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同步相量测量装置四统一规范新增功能及其实现方法介绍

2018-04-02 09:35:07
作者: ​许勇 张道农
来源: 万选通资讯
分类: 技术应用
浏览量: 416
导读

2017年,国家电网公司开始针对同步相量测量装置(PMU)编写四统一规范,要求各厂家的PMU装置在外观、菜单、功能上统一并可以互操作,规范增加了次同步振荡、连续录波、冗余组网、时间同步管理等功能。同时,规定了采集单元与集中器之间相量数据传输通信规约,解决了不同厂家采用内部私有规约而造成设备不能互通互联的问题。本文将针对这些功能逐一介绍功能要求和实现方法。

许勇1,张道农2

1.中电普瑞电力工程有限公司;2.华北电力设计院有限公司

摘 要:2017年,国家电网公司开始针对同步相量测量装置(PMU)编写四统一规范,要求各厂家的PMU装置在外观、菜单、功能上统一并可以互操作,规范增加了次同步振荡、连续录波、冗余组网、时间同步管理等功能。同时,规定了采集单元与集中器之间相量数据传输通信规约,解决了不同厂家采用内部私有规约而造成设备不能互通互联的问题。本文将针对这些功能逐一介绍功能要求和实现方法。

广域测量系统(WAMS)和同步相量测量装置(PMU)在我国的应用已经有20多年,目前,全国PMU安装量超过2500台,各网省局的WAMS系统主站均已经投入运行。WAMS系统和PMU装置在电网监视、故障分析、参数校核等领域发挥了重要作用,但PMU在使用过程中出现了一些问题:

(1)各个厂家的产品规格尺寸不同、采集通道数不同、操作菜单不统一,在一定程度上给现场运行人员维护带去一定困难。

(2)PMU在厂站普遍采用分散式布置,即一个厂站内由多个采集单元和数据集中器组成,采集单元和数据集中器之间的通信规约均为厂家自定义的内部私有规约,造成一个厂站内的产品只能是一个厂家的,多个厂家的产品无法互通互联。

(3)目前的一些功能还不齐备,如只包含通用的相量测量功能,缺少次/超同步振荡监

测功能、连续录波功能、时间监测功能等。

鉴于以上情况国家电网公司从2017年开始编写针对同步相量测量装置的四统一技术规范,并将于近期发布,本文将对一些新功能要求和实现方法进行介绍。

1 PMU四统一规范基本要求

PMU四统一规范中的基本要求提出:在满足规定功能的条件下,同步相量测量装置应满足与环境相适应的机械性能、电磁兼容性等要求,考虑运行可靠性、可维护性和可扩展性,兼顾经济合理性。

装置满足以下要求:

装置应具备可靠接地方式,应有明显接地标志与安全警示标识;

装置采用自然散热方式,无旋转部件;

装置上电、掉电、重启、电源切换等状态下不应误发数据;

装置应配置掉电不丢失数据的存储器;

装置应具备表明装置运行状态的指示灯;

装置应具备运行状态监测及时间同步管理功能;

装置应采用安全操作系统;装置宜采用银灰色作为机箱主体颜色。

装置的尺寸可以采用4U或2U两种,其中2U的尺寸仅仅可用于与数据集中器,规定的面板布局如下图1~图3。

图123.jpg

2 PMU四统一规范新增功能

PMU四统一规范中除原有《DL/T 280-2012电力系统同步相量测量装置通用技术条件》规定的功能外还增加了次同步振荡监测、连续录波、冗余组网和时间同步管理功能。

2.1 次同步振荡监测功能

当系统发生次同步振荡时,发电机转子上将产生频率为轴系固有扭振频率的振荡,进而发电机转子转速中也包含了频率为10Hz~50Hz的次同步分量,该频段的频率即为次同步振荡的特征量。交流非正弦信号可以分解为不同频率的正弦分量的线性组合。当正弦波分量的频率与原交流信号的频率相同时,称为基波;当正弦波分量的频率是原交流信号的频率的整数倍时,称为谐波;当正弦波分量的频率是原交流信号的频率的非整数倍时,称为分数谐波,也称为分数次谐波或间谐波。因此,可将次同步振荡的特征信号理解为间谐波信号。

电力系统次同步振荡(Subsynchronous Oscillation,SSO)的物理概念比较复杂,通常定义为大型汽轮发电机组轴系具有显著的机械弹性,在一定的条件下会与电气量相互作用自发产生振荡,其频率一般在10Hz~50Hz之间,故称之为次同步振荡。截至目前为止所知的引起次同步振荡的原因主要有串补电容的接入、高压直流输电、风电或光伏等新能源的接入等。

2016年新疆电网发生了因多次次同步振荡导致风电场大面积脱网的事故,部分PMU作为测量设备加入了连续录波功能对次同步分量进行监测,基于此原因国网公司开始考虑在PMU设备上增加次同步分量监测功能。

PMU四统一规范要求装置具有基于采样数据的次同步振荡监测功能,可将次同步振荡主导分量的幅值、频率上送调度主站。当电力系统发生次同步振荡时,PMU启动采样数据录波,在数据帧的状态字中设置触发标志和原因,发出相应事件告警。

2.2 连续录波

故障录波功能在《DL/T 280-2012电力系统同步相量测量装置通用技术条件》中只是辅助功能,要求PMU装置具有故障录波功能,当故障发生或系统异常时可通过判据启动录波,但有些场合通过判据是无法做到可靠启动的,如次同步振荡监测。因此,现场需要设备具有不间断录波功能,便于记录原始采样数据用于后续分析。

四统一规范规定装置的连续录波功能应满足以下要求:

(1)每分钟形成一个文件,文件格式应能兼容GB/T 22386的要求

(2)装置记录的采样率不应低于1000点/s

(3)保存时间不少于3天

2.3 数据采集单元与数据集中器通信规约标准化

《DL/T 280-2012电力系统同步相量测量装置通用技术条件》并未对数据采集单元与数据集中器之间的数据通信规约进行规定。因此,各厂家普遍采用内部私有规约,这造成在现场不同厂家的数据采集单元与数据集中器不能互通。

四统一规范中规定数据采集单元与数据集中器之间采用GB/T 26865.2传输同步采集的相量信息,相量传输频率为100Hz,这个传输规约是目前应用于数据集中器和调度主站间的,这样数据采集单元就具备了PDC原有的通信功能,在理论上可以直接和远方调度主站通信。

2.4 冗余组网

在厂站内,一般设置多个采集单元和一台数据集中器,采集单元与数据集中器通过内部网络进行通信,这种情况当数据集中器故障或网络异常(交换机故障,光纤、网线等松动或断开)时,采集单元的数据将无法上送数据集中器和主站,这种情况属严重装置故障,因为这种情况下采集的数据无法存储和上传,导致重要数据丢失。为了避免这种情况,在一些重要厂站一般加装双套数据集中器,但即使是双套集中器,因为是单网,一旦网络异常也无法实现数据上传。在PMU四统一规范中规定,PMU站内组网应支持双相量数据集中器和双交换机冗余组网工作模式,相量数据集中器可通过电力调度数据网双平面通道与调度主站进行数据通信。一般厂站宜采用冗余组网工作模式1,重要厂站宜采用冗余组网工作模式2。这种冗余组网模式大大增强了数据上传的可靠性。

图45.jpg

2.5 时间同步管理

时间同步的精度是同步相量测量装置的一项重要指标,《DL/T 280-2012电力系统同步相量测量装置通用技术条件》要求PMU装置对时精度不低于1μs,过去对于PMU装置时间精度测试主要通过两种方法,一种是测量装置秒脉冲输出(PPS)与标准脉冲的误差;另一种是通过相角精度间接校验时钟的精度,这两种方法只使用于实验室检测,在现场无法实时对PMU装置的对时精度进行监测。

在PMU四统一规范中专门规定了时间同步管理功能,要求应满足Q/GDW 1131-2014中6.1.3的要求。

(1)装置可选择DL/T634.5104或DL/T860-MMS协议中的一种与站控层交互,以实现站控层对PMU设备的时间同步管理;

(2)时间同步管理分为时间测量管理和自检状态管理两部分,时间测量管理采用乒乓方式,自检状态管理采用主动和召唤方式上送。

图67.jpg

(1)对时状态监测功能:基于乒乓原理,通过ntp协议时间同步管理系统可以对数据

采集单元和数据集中器的时标进行监测,要求误差不大于±3ms。

(2)设备状态自检功能:设备状态自检功能分为对时接口状态告警、对时服务状态告

警、时间跳变状态告警3个状态量,通过DL/T860规约上送状态信息。自检状态信息应以虚遥信方式,采用MMS报文在间隔层和站控层间传输。

3 装置针对新功能的改进

3.1 次同步振荡监测

图8.jpg

同步相量测量装置计算的相量是基波相量,通常采用离散傅立叶算法(DFT),而监测的次同步分量属于间谐波,离散傅立叶算法不再适用。

常用的电力系统振荡实测数据分析方法主要有快速傅立叶算法(FFT)、小波分析、prony方法、TSL-ESPRIT方法、人工神经网络,这些方法均已具备较为成熟的理论和算法,但不同的计算方法在适用领域和实时性上有较大差别,除FFT算法外其他方法存在着计算量较大或在某些场景误差较大的问题,较适用于离线分析。目前,各PMU采用的均是快速傅立叶算法(FFT)算法,因为FFT是在信号处理领域中更是被视作最为经典的一种方法。在电力系统中,FFT被广泛用于谐波和间谐波检测中,当然,FFT进行次同步分析分析时,也存在着频谱混叠、频率分辨能力、栅栏效应及频谱泄漏等问题,造成测量误差超标,必须通过加窗、插值的方法进行补偿。

次同步振荡分量检测算法模型如图6所示,PMU在进行常规相量计算的同时,对ADC输出的采样数据进行次同步振荡分量检测。当检测到次同步振荡分量后,向PDC发出次同步振荡告警标志和原因,并触发PMU暂态录波,记录当前时间段的原始采样信息。

次同步振荡分量检测是独立于原相量计算的另外一套算法,增加了次同步振荡分量监测功能装置必须进行两种算法的并行处理,这对PMU装置的计算速度提出了新的挑战。

3.2 连续录波

连续录波功能目前可以通过两种模式实现:

模式1:各采集单元通过网络直接将采样数据上传到数据集中器,数据集中器将连续录波数据保存在本地。主站通过离线数据管道可以召唤录波数据。

模式2:各采集单元将连续录波数据保存在本地,当主站召唤连续录波数据时,通过离线数据管道将命令发送给数据集中器,数据集中器再将命令转发采集单元,采集单元先上传数据到数据集中器,最后再传输到主站完成数据调取。这种模式数据集中器相当于一个中间桥梁,对于主站来说是透明的。

以上两种模式均可以实现连续录波功能,各有利弊,模式1因为采集单元与数据集中器之间本身就需要实时传输相量数据,增加实时传输原始采样数据势必增加数据实时传输量,加大了采集单元和数据集中器的运行负荷和网络流量,但当主站调取数据时因为数据已经保存在数据集中器因此调取速度快;模式2因为采集单元连续录波数据本地存储,减小了采集单元和集中器通信的负荷和网络流量,但是当主站调取数据时,要先将数据传输到数据集中器,然后通过数据集中器再传输到主站,这将在一定程度上影响调取数据的速度。

3.3 冗余组网

如图4和图5的冗余组网模式可大大提高数据上传的可靠性,但因为双网双集中器,对数据采集单元的通信能力有了更高要求,要求一台采集装置必须同时支持通过两个独立的网口,实现通过双网与多台数据集中器通信,同时数据集中器将同时接收到一台数据采集单元的两份相同数据,必须能做到正常时丢弃一份数据,而一旦一份数据异常时需要瞬时无缝切换到使用另外一份数据。

针对PMU四统一规范的要求,实现时在厂站采集单元和数据集中器之间设置双网,如192.168.32.*网段和192.168.33.*网段,一台采集单元分别通过两个独立网口接到两台交换机上,如网口1设置IP地址为192.168.32.10,网口2设置IP地址为192.168.33.10,在模式1时,2台集中器各只使用1个网口,分别接到1台交换机上,如数据集中器1网口1设置IP地址为192.168.32.1,数据集中器2网口1设置IP地址为192.168.33.1,这时候每台集中器只能接收到各自网段采集单元发送的数据,这样当一台交换机异常或者1台数据集中器异常时,系统仍可以正常工作。

在模式2时,2台集中器分别使用2个网口,如数据集中器1网口1设置IP地址为192.168.32.1,网口2设置IP地址为192.168.33.1,数据集中器2网口1设置IP地址为192.168.32.2,网口2设置IP地址为192.168.33.2,分别接到2台交换机上,这时候每台集中器可以同时接收2个网段的采集单元发送的数据,这种情况相当于增加了两条独立的通信链路。

在程序设计上,采集单元的通信程序为服务器端,只绑定端口号,并不绑定IP,即设置为INADDR_ANY模式,这样每当有连接时启动一个线程实现与集中器的通信,在模式1将启动2个线程,而在模式2将启动4个线程。

数据集中器在模式1状态时,数据集中器配置一个连接的采集单元IP地址,实现一对一通信。在模式2时,将配置2个连接的采集单元IP地址,实现一对二的通信,当两者都通信正常时只保留其中一份数据,丢弃掉另外一个,而当发现其中之一的数据连接断开时,则仅仅相信连接正常的采集单元的数据。

3.4 时间同步管理

针对PMU四统一规范提出的时间同步管理功能,装置和数据集中器的处理方法类似。

(1)时间状态监测功能:装置软件应可以作为ntp服务器端,快速实时响应时间同管

理系统ntp客户端的时间请求。

(2)设备状态自检功能:设备状态自检功能分为对时接口状态告警、对时服务状态告

警、时间跳变状态告警三个状态量分别对应于以下的情况。

对时接口状态:链路断、信号无、质量标志无效、和校验错。

对时服务状态:设备未对时。

时间跳变状态:监测到时间跳变。

4 结语

本文介绍了国家电网公司同步相量测量装置(PMU)中四统一规范中的一些新功能要求,如次同步振荡监视、连续录波、冗余组网、时间同步管理等,并针对这些要求分析了装置中如何实现,执行四统一规范标准后,PMU产品功能将更加丰富,同时运行可靠性和产品可用率将大大增强。四统一规范实施将有利于各PMU厂家产品的互通互换和互操作,有利于现场维护和设备改造,使得同步相量测量装置的应用登上一个新台阶。

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参考文献

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[13] DL/T 860.92 变电站通信网络和系统 第9-2 部分:特定通信服务映射(SCSM)映射到ISO/IEC 8802-3 的采样值.

作者简介

许勇(1971- ),教授级高级工程师,主要从事系统稳定控制、继电保护、WAMS等系统工作。

张道农(1961- ),教授级高级工程师/设计总工程师,全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会委员、全国时间频率计量委员会委员、中国电工技术学会理事、中国电工技术学会电力系统控制与保护专业委员会委员、全国电力系统管理及其信息交换标准化委员会委员、WAMS及时间同步工作组组长,中国电机工程学会高级会员,主要从事继电保护及安全自动装置的设计与研究以及大型工程项目的项目管理工作。

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