同步相量测量装置(PMU)构成及原理讲座

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(3)同步测量励磁电流／砺磁电压，用于分析机组的 砺磁特性 (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
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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。
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国内外概况
PMU主要参考文件 1、IEEE std 1344 （1995） 2、EPRI：PC37.118 3、电力系统实时动态监测系统技术规范(送审中） 4、行业检测标准（制定中）
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PMU主要功能
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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. b. c. d. e. f. g. h. i. A相电压同步相量Ua/Фua； B相电压同步相量Ub/Фub ； C相电压同步相量Uc/Фuc ； 正序电压同步相量U1/Фu1 ； A相电流同步相量Ia/Фia ； B相电流同步相量Ib/Фib ； C相电流同步相量Ic/Фic ； 正序电流同步相量I1/Фi1 ； 开关量
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Vm
Vm
signal x(t) t=0 (1 PPS) t=0 (1 PPS)
0度
-90度
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31
5、PMU与其他装置的测量不同
U U m * 2 * COS(2 * * f * t u ) Um / u
I I m * 2 * COS(2 * * f * t i ) Um / i
A A


1PPS
RTU U m 、I m、 u－ i
RELAY U m 、I m、 u－ i
FR u、i、U m 、I m、t
t
PMU u、i、U m 、I m、 u、 i、t
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6、同步相量角度与 t / f 的关系
2 * * f * t
d 2 * df * dt
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6）也有设想利用WAMS技术来构建广域保护系统 （如：美国西部电网继电保护委员会提出）
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国内外概况
国内外主要PMU制造商 Rochestor Macrodyne SEL Arbiter Systems ABB 电科院 四方 南瑞 （TR-2000） （1690） （SEL-421） （1133A） （RES521） （ADX3000／PAC-2000） （CSS-200） （SMU-1）
同步相量测量装பைடு நூலகம்培训
Phasor Measurement Unit (PMU) Phasor Monitor Unit (PMU)
A1//t
南京南瑞集团公司
A1//t
PMU
主站
2
内容介绍
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
PMU国内外概况 PMU主要功能 PMU工作原理 PMU关键技术 PMU应用介绍 PMU测试介绍 问题讨论
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5、同步相量数据传输 装臵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。 6、与当地监控系统交换数据 装臵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。 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）
0 U
ω0
3、当ω不等于 ω0时，U相 量仍然旋转
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3、相量的意义及U/I相量
称 I IΨ 为正弦量i(t)对应的相量
i ( t ) 2 I cos( t Ψ ) I IΨ
相量的模表示正弦量的有效值 相量的幅角表示正弦量的初相位


同样可以建立正弦电压／电流与相量的对应关系：
u (t ) i (t ) 2U cos( t θ ) U Uθ 2 I cos( t θ ) I Iθ

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4、同步相量定义
t
1PPS
1、以1PPS为时间参考点（0） 2、以 t= n*T0 为相量观察点(T0=10/20/30/40/50ms) 3、角度＝采样数据窗第一点nT0的角度［nT0，nT0+T0) 4、每一观察点的相量称为同步相量
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PMU工作原理
同步相量及计算 PMU测量硬件 PMU测量软件 PMU构成单元及配臵 PMU安装及通信模式
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同步相量及计算
1、正弦函数与复函数
无物理意义
构造一个复函数 A( t ) 2 Ie j( t )
2 Icos(t ) j 2 Isin( t Ψ )
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国内外概况
应用背景2：美国等西方国家的大停电 1)由于没有有效的监视手段,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 应用背景3：世界技术的发展使得该项目成为可能 1）高速计算机及数据管理 计算机计算速度大幅度提高,商用数据库越来越成熟. 2）高精度GPS 微秒级误差 3）高速广域通信技术 100M以上以太网 4）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.
1+3/8 1 1+4/8 1 1+5/8 1 1+6/8 1
2+2/8 2
2+3/8 2 2+4/8 2 2+5/8 2 2+6/8 2
3+2/8 3
3+3/8 3 3+4/8 3 3+5/8 3 3+6/8 3
4+2/8 4 5+2/8
4+3/8 4 4+4/8 4 4+5/8 4 4+6/8 4 5+3/8 5+4/8 5+5/8 5+6/8
2
d 2 * * df 2 * * ( f f 0) dt
2
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7、不同观察点的同步相量角度
U A* 2 * COS(2 * * f * t ) A /
2 * * f * t
U为最大值的时间点为 tm(n)，（n=…,-2,-1,0,1,2,3,4,5,…）
5
5 5 5 5
6+2/8 6
6+3/8 6 6+4/8 6 6+5/8 6 6+6/8 6
7+2/8 7
7+3/8 7 7+4/8 7 7+5/8 7 7+6/8 7
0+7/8 0
1+7/8 1
2+7/8 2
3+7/8 3
4+7/8 4 5+7/8
5
6+7/8 6
7+7/8 7
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1）假设 f f 0，则 s 0 在任何时刻永久不变
是一个正弦量 有物理意义
对A(t)取实部
Re[A( t )] 2 Icos( t Ψ ) i(t)
对于任意一个正弦时间函数都有唯一与其对应的复数函数
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2、向量／相量／矢量／旋转矢量／旋转相量
i 2 Icos( t Ψ ) A(t ) 2 Ie
A( t )

j( t Ψ )
j
2 Ie e jt
复常数
e jt 2I
I

相量为唯一矢量，随着时间变 化，相量以ω的速度旋转，形 成旋转相量，但从nT0的时间 点看，相量一直不变
ω=2πf
为相量, e jt 为旋转因子 e jt 为旋转相量 其中I ,I
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U
ω
1、如果以ω0为参考旋转矢 量，则当ω＝ ω0时，U旋 转相量等于静止不动 2、但此方法定义的绝对相 量违背同步相量的定义
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2）观察点为3周波点(60ms)
观察点 0 1 K 0 3 n 0 1 同步相量 同步相量f=f0
0
2 (3 f f 0 )T0 *1 0
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国内外概况
PMU主要技术指标及国内外比较
开关分辨率 模拟精度 A/D位数 采样点/周 对时 通信 功能 相量刷新速度 多线路测量 发电机键相测量 国外 0.1ms 0.1% 16 384 GPS/1us 10M*1 非单一 25/S 1-2线路/单元 无 国内 0.1ms 0.1% 16 200 GPS/1us 10/100M*3 单一 100/S >8条线路/单元 有
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国内外概况
WAMS技术发展状况 主站
通信
子站
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1）高速计算机及数据管理： （1）单一计算机的计算速度大幅度提高 （2）并行计算技术 （3）数据库管理技术（PI数据库） （4）1G网络传输 （5）海量存储器 2）高精度GPS （1）GPS模块本身的时间精度达到0.1us （2）各个厂商的守时技术达到50us/2-10小时
t m (n) (2n 0 ) / 2f
当观察点为kT0时，根据同步相量定义计算出同步相量为:
s 2f (kT0 tm ) 2fkT0 2n 0 2 (kf nf0 )T0 0
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k
n
k
n
k
n
k
n
k
n
k 5+0/8 5+1/8
n 5 5
3
PMU国内外概况
4
国内外概况
应用背景1： 经济及电力发展的需求
1) 全球经济一体化；能源分布和经济发展的不平衡;电网 互联运行的巨大效益使大电网互联、跨国联网输电 的趋势不断发展。 2) 电网互联产生电网稳定运行问题日益突出,提出构建 WAMS系统（Wide Area Measurement System）． 目前国内大多数将其作为除保护／安控装置外的第三道 防线; 3) 系统稳定按性质可分为三种：功角稳定、电压稳定和频 率稳定。本系统可为功角稳定提供最直接的原始数据。
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国内外概况
PMU设计思路比较 功能实现方式
相量测量+故障录波（多） 相量测量+电能质量（多） 相量测量+继电保护（多) 相量测量+RTU （少）
硬件设计方式
嵌入式采集（可靠性高）（多） 计算机插板（可靠性受制于计算机及WIN软件）（少）
通信实现方式
RS232 (少） 10/100M以太网（多）
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2）当装臵监测到继电保护或/和安全自动装臵跳闸 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，装臵应建立事件标识。
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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/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； 4、就地数据管理及显示 (1)装臵的参数当地整定； (2)装臵的测量数据可以在计算机界面上显示出来
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(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，通过计算可获得以下数据： a. 机端A相电压同步相量Ua/Фua ； b. 机端B相电压同步相量Ub/Фub ； c. 机端C相电压同步相量Uc/Фuc ； d. 机端正序电压同步相量U1/Фu1； e. 机端A相电流同步相量Ia/Фia ； f. 机端B相电流同步相量Ib/Фib ； g. 机端C相电流同步相量Ic/Фic ； h. 机端正序电流同步相量I1/Фi1； i. 内电势同步相量ε/Ф(ε)； j. 发电机功角δ； k. 开关量
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3）成熟的PMU技术 （1）各个厂商的PMU已经在变电站／电厂广 泛使用，并在内电势测量技术方面取得 很好的进展 （2）国内的PMU性能优于国外的PMU 4）高速广域通信技术 100M／1000M数据网建设成为电力公司通信 的建设目标
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5）稳定成熟的主站系统 （1）WAMS单一系统的动态监视 （2）基于WAMS、保护系统、SCADA的（动／ 稳／暂态）三态数据整合及故障分析（华东） （3）基于EEAC（南瑞薛禹胜）算法的在线预 防决策及控制。通过计算获得系统惯性中心 （虚拟）的参考相量，从而可计算出任何点对 系统惯性中心的功角，从而判断功角稳定并实 施在线切机／切负荷（江苏WAMAP）
k
n
k
n
0+0/8 0 0+1/8 0
1+0/8 1 1+1/8 1
2+0/8 2 2+1/8 2
3+0/8 3 3+1/8 3
4+0/8 4 4+1/8 4
6+0/8 6 6+1/8 6
7+0/8 7 7+1/8 7
0+2/8 0
0+3/8 0 0+4/8 0 0+5/8 0 0+6/8 0
1+2/8 1