電氣工程新技術文獻綜述

1、東北石油大學電氣工程新技術文獻綜述課 程 電氣工程新技術研究方向 廣域測量系統(tǒng)的PMU技術院 系 電氣工程及其自動化系專業(yè)班級 電氣11-2班學生姓名學生學號2014年11月6日文獻綜述前言隨著全球經(jīng)濟一體化，能源分布與經(jīng)濟發(fā)展的不平衡的狀況，使得各國出 現(xiàn)大電網(wǎng)互聯(lián)、跨國聯(lián)網(wǎng)輸電的趨勢不斷發(fā)展。而電網(wǎng)互聯(lián)所產(chǎn)生電網(wǎng)穩(wěn)定運行 的問題日益突出，提出了構建WAMS(Wide Area Measurement System)，即廣域 測量系統(tǒng)1。廣域測量系統(tǒng)，以同步測量裝置(Phase Measurement Unit)實現(xiàn)對電力系統(tǒng) 動態(tài)過程的監(jiān)測，反映了系統(tǒng)的動態(tài)行為，為電力系統(tǒng)提供了新的測量和

2、監(jiān)控手 段。更突出的是，可以在時間一空間一幅值三維坐標下同時觀察電力系統(tǒng)全局 的機電動態(tài)過程全貌。由同步測量裝置提供了精確實測的電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)，可以使 以前只能離線計算的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析等更準確地用于實時計算，從而實時地進 行動態(tài)安全分析，對運行的電力系統(tǒng)實現(xiàn)預防性控制、緊急控制。PMU的概述同步相量測量裝置PMU是1980年首次提出的。隨著GPS在民用領域的應 用，PMU應運而生，而全球發(fā)生的幾次大電網(wǎng)事故推動了 PMU和基于PMU的 WAMS同步相量測量技術在系統(tǒng)中的應用。工程技術人員可以根據(jù)PMU提供 的精確相量數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)故障的一系列事件的先后順序，確定導致系統(tǒng)故障的 原因和故障點?，F(xiàn)

3、場試驗及研究結果表明：WAMW技術在電力系統(tǒng)穩(wěn)定預測與 控制、狀態(tài)估計與動態(tài)監(jiān)視、繼電保護、模型驗證、故障定位等有著廣泛的應用 前景。電力系統(tǒng)中PMU功能根據(jù)電力系統(tǒng)的要求，PMU應該具有以下的基本功能：對三相電壓、電流信號進行采集，采集的模擬量可以包括零序電壓和零 序電流。數(shù)據(jù)采集單元還要對監(jiān)測點的開關等狀態(tài)量進行采集。對采集的量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用一定的算法實時計算出電壓的有效值、 電流的有效值、零序電壓、零序電流、有功、無功、功率因數(shù)和電網(wǎng)頻率等。通 過對電壓量相角的計算，我們還可以得到功角。這是PMU有別于其它的測量裝 置的最重要的一點，國外的多數(shù)的PMU裝置只是測量電氣量的相角而不是功

4、角。利用GPS的高精度授時功能實現(xiàn)對監(jiān)測點電量的同步采集，并給獲得 的相量加上時間標簽，結合監(jiān)測點在系統(tǒng)的位置和電量類型獲得監(jiān)測量的統(tǒng)一規(guī) 定下的ID號，然后將這些信息打包傳給子站的上位機。子站的上位機可以對數(shù)據(jù)進行就地顯示、存儲，必要的信息要通過廣域 網(wǎng)將其上傳到主站的中央處理機進行集中處理。子站和主站之間要有可靠的通訊 通道，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r眭和可靠性，同時又有利于系統(tǒng)的擴展和對數(shù)據(jù)的 堵塞現(xiàn)象的解決4。PMU的原理PMU是基于全球定位系統(tǒng)(GPS)的向量測量單元，它是一種多功能信號采 集系統(tǒng)。不僅要完成對電壓相角的實時測量以獲得參考相位角，還能實現(xiàn)對電壓、 電流、有功的實時測量與計算

5、，最后將數(shù)據(jù)幀送到調(diào)度中心。PMU的基本原理 是：GSP接收器給出1pps(1個脈沖每秒鐘)信號，鎖相振蕩器將其劃分成一定 數(shù)量的脈沖用于采樣，濾波處理后的交流信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器量化，微處理器按 照遞歸離散傅立葉變化原理計算出向量。對三相向量，微處理采用對稱分量法計 算出正序向量。將正序向量、時間標記等裝配成報文，通過專用通道送到遠端的 數(shù)據(jù)器。數(shù)據(jù)集中器收集來自各個PMU的信息為全系統(tǒng)的監(jiān)視、保護和控制提 供數(shù)據(jù)。相角的測量是相量測量中的關鍵，時間誤差1ms就會帶來18工頻相 角誤差，測量誤差若要求0.1的話，那么時間同步精度應為5us，GPS的1pps 秒脈沖信號與國際標準時間同步誤差小于

6、1us，可以保證相位測量問題。相量測量算法若三相的相量為XXb, Xc，則正序相量 TOC o 1-5 h z 1-、X1 = 3(X +aXb +a2X )(1)其中a =ejb/3。同步相量的算法主要有兩類：即過零檢測法和傅里葉變換法。 由于過零檢測法受諧波影響比較大，因此測量的精度不高，所以沒有傅里葉變換 法應用廣泛6。離散Fourier算法工頻電壓值可表示為：x(t) = X c o W +4)(2)雖然相量的概念是用純正弦來定義的，但是它同樣可以用在含暫態(tài)量的情況 下。我們可以通過傅立葉算法將其基頻成分提取出來。則我們可以得到七。相量X可表示為：X =； N X jX)和T之間的關系

7、是(4)0 =- = 2n f t N o(4)等式(3)代表了一個周期的數(shù)據(jù)窗所生成的相量。為減少DFI的運算量，通常采用改進的遞推Fourier算法，對于式(1)表示的正弦工頻信號，在實時測量中得到兩個采樣集：xj k = r/, N + r -1對應基波相量X ; xk I k = r +1,.,N + r對應基波相量Xr+1而Xr+1可以通過數(shù)據(jù)窗的移動來獲得，即：Xr+1 = X + TOC o 1-5 h z 現(xiàn)在幾乎所有的PMU都采用這種遞推算法。如果對于被采樣信號來說，第 m個采樣窗口的采樣點為（t / ），氣）.-，-1），已知各個點的瞬時頻率分 00別為f0，f1fN-1，

8、我們可以知道下一個采樣點的時間間隔為 = 1/（N fN-1），得到了第N個采樣點8。則由新生成的第m +1個數(shù)據(jù)窗可以算出f，由于頻率的波動，則Xm+1不等于Xm，相角差不為0，貝UMu 2t(f - f)At = 2t (f - f )/(N - f )(6)nn-1nn-1n-1由此可得第n點的頻率為f = f 1(1 + N - 2n / A9 )(7) 9PMU的模塊及PMU之間的關系對于一般的發(fā)電廠都會有2臺發(fā)電機組，而在一些比較老的電廠里甚至 會有6臺，如果在現(xiàn)場需要采集的量很多的情況下，就需要多個DSP數(shù)據(jù)采集 和處理單元協(xié)調(diào)工作，下位機和上位機以及下位機之間都是通過CAN總線

9、進行 通訊的。設計中考慮到現(xiàn)場的各種干擾，DSP芯片應該采用外接的40 MHz晶振 的方式工作。芯片內(nèi)置看門狗電路，可以提高其抗干擾能力。在上位機的PCI 插槽上裝有上位機和CAN總線連接的適配卡。由于全網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用的是分層分布化的設計方案，系統(tǒng)中子站之間的 關系構建也較為靈活。（1）星形子站結構。這種結構PMU之間是并列的關系。他們都是通過高速 傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。（2）主從式子站結構。這種結構是選擇一個子站作為參考站，如一個主力發(fā) 電廠和樞紐變電站，該站的功角不僅傳到調(diào)度中心而且還要傳到其它的子站，作 為其它子站測量的參考點10。PMU的關鍵技術（1）測量精度模擬精度：0.1%，

10、需解決問題：高精度測量：電流范圍：0-3In，16位A/D， 分辨率15uV，需要較好的電磁兼容性設計；高速計算，多次迭代：雙CPU快速 采樣,FFT計算，每周波200點，1-99次諧波U1。頻率精度：0.001Hz，需解決問題：高精度計數(shù)源：軟件頻率計算/平滑。授時/守時精度:5us、55us/2小時授時精度考慮：GPS模塊精度誤差(100ns)； 1PPS上升沿誤差(100ns)； CPU 采樣時間響應誤差(1us左右)；光纖傳輸延遲誤差(5us/1km)o守時精度考慮：GPS傳導微波信號，易受到干擾；GPS受到干擾時時間精 度無參考價值；采用高穩(wěn)定度晶振實現(xiàn)守時；采用原子鐘技術實現(xiàn)守時(

11、9us/天)。發(fā)電機內(nèi)電勢相角測量發(fā)電機內(nèi)電勢數(shù)值計算；發(fā)電機內(nèi)電勢初相角自動測定；利用鍵相信號測量 發(fā)電機功角的工程化實施。PMU日常的問題主腳度不對?？赡苁荊PS不能對時，GPS設備損壞或者測量單元損壞。某一部分的角度不動。有可能是某一單元失去了通信。通信無鏈接。廣域網(wǎng)的設置有問題、通道故障或規(guī)約設置錯誤。能通信，但不能取得離線文件。極大可能是聯(lián)線文件存儲器燒毀掉了。連續(xù)兩端的角度差距太大。檢查PMU是否正常工作，檢驗一下PMU。小結以上是對廣域測量系統(tǒng)的同步相量測量裝置的原理、相量算法、結構分析， 關鍵技術等進行簡單的介紹。如果能夠?qū)ν较嗔垦b置的一些問題進行解決或改 進裝置，我相信這將

12、會對我國構建電力系統(tǒng)的廣域測量系統(tǒng)有很大的幫助。參考文獻武飛周，薛源.智能算法綜述J.工程地質(zhì)計算機應用，2005, 2： 9-13.Kennedy J, Eberhart R C.Particle Swarm Optimization J Proceedings of IEEE International Conference on Neutral Networks,1995.Mohd Rihan, Mukhtar Ahmad, M. Salim Beg. Vulnerability Analysis of Wide Area Measurement System in the Smart

13、Grid J Smart Grid and Renewable Energy,2013.S. Nourizadeh, S.A. Nezam Sarmadi, M.J. Karimi, A.M. Ranjbar.Power system restoration planning based on Wide Area Measurement System J International Journal of Electrical Power and Energy Systems,2012.程云峰，張欣然，陸超.廣域測量技術在電力系統(tǒng)中的應用研究進展J.電 力系統(tǒng)保護與控制，2014，4 (42)

14、:18-22.麥瑞坤.電力系統(tǒng)動態(tài)同步相量估計算法及其應用研究D.西南交通大學 2010.戴志輝，王增平，焦彥軍.基于動態(tài)故障樹與蒙特卡羅仿真的保護系統(tǒng)動態(tài) 可靠性評估J.中國電機工程學報，2011(19).Saber Nourizadeh; Vahid Yari, Ali Mohammad Ranjbar.Frequency Monitoring and Control during Power System Restoration Based on Wide Area Measurement System J Mathematical Problems in Engineering,201

15、2.馬靜，葉東華，王彤.電力系統(tǒng)多區(qū)域復雜環(huán)網(wǎng)的最小斷點集計算J.中國 電機工程學報，2011(28).馬靜，葉東華，王彤.電力系統(tǒng)多區(qū)域復雜環(huán)網(wǎng)的最小斷點集計算J.中國 電機工程學報，2011(28).王增平，張晉芳，錢誠.基于同步測量信息的電網(wǎng)拓撲錯誤辨識方法J.電 力自動化設備，2012(01).錢誠，王增平，張晉芳.基于同步相量測量的廠站內(nèi)網(wǎng)絡拓撲分析新方法 J.電力系統(tǒng)保護與控制，2011(17).蔡超，陸于平.一種提高智能變電站PMU相量測量精度的改進采樣值調(diào)整 算法J .電力自動化設備，2014(34).電氣工程新技術成績評價表題目名稱廣域測量系統(tǒng)的PMU技術學生姓名學號課題簡述：隨著電網(wǎng)的互聯(lián)和智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行日益成為了十分 重要的問