同步相量测量装置PMU构成及原理讲座

优选同步相量测量装置PMU构成及原理讲座当前第1页\共有91页\编于星期二\4点2PMU主站A1//t当前第2页\共有91页\编于星期二\4点3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测试介绍问题讨论当前第3页\共有91页\编于星期二\4点4PMU国内外概况当前第4页\共有91页\编于星期二\4点5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（WideAreaMeasurementSystem）．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。当前第5页\共有91页\编于星期二\4点6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.国内外概况当前第6页\共有91页\编于星期二\4点7WAMS技术发展状况国内外概况主站通信子站当前第7页\共有91页\编于星期二\4点81）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小时当前第8页\共有91页\编于星期二\4点93）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

100M／1000M数据网建设成为电力公司通信的建设目标当前第9页\共有91页\编于星期二\4点105）稳定成熟的主站系统（1）WAMS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）当前第10页\共有91页\编于星期二\4点116）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）当前第11页\共有91页\编于星期二\4点12国内外主要PMU制造商Rochestor

（TR-2000）Macrodyne

（1690）SEL

（SEL-421）ArbiterSystems

（1133A）ABB（RES521）电科院（ADX3000／PAC-2000）四方（CSS-200）南瑞（SMU-1）国内外概况当前第12页\共有91页\编于星期二\4点13PMU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）国内外概况当前第13页\共有91页\编于星期二\4点14PMU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1616采样点/周384200对时GPS/1usGPS/1us通信10M*110/100M*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当前第14页\共有91页\编于星期二\4点15PMU主要参考文件1、IEEEstd1344（1995）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）国内外概况当前第15页\共有91页\编于星期二\4点16PMU主要功能当前第16页\共有91页\编于星期二\4点171、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/Фua；B相电压同步相量Ub/Фub；C相电压同步相量Uc/Фuc；正序电压同步相量U1/Фu1；A相电流同步相量Ia/Фia；B相电流同步相量Ib/Фib；C相电流同步相量Ic/Фic；正序电流同步相量I1/Фi1；开关量当前第17页\共有91页\编于星期二\4点18(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/Фua；机端B相电压同步相量Ub/Фub；机端C相电压同步相量Uc/Фuc；机端正序电压同步相量U1/Фu1；机端A相电流同步相量Ia/Фia；机端B相电流同步相量Ib/Фib；机端C相电流同步相量Ic/Фic；机端正序电流同步相量I1/Фi1；内电势同步相量ε/Ф(ε)；发电机功角δ；开关量当前第18页\共有91页\编于星期二\4点19(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当前第19页\共有91页\编于星期二\4点202、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。当前第20页\共有91页\编于星期二\4点212）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。当前第21页\共有91页\编于星期二\4点223、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/IEEEPC37.111-1991（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当前第22页\共有91页\编于星期二\4点235、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：2M／10M／

100M／64K／Modem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）当前第23页\共有91页\编于星期二\4点24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工作原理当前第24页\共有91页\编于星期二\4点25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、正弦函数与复函数当前第25页\共有91页\编于星期二\4点26复常数2、向量／相量／矢量／旋转矢量／旋转相量ω=2πf相量为唯一矢量，随着时间变化，相量以ω的速度旋转，形成旋转相量，但从nT0的时间点看，相量一直不变当前第26页\共有91页\编于星期二\4点27ωω01、如果以ω0为参考旋转矢量，则当ω＝ω0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ω不等于ω0时，U相量仍然旋转当前第27页\共有91页\编于星期二\4点28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相量当前第28页\共有91页\编于星期二\4点291PPSt1、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、同步相量定义当前第29页\共有91页\编于星期二\4点30Vmt=0(1PPS)Vmt=0(1PPS)signalx(t)0度-90度当前第30页\共有91页\编于星期二\4点31当前第31页\共有91页\编于星期二\4点32AAt5、PMU与其他装置的测量不同当前第32页\共有91页\编于星期二\4点336、同步相量角度与t/f的关系当前第33页\共有91页\编于星期二\4点34U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当前第34页\共有91页\编于星期二\4点35knknknknknknknkn0+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+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+7/87当前第35页\共有91页\编于星期二\4点361）假设，则在任何时刻永久不变当前第36页\共有91页\编于星期二\4点372）观察点为3周波点(60ms)观察点Kn同步相量同步相量f=f00001312623934124515561867217当前第37页\共有91页\编于星期二\4点383）观察点为2周波点(40ms)观察点Kn同步相量同步相量f=f0000121242363484510561267147当前第38页\共有91页\编于星期二\4点394）观察点为整周波点(20ms)观察点kn同步相量同步相量f=f0000111222333444555666777当前第39页\共有91页\编于星期二\4点405）观察点为0.5*整周波点(10ms)观察点kn同步相量同步相量f=f000/2011/2022/2133/2144/2255/2266/2377/23当前第40页\共有91页\编于星期二\4点416）观察点为1/4整周波点(5ms)观察点Kn同步相量同步相量f=f000/4011/4022/4033/4044/4155/4166/4177/41当前第41页\共有91页\编于星期二\4点42DFTDFTDFT50Hz数据计算fdf/dt暂态检测正序触发标志实时输出GPSTimeReceiver0.1msPowerSystemUa/Ub/UcIa/Ib/Ic输入同步采样计算判别及记录数据输出8、相量测量及计算Pulse当前第42页\共有91页\编于星期二\4点43U／I计算当前第43页\共有91页\编于星期二\4点44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、φ已知参数：Xq、Xd先计算：δ、ε当前第44页\共有91页\编于星期二\4点45内电势角度直接测量=

=

＝空载初相角实时相角当前第45页\共有91页\编于星期二\4点469、测量误差计算TotalVectorError当前第46页\共有91页\编于星期二\4点47GPSGPSPMUPMU两点之间的功角计算10、功角计算当前第47页\共有91页\编于星期二\4点48GPSPMU指定或计算的参考点对参考点的功角计算当前第48页\共有91页\编于星期二\4点49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4-20mA信号当前第49页\共有91页\编于星期二\4点50装置的输入信号有：１）线路电压、线路电流信号的输入（监控CT)；２）开关量信号的输入；３）发电机轴位置脉冲的输入，可以是鉴相信号或转速信号；４）用于励磁、AGC等的4-20mA控制信号；５）GPS标准时间信号；装置的输出信号有：１）用于中央信号的告警信号输出；２）用于通信用的10/100M以太网及RS232接口（采用IEEEstd1344通信标准）；３）用于控制用的4-20mA输出；当前第50页\共有91页\编于星期二\4点51PMU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当前第51页\共有91页\编于星期二\4点52１）GPS授时信号处理模块；２）模拟量信号采集处理模块；３）开关量信号采集处理模块；４）发电机内电势信号采集处理模块；５）数据转换模块（如：将三相电压转换成正序量传送）；６）通信模块；７）扰动录波模块；８）控制输出模块（输出4-20mA控制信号）；当前第52页\共有91页\编于星期二\4点53PMU-P1344相量103定值PMU-CS主站FTP故障文件PMU-MPMU-GPMU-GPMU-GPMU构成单元及配置1、系统结构当前第53页\共有91页\编于星期二\4点54GPS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-P2、单元组成当前第54页\共有91页\编于星期二\4点55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30／50／100／1km2、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当前第55页\共有91页\编于星期二\4点56线路测量装置1MPTCT状态接点GPS同步相量实时数据SCADA/WAMS1、n*6模拟量（n=线路）2、n*16开关量（n=线路）4、PMU-M当前第56页\共有91页\编于星期二\4点57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4－20mA输入3、1路键相脉冲4、1路转速脉冲5、PMU-G当前第57页\共有91页\编于星期二\4点58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>4Flash存储OS（Linux／QNX）告警控制6、PMU-CS当前第58页\共有91页\编于星期二\4点59以太网计算机OS200G存储参数设置画面显示告警音响7、PMU-P当前第59页\共有91页\编于星期二\4点60。。。SMU-1MSMU-1G1CSGPSSMU-1P主站1PPS10KHzRS232TX/RX变电站／发电厂测量（组屏）PMU安装及通信模式当前第60页\共有91页\编于星期二\4点61500KV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当前第61页\共有91页\编于星期二\4点62PMU-M主站发电厂测量（分散安装）PMU-G远动机房PMU-CSPMU-GPMU-GPMU-G当前第62页\共有91页\编于星期二\4点63测量精度:0.1%，f:0.001Hz授时/守时精度:5us、55us/2小时发电机内电势相角测量PMU关键技术当前第63页\共有91页\编于星期二\4点64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次谐波当前第64页\共有91页\编于星期二\4点65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、55us/2小时当k%=40%时，沿迟＝0.15度当前第65页\共有91页\编于星期二\4点66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）当前第66页\共有91页\编于星期二\4点67目前采用（10e-9）的XTAL实现55us/2小时当前第67页\共有91页\编于星期二\4点68未来采用AtomicClockChip（10e-10以上）实现9us/24小时当前第68页\共有91页\编于星期二\4点693.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当前第69页\共有91页\编于星期二\4点70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PMU应用介绍当前第70页\共有91页\编于星期二\4点71PMU-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当前第71页\共有91页\编于星期二\4点72转轴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：转速当前第72页\共有91页\编于星期二\4点73１号机PMU-G２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当前第73页\共有91页\编于星期二\4点74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）当前第74页\共有91页\编于星期二\4点75PMU-CS１０M以太网转２M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2M／10M／100M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地址广域网接入当前第75页\共有91页\编于星期二\4点76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AGC4－20毫安信号是否独立接入GPS（根据光纤的长度）机组信号接入当前第76页\共有91页\编于星期二\4点77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天线安装当前第77页\共有91页\编于星期二\4点78电厂当地数据接口PMUDCSEthernet/RS232PMUSCADAEthernet/RS232变电站当前第78页\共有91页\编于星期二\4点79（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。

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当前第79页\共有91页\编于星期二\4点803、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。当前第80页\共有91页\编于星期二\4点81（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）