸信號4-20mA信號當前49頁，總共91頁。50裝置的輸入信號有：１）線路電壓、線路電流信號的輸入（監(jiān)控CT)；２）開關量信號的輸入；３）發(fā)電機軸位置脈沖的輸入，可以是鑒相信號或轉(zhuǎn)速信號；４）用于勵磁、AGC等的4-20mA控制信號；５）GPS標準時間信號；裝置的輸出信號有：１）用于中央信號的告警信號輸出；２）用于通信用的10/100M以太網(wǎng)及RS232接口（采用IEEEstd1344通信標準）；３）用于控制用的4-20mA輸出；當前50頁，總共91頁。51PMU測量軟件模擬量采集開關量采集4-20mA采集發(fā)電機內(nèi)電勢采集GPS信號處理相量計算及轉(zhuǎn)換擾動錄波通信模塊控制輸出當前51頁，總共91頁。52１）GPS授時信號處理模塊；２）模擬量信號采集處理模塊；３）開關量信號采集處理模塊；４）發(fā)電機內(nèi)電勢信號采集處理模塊；５）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊（如：將三相電壓轉(zhuǎn)換成正序量傳送）；６）通信模塊；７）擾動錄波模塊；８）控制輸出模塊（輸出4-20mA控制信號）；當前52頁，總共91頁。53PMU-P1344相量103定值PMU-CS主站FTP故障文件PMU-MPMU-GPMU-GPMU-GPMU構(gòu)成單元及配置1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當前53頁，總共91頁。54GPS授時／守時單元PMU-GPS線路測量裝置PMU-M發(fā)電機測量裝置PMU-G通信管理單元PMU-CS就地分析子站PMU-P2、單元組成當前54頁，總共91頁。55時間控制單元GPS模塊守時模塊光纖信號天線時間分配單元串行口信號1、天線的長度可為30／50／100／1km2、輸出接口不夠時可通過輸入信號進行級聯(lián)輸入信號3、PMU-GPS當前55頁，總共91頁。56線路測量裝置1MPTCT狀態(tài)接點GPS同步相量實時數(shù)據(jù)SCADA/WAMS1、n*6模擬量（n=線路）2、n*16開關量（n=線路）4、PMU-M當前56頁，總共91頁。57發(fā)電機測量1G機端電壓電流軸脈沖(鑒相/轉(zhuǎn)速)狀態(tài)接點GPS電壓電流同步相量SCADA/WAMS發(fā)電機功角內(nèi)電勢同步相量實時UIPQ數(shù)據(jù)1、6路模擬量（1條線路）2、4路4－20mA輸入3、1路鍵相脈沖4、1路轉(zhuǎn)速脈沖5、PMU-G當前57頁，總共91頁。58嵌入式CPU國調(diào)信息網(wǎng)調(diào)信息省調(diào)信息就地監(jiān)控系統(tǒng)信息中央告警信號以太網(wǎng)接口>4Flash存儲OS（Linux／QNX）告警控制6、PMU-CS當前58頁，總共91頁。59以太網(wǎng)計算機OS200G存儲參數(shù)設置畫面顯示告警音響7、PMU-P當前59頁，總共91頁。60。。。SMU-1MSMU-1G1CSGPSSMU-1P主站1PPS10KHzRS232TX/RX變電站／發(fā)電廠測量（組屏）PMU安裝及通信模式當前60頁，總共91頁。61500KV間隔PMU-M主站變電站測量（按間隔分散）220KV間隔110KV間隔遠動機房PMU-CS當前61頁，總共91頁。62PMU-M主站發(fā)電廠測量（分散安裝）PMU-G遠動機房PMU-CSPMU-GPMU-GPMU-G當前62頁，總共91頁。63測量精度:0.1%，f:0.001Hz授時/守時精度:5us、55us/2小時發(fā)電機內(nèi)電勢相角測量PMU關鍵技術(shù)當前63頁，總共91頁。64頻率精度：0.001Hz，需解決問題：1）高精度計數(shù)源2）軟件頻率計算／平滑1.測量精度問題：0.1％，f:0.001Hz模擬精度：0.1%，需解決問題：1）高精度測量：電流范圍：0-3In，16位A/D，分辨率

1V/65536=15uV，需要較好的電磁兼容性設計2）高速計算，多次迭代：雙CPU快速采樣,FFT計算，每周波200點，1-99次諧波當前64頁，總共91頁。65授時精度考慮：GPS模塊精度誤差(100ns)1PPS上升沿誤差(100ns)CPU采樣時間響應誤差(1us左右)光纖傳輸延遲誤差(5us/1km)(可校）2.授時/守時精度:5us、55us/2小時當k%=40%時，沿遲＝0.15度當前65頁，總共91頁。66守時精度考慮：GPS傳導微波信號，易受到干擾GPS受到干擾時時間精度無參考價值

以上是目前GPS時間不準的主要原因采用高穩(wěn)定度晶振實現(xiàn)守時采用原子鐘技術(shù)實現(xiàn)守時（9us/天）當前66頁，總共91頁。67目前采用（10e-9）的XTAL實現(xiàn)55us/2小時當前67頁，總共91頁。68未來采用AtomicClockChip（10e-10以上）實現(xiàn)9us/24小時當前68頁，總共91頁。693.發(fā)電機內(nèi)電勢相角測量發(fā)電機內(nèi)電勢數(shù)值計算發(fā)電機內(nèi)電勢初相角自動測定利用鍵相信號測量發(fā)電機功角的工程化實施當前69頁，總共91頁。70現(xiàn)場配置通信安全及開放性廣域網(wǎng)接入機組信號接入GPS天線安裝當?shù)財?shù)據(jù)接口當?shù)財?shù)據(jù)分析通信規(guī)約遠程/現(xiàn)場維護PMU應用介紹當前70頁，總共91頁。71PMU-MPMU_CS省調(diào)網(wǎng)調(diào)當?shù)貒{(diào)PMU-GPS變電站測量系統(tǒng)配置現(xiàn)場配置當前71頁，總共91頁。72轉(zhuǎn)軸探頭前置放大機端電流電壓PMU-GGPSLAN發(fā)電機測量配置磁阻式：鍵相電容式：振動光電式：轉(zhuǎn)速當前72頁，總共91頁。73１號機PMU-G２號機PMU-G升壓站線路PMU-M通信PMU-CS省調(diào)網(wǎng)調(diào)當?shù)貒{(diào)GPS發(fā)電廠測量系統(tǒng)配置當前73頁，總共91頁。74通信安全及開放性采用標準的通信規(guī)約不同主站的傳輸數(shù)據(jù)可方便地設置和選擇，滿足不同主站的要求與主站的通信采用非Windows系統(tǒng)防止病毒/黑客的攻擊。通信數(shù)據(jù)進行CRC校驗（TCP/IP校驗＋其他CRC）當前74頁，總共91頁。75PMU-CS１０M以太網(wǎng)轉(zhuǎn)２M口光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換遠動通信接入主站接口轉(zhuǎn)換PMU和通信機房通信接入廣域網(wǎng)考慮2M／10M／100M接入方式考慮傳輸數(shù)據(jù)的容量考慮IP地址的分配，一般一個站需要一個IP地址廣域網(wǎng)接入當前75頁，總共91頁。76配置鍵相信號傳感器（如無）是否接入礪磁電壓／電流是否接入AGC4－20毫安信號是否獨立接入GPS（根據(jù)光纖的長度）機組信號接入當前76頁，總共91頁。77天線與Receiver模塊的ST接頭必須緊固如天線超過50米一般增加放大器天線在布設過程中不能折彎天線蘑菇頭必須在四周較為空曠的地方，至少有一個方向無任何遮擋物GPS接收的是微波信號微波信號遇到灰塵/云層容易衰減（電廠差）接收信號斷續(xù)會導致GPS失步，失步的GPS時間無參考價值GPS天線安裝當前77頁，總共91頁。78電廠當?shù)財?shù)據(jù)接口PMUDCSEthernet/RS232PMUSCADAEthernet/RS232變電站當前78頁，總共91頁。79（一）數(shù)據(jù)監(jiān)視功能

1、數(shù)據(jù)采集與處理

1）實時采集變電站／發(fā)電廠各線路的電流、電壓、開關量等，并通過計算得到UIPQ及功率因素值。

2）實時采集發(fā)電廠機端電壓、機端電流、鑒相信號，并通過計算得到UIPQ、功率因素值、發(fā)電機功角。

3）遙測越限告警

4）開關量變位告警

5）數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計、存儲

6）產(chǎn)生積分電量

7）統(tǒng)計開關的變位次數(shù)。

2、人機界面功能

1）一次接線圖顯示。

2）設備參數(shù)顯示、查詢。

3）模擬量的曲線趨勢圖。

4）可對畫面進行以下操作人工置數(shù)/人工變位/恢復通信/停止告警/恢復告警/顯示數(shù)據(jù)信息當?shù)財?shù)據(jù)分析當前79頁，總共91頁。803、圖形編輯功能

1）通過系統(tǒng)提供的功能強大的繪圖包實現(xiàn)圖形的在線編輯。

2）圖符都可與實時數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)圖符的動態(tài)顯示。

3）具有方便、靈活、豐富的圖元編輯功能。4、歷史數(shù)據(jù)管理

1）歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)保存

2）歷史數(shù)據(jù)庫進行訪問

3）歷史數(shù)據(jù)庫進行操作5、報表及圖象打印功能

以圖形的方式顯示全系統(tǒng)的運行情況并打印。6、通信

1)將實時和處理數(shù)據(jù)傳輸給DCS和遠動設備。（二）發(fā)電廠電氣試驗 對于發(fā)電廠，用戶通過計算機界面完成發(fā)電機短路／空載，變壓器短路／空載等實驗功能。記錄試驗過程的數(shù)據(jù)，按表格分析打印所需的試驗曲線。當前80頁，總共91頁。81（三）諧波監(jiān)測及分析該功能為用戶提供發(fā)電機機端電壓、機端電流的分析工具，給出每個模擬量的