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电力系统同步相量测量装置


制 造

中国科技信息 2011 年第 5 期    CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2011

DOI 10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.045 :

电力系统同步相量测量 装置(P M U )应用及分析
纳少华 马彩

虹  银川供电局  750001

摘  要 基于全球定位系统 G P S 的相量测量单元 (PMU) 能将实时同步相量信息送至调度中 心,使全网动态监测成为可能。本文首先 介绍了 PMU (同步相量测量装置) 的原理、 功能, 接着明确了基于PMU的应用和分析, 最后,给出了 PMU 与主站网络通信的数据 流程。 关键词 PMU 同步相量;相量测量;电力系统

1 引言
随着电网的快速发展和电力市场 进程的推进,电力系统运行的复杂程 度日益增大,对电力系统的稳定性要求 越来越高。目前建立用于测量和监视电 力系统稳态运行的 S C A D A 系统,侧重 于监测系统稳态运行情况,测量周期是 秒级,且不同地点之间缺乏准确的共同 时间标记。广域测量系统(Wide Area Measurement System,简称 WAMS)能 够实时地反映全网系统的动态变化,作 为电网动态实时监测的新技术和重要手 段,对电网的安全稳定运行起到了重要 的作用。而基于成熟的 GPS 技术、通信 技术、D S P 技术上的 P M U 装置,其具 备高稳定性和可靠性、高精度、强大的 计算处理、存储和通讯能力、良好的人 机界面和开放性, 正是 W A M S 系统的基

础,为实现电力系统动态监测提供了 可能。 P M U 全称为 P h a s o r Measurement Unit,意为同步相量测量 装置。P M U 能以数千赫兹速率采集电 流、电压等信息,通过计算获得测点的 功率、相位、功角等信息,并以每秒几 十帧的频率向 W A M S 主站发送。P M U 通过 GPS 对时,能够保证全网数据同步 性,数据与时标信息同时存储在本地并 发送到主站。电网内的变电站和发电厂 安装 P M U 后,就能够使调度人员实时 监视到全网的动态过程。

2 PMU 的基本原理及结构
P M U 的基本原理为: G P S 接收器 给出 1pps 信号,锁相振荡器将其划分 成一定数量的脉冲用于采样,滤波处

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理后的交流信号经数模(A/D)转换器量 化,微处理器按照递归离散傅立叶变 换原理计算出相量。对三相相量,微 处理器采用对称分量法计算出正序相 量。依照 I E E E 标准 1 3 4 4 - 1 9 9 5 规定 的格式将正序相量、时间标记等装配

成报文,通过专用通道传送到远端的 主站数据集中器。P M U 的典型结构如 图 1 所示。 主站数据集中器收集来自各个 P M U 的信息,为全系统的监视、保 护和控制提供数据。图 2 示出了 P M U

与主站数据集中器的通信,可以采用 多种通信技术,如直接连线、无线 电、微波、公共电话、蜂窝电话、 数字无线、专用网络等。目前,运 用较多的 P M U 子站之间与 W A M S 主 站的通信方式有两种: 1 )电力数 ( 据网方式子站的以太网口直接与电力数 据网交换机连接并接入到通信前置 机; 2 )2 M 专线方式:子站的以 ( 太网口经过协议转换器转换,接入到 通信前置机。P M U 设备在网络传输层 应用了 T C P / I P 协议,在应用层采用 了 IEEE std 1344 规约,可使主站灵 活配置并控制 P M U 子站。在 P M U 设 备体系结构中,数字信号处理、同步 通信是同步相量测量技术的关键,而 防混叠滤波器,A / D 转换器等器件的 性能也将直接影响测量的精度。

3 PMU 应用及分析
图 1 PMU 典型结构框图 3 . 1   P M U 实现的功能 3.1.1 同步相量测量 (1 )测量变电站线路三相基波电 压、三相基波电流、序量值、开关量等 的实时数据及实时时标; (2 )测量发电机机端三相基波 电压、三相基波电流、序量值、开 关量、发电机功角、发电机内电势的 实时数据及实时时标; (3 )测量励磁系统、A G C 系统 等的直流模拟量等。 3.1.2 同步相量数据传输 装置根据 IEEE std 1344 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 :1 0 / 1 O O M H Z 以太网、R S 2 3 2 、2 M 口 等,通信链路协议为 T C P / I P 。 3.1.3 数据整定及就地显示 (1 )装置的参数当地整定; (2 )装置的测量数据可以在计 算机界面上以相量列表、主接线图相 量矢量表计、相量矢量图、连续相量 变 化 图 、 模 拟 量 波 形 图 、模 拟 量 值 、 开关量状态等方式显示。 3.1.4 扰动数据记录 (1 )具备暂态录波功能。用于

图 2   P M U 与主站数据集中器的通信

图 3   变电站相量测量、数据传送示意图

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记录瞬时采样的数据,输出格式符合 ANSI/IEEEC37.111-199 ( C O M T R A D E ) 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 F T P 的方式和主站交换定值及故障数 据 。 3.1.5 当地通信接口

图 4  发电机相量测量示意图

图 5  发电厂相量数据传送示意图

装置提供通信接口用于和励磁系 统、A G C 系统、电厂监控系统进行 数据交换。 3.1.6 数据存储 存储暂态录波数据;存储实时同 步相量数据。 3 . 2   P M U 的应用 3.2.1 变电站 图 3 表示了变电站相量测量、数 据传送示意图。变电站同步相量测量 一般只对电源侧线路进行测量。根据 测量线路数量的要求,配置一定数量 的测量装置;全站配置一个数据管理 单元,用于多台 P M U 数据的整合及 转发,转发的方向考虑有省调、国 调、网调。同时考虑当地应有一台计 算机用于简单地显示、操作;全站配 置一个 G P S ,用于多个测量装置的时 间同步;装置与装置之间、装置与 G P S 之间、通信单元与主站之间均采 用光纤通信。 3.2.2 发电厂 发电厂测量不同于变电站测量。 其不但要完成线路量测量,而且要完 成发电机测量且这是关键。图 4 是一 个发电机测量的示意图。其测量的输 入不仅包括机端电流 / 电压,而且还 包括发电机的转轴脉冲信号( 鉴相信号 或转速信号),以及其他的 4~20mA 直 流控制信号。其主要完成发电机功角及 发电机内电势相量的测量。 图 5 表示了发电厂 P M U 的配置通 信示意图。线路测量同变电站测量方 式,发电机测量已在上面描述。一个电 厂配置一台线路测量装置;一个发电机 配置一台发电机测量装置;全厂配置一 个数据管理单元,用于多台 P M U 数据 的整合及转发,转发的方向考虑有省 调、国调、网调。同时考虑当地应有一 台计算机用于简单地显示、操作;全站 配置一个 GPS,用于多个测量装置的时 间同步;装置与装置之间、装置与 GPS 之间、通信单元与主站之间均采用光纤 通信。

4 PMU 的通信
图 6 PMU 和主站通信连接示意图

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制 。 4 . 1   P M U 与主站通信 (2 )建立数据流管道。等待子 目前 P M U 和主站的通信方式均采 站建立数据流管道的申请,建立与子 用高速广域网技术,图 6 表示了在发 电厂 / 变电站内的通信连接示意图。 站之间的数据流管道,通过数据流管 道接收子站的实时监测数据。 由图 6 可见,一般站内均设有远动通 4.2.2 子站通信启动过程 信通道,其和主站的通信媒介为光 首先建立管理管道。等待主站建 纤,因此具有较宽的通信带宽。远动 立管理管道的申请;接受主站建立管 通信通道的接入一般为 2 M 接口,因 理管道的申请后,建立与主站之间的 此对于 P M U 本身,必须考虑将 1 0 / 管理管道;通过管理管道,接收和发 1 0 0 M 以太网信号转换成 2 M 接口以便 送管理命令和 CFG1,CFG2 配置帧。管 接入远动通信通道。在接入时,如果 理管道 C F G 1 和 C F G 2 的传送方式为: P M U 和远动通信通道的距离较短,则 C F G 1 文件由子站产生,并应主站的 可以直接用双绞线;如果较长则必须 召唤传送给主站;C F G 2 文件由主站 用光纤( 相应地增加光电转换器) 。 根据 C F G 1 文件产生,并主动下发给 4 . 2   P M U 网络通信流程 子站,子站根据接收的 C F G 2 文件发 在描述网络通信流程之前,首先 送实时监测数据。然后建立数据流管 需要明确以下几个概念。 道,向主站提出建立数据流管道的申 配置帧( C F G ) 为 P M U 和实时数据 请,建立数据流管道;通过管理管道 提供信息及参数的配置信息,为机器 接收主站的“开启实时数据”命令后 可读的二进制文件。C F G 1 由 P M U 产 开始实时数据传输。 生,是系统配置文件,包括 P M U 可 当出现数据流管道故障断开或管 以容纳的所有可能输入量;C F G 2 由 理管道故障断开的现象时,数据流管 主站产生,是数据配置文件,指出数 道和管理管道则需要重建,将断开主 据帧的目前配置状况。 站和对应子站的数据流管道和管理管 数据流管道是指子站和主站之 道,并重新建立通信过程。 间,或者 P M U 装置和数据集中器之 当管理管道和数据流管道均正常 间实时同步数据的传输通道。其数据 传 输 方 向 是 单 向 的 , 为 子 站 到 主 站 , 时,一切通信传输均保持正常。此时, 通过数据流管道,子站按设定频率向主 或者 P M U 装置到数据集中器。 管 理 管 道 是 指 子 站 和 主 站 之 间 , 站发送实时监测数据,主站不发送任何 命令;通过数据流管道,主站接收子站 或者 P M U 装置和数据集中器之间管理 上送的实时监测数据,校验错误后丢弃 命令、记录数据和配置信息等的传输 该数据帧;主站定时通过管理管道发送 通 道 ,其 数 据 传 输 方 向 是 双 向 的 。 数据流管道和管理管道的通信协 “心跳”信号,子站接收后,发送“心 跳”信号给主站。 议采用 T C P 协议,子站作为管理通道 的服务器端、数据流管道的客户端; 主站作为管理管道的客户端、数据流 5 结语 管道的服务端。当系统启动或重建 时,数据流管道和管理管道均未建 目前 P M U 的研究及应用处于初始 立 。 阶段,还有部分的采样、计算方法有 4.2.1 主站通信启动过程 待于研究,对于技术规范、功能要 (1 )建立管理管道。主站向子 求、现场应用、现场安装还有待于研 站提出建立管理管道的申请;子站接 究、完善和统一。随着我国电网联网 受申请,建立与子站之间的管理管 工作的深入,利用 P M U 采集的数据来 道;通过管理管道与子站传输控制命 进行稳定判断电网模型校核及其他功能 令、C F G 1 、C F G 2 配置帧;主站宜 以及最终的实时稳定控制的研究将更进 具有 C F G 1 ,C F G 2 配置帧的校验机 一 步 地 展 开 ,因 而 对 P M U 的 安 装 、

P M U 的数据采集、P M U 的运行可靠 性等将提出更高的要求。

参考文献 [1]于尔铿.电力系统状态估计[M].北 京:水利电力出版社. 1 9 8 5 [ 2 ] 丁剑,白晓民,王文平,等. 电 力系统中基于 PMU 同步数据的应用研 究综述[ J ] . 继电器. 2 0 0 6 ,3 4 ( 6 ): 78-84 [ 3 ] 吴京涛,谢小荣,王立鼎,等. 广域测量系统在电力系统的发展与展 望[ J ] . 电力设备. 2 0 0 6 ,7 ( 3 ):2 6 - 2 9 [4]IEEE 1344.1995 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S] [5]IEEE 1344.2005 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S] [ 6 ] 卢志刚,郝玉山,庚庆平,等. 电力系统相角测量和应用[J].电力系 统自动化.1997,21(4):41-44 [7]Centeno V,Phadke A G,and Edris A.Adaptive Out-of-step Relay With Phasor Measurement Developments in Power System Protection[C].Sixth International Conference on Conf,Publ No.434

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