PMU系統(tǒng)學(xué)習(xí)介紹

相量測(cè)量裝置（PMU）孫元章、程林清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)研究所二OO三年十一月內(nèi)容電力系統(tǒng)分析與控制的需求本地相位測(cè)量的實(shí)例GPS原理介紹相量測(cè)量裝置PMU原理相量測(cè)量裝置開發(fā)相量測(cè)量效果潮流計(jì)算的目標(biāo)依賴于給定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，計(jì)算導(dǎo)納矩陣Y=G+jB每個(gè)節(jié)點(diǎn)有4個(gè)變量，已知2n個(gè)變量，需要求解2n個(gè)聯(lián)立非線性方程組P、Q、U、四個(gè)變量中，是相對(duì)量，無(wú)法通過(guò)常規(guī)本地測(cè)量裝置獲得暫態(tài)穩(wěn)定分析的目標(biāo)根據(jù)故障前狀態(tài)、給定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)、給定故障、給定控制措施，獲得發(fā)電機(jī)的功角搖擺曲線優(yōu)點(diǎn)可以考慮電力系統(tǒng)中的任何復(fù)雜模型可以考慮電力系統(tǒng)中的任何控制作用采用并行計(jì)算可達(dá)到實(shí)時(shí)的要求缺點(diǎn)計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重依賴于電力系統(tǒng)模型和參數(shù)對(duì)于發(fā)展型故障無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)控制是否可以直接測(cè)量相位或功角？相量測(cè)量的基本原理相角測(cè)量可以采用過(guò)零檢測(cè)法、快速傅立葉變換法(ＦＦＴ)和離散傅立葉變換法等過(guò)零檢測(cè)法的原理是由ＣＰＵ對(duì)過(guò)零點(diǎn)電壓打上時(shí)間標(biāo)簽，并求出其相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)50Ｈｚ信號(hào)的角度本地相位測(cè)量實(shí)例（一）功率、功率因素的測(cè)量本地相位測(cè)量實(shí)例（二）發(fā)電機(jī)并網(wǎng)同期裝置并網(wǎng)條件：頻率電壓幅值電壓相位差相量測(cè)量的關(guān)鍵因素相量測(cè)量的關(guān)鍵是需要進(jìn)行同步測(cè)量而同步測(cè)量的基礎(chǔ)是獲得足夠精度的統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)于50Ｈｚ的工頻量來(lái)講,1ｍｓ的非同步誤差將帶來(lái)18°的相位誤差提高相位測(cè)量精度的方法同步采樣：同時(shí)觸發(fā)多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持：外部通過(guò)阻容電路保持信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)不衰減，順序采樣高速采樣：高速CPU和高速A/D配合軟件校正：估算相鄰?fù)ǖ啦蓸友訒r(shí)異地相位測(cè)量？直接采用電信號(hào)進(jìn)行比較優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便缺點(diǎn)：信號(hào)衰減、信號(hào)延時(shí)用途：近距離各種可能的對(duì)時(shí)工具優(yōu)點(diǎn)：遠(yuǎn)距離相位測(cè)量缺點(diǎn)：受對(duì)時(shí)精度影響可能的方案：模擬微波1ms；光纖0.5ms；數(shù)字微波0.07ms；GPS0.0005msGPS系統(tǒng)介紹GPS的全稱為導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)測(cè)距全球定位系統(tǒng)(NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem)GPS是美國(guó)國(guó)防部操縱的全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)，用以提供精確定位信息該系統(tǒng)提供了全球范圍內(nèi)易獲取精度為1us的定時(shí)脈沖導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)是衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)的一種20世紀(jì)70年代初，美軍繼“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后，開始進(jìn)行新一代衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)GPS的研制其間經(jīng)歷了四個(gè)階段：方案論證階段(1973～1979年)工程研制試驗(yàn)階段(1980～1985年)試運(yùn)行階段(1986～1990年)完善與應(yīng)用階段(1991～1995年)

GPS系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分GPS的空間部分由24顆衛(wèi)星組成，在地球的任意處至少可以看到5顆衛(wèi)星。這些衛(wèi)星均布于6條軌道,每條軌道布置4顆衛(wèi)星。在24顆衛(wèi)星中有3顆備份星,每隔一條軌道布置1顆。衛(wèi)星的軌道高度20100km,軌道周期11h58min,軌道傾角55°,軌道面間經(jīng)度間隔60°地面控制部分包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、測(cè)軌、遙測(cè)、遙控、GPS信息接收處理、軌道修正和電文更新等用戶設(shè)備就是GPS接收機(jī)。接收機(jī)根據(jù)自己的時(shí)鐘和接收到的導(dǎo)航電文計(jì)算出接收機(jī)（天線）所在位置和GPS系統(tǒng)的時(shí)間

GPS授時(shí)的原理在GPS系統(tǒng)中,用戶至GPS衛(wèi)星的距離可以通過(guò)測(cè)量偽碼自衛(wèi)星到用戶的傳輸延時(shí)來(lái)確定考慮到用戶時(shí)鐘相對(duì)于GPS衛(wèi)星時(shí)鐘總是存在一定的偏差(該偏差包含在傳輸延時(shí)之中),因此這一偏差未被修正時(shí)的測(cè)量距離稱為偽距GPS授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)全球全天候連續(xù)工作，用戶數(shù)量不限精度高。粗捕獲碼(C/A碼)定時(shí)精度為100ns，精密偽隨機(jī)碼(P碼)定時(shí)精度更高，但只對(duì)美國(guó)及其盟國(guó)開放GPS采用了擴(kuò)頻和偽碼技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)可靠性高，信號(hào)易于獲得GPS系統(tǒng)的局限性及對(duì)策GPS是冷戰(zhàn)時(shí)期的產(chǎn)物，受美國(guó)國(guó)防部控制，為美國(guó)的全球政治軍事戰(zhàn)略服務(wù)俄羅斯推出Glonass系統(tǒng)歐盟今年啟動(dòng)伽利略(Galileo)系統(tǒng)我國(guó)“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”發(fā)射成功現(xiàn)在已經(jīng)有一些接收機(jī)可以同時(shí)接收GPS和Glonass系統(tǒng)的信號(hào)

2003年10月30日在北京舉行第六次中國(guó)━歐盟領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)晤，雙方簽署了《伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航合作協(xié)定》，中國(guó)決定加入“伽利略計(jì)劃”，即歐盟15國(guó)在今年啟動(dòng)的伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃?！百だ杂?jì)劃”是歐盟與歐洲航天局共同開發(fā)的，旨在與美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）競(jìng)爭(zhēng)的一套全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，包括30顆衛(wèi)星和地面設(shè)施，總預(yù)算估計(jì)超過(guò)30億歐元。伽利略計(jì)劃的目標(biāo)是到2010年在全球擁有18億用戶，到2020年擁有36億用戶。GPS系統(tǒng)的局限性及對(duì)策美國(guó)對(duì)GPS工作衛(wèi)星的民用信號(hào)施加了諸如選擇性干擾（SA技術(shù)）之類的干擾措施，降低了GPS的精度差分GPS可以在很大程度上克服干擾措施對(duì)精度的影響。（差分導(dǎo)航指某一用戶設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路相對(duì)于另一坐標(biāo)已知的用戶設(shè)備的導(dǎo)航）隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，美國(guó)為了促進(jìn)GPS民用，將逐步減少干擾措施美國(guó)的各種干擾政策主要針對(duì)定位導(dǎo)航功能實(shí)施的，對(duì)定時(shí)精度基本沒有影響

參考系的選擇在暫態(tài)過(guò)程中，各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是不一樣的，多機(jī)電力系統(tǒng)任意的兩臺(tái)機(jī)失步就意味著系統(tǒng)失去穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)有三種參考系：同步旋轉(zhuǎn)軸系遠(yuǎn)方某臺(tái)機(jī)為參考慣性中心在相量測(cè)量和功角比較計(jì)算中，采用同步旋轉(zhuǎn)軸系作為參考系GPS時(shí)鐘的作用要將各地的電壓信號(hào)統(tǒng)一到相同坐標(biāo)軸上就必須做到以下兩點(diǎn)：這些信號(hào)的采樣是同步完成的各地功角信號(hào)是相對(duì)于相同的同步旋轉(zhuǎn)軸系對(duì)應(yīng)的GPS作用：將全網(wǎng)的時(shí)鐘進(jìn)行統(tǒng)一，保證分散于各地傳送到服務(wù)器上進(jìn)行比較的是同一時(shí)刻的信號(hào)

提供了一個(gè)全網(wǎng)統(tǒng)一的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，保證這些測(cè)出的功角是基于相同的坐標(biāo)軸

功角測(cè)量原理功角測(cè)量需要測(cè)發(fā)電機(jī)電勢(shì)E與母線電壓Uj之間的相角差相對(duì)功角計(jì)算原理如果忽略暫態(tài)過(guò)程中電力系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)之間頻率的微小差異，以上公式在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)條件下均成立

相量測(cè)量裝置整體設(shè)計(jì)

GPS模塊

數(shù)據(jù)采集模塊

計(jì)算模塊通訊模塊

控制模塊

系統(tǒng)軟件程序

誤差和時(shí)延分析

裝置整體結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量裝置外觀

GPS接收板結(jié)構(gòu)圖

GPS模塊GPS信號(hào)板和天線的實(shí)物圖GPS同步時(shí)鐘信號(hào)板原理圖

GPS的1PPS和10KHz信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊采集卡特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)32位PCI總線

12位的數(shù)據(jù)精度

高速ADS774芯片

三種觸發(fā)模式

數(shù)字輸入、輸出通道同步采樣流程注冊(cè)板卡初始化板卡置控制電平為低設(shè)置采樣模式置控制電平為高進(jìn)入循環(huán)采樣同步采樣的時(shí)序圖計(jì)算原理

通訊模塊

服務(wù)器/工作站結(jié)構(gòu)，避免了分布式結(jié)構(gòu)中多次通信引起的延時(shí)；

采用多網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集、緊急控制命令、分析計(jì)算數(shù)據(jù)共享分別占用不同的通信網(wǎng)絡(luò)，避免了網(wǎng)絡(luò)阻塞引起的延時(shí)。

控制模塊

裝置軟件A/D采集卡程序負(fù)責(zé)完成電壓電流的采樣，并將采樣的數(shù)值折算到實(shí)際系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)值。

計(jì)算程序負(fù)責(zé)完成電壓電流相量、有功、無(wú)功、發(fā)電機(jī)功角的計(jì)算工作。

GPS時(shí)鐘處理程序負(fù)責(zé)發(fā)送和接收GPS報(bào)文，提取GPS時(shí)間，作為系統(tǒng)定時(shí)標(biāo)記；并以這個(gè)標(biāo)記來(lái)標(biāo)識(shí)每一批采樣獲得的數(shù)據(jù)。

上傳通訊程序是負(fù)責(zé)將帶有時(shí)間標(biāo)簽的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。

誤差和時(shí)延分析