同步相量测量装置ppt课件

1、内容介绍内容介绍p PMUPMU国内外概况国内外概况p PMUPMU主要功能主要功能p PMUPMU工作原理工作原理p PMUPMU关键技术关键技术p PMUPMU应用介绍应用介绍p PMUPMU测试介绍测试介绍p 问题讨论问题讨论pPMUPMU国内外概况国内外概况国内外概况国内外概况应用背景应用背景1 1： 经济及电力发展的需求经济及电力发展的需求 1) 1) 全球经济一体化；能源分布和经济发展的不平衡全球经济一体化；能源分布和经济发展的不平衡; ;电网电网 互联运行的巨大效益互联运行的巨大效益使大电网互联、跨国联网使大电网互联、跨国联网输电输电 的趋势不断发展。的趋势不断发展。 2) 2)

2、 电网互联产生电网稳定运行问题日益突出电网互联产生电网稳定运行问题日益突出, ,提出构提出构建建 WAMSWAMS系统系统Wide Area Measurement SystemWide Area Measurement System） 目前国内大多数将其作为除保护安控装置外的目前国内大多数将其作为除保护安控装置外的第三道第三道 防线防线; ; 3) 3) 系统稳定按性质可分为三种：功角稳定、电压稳系统稳定按性质可分为三种：功角稳定、电压稳定和频定和频 率稳定。本系统可为功角稳定提供最直接的原始率稳定。本系统可为功角稳定提供最直接的原始数据。数据。应用背景2：美国等西方国家的大停电 1)由于没

3、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.国内外概况国内外概况国内外概况国内外概况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） （41G网络传输 （5海量存储器2高精度GPS （1GPS模块本身的时间精度达到0.1us （2各个厂

4、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PMU4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 （1WAMS单一系统的动态监视 （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

5、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）Rochestor （TR-2000）Macrodyne （1690）SEL （SEL-421）Arbiter Systems （1133A）ABB （RES521）电科院 （ADX3000PAC-2000）四方 （CSS-200）南瑞 （SMU-1）国内外概况国内外概况p功能实现方式p相量测量+故障录波多）p相量测量+电能质量多）p 相量测量+继电保护多)p 相量测量+RTU （少）p硬件设计方式p 嵌入式采集可靠性高）（多）p 计算机插板可靠性受制于计算机及WIN软件）（少）p通信实现方式p RS232 (少）p 10/100M以太

6、网多）国内外概况国内外概况国外 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 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 有国内外概况国内外概况1、IEEE std 1344 （2019）2、EPRI：PC37.1183、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）国内外概况国内外概况pPMUPMU主要功主要功能能1、同步相量测量 (1)测量变电站每条线路三相电压

7、、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 ；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

8、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，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

9、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。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 PC37.111-1991COMTRADE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

10、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pPMUPMU工作原工作原理理构造一个复函数构造一个复函数)j(e2)( tItA对对A(t)取实部取实部i(t)tItA ) cos(2)(Re 对于任意一个正弦时间函数都有唯一与其对应的

11、复数函数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) sin(2j) cos(2tItI 无物理意义无物理意义是一个正弦量是一个正弦量 有物理意义有物理意义同步相量及计算1、正弦函数与复函数、正弦函数与复函数) j(2)( ) (c2tIetAtosIi tteIItA jj2ee2)(j 复常数复常数 ,jj为旋转相量为旋转因子为相量其中tte IeI2、向量相量矢量旋转矢量旋转相量、向量相量矢量旋转矢量旋转相量=2fI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U00U1、如果以0为参考旋转矢量，则当 0时，U旋转相量等于静止不动

12、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 ) cos(2)(IItIti ) cos(2)(UUtUtu相量的模表示正弦量的有效值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：同样可以建立正弦电压电流与相量的对应关系：对应的相量为正弦量称i(t) II ) cos(2)(IItIti3、相量的意义及、相量的意义及U/I相量相量1PPSt1、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n

13、T0，nT0+T0)4、每一观察点的相量称为同步相量4、同步相量定义、同步相量定义Vmt = 0(1 PPS)Vmt = 0(1 PPS)signalx(t) 0度 -90度AAPPS1t5、PMU与其他装置的测量不同与其他装置的测量不同uumUmtfCOSUU/)*2(*2*iimUmtfCOSII/)*2(*2*iummIURTU、 iummIURELAY、 tIUiuFRmm、 tIUiuPMUiumm、 tf *2 *2dt*dfd 2)0(*2*2dtd 2ffdf6、同步相量角度与、同步相量角度与 t / f 的关系的关系fnn2/ )2()( t0m000000)(222)(2

14、TnfkfnfkTtkTfmsU为最大值的时间点为 tm(n)，（n=,-2,-1,0,1,2,3,4,5,）/)*2(*2*AtfCOSAUtf *2 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、不同观察点的同步相量角度knknknknknknknkn0+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+

15、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+7/871假设 ，那么 在任何时刻永久不变 0 s0 ff 2观察点为3周波点(60ms)0 0 0 0 0 0 0 0 0 观察点Kn同步相量

16、同步相量f=f000013126239341245155618672170001*)3(2 Tff0002*)3(2 Tff0003*)3(2 Tff0004*)3(2 Tff0006*)3(2 Tff0007*)3(2 Tff0005*)3(2 Tff3观察点为2周波点(40ms)0 0 0 0 0 0 0 0 0 观察点Kn同步相量同步相量f=f00001212423634845105612671470001*)2(2 Tff0002*)2(2 Tff0003*)2(2 Tff0004*)2(2 Tff0005*)2(2 Tff0006*)2(2 Tff0007*)2(2 Tff4观察点为

17、整周波点(20ms)0 0001*)(2 Tff0002*)(2 Tff0003*)(2 Tff0004*)(2 Tff0005*)(2 Tff0006*)(2 Tff0007*)(2 Tff0 0 0 0 0 0 0 0 观察点kn同步相量同步相量f=f00001112223334445556667775观察点为 0.5*整周波点(10ms)0 0 0000 )01 ( Tff0 0001*)(2 Tff0000 )23( Tff0002*)(2 Tff0000 )45( Tff0003*)(2 Tff0000 )67( Tff观察点kn同步相量同步相量f=f000/2011/2022/21

18、33/2144/2255/2266/2377/230 0 0 0 0 0 6观察点为 1/4整周波点(5ms)0 观察点Kn同步相量同步相量f=f000/4011/4022/4033/4044/4155/4166/4177/4100002/ )01 ( 2/ Tff0000 )02(2/ Tff00002/- )03 ( 2/ Tff00002/ )45(2/ Tff0000 )46(2/ Tff0000 )44(2/ Tff00002/- )47 ( 2/ Tff02/00 02/- 0 02/002/- DFTDFTDFT 50 Hz数数据据计计算算f df/dt暂态检测暂态检测正序正序触

19、发标志触发标志实实时时输输出出GPS Time Receiver0.1msPowerSystemUa/Ub/UcIa/Ib/Ic输入输入同步采样同步采样计算计算判别及记录判别及记录数据输出数据输出8、相量测量及计算、相量测量及计算Pulse10*/*2*cos)(NiiNnifAn10*/*2*sin)(NiiNnifBn11*sin*cos*)(nntnBntnAnty1/1 AarctgB角度22111/1BAIU基波UI计算计算内电势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：)*)(cos*()sin*(dqdqqIXXIXjIXU)sin(* IId)cos(* IId

20、)sin*/()cos*(IXUIXarctgqq直接测量：U、I、已知参数：Xq、Xd先计算 ：、内电势角度直接测量内电势角度直接测量1*2u1tf2*2ptf=1u = 空载)2010(*0*2p010ttfu初相角初相角)21(*211ttfpuu实时相角实时相角9、测量误差计算、测量误差计算Total Vector ErrorGPSGPS-1.10PMU-1.10PMUt /1t /221)(d两点之间的功角计算10、功角计算、功角计算GPS-1.10PMUt /101指定或计算的参考点对参考点的功角计算t /0时时钟钟模模块块交流电流电压交流电流电压以太网输出以太网输出 主主CPUC

21、PU DSPDSP板上时钟板上时钟外部外部GPSGPS内部内部GPSGPS电缆电缆1PPS1PPS光纤光纤1PPS1PPS开关量信号开关量信号显示键盘显示键盘PMU测量硬件发电机转轴信号发电机转轴信号4-20 mA 4-20 mA 信号信号装置的输入信号有：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；PM

22、U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；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-P1344相量相量103定值定值PMU-CS主站主站FTP故障文件故障文件PMU-MPMU-GPMU-GPMU-GPMU构成单元及配置1、系统结构、系统结构 GPSGPS授时守时单元授时守时单元 PMU-GPSPMU-GPS 线路测量装置线路测量装置 PMU-M

23、PMU-M 发电机测量装置发电机测量装置 PMU-GPMU-G 通信管理单元通信管理单元 PMU-CSPMU-CS 就地分析子站就地分析子站 PMU-PPMU-P2、单元组成、单元组成时时间间控控制制单单元元GPSGPS模块模块守守时时模模块块光纤信号光纤信号天天线线时时间间分分配配单单元元串行口信号串行口信号1、天线的长度可为30501001km2、输出接口不够时可通过输入信号进行级联输入信号输入信号3、PMU-GPS线线路路测测量量装装置置1M1MPTPTCTCT状状态态接接点点GPSGPS同同步步相相量量实实时时数数据据SCADASCADA/WAMS/WAMS1、n*6 模拟量n=线路）

24、2、n*16 开关量n=线路）4、PMU-M发发电电机机测测量量1G1G机端电压电流机端电压电流轴脉冲轴脉冲( (鉴相鉴相/ /转转速速) )状态接点状态接点GPSGPS电压电流同步相量电压电流同步相量SCADASCADA/WAMS/WAMS发电机功角发电机功角内电势同步相量内电势同步相量实时实时UIPQUIPQ数据数据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嵌入式嵌入式CPUCPU国调信息国调信息网调信息网调信息省调信息省调信息就地监控系统信息就地监控系统信息中央告警信号中央告警信号以太网接口以太网接口44FlashFlash存储存储OSO

25、SLinuxLinuxQNXQNX）告警控制告警控制6、PMU-CS以太网以太网计算机计算机OSOS200G200G存储存储参数设置参数设置画面显示画面显示告警音响告警音响7、PMU-P。SMU-1MSMU-1G1CSGPSSMU-1P主站主站1PPS10KHzRS232TX/RX变电站发电厂测量组屏）PMU安装及通信模式500KV间隔间隔PMU-M主站主站变电站测量按间隔分散）220KV间隔间隔110KV间隔间隔远动远动机房机房PMU-CSPMU-M主站主站发电厂测量分散安装）PMU-G 远动远动机房机房PMU-CSPMU-G PMU-G PMU-G 测量精度测量精度:0.1%:0.1%，f

26、:0.001Hzf:0.001Hz授时授时/ /守时精度守时精度:5us:5us、55us/255us/2小时小时发电机内电势相角测量发电机内电势相角测量pPMUPMU关键技术关键技术频率精度：频率精度：0.001Hz，需解决问题：，需解决问题：1高精度计数源高精度计数源2软件频率计算平滑软件频率计算平滑1. 1.测量精度问题：测量精度问题：0.10.1，f:0.001Hzf:0.001Hz模拟精度：模拟精度：0.1%，需解决问题：，需解决问题：1高精度测量：电流范围：高精度测量：电流范围：0-3In，16位位A/D，分辨率，分辨率 1V/65536=15uV，需要较好的电磁兼，需要较好的电磁

27、兼容性设计容性设计2高速计算，多次迭代：双高速计算，多次迭代：双CPU快速采快速采样样, FFT计算计算 ，每周波，每周波200点，点， 1-99次谐波次谐波授时精度考虑：授时精度考虑： GPSGPS模块精度误差模块精度误差(100ns)(100ns) 1PPS1PPS上升沿误差上升沿误差(100ns)(100ns) CPUCPU采样时间响应误差采样时间响应误差(1us(1us左右左右) ) 光纤传输延迟误差光纤传输延迟误差(5us/1km)(5us/1km)(可校）可校）2. 2.授时授时/ /守时精度守时精度:5us:5us、55us/255us/2小时小时%/06. 0)360*2000

28、0/1 (*1000000*%)*300000/(1 (kususkKmKm每公里沿迟角度当当k%=40%k%=40%时，沿迟时，沿迟0.150.15度度守时精度考虑：守时精度考虑： GPSGPS传导微波信号，易受到干扰传导微波信号，易受到干扰 GPSGPS受到干扰时时间精度无参考价值受到干扰时时间精度无参考价值 以上是目前以上是目前GPSGPS时间不准的主要原时间不准的主要原因因 采用高稳定度晶振实现守时采用高稳定度晶振实现守时 采用原子钟技术实现守时采用原子钟技术实现守时9us/9us/天）天）目前采用目前采用10e-910e-9的的XTALXTAL实现实现55us/255us/2小时小时

29、未来采用未来采用Atomic Clock ChipAtomic Clock Chip10e-1010e-10以上以上实现实现 9us/249us/24小时小时3. 3.发电机内电势相角测量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数值计算 发电机内电势初相角自动测定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程/现场维护pPMUPMU应用介应用介绍绍PMU-MPMU_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

30、探头前置放大机端电流电压PMU-GGPSLAN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-CSM以太网转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

31、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PMUDCSEthernet/RS232PMUSCADAEthernet/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

32、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。 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、灵敏、丰富的图元编辑功能。4、历史数据管理

33、 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COMTR

34、ADE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。通信规约:一个通道3个管道数据管道: 相量自动传输命令管道: 命令传输离线管道: 文件传输 first transmitted last transmitted . . . MSBLSB DATA 1 FRAMESIZE SOC SYNC DATA 2 DATA N CHK firsttransmittedlasttransmittedCMDIDCODECHKSYNCSOCFRAMESIZE数据帧格式命令帧格式远程/当地维护通过广域网在主站远程维护 在线程序修改参数配置障诊断PMU日常主要问题1 主站角度不对 GPS不能对时GPS设备坏