功角测量系统

1、电力系统功角测量系统,暂态稳定分析的目标,根据故障前状态、给定系统结构和参数、给定故障、给定控制措施，获得发电机的功角摇摆曲线,优点 可以考虑电力系统中的任何复杂模型 可以考虑电力系统中的任何控制作用 采用并行计算可达到实时的要求 缺点 计算结果严重依赖于电力系统模型和参数 对于发展型故障无法实现连续实时控制 是否可以直接测量相位或功角,功角测量系统的目标,实时地完成电力系统机电暂态信息（包括电压、电流、功率、功角）的提取、传输、处理和控制 性能指标希望达到信息的提取、传输、处理周期在3050ms之间，从而使各种暂稳分析算法可以获得系统实时的状态 为电力系统的暂态快速分析、暂态控制和紧急控制提

2、供有效的理论支持和实时决策平台,功角量测系统的特点,取消了参考站，在服务器上得到的各发电机功角都是相对于GPS提供的同步旋转坐标轴系，这样功角都是实际系统中的实测数据； 数据传输是连续实时进行的，也就是说，前置机测量的数据是实时发送，服务器上的数据是实时刷新的，刷新周期是3050ms； 能够得到系统中任意两台发电机的相对功角供广域稳定控制策略分析使用,广域功角测量系统的结构,功角量测系统配置图,功角测量系统的特点和困难,最大特点是实现功角测量和实时性 功角测量由PMU完成，最大困难在于精确对时和同步采样 实时性涉及到实时采集、实时传输、实时分析和实时控制，最大困难在于实时通信和高性能实时数据库

3、 广域功角测量系统的关键在于广域实时通信,实时数据库方案,传统的SCADA/EMS的数据刷新间隔为25秒，功角测量系统的数据刷新间隔为几十毫秒 采用了服务器/工作站结构，减少通信传输时间并提高实时数据库的读写速度 由服务器直接进行数据处理、分析计算、实时控制，从而极大可能地减少数据传输的时间 内部各分析模块之间数据直接通过内存共享的形式交换数据以提高效率,服务器功能,实时数据库的设计,采用了以发电机为核心的数据组织方式，建立简洁而有效的关系数据库 采用了内存环形映射的方法，通过时标可以直接找到实时数据在数据库中的位置，提高了数据库搜索效率 综合了多种实时任务调度方法：无阻塞方式、队列方式、共享

4、内存方式,实时数据库关系图,局域网实时通信方案,网络设计采用复合网络拓扑的方式，防止数据阻塞 在通信子网服务质量良好的情况下，通信协议的选择采用基于无连接方式的UDP协议，保证通信可靠性和快速性 软件设计方面，采用多媒体定时中断和非阻塞通信模式，提高系统的实时性，降低服务器的负荷，保证系统运行的同步性 控制命令发送采用了多次发送，收到确认的方法，以保证控制命令传送的绝对可靠性和实时性,局域网实时通讯测试结果,百兆以太网 双P III 1G CPU的专用服务器 Windows 2000操作系统 采用UDP协议 测试办法是：前置机向服务器发送数据，当服务器接收到数据后，立即回送，前置机计算时间差,

5、服务器接收并回送一个前置机的数据 时间最短为0.4毫秒，最长为15.5毫秒，99.995%的数据在10毫秒内就能回送回前置机 所有的25万批数据均能正常发送到服务器而不会出错,通讯测试结果,在服务器同时接收并回送两台前置机的数据 第一台最短为0.3毫秒，最长为13.3毫秒，所有的数据在15毫秒内就能回送回前置机 第二台最短为0.5毫秒，最长为14.9毫秒，所有的数据在15毫秒内就能回送回前置机 35万批数据仅有一批数据未能送达服务器,通讯测试结果,当采用TCP协议，在百兆以太网上，服务器同时接收并回送两台前置机的数据 由于共用同一信道，进行数据传送时均受到了对方的影响，第二台前置机甚至出现了一

6、次250.4毫秒的回送时延,通讯测试结果,以上测试均为前置机和服务器在同一个网段下，通信不需要经过网关 如果经过网关甚至广域Internet网传送数据，由于无法保证和其它数据竞争带宽时，广域功角测量系统的数据能够被优先处理，同时，广域Internet网的网络状况不稳定，这时无论采用TCP或UDP方案，都是不可行的,通讯测试结论,动模实验,系统精度分析 动模实验机组 1、3、5、6号四台模拟发电机 2号模拟无穷大系统 线路、母线、开关、负荷 模拟系统实验 实验结论,系统精度分析,电压幅值误差曲线,电压相角误差曲线,单机无穷大实验,发电机相对无穷大功角曲线,出力5763W,短路0.2秒,出力590

7、6W,短路1秒,出力8350W,短路1秒,四机无穷大系统实验,发电机相对功角曲线(稳定,三相短路故障， 切除时间0.48秒,发电机出力 1#：7313W 3#：7229W 5#：2918W 6#：1516W,3#-1#:红,5#-1#:绿,6#-1#:蓝,5#-3#:红,6#-5#:绿,6#-3#:蓝,发电机相对功角曲线(失稳,三相短路故障， 切除时间0.8秒,发电机出力 1#：7387W 3#：7534W 5#：3020W 6#：2316W,3#-1#:红,5#-1#:绿,6#-1#:蓝,5#-3#:红,6#-5#:绿,6#-3#:蓝,两机系统实验,两机相对功角曲线,三相短路故障 0.15秒

8、后切除,三相短路故障 0.3秒后切除,SMES装置的作用,有SMES,无SMES,3#-1#:红,5#-1#:绿,6#-1#:蓝,实现广域功角测量系统的关键技术,广域功角测量系统从理论到具体实现，已经没有困难 广域功角测量系统的应用前景巨大 实现广域功角测量系统的关键技术广域实时通信 虽然已经做了许多工作，但都没有真正实现广域实时通信 现有的电力通信网仅满足EMS的需要，数据刷新时间为几秒,广域实时通信方案,网络拓扑上采用星形的中央服务器集群多智能客户机组模式 网络物理载体采用能够提供高带宽和极短时延的基于光放大技术的同步光纤网 通信协议的选择上，采用基于无确认的方式并且能够提供良好实时服务和

9、兼容性的ATM协议 对可靠性和实时通信时延进行了估算，可以满足广域功角测量系统远程实时通信的要求,同步光纤网采用光纤作为传输介质，其带宽可以达到十几Gbps，因此，基本上不存在带宽不够用的问题 光放大技术可以使中继放大过程全部采用光光转换，光信号可以传输几百甚至上千公里而无需进行电再生，消除了光纤通信的瓶颈 采用光纤通信，不受气候、外界电磁干扰和噪声的影响，抗干扰能力极强 电信部门和电力部门均有自己的光纤通信网,ATM技术本身是一种基于无缝连接的协议，避免了传输过程中进行路由选择 ATM技术采用的是异步传输，信元中继的方式，提供了网络恒定比特率服务，可以规定特殊用户每单位时间获得的信元的个数，

10、保证用户获得固定的带宽，从根本上解决数据阻塞或丢失的问题 ATM技术采用的是固定大小的信元中继的方式，在ATM协议层的上层可以方便地运行其他协议，如TCP/IP协议族,广域实时通信方案实现示意图,光纤通信的特点,传输频带宽，通信容量大（一般为10G的频带，如果采用光孤子技术，频带可以达到100G甚至1T）。 损耗低，无中继距离可以达到100KM。 中继对时延影响很小，而且可靠性也要高（和微波比较，光电转换的速度很显然超过调制解调的速度，而采用掺铒光纤放大器的光中继技术几乎不会产生什么积累误差,光纤通信系统示意图,同步光纤网,能够兼容欧洲，北美和日本的三大准同步数字系列； 统一的光接口标准，减少

11、和简化了接口种类； 使用字节复用，适用于数字交换；采用模块化结构，有很强的网络调度管理功能； 支持ATM网络，窄带和宽带综合业务数字网。 我国现在正在建设的骨干网就采用的是同步光纤网的技术，它将成为下一代Internet的基础。也将成为广域功角测量系统的主干通信网,上层网络技术：ATM网络特点,ATM技术本质上是一种无确认的协议，数据传输不需要确认，免去了确认所需要的时延； ATM技术采用的是异步传输的方式，可以为多个用户提供任意带宽的多种实时和非实时服务（当然，有两个前提条件：1，你要有足够的钱去购买你所需要的服务和带宽；2，带宽需求不能超过ATM网所提供的总带宽）。当前标准的ATM网络的总

12、带宽为155.2Mbps和622.4Mbps两种。但是，俄亥俄州立大学多媒体网络实验室100G的ATM网络的原型已经开发出来了（仅仅是原型，还没有应用于商业,ATM原理示意图,ATM网络的强兼容性,ATM协议的信元中继方式可以用于仿真其他的通信协议，比如TCP/IP协议族。这样，现在在动模实验室用的这套通信软件从理论上不用经过太大的修改就可以用于将来的电力系统实时通信网。但是在底层（也就是实现IP over ATM的那一层），还是有很多工作要做。但是，由于采用TCP/IP协议族，软件的其他模块的调用就要方便很多，同时，对于将来数字电力系统的软件子系统的扩展和兼容，也会带来很多有利的条件,广域实

13、时通信方案可靠性分析,广域功角测量系统远程实时通信可靠性分析包括3个部分：1、同步光纤网进行实时数据传输时的可靠性；2、ATM技术的可靠性；3、（位于ATM层之上的）上层通信协议的可靠性。 1.同步光纤网的可靠性：据文献介绍，同步光纤的出错概率小于10-13。 2. ATM技术的可靠性：对于提供实时恒定速率的CBR ，在采用足够大的缓冲区的前提下，数据出错概率可以小于10-9,广域实时通信方案可靠性分析,3.上层协议的可靠性：TCP/IP协议，本身就是保证可靠性的协议，只要不是硬件上出错，可靠性可以达到100%。 UDP协议，根据我们的测试结果，在下层协议提供良好网络服务质量的前提条件下，数据

14、出错概率可以小于10-5。 由于ATM网络的服务质量是非常高的，因此，UDP协议的数据出错概率也会非常的小,广域实时通信方案时延分析(1,实时通信时延包括以下几项: 打包时延 (AD) 等待时延 (WD) 传播时延 (PD) 排队时延 (QD) 交换时延 (SD,广域实时通信方案时延分析(2,打包时延 (AD) : 和语音通信不同的是，在前置机获得电力系统的状态数据后能够立即打包，不用等待，因此，打包时延对于广域功角测量系统来说可以忽略。 等待时延 (WD) : 如果采用的策略得当，能够避免竞争，该时延可以减小到100微秒,广域实时通信方案时延分析(3,传播时延 (PD): 该时延由光在光纤中

15、传播的距离决定，如果通信距离为1000KM，假设光在光纤中传播的距离为1500KM，则该时延为7.5毫秒。 排队时延 (QD): 由ATM网络的负荷情况决定，通常情况下，该时延可以忽略，但是，当负荷很重的时候，该时延将急剧增加,广域实时通信方案时延分析(4,减少排队试验的方法: 针对实时数据采用特殊的缓存器和IFQ (Interpolation Fair Queuing) 调度算法，可以将最大排队时延减少到小于0.3毫秒。 交换时延 (SD) 根据 ITU-T 标准 Q.507该时延不能超过450us。通常情况下，商用交换机交换时延的大小为 2us到100us之间,广域实时通信方案时延分析(5

16、,总时延为,结论：基于同步光纤网的ATM网络能够满足广域功角测量系统对实时通信的要求,电力通信网的发展历程,30年代电力系统开始建立调度中心，电力通信网就是电话网，发电厂和变电站完全依靠电话联系，人工传递信息。 40年代出现SCADA系统，电力通信网开始利用微波，调制解调电力线载波等通信方式来传输状态数据，但是，控制命令主要还是依靠电话网人工传达。 随着光纤通信技术的普及，光纤通信网络将由于其强实时性、大容量、可靠性、保密性等特点，将成为电力通信的主力。 未来展望：光纤通信为长距离实时通信（300公里以上）的骨干，数字微波和电力线载波为中短距离（300公里以下）实时通信的骨干，人造地球卫星将为

17、电力监控系统提供系统时钟并且将广泛应用于国际互联电力系统通信,电力通信网的特点,实时性：现在的EMS系统的仿真速度和电力系统动态过程的速度比是1：5，而广域功角测量系统要求达到1：1（real-time）甚至更快（fast than real-time），这样，对通信的实时性要求非常高。 对电力系统进行暂态稳定控制，从事故发生到控制过程结束，时延不能超过200ms，对于广域功角测量系统，要求1000公里通信时延为20ms。 可靠性：信息传输必须可靠，否则，该动作的没有动作，不该动作的却动作了，后果不堪设想。 连续性：电力系统远动信息需要长时间占用信道,电力通信网的特点,信息量较少： 对于广域功

18、角测量系统，传递的电力系统状态数据有：三相电压电流（值和相角），有功无功，发电机功角，采用的数据存储格式为单精度浮点数，传输频率为5ms一次，1ms内将数据发送完毕，则每一个电力系统节点所需要的带宽至多为： 32 * (12 + 2 + 1) * 8 * 1000/1 = 3840Kbps （约为4兆带宽） 对于控制信息，通信量无法精确计算，但带宽需求不会超过1兆。 必须指出的是，随着电力市场和电能自动计费的兴起，以及电力通信参与公用电信市场的竞争，这种格局将会逐渐改变。因此，必须为广域功角测量系统通信信道留下足够的带宽,电力线载波通信特点,以电力线为信道，变电站，发电厂为终端，天生就是用于电

19、力系统调度。 调制解调的设备简单。 实时性好。 安全性好。 无中继距离长,电力线载波的原理,将用户数据通过AD转换变为正弦信号（如果是话音通信则无须这一步） 将该正弦信号的频率通过调制搬移到电力线载波通信所使用的频带（我国规定为40-500KHz）并加在电力线上。 接收端通过高通滤波将信号从电力线上分离下来并对信号解调。 接收端获取相应的数据或话音,电力线载波原理示意图,电力线载波的不足之处,对耦合设备要求高：必须能够防止高压大电流对设备的损害。 通信不能跨变压器，通信距离有限。 同一母线上各条电力线所能利用的带宽有限：只能在40-500KHz中合理安排，并且，相互联结的电力线不能使用相同的频

20、谱，这样会造成传输速率低。 线路存在强烈的电磁干扰。 结论：对于广域功角测量系统来讲，不能用电力线载波来完成主要的通信任务（可以作为一种补充用于双端继保,电力线载波的技术发展方向,电力线接入：这是电力线载波通信的最新发展方向。用于消除普通用于上网的“最后一公里”瓶颈。使用的频带为350MHz-700MHz，最大带宽可以达到20Mbps，超过ADSL，现在已经在北京开始试用。 对于广域功角测量系统接入主干光纤网是一种不错的选择，但现在的技术，还没有达到完全成熟的地步,微波通信的分类和特点,分类：模拟微波和数字微波，现在电力系统保护都用的是数字微波。 特点： 1.总频带极宽（300MHz-300G

21、Hz）。 2.每隔一定距离（我国规定为46.3公里）需要再生中继。 3.使用不受地理条件限制,微波通信系统组成,微波通信时延分析,在大气中传播，速度为光速。 从用户终端到微波信道机时延（也就是我们俗称的上，下微波通道）取决于接入设备。由采用全套马科尼公司的ZD-TXV64微波接入设备，上下时间可以限制在4毫秒，加上交换机和用户终端的时延，上下总时延不会超过6毫秒。现在的继电保护，上下总时间一般为8毫秒,现在的电力系统中微波通信时延,微波通信大量应用于继电保护，但是对通信时延问题没有具体测试。 按照电信部门提供的资料，在100-500公里之间时延可以小于50ms。 实际工程测试表明，在通信距离为150公里时，装置判断切机出口动作时间增加30ms，可以近似认为，通信时延为30ms,微波的其他问题,受大气，雷暴的影响 总带宽虽然宽，但是可用的带宽有限。 依据国家标准，微波几个G的带宽被划分为若干条通道，要使用这些通道，必须向国家申请，不是说想用就用（否则，同一通道的微波信号相互干