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1、同步相量测量装置同步相量测量装置(PMU)(PMU)技术介绍技术介绍主要内容主要内容一、一、 PMUPMU及动态监测系统的技术背景及动态监测系统的技术背景二、同步相量测量基础二、同步相量测量基础三、三、PMUPMU的功能及作用的功能及作用第一节第一节 PMUPMU及动态监测系统的技术背景及动态监测系统的技术背景技术背景传传统统的的电电力力系系统统监监测测手手段段主主要要有有侧侧重重于于记记录录电电磁磁暂暂态态过过程程的的各各种种故故障录波仪障录波仪和侧重于监测系统稳态运行情况的和侧重于监测系统稳态运行情况的SCADA系统系统。但但都都存存在在不不足足：传传统统的的故故障障录录波波器器只只能能记
2、记录录故故障障前前后后几几秒秒的的暂暂态态波波形形，由由于于数数据据量量大大，难难以以全全天天候候保保存存，而而且且不不同同地地点点之之间间缺缺乏乏准准确确的的共共同同时时间间标标记记，记记录录数数据据只只是是局局部部有有效效，难难以以用用于于对对全全系系统统动动态态行行为为的的分分析析。 SCADA大大约约提提供供4秒秒刷刷新新一一次次的的稳稳态态数数据据，对对电电网网的的动动态态状状态态预预测、低频振荡、故障分析等几乎不能提供任何帮助。测、低频振荡、故障分析等几乎不能提供任何帮助。因因此此，电电力力学学术术界界提提出出“同同步步相相量量测测量量理理论论”和和“实实时时动动态态监监测测系系统
3、统”来解决这一问题。来解决这一问题。在在电电力力系系统统重重要要的的变变电电站站和和发发电电厂厂安安装装同同步步相相量量测测量量装装置置（PMUPMU），构构建建电电力力系系统统实实时时动动态态监监测测系系统统，并并通通过过调调度度中中心心分分析析中中心心站站实实现现对对电电力力系系统统动动态态过过程程的的监监测测和和分分析析。该该系系统统将将成成为为电电力力系系统统调调度度中中心心的的动动态态实实时时数数据据平平台台的的主主要要数数据据源源，并并逐逐步步与与SCADA/EMSSCADA/EMS系系统统及及安安全全自自动动控控制制系统相结合，以加强对电力系统动态安全稳定的监控。系统相结合，以加
4、强对电力系统动态安全稳定的监控。 动态监测技术出现的背景动态监测技术出现的背景实时动态监测系统的定位实时动态监测系统的定位频率越限频率越限系统功角越限系统功角越限稳定预测控制稳定预测控制低频振荡、在线扰动低频振荡、在线扰动 短路故障短路故障稳态运行稳态运行SCADA/EMS保护保护/故障录波故障录波电力系统实时动态监测系统电力系统实时动态监测系统（响应时间）（响应时间）0.001S0.01S0.1S1S10S100S1000S技术背景 应用的需求： 1)美国等西方国家的大停电，由于没有有效的电网动态监视手段,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 技术的可能： 高速计
5、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. 高精度GPS 微秒级误差 高速广域通信技术 100M以上以太网 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.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
6、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。(ArbiterArbiter公司的公司的1133A) 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（以后出现 PAC2000PAC2000、SMUSMU系列、系列、CSS-
7、200CSS-200等等等等) ) 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将于2006年10月试运行。 技术背景 行业标准行业标准IEEE1344-1995(R2001)IEEE1344-1995(R2001)：IEEE IEEE Standard Standard for for Synchrophasors for Power Systems; Synchrophasors for Power Systems; EPRIEPRI：PC37.118-20
8、05PC37.118-2005电电力力系系统统实实时时动动态态监监测测系系统统技技术术规规范范: :国国调调中中心心0303年年2 2月月第第1 1稿稿，0404、0505年年修修改改稿稿, ,国国家家电网公司电网公司0606年年4 4月正式发布；月正式发布；技术背景国家电网公司关于国家电网公司关于“十一五十一五”期间加强电网调度工作的意见：期间加强电网调度工作的意见：1）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
9、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。2）“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。3）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。4）各网
10、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第二节 同步相量测量装置基础同步相量测量装置基础广域测量系统的组成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 Data Concentrator（DC） 用于站端数据接收
11、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 main station 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 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
12、程进行 监测和分析的系统。广域测量系统的组成PMUPMUPMUPMU子站/数据集中器子站/数据集中器主站（分析中心站）主站（分析中心站）主站主站PMU的装设点：大型发电厂、联络线落点、重要负荷联接点、HVDC或SVC(无功补偿器)等控制系统。动态监测系统动态监测系统电力系统实时动态监测系统结构体系图广域动态信息监测分析保护控制系统（WAMAP：WideAreaMonitoringAnalysisProtection-control）WAMAP 数据平台市场EMS保护其他PMUPMUPMU数据通讯第三节第三节 同步相量测量装置的功能同步相量测量装置的功能及作用及作用a、装置应具备同时向主站传送实
13、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。 一、实时监测功能一、实时监测功能PMU的主要功能的主要功能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。d、当电
14、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。e、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。f、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。 二、实时记录功能二、实时记录功能PMUPMU的主要功能的主要功能PMU的重要性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
15、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1）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。PMU的用途 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
16、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的用途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。PMU的用途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
17、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的用途 1、同步相量测量 (1)(1)测量线路三相电压、三相电流、开关量，计算获得：测量线路三相电压、三相电流、开关量，计算获得：a.a.A A相电压同步相量相电压同步相量Ua/Ua/ua;ua;b.b.B B相电压同步相量相电压同步相量Ub/Ub/ub ub ；c.c.C C相电压同步相量相电压同步相量Uc/Uc/uc uc ；d.d.正序电压同步相量正序电压同步相量
18、U1/U1/u1 u1 ；e.e.A A相电流同步相量相电流同步相量Ia/Ia/ia ia ；f.f.B B相电流同步相量相电流同步相量Ib/Ib/ib ib ；g.g.C C相电流同步相量相电流同步相量Ic/Ic/ic ic ；h.h.正序电流同步相量正序电流同步相量I1/I1/i1 i1 ；i.i.开关量开关量PMU功能应用 (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、励磁信号、气门开度信号、AGC、AVC、PSS等信号。a.机端A相电压同步相量Ua/ua;b.机端B相电压同步相量Ub/ub ；c.机端C相电压同步相量Uc/uc ；d.机端正序电压同步相量U1/u1 ；e
19、.机端A相电流同步相量Ia/ia ；f.机端B相电流同步相量Ib/ib ；g.机端C相电流同步相量Ic/ic ；h.机端正序电流同步相量I1/i1 ；i.内电势同步相量/();j.发电机功角 ；k.开关量PMU功能及作用 (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PMU功能应用2、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：2M10M100M64KModem等，传输通信链路一般采用TCP/IP。、就地数据管理及显示 (1)装置的参数当地整定； (2)装置
20、的测量数据可以在计算机界面上显示出来PMU功能应用 4、扰动数据记录(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/IEEE PC37.111-1991（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；5、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。6、数据存储 存储暂态录波数据；存储实时同步相量数据。PMU功能应用时时钟钟模模块块交流电流电压交流电流电压以太网输出以太网输出 主主CPUCPU DSPD
21、SP板上时钟板上时钟外部外部GPSGPS内部内部GPSGPS电缆电缆1PPS1PPS光纤光纤1PPS1PPS开关量信号开关量信号显示键盘显示键盘PMU测量硬件发电机转轴信号发电机转轴信号4-20 mA 4-20 mA 信号信号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技术原理技术原理装置的输入信号有：）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
22、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IEEE std 1344通信标准）； ）用于控制用的4-20mA输出；PMUPMU主要信号主要信号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）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）；PMUPMU主要软件模块主要软件模块1、装置一般利用GPS系统的授
23、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。 时钟同步要求时钟同步要求PMU技术原理技术原理PMUPMU关键技术关键技术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技术原理技术原理
