PMU的原理及在电厂的应用

20世纪90年代初,基于全球定位系统(G lobal Positioning System,GPS)的相量测量单元(Phasor Measurement Unit,PMU)的成功研制,标志着同步相量(synchrophasor)技术的诞生。

然而由于当时商业GPS技术条件的限制以及缺少高速通信的网络,PMU直到最近几年才在电力系统中的广泛应用。

它的出现促进了大电网广域测量/监视系统(Wide-Area Measurement/ Monitoring System,WAMS)的形成和发展。

我国电力发展趋势逐年实现全国电网互联,随着电网的规模不断扩大,单台机组容量不断增大,电网的动态特性变的非常复杂。

为了进一步加强电力系统调度对电力系统的动态稳定监控和分析的能力,需要在重要的变电站和电厂安装同步相量测量装置,构建电力系统实时动态检测系统,并通过调度中心对电力系统的动态过程进行监测和分析。

大型电力系统的功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性三者之间相互诱发、相互影响,其中电压相量和功角状况是系统的主要状态变量,是系统是否稳定运行的标志。

如果能直接测量,那么将大大节约电
力系统稳定计算的时间,提高了状态估计
可靠性,甚至有可能实现电力系统实时自动控制。

1 广域同步相量测量系统的组成
广域相量监测系统由以下几个部分组成。

相量测量装置PMU(phasor measure-ment unit)——用于同步相量的测量和输出并进行动态记录。

DC(data concentrate)——用于站端的数据接收和转发的通讯装置。

子站(substation)——安装在同一电厂或变电站的P M U 和D C 的集合。

主站(main station)——安装在电力调度中心,用于接收、管理、存储、分析、告警、分析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)——以同步相量测量和现代通讯技术为基础,对电力系统进行动态监测和分析的系统。

2 同步相量测量系统原理及应用
电力系统在发生大的干扰的情况下(如
单相接地、两相短路或接地、三相短路),发电机送出的功率发生不同程度的突变。

在稳定运行时,发电机原动机的机械转矩T m
与电磁转矩T e 是相等的,即T m =T e =
Pe
=
sin X
EU
,式中P e 为发电机的电磁功率;ω为发电机转子的角速度;δ为发电机的功率角。

这时电磁转矩的特性曲线(见图1)曲线Ⅰ所示,当系统运行条件发生变化时,如切除一部分负荷时,这时的电磁转矩特性曲线如图曲线Ⅱ所示,电磁转矩发生突变,从a点到b点,此时T m >Te,发电机的转子开始
加速,δ从Ⅰ0 加速到Ⅱ
0 ,此时T m =Te,由于惯性的存在,发电机功角δ还将有个变大的过程,从c到d由于,T m <Te,此时发电机转子做减速运动,直到δ=Ⅱ ,转子以此在此范围内做往复的阻尼运动,直到最后δ=Ⅱ0 ,此时原动机机械力矩和电磁转矩达到新的平衡,达到一个新的稳定状态。

但实际上,很多时候电力系统在受到一些扰动,如发生低频振荡等长期动态过程,调度中心的EM S系统无法察觉到系统的异常。

因为低频振荡在线监视需要发电机有功功率、功角和转速变化率,以及联络线有功功率等连续的动态过程数据和发电机的转动惯量,通过分析,计算功角和线路有功功率的振荡模式,确定功角振荡模式和机组的相关关系,自动刷新阻尼比小于设定门槛值的最严重的振荡模式。

低频振荡在线监视的目的在于帮助电网调度员实时监视系统振荡模式变化,及时发现系统最严重的低频振荡模式,让调度员有充裕的时间采取预防措施,防止振荡进一步恶
图3
P M U 的原理及在电厂的应用
沈建辉 潘锐标
(浙江省电力建设有限公司 浙江宁波 315010)
摘 要:随着全球经济一体化发展的加快,能源分布和经济发展的不平衡,以及大电网互联、跨国电网互联趋势的不断发展,电网稳定运行的问题日益突出。

对电网稳定运行影响最大的是运行稳定性的破坏,包括功角稳定、
频率稳定和电压稳定。

功角稳定又分暂态稳定和
系统低频振荡。

因此建立广域电网的稳定监视和控制系统具有重要的意义,它可为功角稳定提供最直接的原始数据。

关键词:同步相量 GPS 相量测量装置 键相脉冲 状态预估中图分类号:TV 734文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)04(b)-0131-02
图1图2
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现Multisim的主要功能有以下几点。

(1)通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路。

(2)支持模拟电路、数字电路以及模数混合电路仿真。

(3)电路分析手段完备，提供多种电路分析方法。

(4)元器件丰富，包含多种仪器仪表。

(5)通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为。

(6)借助高级电路分析,理解基本设计特征。

(7)通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试。

(8)通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。

(9)可以把该环境下电路原理图传输给Protel等常见印制电路板PCB进行设计。

2 分压式射极偏置电路仿真分析
运行Multisim10软件对实验电路仿真教
学的操作简单方便。

仿真实验步骤如下：(1)根据原理图创建电路；(2)分析该电路静态工作点；(3)交流分析。

(1)创建电路原理图：在元件库栏中选择元件拖拽到工作区适当位置，修改元件参数。

其中，信号源（f=1kHz，V=20mv）、直流电压源（+12V）、三极管（2N2222）、电阻、极性电容按照电路原理进行布局，绘制连接导线。

可以根据测试需要修改导线颜色，方便区分结果，并及时保存电路，电路图见图1。

(2)直流分析：为了获得最大不失真的输出电压，静态工作点应该选择在输出特性曲线上交流负载线的中点。

若工作点选得过高，易引起饱和失真，选得太低，又易引起截止失真。

实验中，如果测得VCEQ<0.5V，说明三极管已经饱和；如果测得VCEQ≈VCC，说明三极管已经截止。

对于现行放大电路，两种工作状态都不适合，必须进行调整。

该电路其他参数已经确定，应通过调节Rp来实现静态工作点的调节。

Rp调小，工作点增高；Rp 调大，工作点降低。

同时要控制输入信号的大小，如果输入信号过大，即使静态工作点在交流负载线的重点，输出电压波形任可能出现双向失真。

测试时：交流信号去掉，负载开路。

图2显示直流仿真各点的值，接近于理论值，可见三极管工作在放大区。

（3）交流分析：静态工作点设置好之后，将信号源加入电路输入端，执行A C Analysis命令。

①观察输入电压vs，vi和输出电压vo的波形，分别测试三个电压值，如图3计算出。

电压增益:
Av=vo/vi=0.527V/0.018V=29.3源电压增益:
Av=vo/v s=0.527V/0.02V=26.4②通过对电流的交流分析，可以得出电路的频率特性曲线，也可以估算中频和上限截止频率，见图4。

③瞬态分析室一种非线性时域分析，它可以计算电路的时域响应。

分析时，可用直流解作为电路初始状态，瞬时分析结果如图5，通过波形半段电路的失真是否是非线性失真。

可以通过调整电路改进。

④可以通过示波器观察输入输出波形反相情况以及电压的幅值，也可以计算出放大倍数。

如图6所示。

⑤观察输出波形的非线性失真，见图7。

改变Rp，通过示波器观察输出波形vo的失真情况。

可以观察到饱和失真和截止失真。

3 结语
利用Multisim仿真软件完成电子电路实验，整个过程方便、简单、快捷和灵活，且形象、直观、交互性好，它不仅能够很好地培养学生的动手能力，而且加强了分析、综合能力，实现实验教学的创新，还大大激发了学生的学习兴趣；但是教学活动是教师和学生之间的互动行为，这期间不仅有知识的传播，还有感情的交流，思想的培养，而Multisim不能与学生进行感情的交流；Multisim仿真实验教学效果并不能代替真实的实验，在实际动手操作时，会遇到许多意外的情况，这些不是机器所能完全表现出来的。

可以采用先使用Multisim软件先进行仿真，测试结果，再采用实际实验完成测试。

参考文献
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育出版社，2001.
[2]郑应光.模拟电子线路（一）[M].东南大
学出版社,2005.
[3]张新喜.Multisim 10电路仿真及应用
[M].机械工业出版社，2010.[4]杨旭，刘盾.ED A技术基础与实验教程
[M].清华大学出版社，2010.
化,避免大事故的发生。

即使电力系统发生大的扰动,如短路故障等,虽然各个电厂机组的继电保护装置的主保护能可靠快速动作,但是由于没有系统级的协调和配合,仅采用局部信息作为动作判据,实施就地控制,增加了连锁故障的发生,恶化了事故,导致事故区域扩大,美加大停电事故就是前车之鉴。

为了能更好地监控系统运行参数,提高系统状态预估的可靠性和反应时间,目前一些新上发电机组大部分安装了P M U 。

利用GP S标准时间信号作为采样过程的基准,使得系统各个关键节点的状态信息具有统一的时间基准,采样数据通过光纤等高速网络进行数据传输,使得系统的状态信息能迅速传输到调度中心进行处理并做出反应。

通过安装在发电机转轴上的探头(见图2),我们可以直接测量发电机的转子键相脉冲信号,测得脉冲信号发出的时间Tz,机端电压的上升沿(过零点)时间Tu以及内电势上升沿(过零点)的时间Tq,根据图3可知。

m
z z u u m u q z u u T T T T 上式中的u 为机端电压的转速,z 是转子q轴的机械转速,m 是q轴与转子上某个固定点(即转速表发出的脉冲点)之间的夹角。

在稳态的情况下,u 和z 是相同的,但是暂态的时候是不相同的,而m 无论是稳态还是暂态的时候都是不变的。

另外从
上式可得知,只要测得u 、u T 、z 、
z T 和m 就能得出 。

由于m 是恒定的,目前的PMU 装置为了能方便地得到m ,采用了特定的算法,使得可以在发电机不停机的情况下
自动校正m 。

用直接测量的方法测量发电机内电势,在系统稳态和暂态条件下都能够精确测量,而且又可以直接利用发电机端的脉冲表输出键相脉冲,在工程建设中也较易实现。

3 结语
目前很多电厂都在积极建设P M U 站点用于电网的稳定控制系统,基于广域同步相量测量的暂态稳定预决策应用于安全稳控系统在系统发生故障后利用功角测量系统测得的各发电机转子角度来预测系统的未来行为。

在预测出系统失稳的情况下,按预定的方案对系统进行解列控制。

在未来
研究开发相应的暂态稳定预测软件,可实现系统故障时对系统稳定裕度进行预测的功能。

参考文献
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