MU技术及SMU-2介绍-2小时.ppt

国电南瑞科技股份有限公司 同步相量测量装置 PMU 技术介绍 国电南瑞科技股份有限公司 2008年4月 主讲人 周捷博士 Email zhouj Tel讲课内容一 PMU及动态监测系统的技术背景二 同步相量测量基础三 PMU的功能及作用四 PMU的主要技术原理五 发电机功角测量方法六 电网监测技术的未来发展趋势七 SMU 2系列PMU装置介绍 第一节PMU及动态监测系统的技术背景及国内外概况 问题 为什么会出现PMU 为什么会出现实时动态监测系统 实时动态监测系统的定位 频率越限 系统功角越限 稳定预测控制 低频振荡 在线扰动 短路故障 稳态运行 SCADA EMS 保护 故障录波 电力系统实时动态监测系统 响应时间 0 001S0 01S0 1S1S10S100S1000S 技术背景 国内外PMU的发展历史及应用状况 1 国外 90年代初期 已有简单的基于GPS的正序电压相角测量装置 90年代末 已有PMU监控系统在现场运行 如美国电力科学研究协会 EPRI 在乔治亚 佛罗里达 田纳西 纽约 邦纳维尔电管局 BPA 加里佛尼亚等 安装了数量不等的PMU 少则2台 多则十台 用以研究电力系统在各种故障条件下的动态行为 并研究相角数据的实时传递和处理等 法国 英国 加拿大 日本等国目前都有PMU装置在实时运行 1995年推出标准 IEEEStd1344 1995IEEEStandardforSynchrophasorsforPowerSystems 2001年推出该标准的修订版 Arbiter公司的1133A 2 国内 90年代中期 国内的一些高校和研究机构开始研究相角测量装置 大部分为正序相角 每秒1次上送 并有部分投入试运行 目前台湾欧华公司与电科院系统所合作 推出ADX3000型PMU 在华东电网 西北电网 台湾岛电网中有应用 以后出现PAC2000 SMU系列 CSS 200等等 2003年2月 国家电力调度通信中心在北京开会 制定 并作为三峡 左岸 电力系统实时动态监测系统项目的主要技术规范 2006年4月国家电网公司正式发布 华东电网的WAMAP于2006年10月试运行 PMU概况 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 2 PMU概况 行业标准IEEE1344 1995 R2001 IEEEStandardforSynchrophasorsforPowerSystems IEEE PC37 118 2005 电力系统实时动态监测系统技术规范 国调中心03年2月第1稿 04 05年修改稿 国家电网公司06年4月正式发布 行业检测标准 制定中 技术背景 国家电网公司关于 十一五 期间加强电网调度工作的意见 5 全面加强 十一五 期间电网调度工作 要从加强基础建设 规范完善制度入手 立足科学管理 着力开拓创新 完善管理机制 强化保障作用 必须围绕电网的安全 优质 经济运行 以 三个提高 为基础 以 两个规范 为手段 努力建设好 三个重点领域 为建设 一强三优 现代公司和促进电力工业持续 快速 协调发展做出贡献 6 三个提高 即提高调度队伍素质 提高自动化水平 提高智能化水平 两个规范 即规范电网调度技术路线和模式 规范电网调度 交易 机构设置 三个重点领域 即重点保证特大特高压交直流混合系统安全稳定运行 重点建设三级电力市场体系 重点建设电网动态安全监测预警系统 54 建设电网动态安全监测预警系统 整合能量管理 EMS 离线方式计算 广域相量测量等系统 实现在线安全分析和安全预警 先期在国家电力调度通信中心组织实施 并逐步推广到网省调 以提高互联电网的安全稳定水平 有效预防电网事故 构筑电网安全防御体系 55 各网省公司要按照统一规划和部署 在330千伏及以上主网架和网内主力电厂部署相量测量装置 PMU 实现国家 区域 省三级广域相量测量系统的联网 提高电网动态测量水平 技术背景 国网公司对PMU的布点工作极为重视 第二节同步相量测量装置基础 WAMS系统的名词 1 相量测量装置PhasorMeasurementUnit PMU 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 PMU的核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量 失去标准时钟信号的守时能力 PMU与主站之间能够实时通信并遵循有关通信协议 2 数据集中器DataConcentrator DC 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 3 子站Substation安装在同一发电厂或变电站的相量测量装置和数据集中器的集合 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 4 主站mainstation安装在电力系统调度中心 用于接收 管理 存储 分析 告警 决策和转发动态数据的计算机系统 5 电力系统实时动态监测系统realtimepowersystemdynamicmonitoringsystem基于同步相量测量以及现代通信技术 对地域广阔的电力系统动态过程进行监测和分析的系统 WAMS系统的名词 续 同步相量synchrophasor以标准时间信号作为采样过程的基准 通过对采样数据计算而得的相量称为同步相量 因而 各个节点的相量之间存在着确定统一的相位关系 使异地信号可以在相同的时间坐标下比较 PMU中的一些名词 续 为了保证不同地点的测量数据可以有效比较 规定如下 以PPS时间为参考 当PPS时刻 周期信号最大值对应0度 当PPS时刻 周期信号正向过零对应 90度 当v t 正向过零点与秒脉冲同步时 相量的角度为 90度 当v t 的最大值出现在秒脉冲时 相量的角度为0度 PMU中的一些名词 续 相量角度相量幅值 PMU中的一些名词 续 发电机内电势generatorinternalelectromotiveforce当同步发电机转子以同步速率旋转时 主磁场就在气隙中形成一个旋转磁场 它 切割 定子绕组后 就将在定子绕组内感应出频率为f的一组对称三相电动势 称为激磁电动势 又称发电机内电势 PMU中的一些名词 续 发电机功角powerangle发电机内电势和机端电压正序相量之间的夹角称为发电机功角 PMU中的一些名词 续 同步采样的概念 同步计数信号发生器 晶振时钟 1PPSfromGPS 同步采样脉冲 A装置 B装置 时标的概念 1 SOC SecondofCentury 世纪秒 秒等分数 相量数据2 SOC 当前秒内的采样点数 相量数据注 SOC在 IEEEStd1344 1995 R2001 的起始时间为1900年1月1日零时起至今的秒总数 SOC在 电力系统实时动态监测系统技术规范 试行 规定为1970年1月1日零时起至今的秒总数 4个字节 32位无符号数 最大范围为136年 到2106年完成一次循环 第三节同步相量测量装置的功能及作用 PMU主要功能 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 转轴鉴相信号 气门开度信号 AGC AVC PSS等信号 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 3 同步测量励磁电流 励磁电压 用于分析机组的励磁特性 4 同步测量AGC控制信号 用于分析AGC控制响应特性 功能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 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 功能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 功能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 功能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 功能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 功能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 a 装置应具备同时向主站传送实时监测数据的能力 b 装置应能接受多个主站的召唤命令 传送部分或全部测量通道的实时监测数据 c 装置实时监测数据的输出速率应可以整定 在电网正常运行期间应具有多种可选输出速率 但最低输出速率不低于1次 秒 在电网故障或特定事件期间 装置应具备按照最高或设定记录速率进行数据输出的能力 d 装置实时监测数据的输出时延 相量时标与数据输出时刻之时间差 应不大于30ms PMU监测功能技术指标 PMU技术指标 a 装置应能实时记录全部测量通道的相量数据 b 装置实时记录数据的最高速率应不低于100次 秒 并具有多种可选记录速率 c 装置实时记录数据的保存时间应不少于14天 PMU记录功能技术指标 PMU技术指标 PMU的作用 PMU的作用 总体而言 PMU装置对电网安全监测具有重要意义 PMU是WAMS WAMAP系统的基础 PMU可为电网的安全提供丰富的数据源 正常运行的实时监测数据 小扰动情况下的离线数据记录 大扰动情况下的录波数据记录 作用1 进行快速的故障分析在PMU系统实施以前 对广域范围内的故障事故分析 由于不同地区的时标问题 进行故障分析时 迅速地寻找故障点分析事故原因比较困难 需要投入较大的人力物力 通过PMU实时记录的带有精确时标的波形数据对事故的分析提供有力的保障 同时通过其实时信息 可实现在线判断电网中发生的各种故障以及复杂故障的起源和发展过程 辅助调度员处理故障 给出引起大量报警的根本原因 实现智能告警 PMU的作用 续 实时数据显示 作用2 捕捉电网的低频振荡 电网的低频振荡的捕捉是PMU装置的一个重要功能 通过传统的SCADA系统分析低频振荡 由于其数据通讯的刷新速度为秒级 不能够很可靠的判断出系统的振荡情况 基于PMU高速实时通讯 每秒可高达100HZ数据 可较快地获取系统运行信息 PMU的作用 续 河北万全500KV变电站丰万2线有功振荡曲线 河北万全500KV变电站丰万2线频率振荡曲线 作用3 实时测量发电机功角 发电机功角是发电机转子内电势与定子端电压或电网参考点母线电压正序相量之间的夹角 是表征电力系统安全稳定运行的重要状态变量之一 是电网扰动 振荡和失稳轨迹的重要记录数据 PMU的作用 续 作用4 分析发电机组的动态特性及安全峪度分析 通过PMU装置高速采集的发电机组励磁电压 励磁电流 气门开度信号 AGC控制信号 PSS控制信号等 可分析出发电机组的动态调频特性 进行发电机的安全峪度分析 为分析发电机的动态过程提供依据 监测发电机进相 欠励 过励等运行工况 异常时报警 绘制发电机运行极限图 根据实时测量数据确定发电机的运行点 实时计算发电机运行裕度 在异常运行时告警 PMU的作用 续 作用5 电力参数校核 黑龙江在2005年利用PMU做电力校核试验 PMU的作用 续 作用6 构建广域保护系统 如 美国西部电网继电保护委员会提出利用PMU和WAMS技术来构建广域保护系统 PMU的作用 续 第四节同步相量测量装置主要技术原理 A PMU与其它装置的测量区别 基本公式 同步相量定义 装置测量区别 PMU的硬件结构框图 GPS接收模块 同步信号发生器 微处理器 通讯模块 A D转换器 电压 电流互感器 低通滤波器 交流输入 频率跟踪器 存储器单元 PMU技术原理 鉴相脉冲 直流量 开关量 当地显示 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 1 装置一般利用GPS系统的授时信号1PPS作为数据采样的基准时钟源 2 装置应能利用GPS的秒脉冲同步装置的采样脉冲 采样脉冲的同步误差不大于 1us 为保证同步精度 宜使用独立的GPS接受系统 3 装置内部造成的任何相位延迟必须被校正 4 当同步时钟信号丢失或异常时 装置应能维持正常工作 要求在失去同步时钟信号60分钟以内装置的相角测量误差不大于1度 5 装置的同步时钟锁信能力应满足以下要求 a 温启动 停电4小时以上 半年以内的GPS主机开机 时间不大于50秒 b 热启动 停电4小时以内的GPS主机重新开机 时间不大于25秒 c 重捕获时间不大于2秒 时钟同步要求 PMU技术原理 PMU关键技术 1 同步采样技术 2 定点采样下的频率跟踪技术 3 高速稳定的通讯技术 4 基于标准时钟信号的同步相量测量 5 失去标准时钟信号的守时能力 6 PMU与主站之间能实时通信并遵循有关通信协议 PMU技术原理 第五节发电机功角的直接测量方法 发电机直轴电流 发电机交轴电流 发电机功角 1纯电气计算法间接计算法 基于稳态相量图的解析法 用发电机交 直轴同步电抗参数及机端电压 电流计算获取发电机功角的测量方法 发电机功角原理介绍 2 转速积分法通过计算法获取稳态功角值 采集转速脉冲 对转速求积分计算任意的转子位置 修正功角 该方法需要消除转速脉冲的累计误差 发电机功角原理介绍 续 3 基于直接键相脉冲测量方法 u1 p2 GPS秒脉冲 发电机功角原理介绍 发电机功角原理介绍 关键技术 发电机运行状态自动判断 发电机运行状态通过接入的机端电压 电流 脉冲等运行信息进行判断 发电机检修状态判断 发电机机端电压归零 发电机负载归零 发电机转速小于设定值 目前的计算机技术可在毫秒级的时间内判断出运行状态 键相信号 以前主要用于对发电机转子轴振动进行监测 在发电机转子转到固定位置时 发出一定幅度的脉冲 目前机组该脉冲为每转1个脉冲 通过测量该信号 结合发电机的转速 可以得到转子的实际位置 发电机功角原理介绍 续 发电机监测接入量 发电机监测接入量 第六节电网监测技术的未来发展趋势 电力系统实时动态监测系统未来发展趋势 电力系统实时动态监测系统的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EMS系统及安全自动控制系统的联接 远期目标是对电力系统的动态过程进行控制 未来发展 电力系统自动化未来发展趋势 1 数字化变电站 智能化的一次设备 网络化的二次设备 电子式互感器 IEC61850标准 2 同步采样技术的普遍应用 随着GPS及通讯技术的迅猛发展 使同步采样技术可能成为一种电力系统中普遍采用的技术手段 引发一场新的电力系统自动化产品的革命 电力系统实时动态监测系统可以在稳态SCADA和EMS基础上 使电力系统监测及控制上一个新台阶 3 动态测控装置 动态SCADA 动态EMS 未来发展 第七节SMU 2系列同步相量测量装置简要介绍 国电南瑞科技股份有限公司在原SMU 1型PMU装置技术以及其在全国近200个现场的应用基础上 利用最新的GPS卫星时钟信号 高速DSP数字信号处理技术和嵌入式技术 进行全新的研制开发 研制出全嵌入式SMU 2型新一代PMU装置 在算法实现 测量精度 可靠性 通讯技术上实现新的飞跃 简介 SMU 2的常规技术 符合行业标准 IEEE1344 1995 R2001 IEEE37 118 2005 电力系统实时动态监测系统技术规范 SMU 2的主要技术指标 a 实时测量同步相量并上送b 实时记录同步相量数据c 装置守时功能d 故障录波功能e 发电机功角测量f 当地显示 整定 分析 SMU 2装置技术领先点 1 双核CPU全嵌入式设计采用最新的DSP及POWERPC双核技术 极大提高了测量控制单元的可靠性 具有较强的可靠性 网络通信能力 可扩充性 系统采用全嵌入式设计方法SOC SystemOnChip SMU 2M SMU 2G测量控制单元以及SMU 2CS数据集中器均采用源码开放的Linux嵌入式实时操作系统 功能强 实时性好 us级任务调度 SMU 2技术领先点 2 采用高密度同步相量算法 采用每周波200点计算幅值和绝对相角 在测量精度 动态响应等性能指标上有了很大的提高 静态相量测量精度 幅值精度0 1级 相角精度0 1度 系统动态响应速度 10ms SMU 2技术领先点 3 集成化的装置设计装置在最简配置下 仅需一台装置即可完成现场16条线路的同步相量采集 GPS接收 数据集中器等功能 取代了以前多台装置完成的功能 大大简化了现场设计 提高系统的可靠性 首次在PMU设计上采用背板总线式结构 装置的容量可根据实际需要进行扩充或减少 提高了装置扩容的方便性 SMU 2技术领先点 4 装置双SATA硬盘设计首次在装置内采用双SATA硬盘设计 支持故障数据的双重备份 支持连续数据交替保存 以提高可靠性及让每一硬盘得到修整 SMU 2技术领先点 数据集中器 双SATA硬盘存放100Hz的动态数据 保存时间 14天 测量单元 双SATA硬盘存放暂态故障录波文件 SMU 2CS SMU 2M A SMU 2G SMU 2M B 5 高性能的授时GPS模块 SMU 2选用新的授时型GPS模块 在时间精度 捕获卫星时间等性能指标上有了较大的提高 该模块可同时跟踪12颗以上的卫星 其在接收到一颗卫星的信号后 其时钟精确度即可达到150ns 由于其内置存贮器保存了当前GPS的经纬度 每次冷 热启动的速度大为加快 SMU 2技术领先点 6 大容量的输入通道 SMU 2M A 96路交流量 256路开关量 SMU 2M B 48路交流量 64路开关量 SMU 2G 2台发电机组的测量 2个键相脉冲 2个转速脉冲 12路交流输入 36路直流量 也可选配为交流 输入 SMU 2技术领先点 7 完善的故障录波功能 SMU 2M具备完整的故障录波功能 各种启动元件判据 录波时间长度在同类PMU装置中都处于领先水平 支持1KKz重采样的常态数据记录 新的设计可确保故障前记录1分钟以上 故障后可常态保持记录 故障存贮的时间大大加长 SMU 2技术领先点 8 采用直接法自适应测量内电势及功角 每一台SMU 2G可同时测量2台发电机组的同步相量和功角 系统可采集发电机键相脉冲及发电机转速脉冲信号 自适应矫正脉冲的初始位置 通过脉冲来测量发电机转子位置 采用直接法测量发电机内电势及功角 SMU 2技术领先点 测量单元 SMU 2系统组成 SMU 2M A线路同步相量测量装置SMU 2M B线路同步相量测量装置SMU 2G发电机同步相量测量装置 SMU 2P辅助分析单元 SMU 2CS数据集中器 SMU 2FB以太网交换机 光纤盒 SMU 2GPS时钟同步单元 数据管理显示单元 SMU 2同步相量测量装置 采用12U机箱 背插式结构 一 SMU 2M A线路同步相量测量单元 设计思路1 大容量的交流量和开关量 考虑和故障录波器兼容 2 用于220KV及以下电压等级变电站内多条线路的同步相量测量 SMU 2M A装置测量容量每台SMU 2M A单元测量容量为 模拟量 96路开关量 256路开出 4付1常开1常闭的开出接点模拟量测量范围 电压 0 120V电流 0 3In 一般在定货时需指出1A 5A制CT SMU 2M A的背面端子图 二 SMU 2M B线路同步相量测量单元 6U整机箱背插式结构 设计思路考虑到330KV及以上电压等级的PMU装置大多按间隔安装PMU屏柜 小室内线路数不多 特设置SMU 2M B型线路同步相量测量装置 每台SMU 2M B单元测量容量为 模拟量 48路开关量 64路开出 4付1常开1常闭的开出接点模拟量测量范围 电压 0 120V电流 0 3In 一般在定货时需指出1A 5A制CT 集中 分散配置 SMU 2M B的背面端子图 三 SMU 2G发电机同步相量测量单元 6U整机箱 背插式结构 设计思路 考虑发电厂的PMU装置测量量的特殊性 如发电机功角 鉴相脉冲 转速脉冲 直流量等 特设置SMU 2G型发电机同步相量测量装置 每台SMU 2G单元可测量2台发电机组 测量容量为 l模拟量输入 6路电压 6路电流 36路直流 也可选配为交流 l转子脉冲 4路2路鉴相脉冲2路转速脉冲输入电压 0 5 24Vl模拟量输出 4 20mA输出 选配 l开关量 32路模拟量测量范围 电压 0 120V电流 0 3In直流 4 20mA分散安装或集中式安装 SMU 2G的背面端子图 采用3U机箱 内置 饼干PC 用QT开发人机界面 四 SMU 2P辅助分析单元 设计思路1 作为人机界面 定值整定 测量值显示等 2 作为分析平台 故障录波 DYN文件分析显示 主要功能1 系统配置设定2 定值整定3 系统工况 测量值的显示4 系统扰动时 就地分析功能5 为二级存贮提供额外的海量存贮器 1 内置式GPS模块 作为一个插件嵌入SMU 2M或2G的装置内 五 SMU 2GPS时钟同步单元 2 外置共享式GPS装置 采用3U机箱完成授时功能 内置式GPS插件的设计思路 当厂站内PMU装置较少时 可采用此方式 减少成本 外置式GPS装置的设计思路 a 厂站内PMU装置较多 b 今后用户统一GPS装置时 可提供多种接口c 多输入源 北斗 GLORSS等 SMU 2GPS的背面端子图 1 可通过1344报文同时向4个主站转发动态数据 2 PMU子站内最多可连接8台PMU测量单元 3 100帧速率的动态DYN的海量数据保存 六 SMU 2CS数据集中器 3U机箱结构 SMU 2CS的端子图 SMU 2同步相量测量装置在国网电力设备质量检测中心顺利通过4级EMC试验及常规型式试验 SMU 2的检验情况 在华东电力试验研究院顺利通过PMU性能入网测试和RTDS动模试验 额定频率下电流电压精度 0 1 非额定频率下电流电压精度 0 1 频率精度 0 001Hz相角精度 0 1度动态频率响应 10ms动态相角精度 小于0 2度在新增加的频率小扰动 频率响应时间 RTDS白噪声测试中 装置的各项精度指标都令人满意 SMU 2的检验情况 SMU 2的现场配置说明 SMU 2M A 96通道 SMU 2CS DC 省调 网调 国调 SMU 2GPS SMU 2的现场配置 变电站方案1 内部以太网 SMU 2P 人机界面 交换机 交换机 通讯机房 方案1 单台SMU 2M A集中组屏 当地 外网 SMU 2M B 48通道 SMU 2CS DC 省调 网调 国调 SMU