電力系統(tǒng)同步相量測量裝置（PMU）應(yīng)用及分析

納少華 馬彩虹 銀川供電局 750001

電力系統(tǒng)同步相量測量裝置（PMU）應(yīng)用及分析

納少華 馬彩虹 銀川供電局 750001

基于全球定位系統(tǒng)GPS的相量測量單元（PMU）能將實時同步相量信息送至調(diào)度中心，使全網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測成為可能。本文首先介紹了PMU（同步相量測量裝置）的原理、功能，接著明確了基于PMU的應(yīng)用和分析，最后，給出了PMU與主站網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)流程。

PMU 同步相量；相量測量；電力系統(tǒng)

1 引言

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展和電力市場進(jìn)程的推進(jìn)，電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜程度日益增大，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求越來越高。目前建立用于測量和監(jiān)視電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的SCADA系統(tǒng)，側(cè)重于監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，測量周期是秒級，且不同地點之間缺乏準(zhǔn)確的共同時間標(biāo)記。廣域測量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System,簡稱 WAMS)能夠?qū)崟r地反映全網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)變化，作為電網(wǎng)動態(tài)實時監(jiān)測的新技術(shù)和重要手段，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的作用。而基于成熟的GPS技術(shù)、通信技術(shù)、DSP技術(shù)上的PMU裝置，其具備高穩(wěn)定性和可靠性、高精度、強(qiáng)大的計算處理、存儲和通訊能力、良好的人機(jī)界面和開放性,正是WAMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測提供了可能。

PMU全稱為Phasor Measurement Unit,意為同步相量測量裝置。PMU能以數(shù)千赫茲速率采集電流、電壓等信息，通過計算獲得測點的功率、相位、功角等信息，并以每秒幾十幀的頻率向WAMS主站發(fā)送。PMU通過GPS對時，能夠保證全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步性，數(shù)據(jù)與時標(biāo)信息同時存儲在本地并發(fā)送到主站。電網(wǎng)內(nèi)的變電站和發(fā)電廠安裝PMU后，就能夠使調(diào)度人員實時監(jiān)視到全網(wǎng)的動態(tài)過程。

2 PMU的基本原理及結(jié)構(gòu)

PMU的基本原理為:GPS接收器給出1pps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)數(shù)模(A/D)轉(zhuǎn)換器量化，微處理器按照遞歸離散傅立葉變換原理計算出相量。對三相相量，微處理器采用對稱分量法計算出正序相量。依照IEEE標(biāo)準(zhǔn)1344-1995規(guī)定的格式將正序相量、時間標(biāo)記等裝配成報文，通過專用通道傳送到遠(yuǎn)端的主站數(shù)據(jù)集中器。PMU的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PMU典型結(jié)構(gòu)框圖

圖2 PMU與主站數(shù)據(jù)集中器的通信

圖3 變電站相量測量、數(shù)據(jù)傳送示意圖

主站數(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(hù)和控制提供數(shù)據(jù)。圖2示出了PMU與主站數(shù)據(jù)集中器的通信，可以采用多種通信技術(shù)，如直接連線、無線電、微波、公共電話、蜂窩電話、數(shù)字無線、專用網(wǎng)絡(luò)等。目前，運(yùn)用較多的PMU子站之間與WAMS主站的通信方式有兩種：（1）電力數(shù)據(jù)網(wǎng)方式子站的以太網(wǎng)口直接與電力數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機(jī)連接并接入到通信前置機(jī)；（2）2M專線方式：子站的以太網(wǎng)口經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，接入到通信前置機(jī)。PMU設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)傳輸層應(yīng)用了TCP/IP協(xié)議，在應(yīng)用層采用了IEEE std 1344規(guī)約，可使主站靈活配置并控制PMU子站。在PMU設(shè)備體系結(jié)構(gòu)中，數(shù)字信號處理、同步通信是同步相量測量技術(shù)的關(guān)鍵，而防混疊濾波器，A/D轉(zhuǎn)換器等器件的性能也將直接影響測量的精度。

3 PMU應(yīng)用及分析

3.1 PMU實現(xiàn)的功能

3.1.1 同步相量測量

（1）測量變電站線路三相基波電壓、三相基波電流、序量值、開關(guān)量等的實時數(shù)據(jù)及實時時標(biāo)；

（2）測量發(fā)電機(jī)機(jī)端三相基波電壓、三相基波電流、序量值、開關(guān)量、發(fā)電機(jī)功角、發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢的實時數(shù)據(jù)及實時時標(biāo)；

（3）測量勵磁系統(tǒng)、AGC系統(tǒng)等的直流模擬量等。

3.1.2 同步相量數(shù)據(jù)傳輸

裝置根據(jù)IEEE std 1344規(guī)約將同步相量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡荆瑐鬏數(shù)耐ǖ栏鶕?jù)實際情況而定，如：10/1OOMHZ以太網(wǎng)、RS232、2M口等，通信鏈路協(xié)議為TCP/IP。

3.1.3 數(shù)據(jù)整定及就地顯示

（1）裝置的參數(shù)當(dāng)?shù)卣ǎ?/p>

（2）裝置的測量數(shù)據(jù)可以在計算機(jī)界面上以相量列表、主接線圖相量矢量表計、相量矢量圖、連續(xù)相量變化圖、模擬量波形圖、模擬量值、開關(guān)量狀態(tài)等方式顯示。

3.1.4 擾動數(shù)據(jù)記錄

（1）具備暫態(tài)錄波功能。用于記錄瞬時采樣的數(shù)據(jù)，輸出格式符合ANSI/IEEEC37.111-199(COMTRADE)的要求；

（2）具有全域啟動命令的發(fā)送和接收，以記錄特定的系統(tǒng)擾動數(shù)據(jù)；

（3）可以以IEC60870-5-103或FTP的方式和主站交換定值及故障數(shù)據(jù)。

3.1.5 當(dāng)?shù)赝ㄐ沤涌?/p>

圖4 發(fā)電機(jī)相量測量示意圖

圖5 發(fā)電廠相量數(shù)據(jù)傳送示意圖

圖6 PMU和主站通信連接示意圖

裝置提供通信接口用于和勵磁系統(tǒng)、AGC系統(tǒng)、電廠監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.1.6 數(shù)據(jù)存儲

存儲暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)；存儲實時同步相量數(shù)據(jù)。

3.2 PMU的應(yīng)用

3.2.1 變電站

圖3表示了變電站相量測量、數(shù)據(jù)傳送示意圖。變電站同步相量測量一般只對電源側(cè)線路進(jìn)行測量。根據(jù)測量線路數(shù)量的要求，配置一定數(shù)量的測量裝置；全站配置一個數(shù)據(jù)管理單元，用于多臺PMU數(shù)據(jù)的整合及轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)的方向考慮有省調(diào)、國調(diào)、網(wǎng)調(diào)。同時考慮當(dāng)?shù)貞?yīng)有一臺計算機(jī)用于簡單地顯示、操作；全站配置一個GPS，用于多個測量裝置的時間同步；裝置與裝置之間、裝置與GPS之間、通信單元與主站之間均采用光纖通信。

3.2.2 發(fā)電廠

發(fā)電廠測量不同于變電站測量。其不但要完成線路量測量，而且要完成發(fā)電機(jī)測量且這是關(guān)鍵。圖4是一個發(fā)電機(jī)測量的示意圖。其測量的輸入不僅包括機(jī)端電流/電壓，而且還包括發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸脈沖信號(鑒相信號或轉(zhuǎn)速信號)，以及其他的4～20mA直流控制信號。其主要完成發(fā)電機(jī)功角及發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢相量的測量。

圖5表示了發(fā)電廠PMU的配置通信示意圖。線路測量同變電站測量方式，發(fā)電機(jī)測量已在上面描述。一個電廠配置一臺線路測量裝置；一個發(fā)電機(jī)配置一臺發(fā)電機(jī)測量裝置；全廠配置一個數(shù)據(jù)管理單元，用于多臺PMU數(shù)據(jù)的整合及轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)的方向考慮有省調(diào)、國調(diào)、網(wǎng)調(diào)。同時考慮當(dāng)?shù)貞?yīng)有一臺計算機(jī)用于簡單地顯示、操作；全站配置一個GPS，用于多個測量裝置的時間同步；裝置與裝置之間、裝置與GPS之間、通信單元與主站之間均采用光纖通信。

4 PMU的通信

4.1 PMU與主站通信

目前PMU和主站的通信方式均采用高速廣域網(wǎng)技術(shù)，圖6表示了在發(fā)電廠/變電站內(nèi)的通信連接示意圖。由圖6可見，一般站內(nèi)均設(shè)有遠(yuǎn)動通信通道，其和主站的通信媒介為光纖，因此具有較寬的通信帶寬。遠(yuǎn)動通信通道的接入一般為2M接口，因此對于PMU本身，必須考慮將10/100M以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換成2M接口以便接入遠(yuǎn)動通信通道。在接入時，如果PMU和遠(yuǎn)動通信通道的距離較短，則可以直接用雙絞線；如果較長則必須用光纖(相應(yīng)地增加光電轉(zhuǎn)換器)。

4.2 PMU網(wǎng)絡(luò)通信流程

在描述網(wǎng)絡(luò)通信流程之前，首先需要明確以下幾個概念。

配置幀(CFG)為PMU和實時數(shù)據(jù)提供信息及參數(shù)的配置信息，為機(jī)器可讀的二進(jìn)制文件。CFG1由PMU產(chǎn)生，是系統(tǒng)配置文件，包括PMU可以容納的所有可能輸入量；CFG2由主站產(chǎn)生，是數(shù)據(jù)配置文件，指出數(shù)據(jù)幀的目前配置狀況。

數(shù)據(jù)流管道是指子站和主站之間，或者PMU裝置和數(shù)據(jù)集中器之間實時同步數(shù)據(jù)的傳輸通道。其數(shù)據(jù)傳輸方向是單向的，為子站到主站，或者PMU裝置到數(shù)據(jù)集中器。

管理管道是指子站和主站之間，或者PMU裝置和數(shù)據(jù)集中器之間管理命令、記錄數(shù)據(jù)和配置信息等的傳輸通道，其數(shù)據(jù)傳輸方向是雙向的。

數(shù)據(jù)流管道和管理管道的通信協(xié)議采用TCP協(xié)議，子站作為管理通道的服務(wù)器端、數(shù)據(jù)流管道的客戶端；主站作為管理管道的客戶端、數(shù)據(jù)流管道的服務(wù)端。當(dāng)系統(tǒng)啟動或重建時，數(shù)據(jù)流管道和管理管道均未建立。

4.2.1 主站通信啟動過程

（1）建立管理管道。主站向子站提出建立管理管道的申請；子站接受申請，建立與子站之間的管理管道；通過管理管道與子站傳輸控制命令、CFG1、CFG2配置幀；主站宜具有CFG1，CFG2配置幀的校驗機(jī)制。

（2）建立數(shù)據(jù)流管道。等待子站建立數(shù)據(jù)流管道的申請，建立與子站之間的數(shù)據(jù)流管道，通過數(shù)據(jù)流管道接收子站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.2.2 子站通信啟動過程

首先建立管理管道。等待主站建立管理管道的申請；接受主站建立管理管道的申請后，建立與主站之間的管理管道；通過管理管道，接收和發(fā)送管理命令和CFG1,CFG2配置幀。管理管道CFG1和CFG2的傳送方式為：CFG1文件由子站產(chǎn)生，并應(yīng)主站的召喚傳送給主站；CFG2文件由主站根據(jù)CFG1文件產(chǎn)生，并主動下發(fā)給子站，子站根據(jù)接收的CFG2文件發(fā)送實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。然后建立數(shù)據(jù)流管道，向主站提出建立數(shù)據(jù)流管道的申請，建立數(shù)據(jù)流管道；通過管理管道接收主站的“開啟實時數(shù)據(jù)”命令后開始實時數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)流管道故障斷開或管理管道故障斷開的現(xiàn)象時，數(shù)據(jù)流管道和管理管道則需要重建，將斷開主站和對應(yīng)子站的數(shù)據(jù)流管道和管理管道，并重新建立通信過程。

當(dāng)管理管道和數(shù)據(jù)流管道均正常時，一切通信傳輸均保持正常。此時，通過數(shù)據(jù)流管道，子站按設(shè)定頻率向主站發(fā)送實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，主站不發(fā)送任何命令；通過數(shù)據(jù)流管道，主站接收子站上送的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，校驗錯誤后丟棄該數(shù)據(jù)幀；主站定時通過管理管道發(fā)送“心跳”信號，子站接收后，發(fā)送“心跳”信號給主站。

5 結(jié)語

目前PMU的研究及應(yīng)用處于初始階段，還有部分的采樣、計算方法有待于研究，對于技術(shù)規(guī)范、功能要求、現(xiàn)場應(yīng)用、現(xiàn)場安裝還有待于研究、完善和統(tǒng)一。隨著我國電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)工作的深入，利用PMU采集的數(shù)據(jù)來進(jìn)行穩(wěn)定判斷電網(wǎng)模型校核及其他功能以及最終的實時穩(wěn)定控制的研究將更進(jìn)一步地展開，因而對PMU的安裝、PMU的數(shù)據(jù)采集、PMU的運(yùn)行可靠性等將提出更高的要求。

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