（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的广域相量测量装置的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o l l o w i n gw i t ht h es h a p e db i gp o w e ri n t e r c o n n e c t e dg a da n dt h ei r n p e l i n go f p o w e rm a r k e tr e f o r m i n g ，i ti sn e e d e dt h a tas y s t e mc a nm o n i t o rt h es t a t u so fw i d e a r e ap o w e rn e t a sar e s u l to ft h i ss i t u a t i o n , aw i d ea r e am e 舢e m e ms y s t e m b e c o m e st u r e t h ep e r f o r m a n c eo fp m ut a k e sa nd e r e c te f f e c to nt h ee f f e c t i v i t y a n d p r e c i s i o n i nt h i sa r t i c e ，w eb r i n gf o r w a r dan e wm e t h o do fp m u f o l l o w i n gi t , t h e s y n c h r o n i z a t i o no ft i m ea n df r e q u e n c ec a l lb ed e c o u p l e d u s i n gt h et i m e t a ga tt h e f r o n to ft h ed a t aw i n d o wo ra tt h em i d d l eo ra tt h ee n dc a l lb ec h o s e nf r e e l y t h e p e r i o do fs y n c h r o n i z a t i o nc a nb ec h o s e nf i e e l y i tc a l lb ed e v i d e dt h r e ep a r t s ： a d a p t i n gs a m p l i n gm o d u l e ，g e n e r a t i n gt h et i m e t a gm o d u l ea n dm i c r o p r o c e s s o r m o d d e t h i sa r t i e ed i s c u s s e st h ea c h i e v i n go f t h et h r e ep a r t sm o d u l e a n dd os o m e r e s e a r c ha n dd e s i g no nh a r d w 孤ea n ds o f t w a r eo fd s pm o d u l eo ft h e m i c r o p r o c e s s o rm o d u l e k e y w o r d ：p o w e rs y s t e m ；p m u ；w i d ea r e am e a s u r e m e n t ； a d a p t i n gs a m p l i n g ；g p s ；d s p b i o s 浙江大学硕e 学位论文 第一章绪论弟一早瑁化 1 1 相量测量装置的研究背景和意义 1 1 1 大电网形成及电力市场改革的挑战 目前，我国电力系统属于弱联系系统，但面临着大区域互联和电力市场 改革的严峻挑战，互联后的系统也将同目前的西方电网一样潜伏着大停电的 危险“1 。 改革开放带来了中国经济的高速发展，电力工业进入高速发展的阶段。 1 9 8 7 年、1 9 9 5 年和2 0 0 0 年我国发电装机容量分别突破1 亿千瓦、2 亿千瓦和 3 亿千瓦。以三峡电站为核心的三峡输电系统即将建成，在我国中部将形成沿 长江流域、包括川渝、华中、华东电网在内的三峡交直流电力系统。与此同 时，北方的华北、东北、西北电网将实现互联；南方电网将进一步加强。1 。届 时，全国将形成北、中、南三大互联电网的格局。由于我国资源分布、能源 政策、经济发展不平衡等形成了中西部能源中心、东部负荷中心的格局，需 要进行区域性能源调度，目前已初步形成“西电东送、南北互供、全国联网” 的局面，预计2 0 2 0 年左右将基本实现全国联网。大电网以大容量发电机组、 超高压远距离传输、交直流混合灵活供电等为标志，优点是可以合理利用资 源、节省投资、降低运行费用并提高效率。1 。但随着互联但随之也带来了安全 隐患，即局部电网的某些个别问题，特别是发生短路故障等情况，其影响将 波及邻近的广大地域，可能诱发恶性连锁反应，最终酿成大面积停电的重大 系统事故“1 。 以2 0 0 2 年“厂网分开”为标志，我国电力工业进入了电力市场化改革时 代。电力市场的逐步形成，电力工业由发电、输电、配电一体化的垂直垄断 体制演变为开放、竞争的市场化运行机制，在提高电力系统运行效率的同时 使电力系统的运行点愈发靠近其稳定极限，同时也增加了电力系统规划和运 行的不确定和不安全因素嗍。0 3 年8 1 7 美加大停电最重要的一条经验就是， 在电力市场改革的同时，需要加强大电网的安全防御功能，开发新一代的电 l 浙江大学硕t 学位论文 网技术旧。 1 1 2 现有监测系统存在的问题 现有以s c a d a e m s 及有关应用软件( 如状态估计和静态安全分析等) 为代表的调度检测系统实质上是在潮流水平上的电力系统稳态行为监测系 统。但系统仅采集电压、电流、有功、无功等的有效值，缺乏对描述系统机 电动态行为十分重要的相角、内电势及其派生量；且其得到的系统数据是历 史的、不同步的，因此只能监测系统稳态或准稳态运行情况，不能监测和辨 识电力系统的动态行为“。 故障录波装置由于缺乏全局的算法和必要的通讯联系、无法测量异地机 组或母线间的相位关系等局限无法给出全局的同步动态过程描述，只能观测 和监视电力系统的稳态运行状况，记录扰动前后局部量的动态，实际上只是 潮流和母线电压的稳态运行数值，还不包括各发电机内部电气量和发电机调 节控制装置的运行情况。 s c a d e m s 及故障录波器有一个共同的不足，即不同地点之间缺乏准 确的共同时间标记，记录数据只是局部有效，难以用于对全系统动态特性的 分析工作，2 0 0 3 年美加大停电就是一个见证。1 。以往乃至目前的电力系统控 制研究领域一直强调分散性就地性，即对电力系统中的某一动态元件仅采用 本地量测量构成反馈控制。“”1 ，以便于控制的实现。但通常电力系统的动态问 题本质上具有全局性( 如暂态稳定问题) ，而分射就地控制只是通过本地量测量 间接地包含一些全局信息，因此在提高全系统稳定性上有一定局限性限制了 调度运行部门快速确定电网的动态扰动性质，不利于调度运行部门及时选择 正确的控制措施。在这种背景下，迫切需要引入新的技术手段来研究市场环 境下大规模交直流互联电力系统的安全分析、监视及实时稳定控制问题。 1 2 研究同步相量测量技术的意义 相量测量方面的研究应用被称为当前电力系统三项前沿课题之一“1 ，是未 来电力系统的主要技术之一嘲。电力系统中的电量( 如电流、电压等) 均为正 弦量，正弦量的三要素分别为幅值、频率和初始相角。对于同频率的电量来 2 浙江大学硕i _ - 学位论文 讲，幅值和相角是关键因素，而长期以来电量的幅值可方便地测量，但相角 测量却是一个未解的难题1 。相角( 包括发电机的功角和母线电压相角) 是 反映系统稳定性的最主要的状态量，实现相角的实时测量是电力系统稳定监 测和控制的关键基础。同步相量测量技术在电力系统中可有以下应用 广域动态监测系统( w a m s ) 其思路是，在发电厂和变电站安装相量测量单元( p m u ) ，它将带时标的相 量数据打包并通过高速通信网络传送到数据分析中心，数据分析中心对各子 站的相量进行同步处理和存储，并可计算系统惯性中心相角和各机组、母线 的相对相角，进一步由相应的应用程序，对相量数据执行实时评估以动态监 视电网的安全稳定性，或进行离线分析为系统的优化运行提供依据，进一步 与控制结合起来，提高电网的安全稳定水平和传输能力。 电能质量监测 能实时地监测整个网络中的各种电能质量参数，当出现异常时能非常迅 速而准确的定位故障来源。 状态估计与动态监视 应用同步相量测量技术，系统各节点正序电压相量与线路的正序电流相 量可以直接测得，系统状态则可由测量矢量左乘一个常数矩阵获得，使得动 态状态估计成为可能。 稳定预测与控制 同步相量测量技术可在扰动后的一个观察窗内实时监视、记录动态数据， 利用这些数据可以预测系统的稳定性，并产生相应的控制决策。 模型验证 电力系统的许多运行极限是在数值仿真的基础上得到的而仿真程序是否 正确在很大程序上取决于所采用的摸型。同步相量测量技术使直接观察扰动 后的系统振荡成为可能，比较观察所得的数据与仿真的结果是否一致以验证 模型，修正模型直到二者一致。 继电保护及故障定位 同步相量测量技术能提高设备保护、系统保护等各类保护的效率。同步 相量测量技术对故障点的准确定位将简化和加快输电线路的维护和修复工 浙江大学硕士学位论文 作，从而提高电力系统供电的连续性和可靠性。 1 3 相量测量技术的国内外现状 1 3 1 国外研究现状 1 9 6 5 年美国东北部的大停电，引发了许多富饶地区致力研究电力系统运 行特性，以使电力系统更为安全。最早的，美国维吉尼亚工学院开始了广域 测量用于电网状态监测的研究。在世界范围，从7 0 年代后期对称分量距离继 电器( s c d r ) 的发明、8 0 年代末9 0 年代初采样时钟同步技术的改进和基于 g p s 的同步相量测量单元原型的提出到目前p m u 的部分商业化，经历了一个 漫长的时期“”。 2 0 世纪9 0 年代初，基于g p s 的相量测量单元的成功研制【i i 】，标志着同 步相量技术的诞生。1 9 9 3 年美国p h a d k e a g 博士研制出第1 台p m u ，标志着 同步相量测量技术的实用化“”。此后，世界各国特别是发达国家的电力公司 和科研结构迅速开展了p m u 的应用研究和工程实施。i e e e 在电力系统继电 保护和控制委员会下，设立了一个专门委员会h 7 ：由p h a d k eag 博士任主 席，研究同步相角测量、通讯接口的规则、推荐的标准和可能的应用等“。 1 9 9 4 年美国西部电力系统协调委员会( w s c c ) 启动了广域测量系统 w a m s 计划，通过w a i n s 开发了基于高速监测和快速控制的系统调度运行方 式“”。目的是及时发现系统的动态干扰以避免不稳定状态的蔓延，从而避免 导致系统大范围停运和停电事故的发生。 美国b p a 在约翰迪和马林两个变电站配备了pa d k ea g 博士开发的 p m u “，测量数据通过微波送到b p a 实验室。 田纳西流域管理局( t v a ) 是个大电力公司，有6 0 0 条主干线，因p m u 价 格较高，经过优化设计，可把p m u 放在6 9 条主干线上，通过这些点的电流、 电压和相角测量，可观测到整个系统的状态，他们正在分期实施此方案。 佛罗里达电力公司f f p l ) 和乔治亚电力公( g p c ) 的联络线上，于1 9 9 3 年 安装了基于同步相角测量的自适应失步保护装置“”。这套装置多次记录了 扰动时联络线上的功率摆动情况，其数据非常有意义。 4 浙江大学硕士学位论文 法国电力公司在1 9 9 7 年组建的基于p m u 的协调防御控制系统，通过重 要节点上的p m u 测量电压相量，覆盖全法国，采用地面微波和卫星通信系统， 一旦异地角度超过预定值，则通过切负荷、切机和解列等措施，阻止局部危 险事件向全网扩散“”。 加拿大魁北克水电局研究了p m u 在串补网络上的应用，并分析了谐振频 率。 英国研制了基于g p s 的扰动录波器，当系统受到扰动时，记录下电压相 量的变化情况。 日本应用同步相量测量技术开发了在线全局动态监测系统，用于研究广 域低频振荡嘲。 1 3 2 国内研究现状 目前，我国电网应用的p m u 产品主要包括：中国电力科学研究院的 p a c 2 0 0 0 电力系统相量测量装置及a d x 3 0 0 0 多功能电力系统稳定性监录仪、 四方继保自动化股份有限公司的c s s 2 0 0 系统、上海南瑞的s m u 同步相量测 量装置、美国m a c r o d y n e 公司的1 6 9 0 等。通过运行实践及有关比对试验 可知，我国p m u 的整体技术水平已经位于世界前列。我国已经投运和拟投运 的同步相量测量子站约有1 0 0 个，这些子站采集时钟的同步误差不超过l g s ， 相角测量精度为o 1 。n 0 5 。，同步频率为2 0 1 0 0 次s ；上送数据包括电压及 电流相量、线路的传输功率、机组出力、发电机内电势、频率、频率变化率 和重要开关信号等。另外，它们还具备长期连续记录动态数据的功能，供电 力系统调度运行单位使用 2 1 o 我国在同步相量测量技术领域的研究始于1 9 9 5 年前后，清华大学电机工 程系率先开始该领域的理论研究和应用开发。2 儿矧。“，并于1 9 9 7 年在黑龙江东 部电网安装了7 个p m u ，标志着我国已经初步具有研发同步相量测量装置的 能力1 。但在功能上只是作为故障录波器使用，没有达到对电网运行状态进 行广域在线监测的目的。 2 0 0 0 2 0 0 2 年，中国电力科学研究院、台湾欧华科技公司和国家电网公司 西北电力调度通信中心联合研制开发了基于g p s 技术的a d x 3 0 0 0 广域电网 浙江大学硕士学位论文 相量测量系统，在华东电网。7 1 和南方电网展开相关建设，并陆续装设于3 3 0k v 马营、桃曲、海石湾、青铜峡这4 座枢纽变电站，不仅可以用于功角稳定监 测，还可以记录更复杂的系统扰动过程，同时具备运行状态的实时在线监测 和记录，以及系统运行的长期稳态数据记录等功能，运行至今，已经取得了 一定的运行经验和宝贵的数据资料。 2 0 0 2 年，清华大学和北京四方继保自动化股份有限公司合作致力于 w a m s 产品的开发工作。这种产学研紧密结合的方式，充分发挥了双方的优 势，当年即推出c s s 2 0 0 电网动态安全监测系统( 江苏电网广域实时监测与 稳定预决策系统) 第一代产品。2 0 0 2 年底，c s s 2 0 0 首先在江苏电网w a m s 一期工程中投入使用”1 。该项目共分三期完成，近期目标是对电力系统的动 态过程进行监测和分析，逐步实现与e m s 及安全自动控制系统的连接，远期 目标是对电力系统的动态过程进行控制。目前，已在江苏电力调度通信中心、 徐州发电厂、5 0 0 k v 斗山变电站投入运行嘲。 2 0 0 3 年后，国调、华北、东北和南方电网等均建设了各自的广域测量系 统，并都采用了c s s 2 0 0 的解决方案。2 0 0 4 年，华东电网广域测量、分析和 保护( w i d ea r e am e a s u r e m e n ta n a l y s i sp r o t e c t i o n ，w a m a p ) 计划也把w a m s 建设纳入其中，并采用了电科院p a c 2 0 0 0 和南瑞系统的s m u 1 相量测量装 置。2 0 0 4 年，河南省调与河海大学合作开发了w a m s 系统，主要布置在河南 省内的发电厂。 浙江大学从1 9 9 8 年开始有关电力系统相量同步测量方面的研究工作，经 过多年努力，取得了包括拥有自主知识产权的发明专利在内( 专利号： z l 0 1 1 1 9 3 9 3 x ) 的一系列有价值的科研成果。在此基础上研制的可实现异地 时间同步和频率同步测量的p m u 试验样机，从2 0 0 2 年7 月起开始在南方电 网5 0 0 k v 变电站挂网试运行且一直稳定运行至今。在试验样机研制的基础上， 经过改进，又研制了6 台p m u 正式样机，并分别于2 0 0 3 年7 月和2 0 0 4 年中 安装在陕西省高压电网上挂网试运行，至今情况良好，得到用户好评。 华北电力大学自1 9 9 4 年就开始对相角测量进行研究，1 9 9 5 年研制了基于 g p s 的相角测量装置，它采用过零检测原理，具有测量精度高、结构简单、 成本价格低等特点，于1 9 9 6 年2 月通过专家评审。同时还与河北省电力公司 6 浙江大学硕士学位论文 合作，进行了相角测量的实验和实施侧。 1 3 3 标准化进程 为规范同步相量技术的发展，i e e e 制定了相关的标准i e e es t a n d a r df o r s y n c h r o p h a s o r sf o rp o w e rs y s t e m s ”“，2 0 0 3 年初国家电力调度通信中心制定了 电力系统实时动态监测系统技术规范( 试行) ，用于规范国内在同步相 量技术方面的开发和应用工作。规范以i e e ec 3 7 1 1 8 为基础，根据我国 实际情况补充完成。其通信协议与i e e ec 3 7 1 1 8 完全一致，使国外的p m u 也可以接人我国主站系统。规范还补充了w a m s 子站和主站的通信流程 和方式。此后，华北、国调中心和东北电网w a m s 的工程实践证明规范 有效保证了国内外厂家p m u 的数据共享。2 0 0 4 年1 0 月，规范完成第一 次修订，各大电网公司参与热情显著提高。此次修订进一步明确了相角和发 电机内电势的概念，它使各p m u 设备不仅在通信协议上方便互联，在数据内 容和物理意义上也保持一致，对进一步制定p m u 的检测标准具有重要指导意 义。规范明确要求相量测量装置优先接人测量t a 回路，以电网动态过程 监测为主，暂态过程记录为辅，把相量测量装置和故障录波器严格区分开。 由于国内已经建成若干w a m s 主站，规范补充规定了w a m s 主站数据 交换的协议和内容，对构建全国w a m s 联合动态监测系统提供了参考。 1 4 本文研究内容 同步相量测量装置的研究，涉及到g p s 应用、电网测量、相量测量算法 研究、时间频率同步问题、单片机技术、通信技术、嵌入式操作系统应用等 诸多方面，本人将在实验室的原有研究基础上，进一步研究实时异地同步问 题，以求简单的方法实现频率同步和时间同步统一、三种时标同步方式可选、 同步周期可选的目标，同时进行基于d s p b i o s 的d s p 编程。本文第一章绪 论，介绍了相量测量装置的研究背景和意义及国内外现状；第二章介绍了基 于d s p 的广域相量测量装置的实现方法，关于时间同步和频率同步的解耦、 首中末点三种时标同步方式可选、同步周期可选等目标的实现方法；第三章 介绍了基于d s p 的广域相量测量装置的硬件设计，包括自适应同步采样模块、 7 浙江大学硕七学位论文 同步时标形成模块、以及d s p 微处理器模块的原理和设计；第四章介绍了d s p 微处理器模块软件设计；第五章是总结与展望。 8 浙江大学硕上学位论文 第二章基于d s p 的广域相量测量装置原理 电力系统监测和控制系统的发展历程是一个系统从简单到复杂、功能从 单一到综合、实现手段从常规到先进的过程。先后经历了“厂站机旁监控” 阶段、“厂站集中监控+ 调度中心的电话调度”阶段、“厂站集中监控+ 调度 中心的四遥模式”阶段到现在的“综合自动化模式”阶段啪1 。 电力系统监测和控制系统体系中，不断涌现众多新的监测和控制系统。 例如，继电保护装置、励磁调节器、调速器、发电厂和变电站的计算机监控 系统、远动装置、s c a d a 系统等等。以及在此基础上发展起来的自动发电控 制系统( a g c ) 、安全分析和安全控制系统和能量管理系统( e m s ) 等。由于 这些装置和系统的出现，现在的电力系统监测和控制装置或系统已经从单一 功能发展为多功能，并且相互之间的联系更加密切。 但是，当前的电力系统监测和控制系统，每台装置或每个应用系统自成 体系，较少顾及电力系统全局的协调和配合，各个系统按自己的时钟系统进 行工作，没有高精度的广域同步时间基准，由于地域的原因相互之间并不同 步，无法形成整个电网统一的相互协调相互配合的工作机制。这种“局部” 功能的现象，对整个电力系统运行的安全性是个不利因素。 我们假设整个电力系统的监测系统各子站根据统一时钟同步工作，同步 处理的运行模式，情况会是怎样? 如果直接利用时间上不一致的监测数据进 行全系统状态的分析和运行控制，稳态情况下必然导致很大的误差，暂态情 况下则可能导致状态误判和控制错误，严重情况下可能导致系统失稳甚至崩 溃。 因此，学界提出了广域电力系统实时监测系统，利用高精度广域同步的 公共时间源g p s 的授时信号，从系统的全局的角度出发，将整个电力系统的 监测问题统一考虑。在重要的变电站和发电厂( 电网区域中心及电网区域边 缘，即电网核心部分及电网薄弱环节) 安装同步相量测量装置，构建遍及全 国的电力系统实时动态监测系统，并通过调度中心分析中心站实现对电力系 统动态过程的监测和分析。该系统将成为电力系统调度中心的动态实时数据 9 浙江大学硕士学位论文 平台的主要数据源，并逐步与e m s 系统及安全自动控制系统相结合，以加强 对电力系统动态安全稳定的监控。 在满足i e e e 一1 3 4 4 标准及国家电网公司的电力系统动态监测系统技术 规范及其它标准及规范的要求下，研究该系统的近期目标是对电网状态的 动态过程进行监测和分析，逐步实现与e m s 及安全自动控制系统的连接：远 期目标是对电网状态的动态过程进行控制。 2 1 广域电力系统实时监测系统简介 广域电力系统实时监测系统的g p s 提供全网同步时间基准，在预定的工 作节拍到来时，系统中各子站的p m u 同步测量电网运行状态，并计算电网信 号在工作节拍时的相量，将结果打上时间标签，通过快速数据通道上传到主 站或分析中心站，集中完成对测量数据的处理、运行状态分析和控制命令生 成等任务，并进行瞬时波形显示，它有以下一些功能： ( 1 ) 通过安装在发电厂和变电站的基于o p s 的实时监测子站，完成对母 线电压和电流的三相交流实时同步采样，并通过相应算法计算出该节点的电 压相量、电流相量、有功、无功、频率及发电机组的功角等指标。 ( 2 ) 然后由g p s 接收器提供的高精度时钟信号将测量结果打上时标，继 而遵循共同的接口协议将带时标的相量数据打包，并通过高速通信网络传送 到主站数据中心，数据中心对各子站的相量进行同步处理和存储，进一步由 相应的应用程序在线或离线对测量结果进行分析，监视全网的运行状态，计 算稳定裕度，生成控制策略表，并对系统未来的稳定性进行预测，在正常状 态下根据实际的供用电需求进行市场化的合理调度，在扰动出现时能从全网 的角度出发对系统进行控制。 另外，该广域电力系统实时监测系统采集电网运行状态信息，除了可提 供电网正常运行状态信息外，还能为进行电力系统线性状态估计、静态稳定 监视、暂态稳定预测与控制、故障分析及自适应失步保护以及电能质量分析 等提供信息服务。如图2 一l 所示为某一形式的广域电力系统实时监测系统。 1 0 浙江大学硕士学位论文 臣零 子站l 审i p m u i i 章p m u i 喜由 口回i 口回主站 圆圆 圜 圈豳 围2 1 广域电力系统实时监测系统结构 子站( s u b s t a t i o n ) 安装在同一发电厂或变电站的相量测量装置和数据集合器的集合。子站 可以是单台相量测量装置，也可以由多台相量测量装置和数据集中器构成。 一个子站可以同时向多个主站传送测量数据。 相量测量装置( p m u ，p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ) 监测系统终端，用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录的装 置。 数据集中器( d a t ac o n c e n t r a t o r ) 用于站端数据接收和转发的通讯装置。能够同时接收多个通道的测量数 据，并能实时向多个通道转发测量数据。 主站( m a i ns t a t i o n ) 安装在电力系统调度中心、变电站或发电厂，用于接收、管理、存储和 转发源自子站数据的计算机系统。 浙江大学硕i ：学位论文 分析中心站( a n a l y s i sc e n t e r ) 安装在电力系统调度中心，具有对实时相量数据进行分析处理和存储归 档，对电力系统的运行状态进行监测、分析、告警等功能的主站。 2 2 基于d s p 的广域相量测量装置结构 同步相量测量装置是广域电力系统实时监测系统子站中的一部分，负责 直接同步测量相量、输出结果、显示以及进行动态记录。由图2 2 可见，装 置主要由d s p 微处理器模块、g p s 模块及上位机微处理器模块( 主要实现 m m im a nm a c h i n ei n t e r f a c e 人机接口) ，通过h p i 或串口进行通信。 图2 2 基于d s p 的广域同步相量测量装置结构图 本文将涉及到许多名词，故在此先做简单介绍，有些名词将在后续篇幅 中进行详细的介绍。 “广域”是电力系统电网在地理上的概念，由发电机、变电站及重要节 点组成，它的最小单位是省网，再上一级为区域网( 如华东、华北、华中) ， 更上一级为全国互联电网。 “同步”涉及“频率同步”和“时问同步”两个问题。“频率同步”指广 域电网相量同步测量装置的采样频率必须与被测交流信号基波频率成一定的 倍数关系；“时间同步”则关系到安装在不同地点的广域电网相量测量装置的 同步采样时间的标定及时标定位精度问题，相量应打上测量时刻的绝对时间 信息，代表在某一绝对时间时刻时的电网相量。 1 2 浙江大学硕士学位论文 “同步1 p p s 秒脉冲”是由g p s 输出的全局同步的秒脉冲，每l s 输出1 次，精度达1l l s 。 “异地同步时标脉冲”是由g p s 输出的与i p p s 同步的l o k h z 信号通过 计数器分频得到的信号，代表异地数据的同步周期，每2 0 m s 或1 0 m s 进行一 次时间定位，即调度中心分析软件中的数据刷新率，一般屏幕上会显示x 时 x 分x 秒k * 2 0 毫秒，a 相b 相c 相数据分别是x x x 。同步相量测量装置的异 地同步时标脉冲的同步误差应不大于l # s ，本文采用的异地同步时标脉冲由 g p s 提供的l o k h z 信号产生，能满足这一要求。 “整秒时间信息”是由g p s 串口提前于秒脉冲4 0 0 m s 输出的含有时间信 息的数据，代表即将到来的秒脉冲的精确绝对时间，格式为x 年x 月x 日x 时x 分x 秒，作为系统的统一时钟，标刻在最后的计算结果上。 2 3 广域相量测量的时标同步问题 广域相量测量的一个关键问题是相量测量的“时标”同步方法问题，总 的来说就是如何使异地间同步的时间标签准确地代表各地p m u 计算出的相量 对应的真实时刻，具体地说，该“时标”同步方法问题涉及到下面三个方面，： 第一是时间和频率的“同步”。时间同步要求异地同步时标脉冲信号提供 每个相量的统一时间时标，如本文设为2 0 m s l o m s 可选周期脉冲，l s 内每个 2 0 m s 1 0 m s 时刻就有一组相量计算出，这就决定了该脉冲信号必须由g p s 接 收器等时间间隔产生，比如每2 0 m s 产生一次，以实现时间同步。由于电力系 统各点的频率不完全相同，在系统故障的情况下它们的差别更大，若采样频 率随着电网信号频率的变化，则变化的采样时刻与定频率的时间同步时刻将 不易协调，甚至产生矛盾。目前许多文献提到的方法没法很好地满足频率同 步与时间同步的协调。 第二是时标的同步方式。时标的同步方式指异地同步时标脉冲代表的时 刻所对应的是一个数据窗中首采样点、中采样点、末采样点哪个点的问题。 时标同步方式的选择，根据i e e es t d l 3 4 4 1 9 9 5 ( r 2 0 0 1 ) 的推荐，可选择三个典 型时刻：数据窗首点、中点、末点。三种时标同步方式各有优点：首点同步 符合采样的逻辑关系，便于打上时标标签；中点同步可获得最佳的拟合结果， 浙江大学顽士学位论文 测量更为准确：末点同步可反映事件发生的先后顺序，便于记录。”。对于三 种时标同步方式在同一装置中同时实现的问题较少有文献提出，目前我国各 科研院所或生产厂家研发的产品中，大部分都是以采用数据窗的首点作为时 标同步方式，且同步方式不可选，因此有些方法只适合首点同步，有些需要 做一些改进才能使三种时标同步方式实现可选。 第三是同步周期。同步周期和相量计算间隔、数据上传周期、调度中心 分析软件中的数据刷新率是同一个概念，大小由异地同步时标脉冲决定。一 般分析软件屏幕上会显示x 时x 分x 秒x 毫秒，规范推荐的同步周期如2 0 m s ， 1 0 m s ，5 m s 。一般要求同步周期为2 0 m s ，华北电网广域监测工程甚至达到了 同步周期为1 0 m s ，即每1 0 m s 就要计算一次数据窗并每1 0 m s 上传一次数据。 本文拟采用2 0 m s 1 0 m s 可选的同步周期。随着广域电力系统实时监测系统的 应用及控制功能的结合，对同步周期时间缩短的要求会越来越高，实现高频 率的相量计算及数据上传，采样数据必然会叠加使用( 电网信号约5 0 h z ，一 个周波约2 0 m s ) ，要求每个计算数据窗完整无少点多点、时间同步、频率同步。 目前许多文献的方法只能实现2 0 m s 及以上的同步周期，更短周期的难以实现 甚至无法实现。 关于相量测量的“时标”问题有诸多文献提及，下面做一些简单介绍。 关于本文“时标”问题的实现方法在后面章节有详细说明。 文献 3 4 】为了实现频率同步，提出了一种自适应采样方法，即采用等角度 采样原则，实时跟踪被测信号频率并调整采样率，以确保d f t 算法的每一个 采样数据窗都能反映被测信号的一个完整周期。该方法能很好地避免频率泄 漏的影响，但由于每个采样时刻都是根据上一采样时刻的瞬时频率计算得到， 没有统一的广域电力系统实时监测系统要求的同步时间基准，用此数据窗计 算出的相量对应的时刻具有不确定性，因此无法实现时间的同步，不符合p m u 设计的要求。 文献【3 5 】使用c p l d 跟踪当前电网的频率并利用当前电网的频率去调整 下一个周期数据窗的采样间隔，取数据窗的首点作为同步点。采样脉冲是随 着频率变化的，因此周期数据窗首点时刻不确定。而周期脉冲信号( 异地时 间同步脉冲信号) 仅用于触发使采样结果和初步运算结果写入双口r a m 。因 1 4 浙江大学硕士学位论文 此，实际上未能很好地解决频率同步和时间同步问题。 文献 3 6 】使用锁相环能较好地满足时间同步和频率同步。该方法采用异地 同步时标脉冲信号去触发一个新数据窗的a d 采样，剩下的其余采样点由锁相 环跟踪电网信号频率进行等相位采样，对于每一个数据窗，在首点实现了时 间同步，在该数据窗内各采样点实现了频率同步。但该方法的相量测量周期 受限，异地同步时标脉冲周期根据系统最低运行频率确定，假定最低4 5 h z 那 么取2 2 m s ，保证每个周期时间里均可采到一个完整周期的数据。该方案限定 了广域电力系统运行监测系统的数据刷新率低于2 2 m s ，而规范推荐的刷新率 为2 0 m s ，1 0 m s ，5 m s 。另外，该文献提到了中点、末点两种同步方式的测量 结果需要修正，修正过程比较复杂。若采用中点或末点同步方式，异地同步 时标脉冲信号触发a d 进行采样，并将该采样点作为打时标标签的点。而该采 样点是数据窗的中点或末点，其触发并非来自锁相环等相位间隔脉冲，因此 不能与前面的采样点一起构成等相位间隔的采样数据窗，按此采样值计算， 必然有误差。因此，该方法很难实现中点或末点同步。 文献 3 7 1 也同时考虑了频率同步和时间同步，并利用锁相环给出了硬件实 现方案。对于2 0 m s 的异地同步时标脉冲周期，当信号频率高于额定频率时， 能获得精确的相量计算结果。但当信号低于额定频率时，一个同步周期内将 无法获得足够的采样点数。若每个周期采样点数为1 2 8 ，则允许最低频率为 4 9 6 1 9 h z ，因此该文考虑了采用软件控制异地同步时标脉冲间隔的办法解决这 个问题。改进后，异地同步时标脉冲间隔不是固定不变的2 0 m s ，而是由微处 理器根据所监测到的被测信号基波频率偏移量是否超过设定值( 如一2 h z ，一 1 h z ，1 h z ，2 h z ) 进行动态修改，一旦发现其偏移值超过设定范围，则立即 计算出新的异地同步时标脉冲间隔，并写入1 0 k h z 外接计数器进行更新。这 种方法存在不足，若全网的时间基准可调，比如从2 0 m s 调成2 2 m s ，调度中 心的分析中心也能将数据用于分析，只要所有的数据都产生于同一时刻。但 是若全网使用的不是同一款p m u 装置，有的可调整，有的不可调整，则各 p m u 的时间基准不统一，这将提高p m u 装置的市场准入壁垒。即使全网使 用同一款p m u 装置，但异地系统的频率不同，可能造成某些p m u 装置自动 调整以2 0 m s 作为异地同步时标脉冲间隔，另一些以其它如2 1 m s 、2 2 m s 作为 浙江大学硕士学位论文 异地同步时标脉冲间隔，则无法实现全网同一时间基准下监测的初衷。因此 该方法不能实现同步周期可选及1 0 m s 、5 m s 的同步周期。另外，时标同步方 式上与文献【3 6 】存在同样的问题。 2 4 基于d s p 的广域相量测量装置的运行机制 由上述研究情况可知，现有的研究在时间与频率同步、首中末点时标同 步方式可选、同步周期可选等重要问题上或某项无法实现或几项无法实现。 本文采用的方法，可以实现同步相量测量装置中较难处理时间同步和频率同 步的解耦处理，同时达到首中末点三种时标同步方式可选、同步周期可选等 目标。如图2 3 ，本文基于d s p 的广域电网相量同步测量装置包括自适应同 步采样模块、同步时标形成模块及微处理器d s p 模块三个模块。 图2 - 3 基于d s p 的广域同步相量测量装置原理图 同步相量测量的目的是要得到异地不同母线电压、电流参量在同一时刻 的相量值。本文基于g p s 与锁相技术相结合的方法，频率同步采样锁相环电 路控制a d 采样独立实现，每发生一次a d 采样，马上中断微处理器芯片 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 来读取数据，由此微处理器能得到不间断的采样序列；由g p s 1 6 浙江大学硕七学位论文 提供同步i p p s 秒脉冲和2 0 m s 异地同步时标脉冲，以这两个时间基准中断微 处理器时刻后到来的采样数据为d f t 数据窗的起始点，等到获得了1 2 8 个由 自适应同步采样电路采集到的数据后，开始一个周波的计算，并将相量结果 的相位修正到2 0 m s 异地同步时标脉冲到来时刻( 在一个采样间隔内幅值变化 很小对精度没有影响不用修正) ，修正后的结果为异地同一时刻的频率同步采 样的相量值，最后将该相量值打上从g p s 接收到的绝对时间信息。 2 5 基于d s p 的广域相量测量实现方法 2 5 i 相量的基本概念 向量是指一条既有大小又有方向的线段( 通常出现在数学教材中) 。矢 量是指既有大小又有方向的物理量( 通常出现在物理教材中) 。相量是指平 面定位矢量，相量的角度，也称相量的相位、相角，是矢量与x 轴正向的夹 角( 角度范围为1 8 0 0 1 8 0 0 ) 。相量的大小，也称相量的幅值，等于矢量的 模。 正弦量的瞬时值等于相量在虚轴上的投影，在用复平面上的相量表示正 弦量时，只要确定其初相位时的相量即可，即2 尼一，实际的正弦量只要把 该复数乘以p 朋，再取其虚部即可。在电工计算中，为了方便，一般把正弦量 表示成相量形式j = 尼押，1 为有效值。 2 0 0 3 年制定、2 0 0 5 年第一次修订的电力系统实时动态监测系统技术规 范里对相量的相关解释为：正弦量可用相量表示，相量的模代表正弦量的 幅值，在工程实践中相量的模有时也采用有效值，相量的相角代表正弦量的 初相角”1 。 因此，可以得到： 相量的大小= 正弦量的有效值 相量旋转的速度= 正弦量的频率 相量的相位= 周期信号的角度 电压相量：矿= v = v l 9 ，v = 砂c o s ( 妒) = 2 v e o s ( 2 , r f l + 妒o ) 浙江大学硕士学位论文 电流相量：7 = ，= z q o ，f = 厨c o s ( 妒) = 丑c o s ( 2 矽+ c a o ) 传统的相角估计方法是先由现场测量装置测量p v 节点的电压幅值与有 功功率、p q 节点的有功功率与无功功率，然后由现场测量装置将测量值送到 调度中心，调度中心将这些数据进行状态估计后，在潮流计算中采用牛顿一 拉夫逊法或高斯一塞德尔法反复迭代计算，求取节点电压相量的相角。从而 获得节点电压相量，并把此时刻的节点电压相量作为稳定计算中的初值，进 一步进行稳定性计算。这种求取电压相角的方法，缺点是实时性太差，节点 电压相量的相角首先要经过原始测量数据的状态估计，再经过反复的迭代计 算才能求得。采用相量测量装置检测电网信号相量后，通过装置内部的高速 d s p 进行实时运算，可以直接测得相量。 2 5 2 相量d f t 算法 电力系统实时动态监测系统技术规范对相量的定义中，定义被测信 号表达式为c o s 形式。 设输入的电网信号为：x ( t ) = a c o s ( 耐+ 咖= a c o s ( 2 n f l + 妒) 采样数据形式为：工( 后z ) = a c o s ( x n # t , + 力 f - = - 1 t t 为信号周期t , = t n 为采样周期 因此，约去f 与z 上式演变为x ( k ) = a c o s ( 2 r d r n + 咖 该式的复指数形式为：x ( d = _ ! j ( 2 等k + o ) 垡2 x 型一，丝“ 经过d f t 变换为：x ( n ) = x ( k ) e ”“2 d f t x ( k ) 由于我们需要的是基波相量，因此只需要x ( n ) 中的n 为1 按照标准d f t 变换公式： 硎) n - i m 争：窆爿生娑。睁 浙江大学硕士学位论文 ：篓c 爿字+ 爿t e - j 鲁k e - j 9 ， a n 纠一+ 兰罗。一，氕y n - i p 咖 22 盘盘 因为式p 一净当k 取l n 时，在周期圆内是相互对称的，可知芝e 一争= o ， 因此，y f4 = 0 t u 得到z ( 1 ) = 型2 。加 因此，在标准。f r 变换公式前乘以一个鱼n ，即可使计算结果配为相量 而2 万a 叔) = 等篓m ) e 争= 击= 万ac 。s 伊+ ，万a s i n q ，= x r + i x ， 又 粤篓m 夸= 粤美m ) c o s ( 等 + ，百4 1 2 毛n - i m ) s i n ( 等 得到 击c o s p = 鲁篆m m s c 等的= 万鲫p 2 百毛x ( 8 百“n 击s m 伊= 雩灿每炉z西5 m 伊2 百毛工( 七) 8 m ( - 七) “， 因此，信号的有效值击= 瓜珥 信号相角为：舻t g r l - 1 五x 詹l 由于每个数据窗的n - 1 个采样点值x ( 后) ( k = 0 ，1 ，n 1 ) 已知，且对应 1 9 浙江大学硕士学位论文 x ( ”点。f t 变换系数鲁c 。s ( 等t )( 或鲁s i n ( 等_ j ) ) 也可以预先计算求得。 因此上式的以、_ 可求出，获得、蜀后求有效值丢和相角妒就方便了。 v 二 考虑到d f t 算法以及为方便以后实现更多的功能，如谐波检测，或者用 算法实现自适应采样，采用高频率的浮点型d s p 比较好。 2 5 3 时间同步和频率同步的统一 本文的广域电网相量同步测量装置，对被测信号的采样是连续不间断且 自适应等相位间隔的( 即实现连续“频率同步”采样) ，利用该采样数据序列 进行d f t 处理时，每个d f t 数据窗所需的数据则根据来自g p s 的全网时标 同步定位确定。显然，满足“频率同步”的时标同步定位采样点( 如首、中、 末点) 时刻不可能与满足“时间同步”的全网同步时标的时刻完全一致，即 根据“时间同步”时标确定的d f t 数据窗必然存在一个“时标同步偏差”( 与 采样周期t s a m v 有关且最大为一个采样周期) 。参见图2 - 4 ，这种“时标同步 偏差”实际上相当于整个数据窗采样点位置在时间轴上的同步后移，因此采 用d f t 算法处理相量时只会影响其相位精度( 对幅值精度几乎没有影响) ，故 需要对d f t 处理结果( 相量) 的相位进行“时标同步偏差”修正。 浙江大学顾t 学位论文 1 i i # 啪f 八7 一 7 勺+ ； 1 1 3 ir i 2 ，、 。 l cj 图2 - 4 时间同步和频翠同步实现示意图 本文对d f t 算法获得的上述相量相位“时标同步偏差”的修正利用了“周 期同步( 含整秒同步) 时标中断”时刻的微处理器内部定时器计数值，方法 简单，精度高，下面结合图2 4 进行详细说明。图2 4 中，( a ) 为被测信号波 形，其基波周期= t s l 0 ，是随电网频率变化的量；( b ) 为异地周期( 含整秒) 同步时标脉冲序列，是一个常量；( c ) 为自适应等相位采样脉冲序列，其采样 周期t s w f - = t s i g n ( n 为每个基波周期的采样点数) ，由于采用锁相环后，其 在每个信号过零