（电力系统及其自动化专业论文）基于同步相量测量装置的广域电网实时监控系统研究.pdf

a b s t r c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dl i v i n gs t a n d a r d sb e i n gc o n s t a n tt or a i s e ，p e o p l e r e q u i r et h ep o w e rs u p p l yq u a l 磅a n dr e l i a b i l i t yh i g h e ra n dn i g h e r i ti si m p o s s i b l e t o o b s e r v et h e d y n a m i c a c t i o no fs y s t e mo nt h e p o w e rs y s t e m ，w i t h t h e f l y i n g d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de s p e c i a l e s t a b l i s h m e n to fw i d ca r e ap o w e ri n f o r m a t i o nn e ta n da p p e a r a n c eo fg p sw h o l en e t s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so ft h e m ，p e o p l ec a l lm o r er e s e a r c hp o w e r s y s t e ml i n e a r i t ys t a t ee s t i m a t i o n ，s t a t i cs t a b i l i z a t i o nm o n i t o r i n g ，t r a n s i e n ts t a b i l i z a t i o n p r e d i c t i n ga n dc o n t r o l ，f a u l ta n a l y s i s ，s e l fa d a p t i n g l o s so f s y n c h r o n i s mp r o t e c t i o na n d t h ea n t i c a t a s t r o p h es t r a t e g yo fc o m p l e xb i ge l e c t r i cn e t s oh o wt oc o n s t r u c tw i d ea r e e l e c t r i cn e tr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e mr e c e i v e sm u c hc o n c e r n a tf i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e ss y s t e mc o n f i g u r a t i o n , c o m m u n i c a t i o nm o d ea n d f u n c t i o nm o d u l e 。t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e si np a r t i c u l a rt h ef u n c t i o na n dh a r d w a r e c i r c u i to f s y n c h r o n i s mp h a s o rm e a s u r e m e n t t m i tt h a ti sm e a s u r ep l a t f o r mo fw i d ea r e e l e c t r i cn e tr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m t h i s p a p e rp u t f o r w a r dam e t h o dt h a t c o m b i n e st h eg p sa n dt h ep h a s el o c k e dl o o p a tl a s tt h ed i s s e r t a t i o ni sc o n c l u d e d w i mt h ea u t h o r se x p e c t a t i o nt ot h ef o r e g r o u n do ft h ew i d ea r e ae l e c t r i cn e tr e a l - t i m e m o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p o w e r s y s t e m w i d ea r e a m e a s u r e m e n t ( w a m s ) p h a s o rm e a s u r e m e n t u n i t ( p m u ) p h a s e l o c k e d l o o p ( p l l ) o p s d i g i ts i g n a lp r o c e s s ( d s p ) 浙江大学顽士学位论文 第一章概述 1 1 广域电网实时监控系统 电力系统虽然已存在了上百年，但人们对电力系统动态的真正认识还是近年 来的事情。因为过去在动模实验室中所认识的动态行为只是定性的，多机系统中 负荷与发电机控制器的动态行为无法在动模实验室总重现。计算机数字仿真也由 于缺乏检验，致使仿真结果的可信度受到质疑。对电力系统动态行为认识不足， 一方面导致系统大面积停电，造成巨大的经济损失：另一方面也导致人们对系统 稳定问题的非理性忧虑，不断降低线路的传输容量，造成线路投资过多等极大的 浪费。 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们对供电可靠性和 电能质量等提出了越来越高的要求。电力系统全面实现自动化运行、控制和管理， 是提高供电可靠性和电能质量的根本保证。构建全局电网实时监控与管理系统是 提高电网调度水平的有效手段。 目前大量应用的电力系统监测手段主要有侧重记录电磁暂态过程的各种故障 录波仪和侧重于系统稳态运行情况的s c a d a 系统。在电力系统暂态过程中，前 者由于采取瞬时值记录系统动态过程，使得系统熬体动态特性分析困难；后者数 据刷新间隔较长，只能用于分析系统稳态特性。并且二者还具有一共同的不足， 即不同地点之间缺乏准确的共同时间标记，记录数据只是对局部有效，难以用于 对全系统动态特性的分析工作。 随着计算机技术和通信技术的飞速发展，尤其是广域电力信息网络的建立和 g p s 全网同步技术的出现，直接在电力系统上观察系统的动态行为己成为可能。 在此基础上，进一步进行电力系统线性状态估计、静态稳定监视、暂态稳定预测 与控制、故障分析及自适应失步保护、以及复杂大电网的防灾变策略等方面的研 究工作。 广域电网实时监控系统定义为：基于同步相量测量和现代通信技术，对地域 广阔的电力系统运行状态进行监测和分析，为电力系统实时控制和运行服务的系 统。广域电网实时监控系统由三部分组成：分布在各厂、站的同步相量测量装置， 各个实时监测予站和安装在调度端的监测中心。系统总体构成如图1 一l 所示： 在g p s 时间基准同步下，系统中的相量测量装置对各测量点的电压和电流进 行实时同步测量，同时对测量出的相量数据加上时标。带有时标的相量数据按通 信规约实时上传监测中心，监测中心对实时测量数据进行分析处理和存储归档， 实现对系统运行的实时监测、分析和控制决策的制定。与传统的s c a d a 但m a 相 浙江大学硕士学位论文 比，广域电网实时监控系统具有一下几个特点：对事件动态测量和表示；对系统 广域观测；事故情况下做出快速、协调及优化的反应；由应对连续事故的能力。 图1 - 1 广域同步相量测量系统总体构成框图 1 2 广域电网实时监控系统的发展现状 国外在这方面发展较早，美国西部电力系统协调委员会( w s c c ) 在1 9 9 4 年 启动了广域测量系统( w i d e a r e a m e a s u r e m e n t w a m s ) 计划，他们在系统上安 装了很多动态测量装置：p p s m ( p o r t a b l ep o w e rs y s t e mm o n i t o r ) ，p m u ( p h a s o r m e a s u r e m e n tu n i t ) 。在1 9 9 6 年2 次大事故中这些装置记录了详细的数据，根据这 些数据他们研究了模型的有效性、影响阻尼的因素、调速器的作用等1 2 j 。w s c c 在l a b v i e w 和m a a b 地基础上编写了动态信息技术软件包作为信息管理系统的基 本工具。文献 3 介绍了在法国实施的基于广域测量系统的主要针对暂态的失调防 卫计划。防卫系统由处理子系统和通信子系统构成。处理子系统采用协调集中式 的结构，其决策中心实时处理并比较来自各区域的同步相角测量，一旦预测将要 发生暂态失稳就实施必要的控制措施。通信予系统采用微波或卫星网络作为通信 信道，从预测失稳到完成控制，这系统可在1 0 7 s 以内完成。文献 4 针对我国 台湾省电力系统提出了一种基于广域相量测量的补救性控制方案。利用同步相量 测量装置监测各发电机和主要的超高压输电线，控制中心集中全系统的实时相角 测量，由故障检钡4 ，定位系统精确地检测定位故障，从而启动控制措旌。 国内对广域电网实时监控系统的研究起始于1 9 9 5 年前后，清华大学电机工程 系率先开始该领域的理论研究和应用开发，并于1 9 9 7 年在黑龙江东部电网安装了 7 个p m u 。浙江大学从1 9 9 8 年开始有关电力系统相量同步测量方面的研究工作， 经过多年努力，取得了包括拥有自主知识产权的发明专利在内( 专利号： 2 浙江大学硕士学位论文 z l 0 1l1 9 3 9 3 x ) 的一系列有价值的科研成果。在此基础上研制的可实现异地时间 同步和频率同步测量的p m u 试验样机，从2 0 0 2 年7 月起开始在南方电网5 0 0 k v 变电站挂网试运行且一直稳定运行至今。在试验样机研制的基础上，经过改进， 又研制了6 台p m u 正式样机，并分别于2 0 0 3 年7 月和2 0 0 4 年中安装在陕西省高 压电网上挂网试运行，至今情况良好，得到用户好评。 近年来，随着联网工程的实施和广域电网监控的需求，加上通信基础设施的 完善，p m u 系统的应用得到迅速的发展，三峡电网以及各大区网( 东北电网、华北 电网、华东电网、华中电网等) 和省网已经或即将实施p m u 系统应用工程。文献 5 设计了我国湖南电网状态监测系统，该系统对电网重要节点地电压相量、发电 机功角等运行变量进行实时测量和同步处理，在湖南省电力调度中心获得电网的 广域测量。在该系统中，主站位于湖南省电力调度中心，子站为各个重要的电厂 和变电站，如湖南风滩水电厂、云田5 0 0 k v 变电站等。子站由相角及功角测量装 置、时间同步装置、通信系统及工控机组成。为了保证实时性，主站与各子站之 间的通信信道采用专用微波信道。另外我国黑龙江省东部电网区域稳定控制系统 也装设了基于g p s 的相角测量装置【6 j ，南方电网骨干联络线天广5 0 0 k v 线路的功 角振荡也已可在电网调度中心实时测量。 2 0 0 3 年初，我国调制定了电力系统实时动态监测系统技术规范( 试行1 ， 指出，“近期目标是对电力系统的动态过程进行监测和分析，逐步实现与e m s 系 统及安全自动控制系统的联接，远期目标是对电力系统的动态过程进行控制”。 可见在我国已经开始建设电网实时监测系统，但是还需要继续探索有效的并符合 我国电力系统发展需要的电网实时监测系统。因为它能够提高电力系统自动化运 行、控制和管理的水平，并提高供电可靠性和电能质量。开展本项i f l 的研究工作 有着重大的经济效益、社会效益和广阔的应用前景。 3 浙江大学硕士学位论文 第二章广域电网实时监控系统的通信网 2 1 广域电网实时监控系统对通讯的要求 电力系统是跨地区甚至跨国界的超大型分布式工业系统。对电力系统全面监 测，必须进行实时数据交换。因而上千k m 的超远程实时通信成为实现电力系统 广域测量系统的关键。建立通信网之前要对通信系统延时分析计算【7 j 。 w a m s 的延时可以用下式表示： t = t f + p 七t d + 8 式中：r 为总延时；f ，为电压、电流互感器数据采集，d f t 数据处理，数据 集中等所需延时之和；为通信网络的延时；l d 为传输的总数据量与通信线路数 据流速的比值；0 为其它随机延时。 为了满足电力系统稳定控制的要求，必须保证数据传输的实时性。数据采集 到控制策略返回全过程应该控制在3 5 个周波内完成，即总延时r 应小于1 0 0 m s 。 而r ，约为5 0 m s ，是相对固定值，与白所用物理媒介无关。与传输煤质带宽有关， 带宽足够时，应卢为级，可以忽略。考虑整个过程的附加延时，通信网上的延时 f 最好小于2 0 m s 。 2 2 广域网的主干网物理载体的选择 通信网决定实时通信的速率鉴于广域同步测量对通信网实时性和大容量的要 求，位于主干网最低层的物理载体必须是能够提供大带宽和高速度的通信媒介。 2 2 1 数字微波 数字微波网容易构建，稳定性高，但微波受大气和外界电磁场的干扰很大， 可靠性难以保证：微波通信是视距通信，进行通信时，要对微波多次中继转发， 多次转发的时延使电力系统广域监控系统的强实时要求难以达到。 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 光纤网 光纤的带宽可以达到1 g b s ，不存在带宽不够用的问题光放大技术使中继放大 过程采用时延为1 1 8 级的光一光转换，因而中继距离长，光纤的吞吐量得以提高且 减少了传输延时。光纤通信不易受到外界电磁干扰，可靠性极高。光纤通信的保 密性好，满足电力通信的特殊要求。 现在，大多数电力公司已经或者正在建设自己的光纤网，光纤将是满足广域 测量系统要求的首选物理介质。 2 3 广域电网实时监控系统通信网的结构 文献f 9 】提出一种以太网和异步传输模式( a t m ) 相结合的方式，通过全光纤 通道，构建了一套高实行性的全网相角信息实时传输通道。解决了“漏斗问题”， 克服了因c s m a c d 机制而导致的传输时延不确定的缺点并在主站的服务器与交 换机之间进行全 双工接口，实现了 一个周期上传一 次数据的理想目 标，从算法上彻底 消除了网络发生 拥塞的各种可能 性。以此为基础， 在工程上实现了 对电网运行状态 实时监控的任务。 数据通信系统结 构如图2 1 所i i 刁i ： l 系统由两个 ： 部分组成：位于变： 电站侧的子站和 位于调度控制中 子站 图2 1 广域同步测量系统通信网系统结构 心的主站。主站与子站之间采用星形拓扑结构相连。s d h 设备是采用了同步数字 体系这种新代的光纤网络技术的装置，它有很多优势，具体见文献 7 】。 5 浙江大学硕士学位论文 2 4 实时监测子站站内通信 2 4 1 子站站内常用的通讯方式 2 4 1 ，l 现场总线 它是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是用于工业控制的计算机系统 的工业总线。一般同一区域内部各个测量装置之间的通信和区域之间的通信多采 用现场总线。常用的现场总线有： ( 1 ) c n a 总线。它是目前唯被批准为国际标准的现场总线。c a n 可以点 对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送和接收数据，可以多主方式工作， 网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络其他节点发送信息。c a n 总 线上地节点数，实际值为1 1 0 个。直接通信距离为l o k m 5 k b p s ，4 0 m 1 m b p s 。传输 介质为双绞线和光纤。 ( 2 ) 基金会现场总线f f 。传输介质是双绞线、同轴电缆与光纤。 ( 3 ) l o n w o r k s 总线。它在组建分布式监控网络方面具有较优越地性能，在 我国地应用已相当广泛，也是目前在我国电力系统中应用地最多地一种现场总线。 2 4 1 _ 2r s 4 8 5 总线 它是改进地标准串行接口，采用双绞线传输信号，可支持6 4 - - 2 5 6 个发送，接 收对，最大传输距离为2 5 k m ，最高传输速率为2 4 m b i t s 。它的功能和安全性能 满足输入一输出隔离、防雷击、低功耗等要求。 2 4 1 3 以太网通信技术 以太网通信的性能要明显高于现行的现场总线，它能满足如下所有要求： 今后的发展要求，具有高传输速率，目前达到l o o m b p s ； 高传输安全性和可靠性； 几乎不需要考虑网络的拓扑结构； 传输物理介质：双绞线，光纤，同轴电缆； 集线器的应用可不考虑网络的扩展； 标准化； t c p i p 技术的应用； 低成本高性能面向未来的开发。 以太网通信需要涉及到大量的软件和硬件技术基础。它是一种高速率数据通 讯网，具有高可靠性、高抗干扰性，所以它已经成为城市配电网通信的最好方式。 实时监测子站和p m u 之间的数据交换流量大、实时性要求高。而且要求传输 安全可靠。通常采用低速的串行总线，如r s 一2 3 2 4 8 5 等。随着现场总线( f i e l d b u s ) 技术的出现和成熟，现场总线也逐渐被应用。现在大多数在调度中心和变电所之 间已经建成了光纤通信网络，光纤通信的传输率高，可靠性高，可以作为语音、 6 浙江大学硕士学位论文 数据和图像的传输。所以利用已有的光纤网络实现以太网通信是可行的。嵌入式 以太网技术的出现，人们开始考虑使用这项新技术。下面详细介绍下嵌入式以太 网得概念并分析了嵌入式以太网用于实时监测子站内通信系统的可行性。在此基 础上探讨了其具体应用模式，阐述了硬件平台设计和软件实现的关键技术。 2 4 2 嵌入式以太网的概念 嵌入式以太网是和嵌入式技术联系在一起的。早期的微处理器( 肛) 微处理 器( m c u ) 受速度和资源等因素的限制，在其软件系统中是没有操作系统的。随 着芯片技术的发展，廿m c u 的速度获得了极大提高，硬件资源也愈丰富。同时， 实时操作系统( r t o s ) 的出现并逐渐成熟，为实时监测子站通信系统提供了高效 的实时多任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信。因此， 设计者可以利用r t o s 提供的服务，应用类似在u n i x w i n d o w s 等高端环境中的 设计方法，在“p m c u 等低端环境中实现复杂的任务。这就是所谓的“嵌入式技 术”。 嵌入式以太网是基于胛m c u 在软硬件环境的。利用嵌入式设计技术在微控 制器( m c u ) 或微处理器( 归) 和以太网控制器上实现的以太网与传统以太网在 物理上都遵循i e e e8 0 2 _ 3 标准，逻辑上大都选用广泛使用的t c p i p 协议族。嵌入 式以太网与传统以太网的最大区别在于：后者是基于p c 机或工作站的硬件环境 的，与p c 机、工作站的硬件直接配合，使用的网络协议( 如t c p f l p 等) 内嵌在 w i n d o w s n t 、u n i x 等操作系统之中，它总脱离不了p c 机或工作站的软、硬件环 境，因而使其在工业控制领域的应用受到限制；而嵌入式以太网是基于微控制器， 微处理器的软、硬件环境的，使用的网络协议族( 如t c p i p 等) 内嵌在r t o s 之 中，因而使其应用于工业控制领域大为方便。 2 4 3 嵌入式以太网应用于实时监测 子站内通信系统的可行性 曾经有这样的一种观点，认为由 于以太网具有载波侦听多路访问冲 突监测( c s m 刖c d ) 的本质，其对 “实时”信息传输造成的延迟无法预 测，因而它不能满足实时系统的需要。 因为2 个或多个以太网节点同时访问图2 2 以太网和令牌网的时间响应曲线 7 浙江大学顽士学位论文 共享的传输介质局域网( l a n ) 时就会造成数据冲突。此时，所有冲突的节点会 按照一定的退避算法随机延迟一定的时间间隔，然后试图重新访问介质，以获得 介质的访问权。这会导致通常无法确切地估计出冲突节点需要的随机等待时间， 因此有可能造成“实时”信息传输无效。 文献【1 1 对比研究了普通以太网和令牌总线网的性能。图2 2 为普通以太网和 令牌总线网随负荷变化的时间响应曲线。由图可见，在网络负荷小于2 5 情况下， 以太网的响应时间要比令牌总线快得多。同时以太网的c s m a c d 方法也优越于 令牌传递的传输管理方法，使用这种方法随时可以发送某个节点想发送的数据， 而不必获得令牌控制权。 实时监测子站系统中的数据可分为3 类：正常运行时的周期、故障情况下的 突发数据和命令下发出的随机性数据。周期性数据稳定、连续且变化量小，而随 机性数据流量很小。因此，在故障情况下只要突发性数据使以太网的负荷量小于 2 0 ，使用以太网便可以得到最好的系统响应。 对同步相量测量装置来说，通过l a n 执行控制功能的“实时”性要求通常定 义为4 m s 。为了定性地衡量以太网是否能满足电力系统中“实时性”要求美国电 力研究院( e p r j ) 进行了研究。在特定的“最恶劣”情形下对比研究了以太网和 1 2 m b s 令牌( t o k e np a s s i n g ) p r o f i b u s 网的性能。研究表明无论是通过共享 h u b ( s h a r i n g h u b ) 连接的1 0 m b s 以太网，都能满足4 m s 这一网络通信时间要求， 并且二者均快于1 2 m b s 令牌( t o k e np a s s i n g ) p r o f i b u s 网的性能。 综上所述，无论理论分析还是从试验而言，嵌入式以太网应用于实时监测子 站内通信系统是可行的。 2 4 4 嵌入式以太网用于实时监测子站内通信系统的应用模式 嵌入式以太网应用于实时监测子站内通信系统的应用模式是非常值得研究的 问题。嵌入式以太网用作实时监测子站内通信网络一般有2 种应用模式： ( 1 ) 每个p m u 都配置一嵌入式以太网接口，将该设备作为一以太网节点直 接连到以太网上，如图2 3 所示： 图2 3 嵌入式以太网应用模式1 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 几个不具备以太网接口的p m u 通过r s 2 3 2 4 8 5 或现场总线等方式连在 一起，然后通过嵌入式以太网接口连接到以太网上。如图2 4 所示： 监测子站 蛙羔jj 鬻塑蒸萋遴鎏鏊燮；囊憋蒺鬻慧鎏鎏遴鎏錾薹蓼 图2 4 嵌入式以太网应用模式2 对比这2 种应用模式，从技术实现而言，二者都必须设计嵌入式以太网接口， 本质上没有多大差别。但从实时监测子站的电压等级、具体配置以及成本考虑， 它们的适用范围是有所不同的。 从可靠性考虑，作为站内数据流的枢纽，站内通信系统最好是双以太网冗余 配置。这样，即使一个网出现故障也不会影响整个子站的安全稳定运行。然而， 目前嵌入式以太网每个节点的成本还较高，对中低压子站而言，若采用应用模式 1 ，则设计成冗余的双以太网结构就不太合适；若采用应用模式2 ，则可以方便地 设计成冗余的双以太网结构。 另外，2 种应用模式的网络节点数是不同的，因而会对网络流量等网络特性 产生不同的影响。对于同一规模的子站，应用模式1 的网络节点数比应用模式2 的多。但研究表明，1 0 m b s 的带宽相对于子站的信息已经足够了，所以2 种应用 模式对于网络特性的影响不会有明显的区别。 由上分析可见，在实际应用中究竟采用何种应用模式，应从子站的具体情况、 成本和电压等级等方面进行综合考虑。 2 4 5 实现嵌入式以太网的关键技术 2 4 5 1 硬件技术 无论采用何种应用模式，嵌入式以太网硬件实现的关键在于p m u 中负责信息 处理和网络通信的模块，即通信模块的设计与实现。考虑到t c p i p 协议的复杂性， 实现这种协议的通信模块在硬件上有一系列的特殊要求，因此通信模块设计时必 须处理好如下问题：c p u 处理速度、r a m 的容量、r o m 的容基、1 0 m b s 和l o o m b s 的自适应、双网的冗余设计及其切换策略。 硬件技术主要涉及如何选择合适的m c u 、以太网控制器和以太网收发器，以 完成相应的硬件体系。实现方案如图2 5 所示： 9 浙江大学硕士学位论文 图2 5 嵌入式以太网硬件系统实现方案 以太网控制器和以太网收发器实现i e e e 8 0 2 3 所规定的功能，而c p u 完成 t c p i p 网络协议的解释和执行。 2 4 5 2 软件技术 以太网本质上是物理层和数据链路层符合i e e e 8 0 2 3 标准的一种总线型网络 ( 指的是逻辑拓扑结构) 。在以太网上可以实现多种高层协议，其中包括t c p i p 协议。 ( 1 ) 电力系统实时t c p i p 通讯 随着计算机网络技术及电力系统自动化技术的飞速发展，一大批新生代的电 网调度自动化系统已经投入运行，专用的电力通信网业已形成，一个全国性的电 力系统实时传输网络已经形成。为了网上的实时数据通讯，各系统必须采用统一 的协议，而目前实际的网络工业标准t c p i p ，随着n t e m e t 的迅猛发展，其主导 地位日益坚固，且大部分操作系统都内含了t c p i p 。所以利用t c p i p 协议来进 行国调、网调、省调、地调等各级实时计算机系统之间的实时数据传输，既符合 网络发展趋势，便于功能扩展，又简化了网络控制，利于高效率地完成数据传输。 所以应用于监控子站内通信系统的嵌入式以太网高层网络协议也选择t c p i p 协议。t c p i p 采用分层体系结构，每一层提供特定的功能，层与层之间相互独立， 因此改变某一层的功能就不会影响到其他层。t c p i p 共分五层( 由高到低) ：应 用层、传送层、网络层、数据链路 层、物理层。t c p i p 完全撇开了网 络的物理特性，t c p i p 中所谓的“网 络”是一个高度抽象的概念，即将 任何一个能传输数据分组的通信系 统都看作网络，这些网络达到广域 网，小到局域网，甚至是点到点的 连接。这种网络的对等性为协议的 设计提供了极大的方便，大大简化 了网络互连技术的实现。正是这种 抽象概念赋予了t c p i p 巨大的灵活 性和适应性。 应甩层 传输层 网络屡 数据 链嬲 燃瓣 应时陧l 葶 p ，u ) p i p 逻辑稳矧生玮8 屡 锁相环技术； 3 2 采样数据处理算法 电力系统和电厂、变电站中的模拟量有三种类型，其一是快速变化的交流量： 交流电压、交流电流等；其二是变化缓慢的直流量；控制母线直流电压和操作母 线直流电压；其三是变化缓慢的非电量：频率、温度、水位、油压等。对这些不 同类型的模拟量可以采用不同的采样方式。一般来说采样方式可以分为直流采样 和交流采样这两种类型。 直流采样方案是先利用中间变送器将现场不断连续变化的模拟信号转换成直 流量，然后利用a d 转换器进行转换，即a d 转换器采样的模拟量为直流信号。 直流采样的特点如下： ( 1 ) 直流采样对a d 转换器的转换速率要求不高，软件算法简单。只要将 采样结果乘上相应的标度系数就可以得到电流、电压的有效值，因此采样程序简 单，软件的可靠性较好。 1 4 浙江大学硕士学住论文 ( 2 ) 直流采样因经过整流和滤波环节，转换成直流信号，因此抗干扰能力较 强。 ( 3 ) 直流采样输入回路因要滤去整流后的纹波，通常采用r - c 滤波器，其时 间常数较大( 通常是几十毫秒到几百毫秒) ，因此影响了采样结果的实时性，而 且无法反映被测模拟量的波形，尤其不适合微机保护和故障录波。 ( 4 ) 直流采样需要中间变送屏，从而增加了设备投资和占地面积。 随着数字电子技术的发展及硬件性能的提高，在九十年代初出现了交流采样 方案。它是直接对交流电流和电压的波形进行采样，然后通过一定算法计算出其 有效值和相位，并计算出有功功率和无功功率等量交流采样具有如下主要特点： ( 1 ) 实时性好。它能避免直流采样中的整流、滤波环节的时间常数大的影响， 因此在采样要求较高的情况下必须采用交流采样。 ( 2 ) 能反映原来电流、电压的实际波形，便于对所测量的结果进行波形分析， 因此在需要谐波分析或故障录波的场合，必须采用交流采样。 ( 3 ) 有功功率和无功功率是通过采样得到的电流、电压计算出来的，因此可 以省去有功功率和无功功率变送器，可以节约投资并缩小设备体积。 ( 4 ) 对a d 转换器的转换速率和采样保持器要求较高。为了保证测量的精 度，在同一个周期内，必须保证有足够的采样点数，因此要求a d 转换器有足够 的转换速度。 ( 5 ) 测量准确性不仅取决于模拟量输入通道的硬件性能，而且还与软件算法 有关，因此采样和计算程序比较复杂。 直流采样和交流采样有各自的特点和应用场合，但从发展的眼光看，随着大 规模集成电路技术的提高，a d 转换器的转换速度和分辨率不断提高，交流采样 是一种发展趋势。因此与交流采样相关的软件算法也有了很大的发展。所谓算法， 其核心问题归根结底不外乎是将连续型的电流、电压输入信号经过离散采样和模 数变换转换成可用于计算机处理的数字量，再算出可表征被监控对象运行特点的 物理量，如电流、电压等的有效值和相位以及复阻抗等，或者算出它们的序分量、 或基波分量、某次谐波分量的大小和相位等。分析和评价各种不同算法的优劣标 准是精度和速度。所谓精度是指计算值与实际值之间的误差；所谓速度是指在计 算时所需要数据窗的时间长短速度包括两个方面的内容：一是算法所需要的数据 窗长度( 或称采样点数) ；二是算法运算工作量。精度和速度总是相互矛盾的。 若要计算精确则往往要利用更多的采样点和进行更多的运算工作量，这样就影响 了算法的速度。因此，从某种意义来说，如何在算法的计算精度和计算速度之间 取得合理的平衡，是算法研究的关键 本装置采用全周波傅氏算法，这种方法比较适合于同步相量测量。 1 5 浙江大学硕士学位论文 全周波傅氏算法( d f t 法) ：该算法通过对被测电压、电流离散采样点进行 傅立叶变换，来求取电压、电流相量的有效值及其相角。 设输入信号为： x ( t1 = 4 s i n ( 2 a f t 斗9 ) 将其表示为复指数的形式： x ( t ) = a 2 j ( e j 2 面e ”一ej 2 9 。e i 8 ) 其采样值为： x ( k t s ) = a s i n ( 2 n f l c t ，+ 8 ) = a s i n ( 2 7 r k n + 8 ) k = o 1 2 n j ) 其复指数形式为： 班削尘(2xk+e)-(2xk+o) 对( 3 1 ) 式作离散傅立叶变换，得： 贾= 车弋k = o 。x 似一。争 = a 骂2 。：。l ( e j c _ e - i n ， 其中： c ：0 d ：! ! 七十口 。 所以有相量x ： 曩= 击一南e 圳鲈。争， 考虑到： 皇l ( e - j 鲁。j ：d 因此便得到： 囊：垒e i 8 ， ( 3 1 ) ( 3 2 ) 微机实现上述算法时，是将( 3 - - 2 ) 式写成如下形式： j = 丽2 jn 岛- i 枷一争 ( 3 3 ) 1 6 浙江夫学硕士学位论文 其中 = 案撩k = o f x i k ) c o s l 可2 e rk ) mk ) s 妇( 专k ) 】 = 忑1 t x m + j x c o ) 置。= 万2 占n - i l f x r s 加r 等女匀= 爿c m 口 x c 。= i 2n - i lz r j c 。5 r 2 i r e l ：a s i n o ( 3 4 ) l v # 2 ”l j 图3 1 给出了d s p 系统实现式( 3 4 ) 的方法，l 1 ，l 2 是采样点构成的序列 ( 设一周波6 4 点采样) ，s l 是存储在f l a s h 中的相应角度正弦值，其首尾相连， 构成闭环。在计算x s o 时，采样点序列按箭头所示方向向右移动，s 1 按箭头强。 所示方向向上移动，通过左面的箭头构成闭环。由于角度的余弦值与正弦值关于 n 2 对称，因此，计算x c o 时，从s l 的第十七格丁f 始，s i 按箭头x c o 所示方向向 下移动，通过右面的箭头构成闭环。采样点序列l 2 仍按箭头所示方向向右移动， 图3 1d s p 系统实现方法 以上是对第一个数据窗的采样点( k = o ，1 ，n 一1 ) 计算的结果，不难证明， 对第二个数据窗( 婷l ，2 ，n ) 的采样点进行( 3 - - 2 ) 式的离散傅立叶变换， 计算所得相量x ，将在复平面上逆时针方向转过2j i n 的角度，同理，第r 个数 据窗计算所得相量x ，将在复平面上逆时针方向转过一( 2h n ) 的角度。由于每 1 7 浙江大学硕士学位论文 一个新的数据面与1 日阴数琚筒足伯阴息裂瑁小i _ j ，即_ 1 2 一双聒面刚弟一息与平双 据窗最新采样的这一点，故测量装置可采用递推的算法。 当计算第r 个数据窗时，由式( 3 - - 4 ) 得： 踏= 专咖譬七+ 万2 7 9 ，) _ j 2n - l s i n - 等( 删 舍= k + 7 确= 昙篙1 x , , s i n ( - 等d 】 端=昙箬in夸一；n等(n+r-12n + r - 1 ) l l s i n 斋艇舄2 丙 。萎。t 。8 i n ( 等后) 杷一_ 1 s m 号( 一_ l s m 等( r _ 1 ) 曩。j = 面2 蕊”- 1 ， 2 n ( k + r - + z + ，一。s m 万2 z ( n + r - k + r - 1 ) n + r - 1 ) - x ，_ l s i n n ( r 一1 ) 1 曩。j2 面蕊， + z + ，一- s m 万( r 一 由第r 1 个数据窗计算结果 2 - 。) = 万2 磊u , g ：l 【x 州。) s 1 n 万2 z ( k + r - 1 ) 】 则 x ：器= x j 盐，) + 万2o 。+ h x ) s i n 等( ，一1 ) 同理 z 晶= z ：饕。) + 面2 + ，一。一x 。) c o s - - 等( r 1 ) x ：= x - 7 , + 等r x n + r _ 1 - - x r _ 1 争川 ( 3 _ 5 ) 因此，计算第r 个数据窗的相量时，不需要再计算6 4 个采样点的累加和，而 只要按式( 3 5 ) 计算第r 个数据窗新加入的一点与第( r - 1 ) 个数据窗丢掉的第 一个采样点即可。同时，从( 3 5 ) 式还可看出，如果被采样周波频率保持不变， 即6 4 点等间隔采样恰采样完整周波，则采样点x n + r - l = x r - l ，故第r 个数据窗计算 所得相量与第( r - 1 ) 个数据窗计算所得相量完全重合，因此，递推的离散傅立叶 变换算法所得结果是一个复平面上静止的相量。 离散傅立叶变换算法起始数据窗是一个周波的采样点数，故其计算周期是一 个周波，从第二个数据窗起，每采样一点就可进行一次计算，因此，递推的离散 傅立叶变换算法是一种时间周期较短的算法，同时，离散傅立叶变换算法具有很 好的滤波特性，上面论述的利用d f t 算法计算基波相量的方法可以很方便的推广 到计算0 次3 1 次谐波( 假设一周波6 4 点采样) 。离散傅立叶变换算法还有一 个优点就是：可直接获得电压电流相量( 包括有效值和相角) ，这就使其成为非 常适合于同步相量测量的算法，由于获得了电压电流相量，因而功率的计算也变 得非常方便。 其他值的计算： 1 8 浙江大学硕士学位论文 信号基波的相角：8 = a c t a n ( x 。d 以。 在d s p 系统实现时采用查表法来完成反函数的运算。 信号基波的幅值：a = 丑。c o s 8 在d s p 系统实现时采用查表法来完成1 c o s 8 的运算。 基波有功无功功率子程 a 相基波 s = u a i = u 蚰a 七j u o a ) ( i ，o a j i c o a ) = us o a x i c o a + u 协a x i c o a ) 十j ( us o & x ic o a us o a x l c o a ) 单相有功功率： 单相无功功率： 或= u c 口 o 一o i s o 三相有功功率：p = 只+ b + 忍 三相无功功率； q = 蜴+ 砚+ q c 基波功率因数角： = a r e t a n ( q p ) 零芹e a j 贰： i o 。o = is o a + i m b + i t o c 1 8 e o 。ic o a + i c o b + i c 口c i o = 瓯孺 直流量： u d = 丙1n 邑- i “( k )j d = 之弋k = o i k ) 式中“r u 、f r 纠为电压、电流的采样值。 3 3 锁相环技术在同步相量测量装置中的应用 如前所述，在测量装置对现场电量进行测量、处理的算法中，都认为系统频 率保持5 0 h z 不变，事实上，由于负荷是随时变化的，而原动机输出功率的变化是 有一定惯性时延的，因此在任一时刻都保持原动机的输出功率p t 与发电机的电磁 功率p e 精确相等是不可能的，从而系统频率在系统运行时是不可能保持恒定的， 特别是系统在大的扰动作用后，如短路故障或某发电机故障退出运行后。系统频 1 9 浙江大学硕士学位论文 率必然要发生大范围的波动。为了保证同步相量测量装置在系统频率变化的情况 下，仍能够准确的测量现场模拟量，并基于测量值进行有效的控制，必须对频率 漂移可能给同步相量测量装置带来的影响加以分析，本节主要阐述以下内容： 分析频率漂移对同步相量装置所采用的离散傅立叶变换算法造成的影响； 提出利用锁相环技术跟踪系统频率的变化，实现自适应采样的方案，从而提 高频率变化情况下，同步相量装置对电压、电流、相角、功率等电量的测量 精度，以达到有效提高控制准确度的目的。 提出利用锁相环技术提高频率测量精度的方案 3 3 1 频率漂移对离散傅立叶变换算法精度的影响 频率漂移对同步相量测量装置所采用的离散傅立叶变换算法造成的影响，可 以从( 3 5 ) 式所给出的数据窗递推算法看出：假定电力系统被测相量幅值保持 不变，而频率为额定频率( f 噶) 时，第r 个数据窗新增的采样点x n + r - l = 碲l ，因此 有x ，= xr - l ，但当频率漂移f ，即f _ f b + f 时，第r 个数据窗新增的采样点x n + r - l x r _ i id f t 法计算所得向量z 发生变化。 频率漂移对d f t 算法精度的影响，可以很容易的从d f t 算法的概念上加以理 解。有限序列的d f t 算法，实质上是对一周波的采样序列进行周期延拓后，进 行该周期序列的傅立叶变换。当系统频率f = - - f b 时，采样频率_ n 矗，其一周波采 样序列周期延拓如图( 3 2 ) 中曲线a 所示，当系统频率变化f 即f = 斛f 时， 、 、 ， bi 、 ， 、 | ， ，7 | 、一 a 、 i 、 、 、 k、 ，； k 、卜、7 、 、 ， - 、 ， oo 0 0 5o0 1o - 0 1 5 o0 2o 0 2 5o0 3o 0 3 5o 0 4 图3 2 系统频率变化对d f t 法相量计算的影响 设a f 0 ，而采样频率= n 矗保持不变，则周期延拓如图( 3 2 ) 中曲线b 所示， 可见，f 对d f t 变换的结果产生了影响。 2 5 1 5 o 5 1 5 2 。 ” ， 一 。 一 。 一 c ：i 浙江大擘硕士学位论文 的向量有两部分组成，如下式所示： 牙浣+ 4 r ) = z 邕+ ) + 巧拦+ 引 ( 3 6 ) 其中硎。：硎is i n ( x 血孚) ：。，敏，警( 3 - - 7 ) 其中聪扩耽忑笔e 7 嚣7 e 警 夏；! + 。，= z ；! ，+ j i - ：美e 一j 署，e 一r 一j r 筹+ 鲁( s s ) 从而当趸援+ 掣，= 搦石篾+ 舻厂l i r a ) 一2 2 ( “：+ 4 r j = z z ，( 3 - - 9 ) 由此可见，在f o 的情况下，d f t 是较精确的，但随着l ，l 的增大，被测 相量有效值与相角误差亦在增大。 下面对频率漂移引起d f t 算法的误差进行定量的分析，将证明式( 3 - - 6 ) 至 ( 3 - - 9 ) 及上述结论。 考虑频率漂移力舌，被测模拟量输入信号如下式所示： 川j = 廊坤毗俐州 = 等k j 2 x ( f o + 4 r ) t e j d , _ e - j 2 * r f f o + 4 f ) t e - j 一, 考虑到第r 个数据窗的第k 个采样点的时刻为 则： k = 0 ，1 ，2 ，一j 口州加别面k + r 。叫i - r ( + a ，) = j x i ：刍n - i 【e j 2 口( 十4 r ) ? ；e # e - y 警i e 一2 口( + 4 ，) ；e - j 一, e - j 警】 记 叉钒+ 圳= i + 引十叉：( + = 丙x 、z + 夏) 其中 五：n - i