PMU系统学习介绍

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三年十一月内容电力系统分析与控制的需求本地相位测量的实例GPS原理介绍相量测量装置PMU原理相量测量装置开发相量测量效果潮流计算的目标依赖于给定的系统结构和参数，计算导纳矩阵Y=G+jB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P、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？相量测量的基本原理相角测量可以采用过零检测法、快速傅立叶变换法(ＦＦＴ)和离散傅立叶变换法等过零检测法的原理是由ＣＰＵ对过零点电压打上时间标签，并求出其相对于标准50Ｈｚ信号的角度本地相位测量实例（一）功率、功率因素的测量本地相位测量实例（二）发电机并网同期装置并网条件：频率电压幅值电压相位差相量测量的关键因素相量测量的关键是需要进行同步测量而同步测量的基础是获得足够精度的统一时间基准对于50Ｈｚ的工频量来讲,1ｍｓ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？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、信号延时用途：近距离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；GPS0.0005msGPS系统介绍GPS的全称为导航卫星定时测距全球定位系统(NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem)GPS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该系统提供了全球范围内易获取精度为1us的定时脉冲导航星全球定位系统是卫星无线电导航定位系统的一种20世纪70年代初，美军继“子午仪”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的研制其间经历了四个阶段：方案论证阶段(1973～1979年)工程研制试验阶段(1980～1985年)试运行阶段(1986～1990年)完善与应用阶段(1991～1995年)

GPS系统组成GPS系统包括三大部分：空间部分、地面控制部分、用户设备部分GPS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60°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GPS授时的优点全球全天候连续工作，用户数量不限精度高。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GPS采用了扩频和伪码技术，抗干扰能力强可靠性高，信号易于获得GPS系统的局限性及对策GPS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收GPS和Glonass系统的信号

2003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。“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。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：同步旋转轴系远方某台机为参考惯性中心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：这些信号的采样是同步完成的各地功角信号是相对于相同的同步旋转轴系对应的GPS作用：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

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之间的相角差相对功角计算原理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

相量测量装置整体设计

GPS模块

数据采集模块

计算模块通讯模块

控制模块

系统软件程序

误差和时延分析

装置整体结构图

测量装置外观

GPS接收板结构图

GPS模块GPS信号板和天线的实物图GPS同步时钟信号板原理图

GPS的1PPS和10KHz信号数据采集模块采集卡特点标准32位PCI总线

12位的数据精度

高速ADS774芯片

三种触发模式

数字输入、输出通道同步采样流程注册板卡初始化板卡置控制电平为低设置采样模式置控制电平为高进入循环采样同步采样的时序图计算原理

通讯模块

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；

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

装置软件A/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。

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。

GPS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。

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