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1、同步相量测量装置培训Phasor Measurement Unit(PMU)Phasor Monitor Unit(PMU)A1/t,南京南瑞集团公司,PMU,主站,A1/t,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,PMU国内外概况,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（Wide Area Measurement System）目前国内大多数
2、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。,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,WAMS技术发展状况,国内外概况,主站,通信
3、,子站,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,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（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
4、）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）,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,PMU设计
5、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,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
6、机键相测量 无 有,国内外概况,PMU主要参考文件,1、IEEE std 1344（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,PMU主要功能,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,(2)测量发电机机端三相电压、三相电流、开关量、转轴键相信
7、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,(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
8、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 PC37.111-1991（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
9、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
10、单元及配置PMU安装及通信模式,PMU工作原理,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,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,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,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、
11、相量的意义及U/I相量,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,0度,-90度,A,A,t,5、PMU与其他装置的测量不同,6、同步相量角度与 t/f 的关系,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,1）假设，则 在任何时刻永久不变,2）观察点为3周波点(60ms),3）观察点为
12、2周波点(40ms),4）观察点为整周波点(20ms),5）观察点为 0.5*整周波点(10ms),6）观察点为 1/4整周波点(5ms),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,PowerSystem,Ua/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,UI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：,直接测量：U、I、已知参数：Xq、Xd先计算：、,内电势角度直接测量,=,=,空载,初相角,实时相角,9、测
13、量误差计算,Total Vector Error,GPS,GPS,两点之间的功角计算,10、功角计算,GPS,指定或计算的参考点,对参考点的功角计算,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,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
14、/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；,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,）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-P,1344相量,103定值,PMU-CS,主站,FTP故障文件,PMU-M,PMU-G,PMU-G,PMU-
15、G,PMU构成单元及配置,1、系统结构,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,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30501001km2、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,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,发电机测量1G,机端电压电流,轴脉冲(鉴相/转速),
16、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,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,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,。,SMU-1M,SMU-1G,1CSGPS,SMU-1P,主站,1PPS10KHzRS232TX/RX,变电站发电厂测量（组屏）,PMU安装及通信模式,5
17、00KV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,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,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,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
18、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,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,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）,目前采用（10e-9）的XTAL实现55us/2小时,未来采用Atomic Clock
19、 Chip（10e-10以上）实现 9us/24小时,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,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,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,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,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,G
20、PS,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-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Receive
21、r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,PMU,DCS,Ethernet/RS232,PMU,SCADA,Ethernet/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
22、、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
23、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
24、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,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?,PMU测试介绍,电流
25、、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,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,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,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,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,现场测试,测试仪,交流源,谢 谢,
