同步相量测量装置(PMU)构成及原理讲座.ppt

同步相量测量装置培训PhasorMeasurementUnit PMU PhasorMonitorUnit PMU A1 t 南京南瑞集团公司 2 PMU 主站 A1 t 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 4 PMU国内外概况 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 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 7 WAMS技术发展状况 国内外概况 主站 通信 子站 8 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 9 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100M 1000M数据网建设成为电力公司通信的建设目标 10 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 11 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 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 13 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 14 PMU主要技术指标及国内外比较 国外国内开关分辨率0 1ms0 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 S100 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 15 PMU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 16 PMU主要功能 17 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 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 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 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 20 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 21 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 22 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 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 23 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 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 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 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 26 2 向量 相量 矢量 旋转矢量 旋转相量 2 f 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 27 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 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 29 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 30 0度 90度 31 32 A A t 5 PMU与其他装置的测量不同 33 6 同步相量角度与t f的关系 34 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 35 36 1 假设 则在任何时刻永久不变 37 2 观察点为3周波点 60ms 38 3 观察点为2周波点 40ms 39 4 观察点为整周波点 20ms 40 5 观察点为0 5 整周波点 10ms 41 6 观察点为1 4整周波点 5ms 42 DFT DFT DFT 50Hz 数据计算 fdf dt 暂态检测 正序 触发标志 实时输出 GPSTimeReceiver 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 43 U I计算 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 已知参数 Xq Xd先计算 45 内电势角度直接测量 空载 初相角 实时相角 46 9 测量误差计算 TotalVectorError 47 GPS GPS 两点之间的功角计算 10 功角计算 48 GPS 指定或计算的参考点 对参考点的功角计算 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 50 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IEEEstd1344通信标准 用于控制用的4 20mA输出 51 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 52 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 53 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 54 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 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 56 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 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 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 4 Flash存储 OS Linux QNX 告警控制 6 PMU CS 59 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 60 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 61 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 62 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 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 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 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 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 67 目前采用 10e 9 的XTAL实现55us 2小时 68 未来采用AtomicClockChip 10e 10以上 实现9us 24小时 69 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 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 71 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 72 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 73 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 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 75 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 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 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 78 电厂 当地数据接口 PMU DCS Ethernet RS232 PMU SCADA Ethernet RS232 变电站 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 80 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 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 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