PMU构成及原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,同步相量测量装置,Phasor Measurement Unit(PMU),Phasor Monitor Unit(PMU),A1/,/t,南京南瑞集团公司,主讲人：徐石明,高级工程师,13805187238,1,PMU,主站,A1/,/t,2,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,3,PMU,国内外概况,4,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（,W,ide,A,rea Measurement System）,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。,5,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,6,WAMS技术发展状况,国内外概况,主站,通信,子站,7,1）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）,（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,8,3）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PMU,4）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,9,5）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）,10,6）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）,11,国内外主要PMU制造商,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,12,PMU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,13,PMU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 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,14,PMU主要参考文件,1、IEEE std 1344（1995）,2、EPRI：PC37.118,3、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,15,PMU,主要功能,16,1、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,/,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,17,(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,18,(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,19,2、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。,20,2）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。,21,3、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 PC37.111-1991（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,22,5、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：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）,23,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,24,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,25,复常数,2、向量相量矢量旋转矢量旋转相量,=2f,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,26,0,1、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,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,27,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,28,1PPS,t,1、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,29,Vm,t=0,(1 PPS),Vm,t=0,(1 PPS),signal,x(t),0度,-90度,30,31,A,A,t,5、PMU与其他装置的测量不同,32,6、同步相量角度与 t/f 的关系,33,U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,34,k,n,k,n,k,n,k,n,k,n,k,n,k,n,k,n,0+0/8,0,1+0/8,1,2+0/8,2,3+0/8,3,4+0/8,4,5+0/8,5,6+0/8,6,7+0/8,7,0+1/8,0,1+1/8,1,2+1/8,2,3+1/8,3,4+1/8,4,5+1/8,5,6+1/8,6,7+1/8,7,0+2/8,0,1+2/8,1,2+2/8,2,3+2/8,3,4+2/8,4,5+2/8,5,6+2/8,6,7+2/8,7,0+3/8,0,1+3/8,1,2+3/8,2,3+3/8,3,4+3/8,4,5+3/8,5,6+3/8,6,7+3/8,7,0+4/8,0,1+4/8,1,2+4/8,2,3+4/8,3,4+4/8,4,5+4/8,5,6+4/8,6,7+4/8,7,0+5/8,0,1+5/8,1,2+5/8,2,3+5/8,3,4+5/8,4,5+5/8,5,6+5/8,6,7+5/8,7,0+6/8,0,1+6/8,1,2+6/8,2,3+6/8,3,4+6/8,4,5+6/8,5,6+6/8,6,7+6/8,7,0+7/8,0,1+7/8,1,2+7/8,2,3+7/8,3,4+7/8,4,5+7/8,5,6+7/8,6,7+7/8,7,35,1）假设 ，则 在任何时刻永久不变,36,2）观察点为3周波点(60ms),观察点,K,n,同步相量,同步相量f=f0,0,0,0,1,3,1,2,6,2,3,9,3,4,12,4,5,15,5,6,18,6,7,21,7,37,3）观察点为2周波点(40ms),观察点,K,n,同步相量,同步相量f=f0,0,0,0,1,2,1,2,4,2,3,6,3,4,8,4,5,10,5,6,12,6,7,14,7,38,4）观察点为整周波点(20ms),观察点,k,n,同步相量,同步相量f=f0,0,0,0,1,1,1,2,2,2,3,3,3,4,4,4,5,5,5,6,6,6,7,7,7,39,5）观察点为 0.5*整周波点(10ms),观察点,k,n,同步相量,同步相量f=f0,0,0/2,0,1,1/2,0,2,2/2,1,3,3/2,1,4,4/2,2,5,5/2,2,6,6/2,3,7,7/2,3,40,6）观察点为 1/4整周波点(5ms),观察点,K,n,同步相量,同步相量f=f0,0,0/4,0,1,1/4,0,2,2/4,0,3,3/4,0,4,4/4,1,5,5/4,1,6,6/4,1,7,7/4,1,41,DFT,DFT,DFT,50 Hz,数,据,计,算,f df/dt,暂态检测,正序,触发标志,实,时,输,出,GPS Time Receiver,0.1ms,Power,System,Ua/Ub/Uc,Ia/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,42,UI计算,43,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、,已知参数：Xq、Xd,先计算 ：、,44,内电势角度直接测量,=,=,空载,初相角,实时相角,45,9、测量误差计算,Total Vector Error,46,GPS,GPS,PMU,PMU,两点之间的功角计算,10、功角计算,47,GPS,PMU,指定或计算的参考点,对参考点的功角计算,48,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,4-20 mA 信号,49,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；,50,PMU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,51,）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）；,52,PMU-P,1344相量,103定值,PMU-CS,主站,FTP故障文件,PMU-M,PMU-G,PMU-G,PMU-G,PMU构成单元及配置,1、系统结构,53,GPS,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-P,2、单元组成,54,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30501001km,2、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,55,线路测量装置1M,PT,CT,状态接点,GPS,同步相量,实时数据,SCADA/WAMS,1、n*6 模拟量（n=线路）,2、n*16 开关量（n=线路）,4、PMU-M,56,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420mA输入,3、1路键相脉冲,4、1路转速脉冲,5、PMU-G,57,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4,Flash存储,OS（,LinuxQNX,）,告警控制,6、PMU-CS,58,以太网,计算机,OS,200G存储,参数设置,画面显示,告警音响,7、PMU-P,59,。,SMU-1M,SMU-1G,1CS,GPS,SMU-1P,主站,1PPS,10KHz,RS232,TX/RX,变电站发电厂测量（组屏）,PMU安装及通信模式,60,500KV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,61,PMU-M,主站,发电厂测量（分散安装）,PMU-G,远动机房,PMU-CS,PMU-G,PMU-G,PMU-G,62,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,63,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,64,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,65,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）,66,目前采用（10e-9）的XTAL实现,55us/2小时,67,未来采用Atomic Clock Chip（10e-10以上）实现 9us/24小时,68,3.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,69,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,70,PMU-M,PMU_CS,省调,网调,当地,国调,PMU-GPS,变电站测量系统配置,现场配置,71,转轴探头,前置放大,机端电流电压,PMU-G,GPS,LAN,发电机测量配置,磁阻式：键相,电容式：振动,光电式：转速,72,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,73,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,）,74,PMU-CS,M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,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,75,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 4,20,毫安信号,是否独立接入,GPS,（根据光纤的长度）,机组信号接入,76,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,77,电厂,当地数据接口,PMU,DCS,Ethernet/RS232,PMU,SCADA,Ethernet/RS232,变电站,78,（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,79,3、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。,80,（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COMTRADE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。,81,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,数据帧格式,命令帧格式,82,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,83,PMU日常主要问题,1 主站角度不对,GPS不能对时GPS设备坏测量单元坏,2 某一部分的角度不动,某一测量单元失去通信,3 通信无链接,广域网设置 通道规约,4 能通信不能取得离线文件,联线文件存储器坏,5 连续两端的角度差距太大,PMU装置正常否?PMU校验过吗?,84,PMU,测试介绍,85,电流、电压基本误差测试,有功、无功基本误差测试,频率基本误差测试,不同频率状态下频率测试,功率因数基本误差测试,交流输入量频率变化引起的电压、电流改变量试验,交流输入量功率因数变化引起的有功、无功功率改变量试验,86,电源电压变化对电压、电流、有功、无功的改变量试验,状态量输入试验,电压、电流绝对相角基本误差测试,电压、电流动态绝对相角误差测试,三相不平衡对有功、无功功率引起的改变量试验,交流输入量频率变化引起的电压、电流绝对相角改变量试验,交流输入量波形畸变引起的电压、电流绝对相角改变量试验,87,发电机内电势绝对相角、发电机功角误差测试,频率渐进变化过程中绝对相角、频率误差测试,系统振荡情况下绝对相角、频率误差测试,单相短路情况下绝对相角、频率误差测试,叠加谐波情况下绝对相角、频率误差测试,电源电压变化对绝对相角、频率测量的改变量试验,GPS,同步时钟锁信能力测试,GPS,同步时间准确度试验,装置,GPS,失去同步后的守时误差测试,88,命令管道命令传输准确性测试,数据管道数据传输准确性测试,数据帧发送均运行测试,离线管道文件传输准确性测试,误差分析：对绝对误差、相对误差、均方根误差、数据可信度,89,实验室测试:,高速录波器,GPS,脉冲发生器,稳定交流源,模拟主站接收数据,人工计算,90,现场测试,测试仪,交流源,91,谢 谢,92,