PMU系统学习介绍

1、相量测量装置（PMU） 孙元章、程林 清华大学电机系电力系统研究所 二OO三年十一月 内容 n电力系统分析与控制的需求 n本地相位测量的实例 nGPS原理介绍 n相量测量装置PMU原理 n相量测量装置开发 n相量测量效果 潮流计算的目标 n依赖于给定的系统结构和参数，计算导纳矩阵 Y=G+jB n每个节点有4个变量，已知2n个变量，需要求 解2n个联立非线性方程组 nP、Q、U、 四个变量中， 是相对量，无法 通过常规本地测量装置获得 n 1j ijijijijjii n 1j ijijijijjii )sinGcos(BUUQ )sinBcos(GUUP 暂态稳定分析的目标 n根据故障前状态

2、、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 ),(0 ),( PSUYXG PSUYXFX n优点 n可以考虑电力系统中的任何复杂模型 n可以考虑电力系统中的任何控制作用 n采用并行计算可达到实时的要求 n缺点 n计算结果严重依赖于电力系统模型和参数 n对于发展型故障无法实现连续实时控制 n是否可以直接测量相位或功角？ 相量测量的基本原理 n相角测量可以采用过 零检测法、快速傅立 叶变换法()和 离散傅立叶变换法等 n过零检测法的原理是 由对过零点电 压打上时间标签，并 求出其相对于标准 50信号的角度 本地相位测量实例（一） n功率、功率因素的测量 )cos(

3、cos IU UIUIP U U I I 本地相位测量实例（二） n发电机并网同期装置 并网条件： 频率 电压幅值 电压相位差 U1U1U2U2 21 相量测量的关键因素 n相量测量的关键是需要进行同步测量 n而同步测量的基础是获得足够精度的统一时 间基准 n对于50的工频量来讲,1的非同步误 差将带来18的相位误差 提高相位测量精度的方法 同步采样：同时触发多个A/D转换器 采样保持：外部通过阻容电路保持信号 在一段时间内不衰减，顺序采样 高速采样：高速CPU和高速A/D配合 软件校正：估算相邻通道采样延时 异地相位测量？ n直接采用电信号进行比较 优点：原理简单、实现方便 缺点：信号衰减、

4、信号延时 用途：近距离 n各种可能的对时工具 优点：远距离相位测量 缺点：受对时精度影响 可能的方案：模拟微波1ms；光纤0.5ms；数 字微波0.07ms；GPS 0.0005ms GPS系统介绍 nGPS的全称为导航卫星定时测距全球定位 系统(Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) nGPS是美国国防部操纵的全球定位卫星系 统，用以提供精确定位信息 n该系统提供了全球范围内易获取精度为 1us的定时脉冲 n导航星全球定位系统是卫星无线电导航定位系 统的一种 n20 世纪70 年代初，美军继“子午仪

5、”卫星导 航系统之后，开始进行新一代卫星无线电导航 系统GPS 的研制 n其间经历了四个阶段： 方案论证阶段(19731979 年) 工程研制试验阶段(19801985年) 试运行阶段(19861990 年) 完善与应用阶段(19911995 年) GPS系统组成 nGPS系统包括三大部分：空间部分、地 面控制部分、用户设备部分 nGPS的空间部分由24颗卫星组成，在地球 的任意处至少可以看到5颗卫星。这些卫 星均布于6条轨道,每条轨道布置4颗卫星。 在24颗卫星中有3颗备份星,每隔一条轨 道布置1颗。卫星的轨道高度20100km , 轨道周期11h58min,轨道倾角55,轨道 面间经度间隔

6、60 n地面控制部分包括一个主控站、三个注 入站和五个监测站。对GPS卫星进行跟踪、 测轨、遥测、遥控、GPS信息接收处理、 轨道修正和电文更新等 n用户设备就是GPS接收机。接收机根据自 己的时钟和接收到的导航电文计算出接 收机（天线）所在位置和GPS系统的时间 GPS授时的原理 n在GPS 系统中,用户至GPS 卫星的距离可以通 过测量伪码自卫星到用户的传输延时来确定 n考虑到用户时钟相对于GPS 卫星时钟总是存在 一定的偏差(该偏差包含在传输延时之中) ,因此 这一偏差未被修正时的测量距离称为伪距 为时钟偏差）为用户位置坐标， 为伪距测量值）为卫星位置坐标， buuu iiii biui

7、uiui CZYX RZYX iCRZZYYXX ,( ,( )4 , 3 , 2 , 1( )()()()( 2222 GPS授时的优点 n全球全天候连续工作，用户数量不限 n精度高。粗捕获码(C/A码)定时精度为 100ns，精密伪随机码(P码)定时精度更 高，但只对美国及其盟国开放 nGPS采用了扩频和伪码技术，抗干扰能力 强 n可靠性高，信号易于获得 GPS系统的局限性及对策 nGPS是冷战时期的产物，受美国国防部控 制，为美国的全球政治军事战略服务 俄罗斯推出Glonass系统 欧盟今年启动伽利略(Galileo)系统 我国“北斗导航试验卫星”发射成功 现在已经有一些接收机可以同时接

8、收GPS和 Glonass系统的信号 n2003年10月30日在北京举行第六次中国欧盟 领导人会晤，双方签署了伽利略卫星导航合 作协定，中国决定加入“伽利略计划”，即 欧盟15国在今年启动的伽利略导航卫星系统计 划。 n“伽利略计划”是欧盟与欧洲航天局共同开发 的，旨在与美国全球定位系统（GPS）竞争的 一套全球卫星定位系统，包括30颗卫星和地面 设施，总预算估计超过30亿欧元。 n伽利略计划的目标是到2010年在全球拥有18亿 用户，到2020年拥有36亿用户。 GPS系统的局限性及对策 n美国对GPS工作卫星的民用信号施加了诸 如选择性干扰（SA技术）之类的干扰措 施，降低了GPS的精度

9、差分GPS可以在很大程度上克服干扰措施对精 度的影响。（差分导航指某一用户设备通过数据传 输线路相对于另一坐标已知的用户设备的导航） 随着冷战的结束，美国为了促进GPS民用，将 逐步减少干扰措施 美国的各种干扰政策主要针对定位导航功能实 施的，对定时精度基本没有影响 参考系的选择 n在暂态过程中，各发电机的转速是不一样的， 多机电力系统任意的两台机失步就意味着系统 失去稳定。一般来说有三种参考系： n同步旋转轴系 n远方某台机为参考 n惯性中心 n在相量测量和功角比较计算中，采用同步旋转 轴系作为参考系 GPS时钟的作用 n要将各地的电压信号统一到相同坐标轴上就必 须做到以下两点： n这些信号

10、的采样是同步完成的 n各地功角信号是相对于相同的同步旋转轴系 n对应的GPS作用： n将全网的时钟进行统一，保证分散于各地传送到服 务器上进行比较的是同一时刻的信号 n提供了一个全网统一的同步旋转坐标轴，保证这些 测出的功角是基于相同的坐标轴 功角测量原理 n功角测量需要测发电机电势E与母线电压Uj之 间的相角差 jE 相对功角计算原理 同步旋转轴X Y f0 2q E 1q E += 同步旋转轴X Y f0 1 1q E 1V f 同步旋转轴X Y f0 2q E 2 2V f 12 10 1V f 2V f 20 1 2 tff)(2 0110 10 tff)(2 0220 20 1221

11、12 12 )(2tff 如果忽略暂态过程中电力系统不同节 点之间频率的微小差异，以上公式在 稳态和暂态条件下均成立 相量测量装置 n整体设计 nGPS模块 n数据采集模块 n计算模块 n通讯模块 n控制模块 n系统软件程序 n误差和时延分析 装置整体结构图 GPS 接收器 天线 同步时钟 信号板 A/D板 同步采样 触发脉冲 1PPS 10KHz 互感器 (PT/CT) 电压电流 (模拟信号) 处理器 时间标记 电压电流 (数字信号) 电压电流 (幅值相角) 功率，功角 高速通信网络 测量装置外观 GPS接收板结构图 “PISCES”“GEMINI” 射频连接器 后滤波 “SCORPIO”D

12、SP SRAM ROM+ 串行 EEPROM AAMP2-8 2#串口 1#串口 1PPS 10KHz 外部主 接口 定时参 照信号 RTC 前滤波 RF MONOPAC 差分GPS 数据 10.95MHz 29MHz 32KHz GPS模块 前置放大器 （可选择的） GPS接收器 OEM外部处理器 电源供应 差分GPS （可选择的） 显示界面 键盘 电源/通讯 接口 GPS天线 GPS信号板和天线的实物图 GPS同步时钟信号板原理图 GPS Jupiter 芯片 D触发器 1PPS (19针) 10KHz (20针) 与门 A/D板 启动命令 (DO通道) AD触发通道 1 10KHz IC

13、L232芯片 工控机 串口 11/12针 GPS的1PPS和10KHz信号 数据采集模块 n采集卡特点 n标准32位PCI总线 n12位的数据精度 n高速ADS774芯片 n三种触发模式 n数字输入、输出通道 n同步采样流程 n注册板卡 n初始化板卡 n置控制电平为低 n设置采样模式 n置控制电平为高 n进入循环采样 同步采样的时序图 通道设置准备完毕， 允许采样 软件控制电平置高, 采样启动 10KHz信号进 入外触发通道 t1 第一批数据 采集完毕 t2 t2=20ms t11000ms t t1ms 1PPS 上升沿 1PPS上升沿对 应的该秒时间 到达串口 t3 100mst3600m

14、s (实测结果) 计算原理 频率：f cbacba iv , 电压电流瞬时值：、 三相相量 Vabc Iabc 正序、负序、零序： V012I012 功率： 相角： IV 、 幅值： 阻抗：Rx P、Q |V|、 | I | 发电机功角： )sincos( 22 1 0 1 0 1 0 N k k N k k N k jk k kvjkv N ev N V 111 QqQ EIjXVE 通讯模块 n服务器/工作站结构，避免了分布式结构 中多次通信引起的延时； n采用多网络设计，数据采集、紧急控制 命令、分析计算数据共享分别占用不同 的通信网络，避免了网络阻塞引起的延 时。 控制模块 测量装置1

15、 . . . . . . 测量装置n n 1 控制命令 开关、 继电器 等设备 数字量 输出 DO 通道 实时数据库 获得相对功 角曲线 判断系统 是否稳定 分 析 程 序 控制程序 Y N 服 务 器 通讯通道 装置软件 nA/D采集卡程序负责完成电压电流的采样，并 将采样的数值折算到实际系统的对应值。 n计算程序负责完成电压电流相量、有功、无功、 发电机功角的计算工作。 nGPS时钟处理程序负责发送和接收GPS报文， 提取GPS时间，作为系统定时标记；并以这个 标记来标识每一批采样获得的数据。 n上传通讯程序是负责将带有时间标签的数据发 送到上位机。 误差和时延分析 n系统误差 n互感器延迟 n传输线误差 n外围电路误差 nGPS时钟误差分析 n不同GPS接收机之间的1PPS信号随机误差 n误差测定 n延时分析 不同GPS的