同步相量测量装置(PMU)构成及原理讲座

1、同步相量测量装置培训Phasor Measurement Unit (PMU) Phasor Monitor Unit (PMU) A1/t,南京南瑞集团公司,PMU,主站,A1/t,内容介绍,PMU国内外概况 PMU主要功能 PMU工作原理 PMU关键技术 PMU应用介绍 PMU测试介绍 问题讨论,PMU国内外概况,国内外概况,应用背景1： 经济及电力发展的需求 1) 全球经济一体化；能源分布和经济发展的不平衡;电网 互联运行的巨大效益使大电网互联、跨国联网输电 的趋势不断发展。 2) 电网互联产生电网稳定运行问题日益突出,提出构建 WAMS系统（Wide Area Measurement

2、System） 目前国内大多数将其作为除保护安控装置外的第三道 防线; 3) 系统稳定按性质可分为三种：功角稳定、电压稳定和频 率稳定。本系统可为功角稳定提供最直接的原始数据,应用背景2：美国等西方国家的大停电 1)由于没有有效的监视手段,导致了美国8.14大停电 2)我国电网规模越来越大,需应对措施 应用背景3：世界技术的发展使得该项目成为可能 1）高速计算机及数据管理 计算机计算速度大幅度提高,商用数据库越来越成熟. 2）高精度GPS 微秒级误差 3）高速广域通信技术 100M以上以太网 4）稳定成熟的应用算法 如EEAC算法已经成功应用于发达国家的电力系统稳定预警,国内外概况,WAMS技

3、术发展状况,国内外概况,主站,通信,子站,1）高速计算机及数据管理： （1）单一计算机的计算速度大幅度提高 （2）并行计算技术 （3）数据库管理技术（PI数据库） （4）1G网络传输 （5）海量存储器 2）高精度GPS （1）GPS模块本身的时间精度达到0.1us （2）各个厂商的守时技术达到50us/2-10小时,3）成熟的PMU技术 （1）各个厂商的PMU已经在变电站电厂广 泛使用，并在内电势测量技术方面取得 很好的进展 （2）国内的PMU性能优于国外的PMU 4）高速广域通信技术 100M1000M数据网建设成为电力公司通信 的建设目标,5）稳定成熟的主站系统 （1）WAMS单一系统的动

4、态监视 （2）基于WAMS、保护系统、SCADA的（动稳暂态）三态数据整合及故障分析（华东） （3）基于EEAC（南瑞薛禹胜）算法的在线预防决策及控制。通过计算获得系统惯性中心（虚拟）的参考相量，从而可计算出任何点对系统惯性中心的功角，从而判断功角稳定并实施在线切机切负荷（江苏WAMAP,6）也有设想利用WAMS技术来构建广域保护系统 （如：美国西部电网继电保护委员会提出,国内外主要PMU制造商,Rochestor （TR-2000） Macrodyne （1690） SEL （SEL-421） Arbiter Systems （1133A） ABB （RES521） 电科院 （ADX3000

5、PAC-2000） 四方 （CSS-200） 南瑞 （SMU-1,国内外概况,PMU设计思路比较,功能实现方式 相量测量+故障录波（多） 相量测量+电能质量（多） 相量测量+继电保护（多) 相量测量+RTU （少） 硬件设计方式 嵌入式采集（可靠性高）（多） 计算机插板（可靠性受制于计算机及WIN软件）（少） 通信实现方式 RS232 (少） 10/100M以太网（多,国内外概况,PMU主要技术指标及国内外比较,国外 国内 开关分辨率0.1ms 0.1ms 模拟精度 0.1% 0.1% A/D位数 16 16 采样点/周 384 200 对时 GPS/1us GPS/1us 通信 10M*1

6、10/100M*3 功能 非单一 单一 相量刷新速度 25/S 100/S 多线路测量 1-2线路/单元 8条线路/单元 发电机键相测量 无 有,国内外概况,PMU主要参考文件,1、IEEE std 1344 （1995） 2、EPRI：PC37.118 3、电力系统实时动态监测系统技术规范(送审中） 4、行业检测标准（制定中,国内外概况,PMU主要功能,1、同步相量测量 (1)测量变电站每条线路三相电压、三相电流、开关量，通过计算获得,A相电压同步相量Ua/ua； B相电压同步相量Ub/ub ； C相电压同步相量Uc/uc ； 正序电压同步相量U1/u1 ； A相电流同步相量Ia/ia ；

7、B相电流同步相量Ib/ib ； C相电流同步相量Ic/ic ； 正序电流同步相量I1/i1 ； 开关量,2)测量发电机机端三相电压、三相电流、开关量、 转轴键相信号，通过计算可获得以下数据,机端A相电压同步相量Ua/ua ； 机端B相电压同步相量Ub/ub ； 机端C相电压同步相量Uc/uc ； 机端正序电压同步相量U1/u1； 机端A相电流同步相量Ia/ia ； 机端B相电流同步相量Ib/ib ； 机端C相电流同步相量Ic/ic ； 机端正序电流同步相量I1/i1； 内电势同步相量/()； 发电机功角； 开关量,3)同步测量励磁电流砺磁电压，用于分析机组的砺磁特性 (4)同步AGC控制信号，

8、用于分析AGC控制响应特性 (5)获取高精度的时间信号,2、判别并获取事件标识 1）下列情况建立事件标识： a）频率越限； b) 频率变化率越限； c) 幅值越上限，包括正序电压、正序电流、负 序电压、负序电流、零序电压、零序电流、 相电压、相电流越上限等； d) 幅值越下限，包括正序电压、相电压越下限 等； e) 线性组合，包括线路功率振荡等； f) 相角差，即发电机功角越限,2）当装置监测到继电保护或/和安全自动装置跳闸 输出信号（空接点）或接到手动记录命令时应建 立事件标识，以方便用户获取对应时段的动态数 据。 3）当同步时钟信号丢失、异常以及同步时钟信号恢 复正常时，装置应建立事件标识

9、,3、广域启动或扰动启动录波 (1)具备暂态录波功能。用于记录瞬时采样的数据的输出格式符合ANSI/IEEE PC37.111-1991（COMTRADE）的要求； (2)具有全域启动命令的发送和接收，以记录特定的系统扰动数据； (3)可以以IEC60870-5-103或FTP的方式和主站交换定值及故障数据,4、就地数据管理及显示 (1)装置的参数当地整定； (2)装置的测量数据可以在计算机界面上显示出来,5、同步相量数据传输 装置根据通信规约将同步相量数据传输到主站， 传输的通道根据实际情况而定，如：2M10M 100M64KModem等，传输通信链路一般采用 TCP/IP,6、与当地监控系

10、统交换数据 装置提供通信接口用于和励磁系统、AGC系统、 电厂监控系统等进行数据交换,7、数据存储 存储暂态录波数据；存储实时同步相量数据（14天） 2.4G/(1天，48路,同步相量及计算 PMU测量硬件 PMU测量软件 PMU构成单元及配置 PMU安装及通信模式,PMU工作原理,构造一个复函数,对A(t)取实部,对于任意一个正弦时间函数都有唯一与其对应的复数函数,无物理意义,是一个正弦量 有物理意义,同步相量及计算,1、正弦函数与复函数,2、向量相量矢量旋转矢量旋转相量,2f,相量为唯一矢量，随着时间变化，相量以的速度旋转，形成旋转相量，但从nT0的时间点看，相量一直不变,0,1、如果以0

11、为参考旋转矢量，则当 0时，U旋转相量等于静止不动 2、但此方法定义的绝对相量违背同步相量的定义 3、当不等于 0时，U相量仍然旋转,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,同样可以建立正弦电压电流与相量的对应关系,3、相量的意义及U/I相量,1PPS,t,1、以1PPS为时间参考点（0） 2、以 t= n*T0 为相量观察点(T0=10/20/30/40/50ms) 3、角度采样数据窗第一点nT0的角度nT0，nT0+T0) 4、每一观察点的相量称为同步相量,4、同步相量定义,0度,90度,A,A,t,5、PMU与其他装置的测量不同,6、同步相量角度与 t / f 的关系,

12、U为最大值的时间点为 tm(n)，（n=,-2,-1,0,1,2,3,4,5,当观察点为kT0时，根据同步相量定义计算出同步相量为,7、不同观察点的同步相量角度,1）假设 ，则 在任何时刻永久不变,2）观察点为3周波点(60ms,3）观察点为2周波点(40ms,4）观察点为整周波点(20ms,5）观察点为 0.5*整周波点(10ms,6）观察点为 1/4整周波点(5ms,DFT,DFT,DFT,50 Hz,数 据 计 算,f df/dt,暂态检测,正序,触发标志,实 时 输 出,GPS Time Receiver,0.1ms,Power System,Ua/Ub/Uc Ia/Ib/Ic,输入,

13、同步采样,计算,判别及记录,数据输出,8、相量测量及计算,Pulse,UI计算,内电势计算,发电机直轴电流,发电机交轴电流,发电机功角,直接测量：U、I、 已知参数：Xq、Xd 先计算 ：,内电势角度直接测量,空载,初相角,实时相角,9、测量误差计算,Total Vector Error,GPS,GPS,两点之间的功角计算,10、功角计算,GPS,指定或计算的参考点,对参考点的功角计算,时 钟 模 块,交流电流电压,以太网输出,主CPU DSP,板上时钟 外部GPS 内部GPS 电缆1PPS 光纤1PPS,开关量信号,显示键盘,PMU测量硬件,发电机转轴信号,4-20 mA 信号,装置的输入信

14、号有： ）线路电压、线路电流信号的输入（监控CT)； ）开关量信号的输入； ）发电机轴位置脉冲的输入，可以是鉴相信号或转速 信号； ）用于励磁、AGC等的4-20mA控制信号； ）GPS标准时间信号； 装置的输出信号有： ）用于中央信号的告警信号输出； ）用于通信用的10/100M以太网及RS232接口 （采用IEEE std 1344通信标准）； ）用于控制用的4-20mA输出,PMU测量软件,模拟量采集,开关量采集,4-20mA采集,发电机内电势采集,GPS信号处理,相量计算及转换,扰动录波,通信模块,控制输出,GPS授时信号处理模块； ）模拟量信号采集处理模块； ）开关量信号采集处理模块

15、； ）发电机内电势信号采集处理模块； ）数据转换模块（如：将三相电压转换成 正序量传送）； ）通信模块； ）扰动录波模块； ）控制输出模块（输出4-20mA控制信号,PMU-P,1344相量,103定值,PMU-CS,主站,FTP故障文件,PMU-M,PMU-G,PMU-G,PMU-G,PMU构成单元及配置,1、系统结构,GPS授时守时单元 PMU-GPS 线路测量装置 PMU-M 发电机测量装置 PMU-G 通信管理单元 PMU-CS 就地分析子站 PMU-P,2、单元组成,时间控制单元,GPS模块,守时模块,光纤信号,天线,时间分配单元,串行口信号,1、天线的长度可为30501001km

16、2、输出接口不够时可通过输入信号进行级联,输入信号,3、PMU-GPS,线路测量装置1M,PT,CT,状态接点,GPS,同步相量,实时数据,SCADA/WAMS,1、n*6 模拟量（n=线路） 2、n*16 开关量（n=线路,4、PMU-M,发电机测量 1G,机端电压电流,轴脉冲(鉴相/转速,状态接点,GPS,电压电流同步相量,SCADA/WAMS,发电机功角,内电势同步相量,实时UIPQ数据,1、6路模拟量（1条线路） 2、4路420mA输入 3、1路键相脉冲 4、1路转速脉冲,5、PMU-G,嵌入式CPU,国调信息,网调信息,省调信息,就地监控系统信息,中央告警信号,以太网接口4,Flas

17、h存储,OS（LinuxQNX,告警控制,6、PMU-CS,以太网,计算机,OS,200G存储,参数设置,画面显示,告警音响,7、PMU-P,SMU-1M,SMU-1G,1CS GPS,SMU-1P,主站,1PPS 10KHz RS232 TX/RX,变电站发电厂测量（组屏,PMU安装及通信模式,500KV间隔,PMU-M,主站,变电站测量（按间隔分散,220KV间隔,110KV间隔,远动机房,PMU-CS,PMU-M,主站,发电厂测量（分散安装,PMU-G,远动机房,PMU-CS,PMU-G,PMU-G,PMU-G,测量精度:0.1%，f:0.001Hz 授时/守时精度:5us、55us/2

18、小时 发电机内电势相角测量,PMU关键技术,频率精度：0.001Hz，需解决问题： 1）高精度计数源 2）软件频率计算平滑,1.测量精度问题：0.1，f:0.001Hz,模拟精度：0.1%，需解决问题： 1）高精度测量：电流范围：0-3In，16位A/D，分辨率 1V/65536=15uV，需要较好的电磁兼容性设计 2）高速计算，多次迭代：双CPU快速采样, FFT计算 ，每周波200点， 1-99次谐波,授时精度考虑,GPS模块精度误差(100ns) 1PPS上升沿误差(100ns) CPU采样时间响应误差(1us左右) 光纤传输延迟误差(5us/1km)(可校,2.授时/守时精度:5us、

19、55us/2小时,当k%=40%时，沿迟0.15度,守时精度考虑,GPS传导微波信号，易受到干扰 GPS受到干扰时时间精度无参考价值 以上是目前GPS时间不准的主要原因 采用高稳定度晶振实现守时 采用原子钟技术实现守时（9us/天,目前采用（10e-9）的XTAL实现 55us/2小时,未来采用Atomic Clock Chip（10e-10以上）实现 9us/24小时,3.发电机内电势相角测量,发电机内电势数值计算 发电机内电势初相角自动测定 利用键相信号测量发电机功角的工程化实施,现场配置 通信安全及开放性 广域网接入 机组信号接入 GPS天线安装 当地数据接口 当地数据分析 通信规约 远

20、程/现场维护,PMU应用介绍,PMU-M,PMU_CS,省调,网调,当地,国调,PMU-GPS,变电站测量系统配置,现场配置,转轴探头,前置放大,机端电流电压,PMU-G,GPS,LAN,发电机测量配置,磁阻式：键相 电容式：振动 光电式：转速,号机 PMU-G,号机 PMU-G,升压站线路PMU-M,通信PMU-CS,省调,网调,当地,国调,GPS,发电厂测量系统配置,通信安全及开放性,采用标准的通信规约 不同主站的传输数据可方便地设置和选择，满足不同主站的要求 与主站的通信采用非Windows系统防止病毒/黑客的攻击。 通信数据进行CRC校验（TCP/IP校验其他CRC,PMU-CS,M以

21、太网转M口,光电转换,光电转换,远动通信接入,主站,接口转换,PMU和通信机房通信,接入广域网,考虑2M10M100M接入方式 考虑传输数据的容量 考虑IP地址的分配，一般一个站需要一个IP地址,广域网接入,配置键相信号传感器（如无） 是否接入砺磁电压电流 是否接入AGC 420毫安信号 是否独立接入GPS（根据光纤的长度,机组信号接入,天线与Receiver模块的ST接头必须紧固 如天线超过50米一般增加放大器 天线在布设过程中不能折弯 天线蘑菇头必须在四周较为空旷的地方，至少有一个方向无任何遮挡物 GPS接收的是微波信号 微波信号遇到灰尘/云层容易衰减（电厂差） 接收信号断续会导致GPS失

22、步，失步的GPS时间无参考价值,GPS天线安装,电厂,当地数据接口,PMU,DCS,Ethernet/RS232,PMU,SCADA,Ethernet/RS232,变电站,一）数据监视功能 1、数据采集与处理 1）实时采集变电站发电厂各线路的电流、电压、开关量等，并 通过计算得到UIPQ及功率因素值。 2）实时采集发电厂机端电压、机端电流、鉴相信号，并通过计算 得到UIPQ、功率因素值、发电机功角。 3）遥测越限告警 4）开关量变位告警 5）数据分类统计、存储 6）产生积分电量 7）统计开关的变位次数。 2、人机界面功能 1）一次接线图显示。 2）设备参数显示、查询。 3）模拟量的曲线趋势图。

23、 4）可对画面进行以下操作 人工置数/人工变位/恢复通信/停止告警/恢复告警/显示数据信息,当地数据分析,3、图形编辑功能 1）通过系统提供的功能强大的绘图包实现图形的在线编辑。 2）图符都可与实时数据库连接，实现图符的动态显示。 3）具有方便、灵活、丰富的图元编辑功能。 4、历史数据管理 1）历史数据库数据保存 2）历史数据库进行访问 3）历史数据库进行操作 5、报表及图象打印功能 以图形的方式显示全系统的运行情况并打印。 6、通信 1) 将实时和处理数据传输给DCS和远动设备。 （二）发电厂电气试验 对于发电厂，用户通过计算机界面完成发电机短路空载，变压器短路空载等实验功能。记录试验过程的数据，按表格分析打印所需的试验曲线,三）谐波监测及分析 该功能为用户提供发电机机端电压、机端电流的分析工具，给出每个模拟量的基波及99次以下的谐波。 （四）发变组分析 发电机分析包括差流分析、频率分析、过激磁分析、开关量变位时序分析、假同期分析、测量阻抗分析、功率及功角分析。其功能是根据获取的故障录波COMTRADE文件，画出发生故障时，对应通道的电流、电压波形，以及相应的数值显示。 （五）功角及转速表显示 根据计算，可以给出精确的发电机功角及转速值。 （六）优化PSS控制 根据主站计算的相对功角数据，将之传送给PSS系统进行优化控制