（电力系统及其自动化专业论文）广域电网相量同步测量装置硬件研发.pdf

浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h es h a p e dh u g ei n t e r c o n n e c t e dp o w e r 鲥da n dt h ei m p e l i n g p o w e rm a r k e tr e f o r m ，i tn e e d st h es y s t e mt om o n i t o rt h es t a t u so fw i d ea r e ap o w e r n e t w o r k 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 a s u r e m e n ts y s t e mb e c o m e s t u r e a st h ef u n d a m e n t a le x t e r n a lm e a s u r e m e n tu n i t ，t h ep e r f o r m a n c eo fp m u b a s e do ng p st a k e sad i r e c te f f e c to nt h ep r e c i s i o no ft h es y s t e m a p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i tw i t hf r e es c a l e ds y n c h r o n i z e dt i m em a r k ( n o v e l p m u ) h a sb e e nd e v e l o p e d t h en o v e lp m ui sc o m p o s e do ff r e q u e n c ya u t o a d a p t e d e q u a li n t e r v a ls a m p l i n gm o d u l e ，s y n c h r o n i z e dt i m e m a r kg e n e r a t i n gm o d u l e ，c o r e m o d u l eb a s e dm i c r o p r o c e s s o r , a n dr e s o l v e dt h ep r o b l e mo fu n c o u p l i n gt r e a t m e n tt o “t i m e s y n c h r o n i z e d a n d “f r e q u e n c y - s y n c h r o n i z e d ”s a m p l i n g t h e r eb yt h e s y n c h r o n i z e dt i m e - m a r ka n di t ss y n c h r o n i z a t i o nm o d e lc a nb em a r k e df r e e l y , t h e f u l lc i r c l es a m p l i n gd a t ac a nb e a u t o m a t i c a l l yo r i e n t a t e da n di n t e r c e p t e d ( n o f r e q u e n c ys p e c t r u ml e a ko u t ) t om a k eh i g hp r e c i s i o nd f tc a l c u l a t i o n t h e c a l c u l a t i o np h a s o ro f f s e tc a u s e d b ys y n c h r o n i z e dt i m e m a r ko f f s e tc a nb ep r e c i s e l y c o r r e c t e dw i t hs i m p l el i n e a rm e t h o d t h ep r e c i s i o no fp h a s o rm e a s u r e m e n tu n d e r t h r e e m o d e s ( t h ef i r s t ，m i d d l ea n dl a s ts a m p l i n gp o i n t ) o ft i m e m a r k s y n c h r o n i z a t i o nh a sa l s ob e e ns i m u l a t e d t h eh a r d w a r eo ft h en o v e lp m ui s i n v e s t i g a t e di nd e p t h ，t h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i ti sw o r k e do u t ，a l lf u n c t i o n sa r e t e s t e da n dd e b u g g e d ，a l lf u n c t i o n st h a tn e e dt ob er e a l i z e da r ep a r t i a l l yt e s t e di nt h e l a b o r a t o r y i nt h ep a p e r , h p ii n t e r f a c ef o rt h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nd s pa n d m m ii nt h ep h a s o rm e a s u r e m e n tu n i ti s d e s i g n e dt h r o u g hw h i c hd s pa n d e m b e d d e dx 8 6s y s t e m sc a nc o m m u n i c a t ea n dr e n e wd a t ai nt h ed s pm e m o r y q u i c k l y , r e l i a b l ew i t hl o wp o w e rw h i l ed s pw o r k sw i t h o u tb e i n gi n t e r r u p t e d k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ；w i d ea r e am e a s u r e m e n t ( w a m s ) ；g p s ；p h a s o r m e a s u r e m e n tu n i t ( p m u ) ：a d a p t i n g s a m p l i n g ；s y n c h r o n i z e dt i m e m a r k ；h o s t p o r ti n t e r f a c e ( h p i ) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 广域电网相量同步测量装置的现实意义 1 1 1 大电网互联形成的机遇与挑战 改革开放带来了中国经济的高速发展，与之相匹配的电力工业也取得了 长足的进步。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l 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。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心1 。 区域电网互联在提高电网运行经济性同时，也带来了很多问题。电网的 互联使得系统的动态过程变的越来越复杂，稳定运行的裕度越来越低，产生 低频振荡等各种问题：电力行业的改革使竞争的局面逐渐出现，市场化运营 机制的形成在提高电力生产效率的同时，也带来了运行方式的复杂，增加了 系统运行的不安全性；由于我国资源分布、能源政策、经济不平衡等形成的 中西部能源中心、东部负荷中心的格局，产生了不利于系统稳定的大容量、 长距离输电的局面；大量新设备的采用，其对系统稳定性的影响还有待更深 一步的研究。随之带来的安全隐患，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口1 。从2 0 0 2 年的“厂网分开”开始，我 国的电力行业进入了市场化改革的时代。电力市场的逐步形成，电力行业由 发电、输电、配电一体化的垂直垄断体制转变为开放、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h 1 。这些问题使 l 浙江大学硕上学位论文 得电网运行面临着严峻的挑战，互联后的系统也将同目前的西方各国电网一 样潜伏着大停电的危险畸1 。 从各国近几年的几次影响较大停电事故可以发现，缺乏一套对电力系统 进行全网运行状态统一实时监测的信息系统是事故发生的一个重要原因1 ，在 市场改革提高效率的同时，加强大电网的安全防御功能，开发新一代的电网 技术是电力行业发展的必然选择口1 。 1 1 2 原有监控系统存在的不足 现阶段我国绝大多数地区还是应用以传统的以s c a d a e m s 及相关应用 软件( 如状态估计和静态安全分析等) 为代表的调度监控系统，其实质上是 在潮流水平上的电力系统稳态行为监控系统，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念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，从r t u ( r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) 获得数据丌始到调度中心获得系统状态估计的结果，其时间是 以分钟为单位的，因此这样采集所得的数据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啤1 。 s c a d 舳m s 存在的最大不足就是各个地区的监测量没有统一的时标， 即不同地点之问缺乏准确的共同时问标记，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 年的美加大停电就是一个例证1 。一 直以来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n n ，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( 如暂态稳定问题等) ，在数学上可 以归结为一组连续与离散变量动态共存的高维非线性微分一差分代数方程 ( d i f f e r e n t i a ld i f f e r e n c ea l g e b r a i ce q u a t i o n s ，d d a e ) n 1 ，而分散就地控制只 是通过本地量测量间接地包含一些全局信息，通过数值仿真对微分方程求解。 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u j 题。 2 浙江人学硕十学位论文 1 1 3 广域电网相量测量技术的意义 为保证电网安全、稳定的运行，需要对电力系统运行状态进行准确而全 面的实时监测，使电网调度真正做到统观全局、科学决策、正确指挥，完成 对电力系统的运行控制。基于同步相量测量技术和现代高速数字化通信网络 的广域电网相量测量系统( w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，w a m s ) 能实现 对电网动态过程的在线监测。w a m s 是实现准确捕捉电力系统在故障扰动、 低频振荡以及人工试验等情况下电网动态过程的技术手段。广域电网相量同 步测量装罨( p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ，p m u ) 为w a m s 系统提供全网同步采 样、计算的同步相量数据，相量数据通过电力调度数据网实时地传送到监测 系统中心站，使调度人员能在调度中心及时了解电网的动态信息h 1 2 儿” 。 p m u 利用g p s 时钟同步的特点，测量各节点以及线路的各种状态量。通 过g p s 对时将各个状态量统一在同一个时间坐标上，与传统远动终端装置r t u 测量所不同的是各p m u 在时间上保持同步同时还可以测量相角。这样，可以 实时地获得各个节点和母线的状态相量而不仅仅是有效值，从而可以直观地 了解各个状态之间的相量关系n 2 。6 1 。 p m u 将原本需耗时数分钟的状态估计工作变成了仅需几十毫秒的状态测 量工作，数据量大而且连续，这些数据为系统动态行为的实时监控提供了良 好的基础，也使系统在线参数辨识乃至系统在线动态等值都成为可能。相量 测量方面的研究和应用被称为当前电力系统的三项前沿课题之一聃3 ，是未来电 力系统的主要技术之一n 1 。电力系统中的电量( 如电流、电压等) 均为j 下弦量， 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n ”。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，相角的实时测量使得人们能实时地看到系统的 状念，这必将提高电力系统的监控和保护的能力。因此各国电力公司都在研 究对策，积极增加相角测量装置的数量，以及开展多种试验研究。不久的将 来，相角测量可望在电力系统的状态估计、静态稳定的监视、暂态稳定的预 测及控制，和自适应失步保护方面发挥其重要作用f 4 f l z o 其具体应用主要可分 为以下几个方面： 3 浙江大学硕士学位论文 夺稳态分析 p m u 可以直接测量所装节点的电压幅值和相角，并且其测量精度较高， 当精度足够高时，在潮流计算中可以当作减少了所求节点的个数，从而在很 大程度上提高了迭代潮流的计算速度。p m u 可以和现有的s c a d a 系统相结 合提高系统状态估计的精度。 夺实时监控 应用w a m s 可以对全网进行实时监控，利用p m u 则可以直观的观察系 统的动态行为。 令全网动态过程事故记录及事故分析 安装在各地的p m u 可以在全网同一时间参考下记录电网的动态过程，各 地p m u 得到的电网动态过渡过程信息可以实时的上传至调度中心进行事故记 录以及事故后的分析。 评价模型的有效性 p m u 更多的安装在电力系统关键节点，所以能够直接观察系统的动态行 为，并将电力系统的扰动数据以同步采样的方式采集下来，并送往动态数据 库中与相同扰动的仿真模型相比较，可以进行电力系统动态模型辨识及模型 校正。 夺测量发动机功角和母线相角，分析系统稳定性 p m u 能同步测量异地的功角并送往调度中心，调度中心依据一定的算法 分析系统的稳定性并采取合理的控制策略。 令继电保护及故障定位 相量同步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 作，从而提高电力系统供电的连续性和可靠性。 可见，w a m s 利用p m u 提供的全网同步的带有时标信息的相量数据，可 以对系统的稳态、和动态特性做更有效和更深一步的分析，目前可作为 s c a d a 系统的进一步延伸。 4 浙江大学硕十学位论文 1 2 广域电网相量测量系统的发展及前景展望 1 2 1 国外广域电网相量测量系统研究现状 1 9 6 5 年美国东北部的大停电，引发了国际上对研究电力系统运行特性， 以使电力系统运行更为安全的关注。美国的弗吉尼亚理工学院最早开始了广 域相量测量用于电网状态监测的研究。早期的相角测量方法是将交流电压波 形送到控制中心进行比较显示，由于存在不确定的延时，造成这种方法的测 量精度太低。 1 9 8 0 年，加拿大人g m i s s o u t 首次采用无线电导航定位系统：以罗兰c 提供的时间作为同步时钟，进行相角测量；但由于罗兰c 接收困难，1 9 8 1 年 又采用卫星系统g o e s ( g o e s t a t i o n a r yo p e r a t i o n a le n v i r o n m e n ts a t e l l i t e s ) 提供 的时间作为同步时钟。 1 9 8 1 年，瑞士人p b o n a n o m i 采用无线电广播授时作为同步时钟信号进行 相角测量，并首次展望了相角的应用前景。 1 9 8 3 年，美国人a g p h a d k e 采用无线电广播授时的时间作为同步时钟， 提出了用递推的离散富罩叶变换( d f t ) 求解电压相角。由于测量采用的同步 时钟精度低和接收困难，因此使相角测量和应用的研究停滞不前。而美国的 全球定位系统g p s ( g l o a b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 的出现，为相角测量提供了时钟精 度上的保证。 1 9 9 0 年，a g p h a d k e 博士研制了基于g p s 时钟的同步相角测量装置，并 将其应用于b p a 的两个变电站之问的连线上，标志着同步相量技术的诞生n 4 i 。 同一时期，法国也研制了基于g p s 时钟的同步相角测量装置，并将测量电压 相量和基于电压相量的控制作为法国电网防止崩溃的措施。 1 9 9 3 年p h a d k eag 研制出第l 台p m u ，标志着同步相量测量技术的实用 化n 引。随后a g p h a d k e 连续发表文章推动了相角测量和应用的研究。至此， 研究和使用p m u 加强对大型电力系统监控的热潮在全世界各国电力公司和研 究机构兴起。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、 s 浙江大学硕士学位论文 通讯接口的规则、推荐的标准和可能的应用等n 8 。 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 m s 开发了基于高速监测和快速控制的系统调度运行方 式n 们。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 也先后在系统中布置了上 百个p m u ，形成w a m s ，获得良好的社会和经济效益乜引；法国在同步相量技 术基础上构建了全国性的协调防御系统；此外，韩国、日本、西班牙等国在 同步相量技术应用方面也实施了庞大的研究和应用计划他1 。2 钔。 1 2 2 国内广域电网相量测量系统研究现状 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_ 歼发n 3 2 铲2 引，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。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啪1 。 2 0 0 0 2 0 0 2 年，中国电力科学研究院研制丌发了基于g p s 技术的a d x 3 0 0 0 广域电网相量测量系统，在华东电网例和南方电网展丌相关建设，并陆续装 设于3 3 0 k v 马营、桃曲、海石湾、青铜峡等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，供电力系统 调度运行单位使用啪1 。运行至今，已经取得了一定的运行经验和宝贵的数据 资料口。近年来，随着联网工程的实施和广域电网监控的需求，加上通信基 础设施的完善，基于p m u 的电网状态监测的应用研究得到了迅速发展。江苏 省电网、三峡电网、华北电网、东北电网、南方电网和台湾地区电网己部分 完成或正在实施庞大的w a m s 计划。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) 。 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 1l1 9 3 9 3 x ) 的一系列有价值的科研成果。在此基础上研制出了可实现异 6 浙江大学硕上学位论文 地同步测量的p m u 试验样机姆2 1 ，并于2 0 0 2 年7 月安装在南方电网三座5 0 0 k v 变电站进行挂网试运行；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 年中在陕西省高压电网上挂 网试运行。 1 2 3 广域电网相量测量系统的发展前景展望 为构筑基于w a m s 的电网安全稳定控制体系，未来同步相量技术的发展 可分为以下几个阶段n 2 m 3 1 ： ( 1 ) 基于w a m s 数据的广域、快速、精确、同步的特点，构筑跨区电网综 合动态信息平台，供互联电网分析、监测和实时动念控制使用； ( 2 ) 开发高级的测量与监视工具，对全系统进行动态安全分析( d y n a m i c s t a b i l i t ya n a l y z e ，d s a ) 、稳定预警及预决策。包括在线扰动识别、振荡监 视、事故重演与仿真校核、暂态功角稳定监测、电压动态过程监测与报警、 灵活交流输电系统( f a c t s ) 的控制器动作监视、系统动态模型与参数辨识、 保护协调管理等； ( 3 ) 基于w a m s 的实时闭环控制。基于动态信息平台对电力系统进行动态 稳定监测和分析，形成在线预决策安全稳定控制策略，如与常规电网安全自 动装置相结合，则能构建大系统协调稳定控制，实现大区互联电网的在线实 时安全稳定控制。包括协调全系统控制器的动作、优化切机、切负荷、协调 振荡解列措施等。 随着我国的w a m s 技术将逐渐走向成熟，新的应用也将不断涌现。概括 起来，应注意做好以下几项工作n 儿1 2 1 ： ( 1 ) 建立全国w a m s 互联系统。实现国调一东北一华北一西北一华中一华 东w a m s 数据共享，实现南网网调一广东一广西一贵州一云南w a m s 数据共 h 旱。 ( 2 ) 落实基于w a m s 数据修正仿真计算模型。建立w a m s 电网事故分析的 管理制度，使仿真计算模型校核与修正工作制度化。 ( 3 ) 落实w a m s 测量结果提供给调度员。用最简单直观的方式辅助调度员 决策，让调度员能真正从w a m s 中获得好处。 7 浙江大学硕十学位论文 ( 4 ) 建立p m u 的质量检测体系。包括相量测量的幅值、相角和频率的精度， 静态和动态，通信协议标准化检测，实时数据传输协议，相量测量的时效性 检测，数据处理时间和相量存储功能检测等。 ( 5 ) 在有条件的地区电网实现基于w a m s 的广域动态稳定控制。 1 3 本文研究内容 广域同步相量测量装置( p m u ) 是构成广域电网相量测量系统( w a m s ) 的基础，w a m s 的实现很大程度上依赖于p m u 装置的性能。p m u 的研究，涉 及到g p s 应用、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，本论文将在实验室原有的研究成果基 础上，对p m u 的实现方案、结构及核心采样相量测量算法做更深入的研究和 修正，并开发出相应的硬件平台。具体从以下几个方面展开课题的研究工作： 第一章介绍了相量测量装置的研究背景和意义及国内外研究现状，为论 文的后续分析奠定了基础。 第二、三章介绍了相量同步测量装置的原理及实现方案，对核心采样测 量算法做进一步的深入研究和修正，并对本装置所实现的同步时标任意设置 中最常用的首点、中点、末点三种同步方式的跟踪效果及相量测量精度进行 仿真分析。 第四章对相量同步测量装置d s p 部分硬件结构进行深入分析，根据各部分 所需的功能选择合适的芯片和器件得出硬件框图，设计开发出相应电路，并 进行了大量调试工作，对所需实现的各项功能进行了部分验证。 第五章主要研究了用于相量测量装置内d s p 部分与m m i 部分之间高速通 讯的h p i 接口，设计出硬件电路并在q n x 平台下开发相应的接口通讯软件，以 实现在不打断d s p 正常程序运行下d s p 与嵌入式x 8 6 平台的高速、高可靠性、 低功耗数据传输及在线修改d s p 存储器的数据等功能。 第六章进行了总结与展望。 8 浙江大学硕十学位论文 第二章广域电网相量同步测量装置原理研究 电力系统监测控制技术的发展历程是一个从简单到复杂、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”、“厂站 集中监控+ 调度中心的电话调度”、“厂站集中监控+ 调度中心的四遥模式” 到现在的“综合自动化模式”四个阶段1 。 电力系统监测控制技术发展中，不断涌现出各种新的监测和控制设备。 从早期的继电保护装置、励磁调节器、调速器、到近年来的发电厂和变电站 的微机保护测控系统、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。由于这些新技术和设备的出现，现在的电力系统监测控制系统 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，当前的电力监测控制系统中，每台装置或每个应用系统自成体系， 较少顾及大电网的全局协调和配合，尤其是各个系统都按自己的时标信息进 行工作，没有高精度的广域同步时间基准，不同的地域之间相对不同步，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。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，学术界提出了广域电网测量系统，利用高精度广域同步的公共时 间源g p s 的授时信号，从系统全局的角度出发，将整个电网的监测问题统一 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) 安装广域同步相量测量装置，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平台的主 要数据源，可以对系统的稳念、和动态特性做更有效和更深一步的分析，目 前可作为s c a d a e m s 系统的进一步延伸。 9 浙江大学硕士学位论文 在满足i e e e 1 3 4 4 标准口朝和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、规范的要求下，研究广域电网测量系统的近期目标是 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；远期目标则是基于该系统实现对电网状态动态过程的实时闭环控 制。 2 1 广域电网相量测量系统简介 “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。广域电网测量系统( w a m s ) 主要由位于厂站端 的同步相量测量装置( p m u ) 、通信系统和位于调度中心的主控单元组成，其 简化结构示意图如图2 1 所示，实际应用中由于可靠性的要求，通常采用双机 双网互为热备用的冗余形式。 图2 - 1 广域电网相量测量系统结构示意图 l o 浙江大学硕上学位论文 借助于全球卫星系统g p s 的精确对时功能，由各个p m u 采集到的带时 标的相角、电压等信息通过以太网接入现场局域网，再通过光纤连接到调度 中心的以太网之上，以太网和光纤的快速传输能力保证了实时性的要求，使 得调度中心能够实时的得到准确的各个被测量点的电压、相角等信息。同时 各个子站也可以在各自的监控系统后台上获得相应的信息。采集得到的电网 运行状态信息，除了可提供电网币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。 2 2 广域电网相量同步测量装置结构 广域电网相量同步测量装置作为广域电网相量测量系统中最重要的一部 分，负责相量同步测量、输出结果、显示以及进行动态记录，其对电网相量 同步测量其的精确性不仅影响到功率等电网运行参数以及电能计量的计算精 度，而且与系统实时决策的准确性与可靠性密切相关。相量同步测量装置结 构可如图2 2 可见，主要由主要由g p s 授时系统、d s p 子系统、嵌入式上位 机系统及一些通讯和操作界面组成，其中核心的d s p 子系统及嵌入式上位机 系统间通过高速通讯接口进行通信。 i g p si 上 入机界面 _ d s p 高速 厦 n ： 通讯 l 嵌入式上位机系统 远程，嚏 ：乏 子系统 广_ 1 通讯、，1 二s 接口 _ 数据存储( 硬盘) p m u 图2 - 2 广域同步相量测量装置结构图 2 3 广域电网相量同步测量的同步问题 广域电网相量同步测量中的“同步涉及“频率同步”和“时间同步” 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 浙江大学硕十学位论文 交流信号基波频率成一定的整倍数关系；“时间同步 则关系到安装在不同地 点的广域电网相量同步测量装置的时标同步方式的确定及时标定位精度问题 利，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。 2 3 1 频率同步 频率同步影响广域电网相量同步测量装置的算法精度。目前交流采样应 用最多的数字处理算法是离散傅立叶变换算法( d f t ) ，该算法可以同时获得 被测相量的幅值与相角，复数形式的计算公式如下： 咒= 等鼢川砌 ( 2 t ) d f t 算法的精度取决于每一个数据窗内的采样数据是否等间隔并反映被测信 号的一个完整周波，而电力系统是一个动态平衡的系统，其频率变化在所难 免，因此必须考虑被测信号频率漂移的影响。当不能确保采样频率与被测信 号频率成一定的整倍数关系且每个数据窗内的采样脉冲等间隔时，就会使 d f t 算法的误差增大。目前一般采用硬件或软件锁相技术解决“频率同步 采样问题，图2 3 为基于锁相坏( p l l ，p h a s el o c k e dl o o p ) 和3 6 0 电角度等 间隔采样的频率自适应等间隔采样电路原理结构，可以确保d f t 算法具有较高 的精度口引。 陬h 至龠露广叫至 固i spmu 罐 ： l 筑霹镑缴繁蟛| 嚣曲誓 ；瓣叫靳荐霞 图2 - 3 基于锁相环的频率自适应同步采样电路原理结构 2 3 2 时间同步 时间同步影响安装在不同地点的广域电网相量同步测量装置同步采样的 时间从而被测相量的相角精度。图2 - 4 为时间同步采样的原理示意：安装在a 、 b 两个子站的p m u 在同步采样时钟脉冲控制下，同时启动对本站点电压、电 1 2 浙江大学硕士学位论文 流等交流信号的离散采样，该同步采样时钟脉冲确定了本周期d f t 数据窗的 同步采样点( 各子站采样点同步方式相同) 及被测相量的同步时刻并被标记 在计算出的相量上。显然，各子站同步采样时钟脉冲的同步精度将直接影响 被测相量的同步测量精度，尤其是相角精度。 图2 - 4 时间同步采样原理示意图 g p s 卫星定位系统的发展与民用化，使实现广域电网相量的高精度同步 测量成为可能随l n 别。基于g p s 时钟的同步时标误差一般在士l s 范围之内，对 于5 0 h z 的系统而言，相当于由其造成的被测相量的相角同步误差在士o 0 1 8 0 电角度范围内，这足以满足广域电网相量同步测量的精度要求了。 2 3 3 同步测量精度问题 由上述可知，p m u 的测量精度取决于其“频率同步 与“时间同步 采 样的精度，因为“频率同步”保证对被测相量实现频率自适应等间隔同步采 样，从而确保d f t 数据窗的完整性和算法精度；“时间同步”保证异地被测相 量在时间上实现同步采样，从而确保d f t 数据窗的截取进而相量计算结果具 有相同的相角( 时标) 精度。 因此，要确保p m u 实现对广域电网相量的高精度同步测量，首先必须保 证其对异地被测信号实现基于“时间同步 与“频率同步 的连续高精度同 步采样。而要实现同时满足“时间同步”与“频率同步 的高精度连续采样， 则必须解决“时间同步 与“频率同步的有效解耦，否则难以实现对被测 信号的连续采样，并且难免存在频谱泄漏、以及采样数据窗不能随意移动等 问题，从而影响d f t 算法的精度。 有关如何应用软、硬件技术解决同步测量的精度问题的研究成果很多， 1 3 浙江大学硕上学位论文 文【3 6 】提出了一种软件自适应采样方法，以确保每一个d f t 数据窗都能反映 被测信号的一个完整周波。该方法能较好的避免频谱泄漏的影响，但由于每 个采样时刻都是根据当前计算频率确定，动态情况下必将破坏采样序列的等 间隔性，从而造成d f t 计算误差，并使得计算出的相量对应时刻( 相角值) 具有不确定性，影响全网相量同步( 时间同步) 测量的准确性。文【3 7 】假设被 测信号频率偏移量在邻近的两个周波内保持不变，根据邻近两个周波的相位 差计算出信号的频率偏移量，进而求得信号的频率。该方法可在一定程度上 提高频率测量进而相量的d f t 算法精度，但当信号频率变化率较大且采样频 率也是根据当前计算频率确定时，同样存在文献【3 6 】的问题。文 3 2 】同时考虑 了频率同步和时间同步，并利用硬件锁相环技术和软件调整技术，实现了基 于g p s 时间同步的被测信号频率自适应等间隔同步采样，在小扰动情况下能 实现广域电网相量的高精度同步测量。但同步时标只能设定在d f t 数据窗首 点，且d f t 数据窗的宽度相对固定( 不能根据被测信号频率的变化实时、自 动调整) ，因此必然存在d f t 数据窗采样数据过剩( 当被测信号频率高于5 0 h z 时) 致使部分采样数据浪费、或不足( 当被测信号频率低于5 0 h z 时) 导致频 谱泄漏甚至整个数据窗采样数据不可用的情况。 本文将提出了一种由频率自适应等间隔采样模块、同步时标形成模块和 微处理器模块等构成的同步时标可自由设定的广域电网同步相量测量装置， 通过硬件电路与计算软件的合理分工与协调配合，巧妙地解决了相量同步测 量装置中“时间同步与“频率同步的解耦处理问题，实现了频率自适应 等间隔连续采样、同步时标的自由设定和被测相量相角同步偏移量的高精度 线性修正，从而确保了广域电网运行相量的连续高精度同步测量。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第三章新型相量同步测量装置的总体结构 3 1 相量及d f t 算法 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 x 口押，实际 的正弦量只要把该复数乘以p 肌，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x = x e j * ，x 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罩对相量的相关解释 为：正弦量可用相量表示，相量的模代表i f 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啪3 。其示意如图3 1 所示。 式。 图3 1 电力系统中正弦量示意图 电力系统实时动态监测系统技术规范定义被测信号表达式为c o s 形 设输入的电网信号为： x o ) = a c o s ( c o t + 伊) = a e o s ( 2 n f i + 缈) 采样数据形式为： x ( 七c ) = ac o s ( 2 n y k t , + 缈) ( 3 1 ) ( 3 2 ) 1 5 浙江大学硕十学位论文 式中：f = l t ，t 为信号周期，i = t n 为采样周期。 因此，约去厂与z 上式变为： x ( j | ) = a e o s ( 2 n k n + 缈) 该式的复指数形式为： 州：么翌2 t r 萼竺2 ” 经过d f t 变换为： 掣一，堡加 x ( 疗) = x ( 七) p 叫百”= 肿【x ( 后) 】 由于需要的是基波相量，因此只需要使x ( 刀) 中的n 为1 。 按照标准d f t 变换公式： 2 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ：篓c 彳手+ 彳学4 7 1 ，：荟n - ic 爿譬+ 彳掣， 6 ， ：a n e j 妒+ 丝笋p 一，萨4 z y n - i p 州 厶 厶k = 0 k = 0 式p 一争当k 取1 n 时，在周期圆内是相互对称的， 因此，挚e 一，争：0 ，因此，y 叫百5 ：， j 一 可得到硼) = 等儿 可知y n - i e - j x 2 “- ：0 ，可知y“：， j 一 因此，在标准d f t 变换公式前乘以一个鱼，且p - i 使计算结果配为相量： n 赢) = 等蓑m ) p 一争= 击纱= 忑ac 。s 缈+ ，万a s ；n 缈= k + ( 3 7 ) 又由： 等篓m 矿夸= 等薹x ( k ) c o s ( - - 等七，+ 等薹础埘n c 等后，c 3 固 1 6 4 枷 = 丝 弦 七 ，j x 脚 = 、，0 x 浙江大学硕上学位论文 万ac 。s 伊= 万f 2 白n - i m ) c 。s ( 等七) = ( 3 9 ) 番s i n 伊= 等薹m 埘n c 等尼，= 一 c 3 加， 因此，信号的有效值为： 万a = 属可 ( 3 1 1 ) 信号得相角为： 妒谢专 ( 3 1 2 ) 由于每个数据窗的n 一1 个采样点d 莹x ( k 1 ( k = 0 ，1 ，n 一1 ) 已知，且对应 撒) 点。f t 变换系数等c o s ( 等后) ( 或等s i n ( 吾也可以预先计算求得。 因此上式的x 只、x ，可求出，获得x r 、x ，后有效值睾和相角矿即可求了。 、二 考虑d f t 算法以及为方便以后实现更多的功能，如谐波检测，或用算法 3 2 新型相量同步测量装置的几个关键问题 3 2 1 频率漂移对d f t 算法的影响 离散傅立叶变换d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 算法是目前应用最多 的电网相量离散化数据采样处理算法。该算法实际上是对采样信号x ( k ) 周期延 拓后进行离散时间周期信号的傅罩叶变换，并取其频域的一个周期进行分析 处理。因此，要求采样信号与被测信号成1 1 倍频严格同步，使每一个采样数 据窗都能反映被测信号的一个完整周期，周期延拓后能够完整再现被测信号， 否则频率跟踪误差将导致周期被测信号始端和终端在相位上的不连续，出现 频谱泄漏，造成用d f t 算法计算出的相量的幅值和相角都存在误差m 1 。文献 1 7 浙江大学硕上学位论文 j = 导黔p 。争 聊 x o ) = , t 2 x s i n 2 z r ( f o + 厂v + 矽】 ：堑婆妒t 脚巧m 恍叫 ( 3 “) 2 ，l j 娴：孚( p 廊( 删) 袁一p 川姒埘赢kp 卅) ( 3 1 5 ) 舯旷冀p ，警吨西 舯_ 旷瓦砖p 百们m 扩西 丘。矗+，：置兀，关io-e一“_x磊+孑，：置矗，爿：p，也 置( 矗+ ) 2 五兀二7 丽e 幌2 五矗) 爿2 p 7 啦 式中：墨厶) y g a f = o 时d f t 算法所得相量， 置矗+ v ) = 墨矗) ( 她p 弘磊+ 蚋2 e 啦) = 置矗) a a e 必占 ( 3 1 7 ) 1 8 浙江人学硕士学位论文 被测信号h 。 文献 4 2 在采样频率保持常量、一个数据窗采样点数为4 0 、电网频率为 5 1 h z 的情况下，相对于默认频率为5 0 h z 不变，对相位参考点分别为第l ，1 0 ， 2 0 ，3 0 ，4 0 点时的相角计算误差进行仿真计算，仿真结果表明，5 条曲线的 波动幅度相同，而波动中心的位置不同，当相位参考点为数据窗的中点时， 曲线在零点附近上下波动，此时的相角测量误差最小。 3 2 2 等角度同步采样法 电网频率无法保持恒定5 0 h z ，不可避免地存在波动，因此，传统的等时 间间隔采样技术无法满足快速跟踪和高精度计算的要求。文献 3 6 】提出了一种 自适应调整采样间隔的等角度同步采样法，在等角度采样法的基础上，本文 所提出的新型p m u 采用等采样数方法对电网被测信号进行一个周波的采样， 这样就能实现无论电网被测信号如何波动，都能在一个周波内完成指定的个 数的采样，从而提高采样精度避免频谱泄漏。 电力系统动态过程中，节点电压和电流的频率随时问变化，一般形式可 写为： v ( t ) = a s i n ( 1 9 0 ( t ) ) ，缈( ，) 为时间t 的单调增函数。 q g ( t ) 在任一时刻所对应的相量形式为： 矿( ，) = a e 刷= ac o s ( o ( t ) ) 勺as i n ( q o ( t )