实时量测技术

1、第十四实时量测技术第十四实时量测技术20222022年年2 2月月9 9日日目录目录20222022年年2 2月月9 9日日 电力系统的运行分析与控制，都是以状态测量为基础的。但是，传统的监控与数据采集（SCADA)系统侧重于系统稳态运行情况的监测，对系统的动态行为无法进行有效的监测。近年来，相量测量单元（PMU)和广域测量系统（WAMS)的研究开发和推广应用工作在国内外电力系统中方兴未艾，是电力系统的重大技术革新。WAMS的应用前景非常广泛，以PMU为基础的WAMS为电力系统动态监视、分析和控制创造了良好条件，将使电力系统的监控从稳态水平提高到动态水平。20222022年年2 2月月9 9日

2、日 所谓广域测量系统（WAMS，Wide Area Measurement System)是以PMU为低层测量单元，经通信系统将测量值实时传送到数据采集器，经过一定的数据处理后对电力系统运行进行动态监测及实现其他高级功能的系统。近年来，相量测量单元和广域测量系统的研究开发工作在国内外方兴未艾。这主要源自电力系统的两个发展需求：（1）时间上同步。目前的各种电力系统故障录波器，由于不同安装地点之间缺乏准确的共同时间标记，记录的数据只是局部有效，难以用于全系统动态特性的分析。因此，电力系统应配备连续的动态安全稳定监视与事故录波装置，并能按要求将时间上同步的数据送到电网调度中心故障信息数据库，实现故障

3、信息的自动传输和集中处理，以确定事故的起因和扰动特性，并为电力系统事故仿真分析提供依据。20222022年年2 2月月9 9日日（2）空间上广域。随着电力系统的空间范围不断扩大，形成了广域电力系统。广域电力系统的运行分析与控制，都是以状态测量为基础的。传统的SCADA系统侧重于系统稳态运行情况的监测，以SCADA/EMS及有关的应用软件为代表的调度监测系统实际上是在潮流水平上的电力系统稳态行为监测系统，对系统的动态行为无法进行有效的监测。根据电力系统的发展需求，人们开始研究相量测量单元和广域测量系统。 所谓相量测量单元（PMU，Phase Measurement Unit)就是能够利用全球定位

4、系统（GPS，Global Position System)的授时功能，给以相量形式测量到的各节点或者线路的各种状态量打上时标的一种测量装置。与传统远方终端（RTU)测量不同的是：各个PMU的测量值可以根据其时标统一到同一个时间坐标上，这样不仅可以获得各种状态量的有效值，还可以直观地了解各个状态量之间的相位关系；利用发电机表征转子转速的相关信号，还可以准确地测量出发电机的功角。20222022年年2 2月月9 9日日相量测量装置 Phase Measurement Unit (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

5、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。 数据集中器 Data Concentrator（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。 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。 1 1、同步相量测量装置基础、同步相量测量装置基础20222022年年2 2月月9 9日日 主站 main station 安装在电力系统调度中心，用于接收、管理、存储、分析

6、、告警、决策和转发动态数据的计算机系统。 电力系统实时动态监测系统 real time power system dynamic monitoring system 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。 20222022年年2 2月月9 9日日2 2、WAMSWAMS结构图结构图GPS同步装置20222022年年2 2月月9 9日日 在各功角测量子站中选择一个主力发电厂或枢纽变电站为参考站，该站的功角不但传送至控制中心，而且送到各监测子站，作为各测量点的参考相角。各子站得到自己相角相对于系统参考点的角度，然后用这个信号进行就地控制，如发电机调速、

7、SVC的投切等。 上位机与其相连的下位机共同组成一套基本的PMU，各PMU独立地从GPS系统得到高精度时钟，并以此为基础，同步进行数据采集、相角测量及其他工作。采用上、下位机结构的目的是提高PMU对不同应用场合的适应性，下位机与上位机之间采用高性能的局域网连接，各PMU的测量结果除按需要在本地进行适当的显示和记录外，必要的信息通过广域网送到主站中央处理机进行集中处理。20222022年年2 2月月9 9日日 1 1、实时监测功能、实时监测功能（1）、装置应具备同时向主站传送实时监测数据的能力。（2）、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。（3）、装置实时监测数据

8、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。（4）、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。20222022年年2 2月月9 9日日 2 2、实时记录功能、实时记录功能(1)、装置应能实时记录全部测量通道的相量数据。(2)、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。(3)、装置实时记录数据的保存时间应不少于14天。(4)、当电力系统发生频率越限、频率变化率越限、相电压越限、正序电压越限、相电流越限、正

9、序电流越限、线路低频振荡、相角差越限等事件时，装置应能建立事件标识，以方便用户获取事件发生时段的实时记录数据。(5)、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实时记录数据。(6)、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。 20222022年年2 2月月9 9日日 3、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4、PMU的用途（1 1

10、）进行快速的故障分析）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。20222022年年2 2月月9 9日日 （2 2）捕捉电网的低频振荡）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

11、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。 （3 3）实时测量发电机功角信息）实时测量发电机功角信息 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。 （4 4）分析发电机组的动态特性及安全峪度分析）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

12、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。 20222022年年2 2月月9 9日日 1 1、PMUPMU的架构的架构 PMU装置的输入信号有：（1）、线路电压、线路电流信号的输入（监控CT)；（2）、开关量信号的输入；（3）、发电机轴位置脉冲的输入，可以是鉴相信号或转速信号；（4）、用于励磁、AGC等的4-20mA控制信号；（6）、GPS标准时间信号；20222022年年2 2月月9 9日日 PMU装置的输出信号有：（1）、用于中央信号的告警信号

13、输出；（2）、用于通信用的10/100M以太网及RS232接口（采用IEEEstd1344通信标准）；（3）、用于控制用的4-20mA输出； 2 2、PMUPMU相角测量方法相角测量方法Vmt = 0(1 PPS)Vmt = 0(1 PPS)signalx(t) 0度 -90度20222022年年2 2月月9 9日日 当相量幅值不变时，相量的相位与模拟信号的频率应符合如下关系Hzfff50)(2dtd00， 即相量的频率等于50Hz时，相量的相角不变；当相量的频率大于50Hz时，相量的相角逐渐增大；当相量的频率小于50Hz时，相量的相角逐渐减小。 （1 1）、过零检测法）、过零检测法20222

14、022年年2 2月月9 9日日)20000(3601iiijittt相对于参考站的角度为00ijiji20222022年年2 2月月9 9日日 （2 2）、傅里叶变换法）、傅里叶变换法 傅里叶变换法基本原理是：相量测量装置利用GPS同步时钟的授时信号作为数据采样的基准时钟源。数据采样脉冲由同步时钟的秒脉冲信号锁定，每秒第一次相量测量的采样时刻和秒脉冲的上升沿同步，同步误差小于l00ns。同步采样频率为9600Hz，信号为50Hz时每周波对应采样96点。测量装置每秒上传50组同步相量数据，相量对应的时标在1s内均匀分布。工频信号可表示为)sin(|2)(txtx用相量表达为IRjXXexx|_

15、若一个周波有N点采样，采样值为20222022年年2 2月月9 9日日)2sin(|2)(NxtxjkrNrkeXNX11k1r2由离散傅里叶变换可得00ijijiNkRNkxNX1)k2cos()(2 如果K=1时的采样值对应于GPS的秒脉冲上升沿，在频率为50Hz的情况下，则以上两式可算出秒脉冲时刻的相量。 若需要每一个采样点都能实时地计算出电压相角，可采用如下的递归傅里叶算法。对于正弦工频信号 ，在实时测量中得到以下两个采样集：)sin(|2)(txtx1-r, 1,k|NrrXk，r, 2, 1k|1kNrrX，对应基波相量rX对应基波相量1rX20222022年年2 2月月9 9日日

16、 上式的离散傅里叶变换可分别表示为jkrNrkkeXNX1r2jkrNrkeXNX11k1r2N/2为采样角度， jNreXXNXX)(2r11r则即为电压相量离散傅里叶变换递归算法的迭代计算公式。20222022年年2 2月月9 9日日MNkRMNexkeMNkxeMNX1)(2cos)(2MNkIkeMNkxeMNX12sin)(2 经过数学展开并化简后，变为MNkMNkRMNexkNkkxeMNeMkeMNkxeMNX11)(2sin()(22cos)(2）（MNkMNkIkNkkxeMNeMkNkxeMNX112cos)()(22sin)(2 以上两式即是修正算法。由此方法获得的相量数

17、据在频率变化为5Hz时，相位误差在1以内。20222022年年2 2月月9 9日日 2 2、PMUPMU功角测量方法功角测量方法 功角的概念：对于多机电力系统，每台发电机的功角A是该机q轴与系统参考轴（比如系统中某枢纽节点电压）之间的夹角，由于该发电机端口电压相角与系统参考轴之间的夹角乂可以通过潮流计算或PMU获得，所以只要能够确定出该发电机q轴与其端口电压之间的夹角，加上仏即可获得A。因此，下面讨论的功角特指发电机q轴与其端口电压之间的夹角。 功角测量原理：以单机对无穷大系统为例，如图所示。对于隐极或凸极同步发电机，都可以写出如下方程：IjXrUEQ)(q20222022年年2 2月月9 9日日 发电机的功角测量方法分两种：间接测量法和直接测量法。1.间接