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1、PAC-2000电力系统相量测量装置技 术 说 明 书（V2.0）中国电力科学研究院CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE目 录1概述1-11.1相量测量技术的研究历程1-11.2同步相量测量技术1-21.3同步相量测量装置（PMU）1-31.4电力系统实时动态监测系统1-41.5PAC-2000电力系统相量测量装置1-51.5.1装置组成1-51.5.2技术特征1-52装置主要功能2-12.1实时监测2-12.2实时记录2-12.3暂态记录2-12.4发电机内电势及功角监测2-22.5时钟同步2-22.6运行监视2-22.7数据分析2-22.8装置告警
2、2-32.9故障自恢复2-33集中式相量测量装置3-13.1装置硬件3-13.1.1硬件结构框图3-13.1.2装置柜体布置图3-13.1.3信号变换单元布置图3-23.2装置软件3-33.2.1操作系统3-33.2.2软件结构3-33.2.3相量测量算法3-33.3装置的对外通信3-43.3.1装置与主站的通信3-43.3.2装置与变电站监控系统的通信3-53.4装置技术参数3-53.4.1工作环境的大气条件3-53.4.2额定参数3-53.4.3规格参数3-63.4.4功率消耗3-73.5装置技术性能指标3-73.5.1主要功能指标3-73.5.2测量精度3-93.5.3交流输入量的过载能
3、力3-93.5.4绝缘性能3-93.5.5耐湿热性能3-103.5.6电磁兼容性能3-103.5.7机械性能3-114分布式相量测量装置4-14.1分布式相量测量装置结构4-14.2数据采集单元（PAC-2000S）4-24.2.1基本功能4-24.2.2硬件结构4-34.2.3技术参数4-44.2.4通道配置4-54.3GPS授时单元(PAC-2000G)4-64.3.1概述4-64.3.2技术参数4-64.4数据集中处理单元(PAC-2000P)4-64.4.1概述4-64.4.2技术参数4-74.4.3基本功能4-74.5调试软件4-84.5.1基本功能4-91 概述相量测量技术的研究历
4、程近年来，随着全国联网、西电东送、南北互供工程的实施，电网规模逐步增大，电网成分构成日趋复杂。此外，电力市场化机制的建立将使电力公司为充分利用现有输变电设备的能力，而造成输电线路的负载会接近稳定极限。这些都对现代电力系统的分析、运行和控制技术提出了挑战。电力系统同步相量测量技术是近年来发展起来的一项新技术，被称为电力系统三项前沿课题之一。它能为我国电力系统的安全稳定运行提供有力的监测手段，极大提高电力系统的监控水平和稳定运行水平。国内同步相量测量技术的研究起步于1994年，中国电力科学研究院与台湾欧华科技公司合作开发了基于同步相量测量的电力系统稳定监录系统，它主要用于监测系统主要断面的功角稳定
5、运行情况、观测线路上出现的低频功率振荡现象以及记录系统受扰动后各监测点的动态过程，该系统在国内推广应用较早，积累了丰富的实际运行经验，目前已在国内多个电网建成功角监测系统。1995年，在南方电网组建我国第一套实时功角监测系统。1998年，开始构建华东电网实时功角监测系统。2001年，国调在阳城江苏、福建华东联络线上安装了实时功角监测装置。2001年，开始构建福建电网实时功角监测系统。2002年，开始构建四川电网实时功角监测系统。2002年，中国电科院研制的发电机内电势测试仪在华东电网徐州电厂正式投入运行。2002年，中国电科院作为主要起草单位，参加了国调中心电力系统实时动态监测系统技术规范（试
6、行）的编写。2003年，组建东北电网实时动态监测系统（一期工程），中国电科院在国内首次成功地将不同厂家、不同型号的PMU装置集成在同一个电力系统实时动态监测系统中。2004年，中国电科院研制的新一代PMU装置PAC-2000电力系统相量测量装置正式在系统中投入运行。迄今为止，中国电科院已在国调系统、南方电网、华东电网、东北电网、华中电网、西北电网组建了多个电力系统实时动态监测系统，积累了丰富的研究和工程应用经验。同步相量测量技术同步相量测量是利用高精度的GPS卫星同步时钟实现对电网母线电压和线路电流相量的同步测量，通过通信系统传送到电网的控制中心或保护、控制器中，用于实现全网运行监测控制或实现
7、区域保护和控制。交流电力系统的电压、电流信号可以使用相量表示，相量由两部分组成，即幅值X（有效值）和相角，用直角坐标则表示为实部和虚部。所以相量测量就必须同时测量幅值和相角。幅值可以用交流电压电流表测量；而相角的大小取决于时间参考点，同一个信号在不同的时间参考点下，其相角值是不同的。所以，在进行系统相量测量时，必须有一个统一的时间参考点，高精度的GPS同步时钟就提供了一个这样的参考点。任意两个相量在统一时间参考点下测得的两个相角的“差”即为两地功角，这就是相量测量的基本原理。设正弦信号：x(t)=(1)可以采用相量表示为：=(2)由式(2)可见，相量有两种表示方法：直角坐标法（实部和虚部）和极
8、坐标法（幅度值和相位）。交流信号通过傅里叶变换，将输入的采样值转换到频域信号，从而得到相量值。式(1)可以用相量的形式表示出来：(3)图11 交流信号相量图如图11所示，V(t)代表变换器要处理的瞬时电压信号，通过傅里叶变换，电压或电流可以用相量的形式表示出来。假设电力系统中的两个节点对应的电压信号分别为、，其对应的相量分别为、。当t=0时刻接收到GPS系统发送的秒脉冲信号（1PPS），两节点同步电压相量如图12所示，在统一的坐标系中超前90。图12 同步相量测量原理同步相量测量装置（PMU）同步相量测量装置是电力系统实时动态监测系统的基础和核心，通过该装置可以进行同步相量的测量和输出以及进行
9、动态记录。相量测量装置的主要特点和技术关键：a) 同步性：相量测量装置必须以精确的同步时钟信号（如GPS）作为采样过程的基准，使各个远方节点的相量之间存在着确定统一的相位关系。相量测量装置能利用同步时钟的秒脉冲信号同步装置的采样脉冲，采样脉冲的同步误差应不大于1s。b) 实时性：相量测量装置在高速通信系统的支撑下，能实时地将各种数据传送至多个主站，并接收各主站的相应命令。c) 高速度：相量测量装置必须具有高速的内部数据总线和对外通信接口，以满足大量实时数据的测量、存贮和对外发送。d) 高精度：相量测量装置必须具有足够高的测量精度，一般A/D需在16位及以上，装置测量环节产生的信号相移必须要进行
10、补偿，装置的测量精度包括幅值和相角的精度。e) 高可靠性：相量测量装置必须具备很高的可靠性，以满足未来的动态监控系统的可靠性要求。可靠性体现在两方面，一是装置运行的稳定性；二是记录数据的安全可靠性。f) 大容量：相量测量装置必须具备足够大的存贮容量，以保证能长期记录和保存相量数据、暂态数据。电力系统实时动态监测系统电力系统实时动态监测系统是建立在广域测量基础上的，对电力系统动态过程进行监测和分析的系统。电力系统实时动态监测系统面向电力系统动态安全监测，实现对电力系统的动态过程进行监测和分析。在现代复杂电网中，由于动态过程的复杂性，要分析系统动态过程，往往必须分析系统多个点的动态过程。而电力系统
11、实时动态监测系统可以使我们分析整个系统的动态行为。系统将实现与EMS系统的结合，与EMS相互补充，逐步实现新一代的动态EMS。并将逐步实现与安全自动控制系统的联接，提高大区域电网的安全控制的适应性。最终将实现对电力系统的动态过程的控制。电力系统实时动态监测系统由子站和分析中心站及高速通信网络组成。a) 子站是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。子站能测量、发送和存储实时测量数据。子站能与变电站自动化系统或发电厂监控系统交换信息。b) 分析中心站一般由主站或主站及在
12、主站基础平台之上的高级应用工作站等组成。主站是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。主站能接收、管理、存储和转发源自子站的实时测量数据，主站之间能交换实时测量数据。分析中心站安装在电力系统调度中心，是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。分析中心站能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，以提高调度机构准确把握系统运行状态的能力，并有助于研究大电网的动态过程，为制订电力系统控制策略和设计、运行、规划方案提供依据。典型的电力系统实时动态监测系
13、统的结构如图13所示主站B主站A主站C子站A子站B子站C子站D子站E子站F区域电网A区域电网B图13 电力系统实时动态监测系统拓扑结构图PAC-2000电力系统相量测量装置1.1.1 装置组成PAC-2000电力系统相量测量装置具有分布式（PAC-2000D）和集中式（PAC-2000C）两个系列。分布式（PAC-2000D）主要由数据采集单元（PAC-2000S）、数据集中处理单元（PAC-2000P）、GPS授时单元（PAC-2000G）构成。集中式（PAC-2000C）由信号变换单元（PAC-2000T）和相量测量单元（PAC-2000M）组成。分布式各个单元可单独组屏也可集中组屏，可灵
14、活安装于变电站继保小室内。集中式的变换处理单元与相量测量单元必须在同一屏上，适合于接入量多且集中的场合。1.1.2 技术特征a) 高性能的硬件平台集中式相量测量装置采用业界高端的CompactPCI工控总线和DSP并行数据处理系统相结合的硬件平台，具有运行稳定可靠、结构层次清晰、总线速度快、系统数据处理能力强等特点。同时，装置严格按照CompactPCI工业标准设计，采用标准化、模块化、开放式的结构设计，便于装置调试、现场维护和产品升级。CompactPCI总线是一个主要应用于通讯、航天和军工领域的高性能、高可靠性总线平台，具有32 / 64 bit总线宽度，33 / 66 MHz总线速度，1
15、32 / 528 Mbps峰值传送速率，由于总线采用气密针式全屏蔽连接器，具有耐腐蚀、抗振动、抗电磁干扰等优点。非常适合数据流量大、实时性强、可靠性要求高、抗干扰性要求严格的数据采集、数据处理、数据传输和实时控制装置。分布式相量测量装置采用先进的嵌入式工控平台，运行稳定可靠，积木式架构利于产品的调试、现场维护和产品升级。b) 嵌入式工控软件平台装置采用嵌入式实时操作系统QNX（6.2.1版）作软件平台，具有超强的稳定性、可靠性和可维护性。装置软件系统按功能划分为一个监控及管理模块，四个独立的功能模块：数据采集、文件管理、人机界面、对外通讯。各功能模块在监控及管理模块的监管下独立运行，相互之间通过共享数据区交换数据和信息。各模块可以单独升级，单个模块发生异常
