LPS-700同步相量测量装置说明书(2012.02.16).doc
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LPS-700同步相量测量装置
技术说明书
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江苏华瑞泰科技LPS-700同步相量测量装置技术说明书
目录
第1章LPS-700系统概述 1
1.1LPS-700开发背景 1
1.2LPS-700系统特点 1
1.3LPS-700技术创新 2
1.4同步相量测量技术 2
第2章PMU测量系统体系结构概述 4
2.1PMU测量系统体系结构组成 4
2.2主站系统体系结构 4
2.3PMU子站装置体系结构 5
2.4通道接口及网络系统 6
第3章LPS-700同步相量测量装置的技术指标 7
3.1LPS-700同步相量测量装置功能 7
3.2LPS-700同步相量测量装置的技术条件 7
3.2.1环境条件 7
3.2.2绝缘性能 7
3.2.3电磁兼容性 8
3.2.4机械性能 8
3.2.5安全性能 9
3.2.6热性能（过载能力） 9
3.2.7输出触点容量 9
3.3LPS-700同步相量测量装置的功能指标 9
第4章LPS-700同步相量测量装置原理 11
4.1概述 11
4.2LPS-700装置硬件单元组成 11
4.3PMU装置数据流 11
4.4PMU装置的同步 12
4.5PMU装置的测量数据类型 12
4.6PMU装置的稳态（动态）测量 12
4.7PMU装置的暂态测量 12
4.8发电机功角δ的测量原理 13
第5章计算方法 15
5.1软件自适应频率跟踪计算法 15
5.2相量计算 15
5.3序量计算 16
5.4高次谐波相量计算 18
5.5功率及相角计算 18
5.6平均值计算 19
5.7突变量计算 19
5.8变化率（滑差）计算 20
第6章LPS-700同步相量测量装置的硬件部分 21
6.1装置的结构布局 21
6.2装置的硬件结构 22
6.3装置的硬件组成 22
6.3.1非智能插件 22
6.3.2智能插件 23
第7章相量数据集中器PDC单元 27
7.1PDC相量数据集中器功能 27
7.2PDC相量数据集中器性能 27
7.2.1技术参数 27
7.2.2接线端子及前面板指示灯 28
7.3动态数据文件名命名规则 29
第8章通过彩色触摸屏使用装置 30
8.1概述 30
8.2装置面板 30
8.2.1主机面板包括 30
8.2.2扩展装置面板灯 30
8.3触摸屏 31
8.3.1开机界面 31
8.3.2实时数据显示 32
8.3.3定值整定界面 34
8.3.4整组试验界面 38
8.3.5异常查询界面 39
第9章通过本地工作站使用装置 41
9.1本地监视工作站概述 41
9.2数据分析软件 42
9.3PMU模拟软件 43
9.4客户端软件 44
9.4.1PDC软件-LINUX版 44
9.4.2主站监控系统 44
9.4.3数据分析软件 51
9.4.4PMU模拟软件 54
第10章LPS-700同步相量测量装置暂态录波说明 55
10.1暂态数据文件名命名规则 55
10.2记录方式及采样频率 55
10.3录波启动判据 56
10.3.1电压判据 56
10.3.2电流判据 57
10.3.3频率判据 58
10.3.4其它判据 59
10.3.5关于长期越限启动的说明 59
第11章安装调试 60
11.1装置调试方法简介 60
11.2对测试仪器的要求 60
11.3装置的一般检验 60
11.4运行前检查 61
第12章定货与维护 62
12.1运行与维护 62
12.2产品包装 62
12.3运输条件 62
12.4贮存条件 62
12.5保修时间 62
12.6供应成套性 62
12.7产品附件 63
12.8订货须知 63
附录1:
PMU装置插件布置图 64
附录2:
屏后端子图 65
III
第1章LPS-700系统概述
1.1LPS-700开发背景
电力系统中两种传统的监测方法都存在一定的不足。
故障录波器记录的原始波形的快速暂态数据量太大，难以保存长时间的数据，仅记录故障前后短时间内的采样数据，对于电网中许多系统类型的故障不足以进行分析；SCADA系统中慢速刷新的稳态数据不能满足电力系统动态状态估计、低频振荡分析、故障分析的数据动态需求。
基于同步相量测量技术的广域测量系统能在时、空、幅值三维坐标下实时地、并且同步地观测系统全局的动态过程，弥补了现有EMS/SCADA系统和数字故障录波系统的不足，同时也为电力系统动态分析与监控提供了最直接的技术手段，是电力系统安全稳定经济运行的重大基础设施。
它是由相量测量单元PMU（PhaseMeasurementUnits）、相量数据集中器PDC（PhaseDataConcentrator）、分析与应用中心AAC（AnalysisandApplicationCentre）以及作为其基础的高速数据通信网络和电网运行状态定位（时间和空间）的全球卫星通信系统GPS（GlobalPositioningSystem）等5部分组成。
分布于广域电网各处的PMU同步测量各站点（电厂和变电站）的相量数据，实时发送至上级主站，它是WAMS（Wide-AreaMeasurementSystem）的核心。
其最大价值在于传送相量数据，真实、实时地对互联电网进行广域测量。
PMU在电力系统中的广泛应用不仅为解决电网安全稳定问题，提高电网动态安全水平和防止大停电事故提供了新的技术途径；同时PMU装置采集的同步数据也为电力系统在线应用领域中的分析、控制功能的研究开发提供了新的数据源。
1.2LPS-700系统特点
江苏华瑞泰科技股份有限公司，依托多年电力系统相关产品的开发经验和雄厚的开发人才优势，成功研制出LPS-700型全局相量同步测量系统。
该系统是按《电力系统实时监测系统技术规范》，在华瑞泰稳定控制产品及系统的基础上开发出来的新一代数字电力系统实时计算平台。
它以电力系统各种电压等级的厂站（子站）为数据源，用最前沿的、先进的IT技术（电子技术，通信技术和网络技术）将其同步采集并实时传送到数据处理中心，为电力计算及控制提供实时数据。
整套系统是基于全局、应用、前沿技术、以及行业积累的设计，主要有以下特点：
1.性能指标最高的配置
l采样密度高：
9600Hz（192点/周波）；
l快速存储、传输数据：
10ms基本间隔；
l子站裸机方式（无操作系统）下实现网络传输，并采用实时性极强的UDP协议，探索解决了PMU用于全局控制和保护的技术障碍之一；
l准确判断低频振荡；
l精确补偿装置内PT、CT及滤波电路的相位延迟；
l采用新的IEEEStdC37.118-2005规约；
l理论相量取在相量计算时间窗的中点；
2.软件自适应频率跟踪计算法
采用独有的软件跟频新算法，保证了相量在任何频率（20～200Hz）下计算的准确性，可以彻底消除基频波动引起的计算误差，能在任何频率下准确计算出当时系统的基波分量、序分量和谐波分量。
1.3LPS-700技术创新
采用独特的高精度光纤自同步技术方法，为PMU在实时控制领域的应用提供了可行性。
1.基于2M光纤通信和高密度门阵列技术，而不依赖于GPS接收装置，实现远距离采样时钟的同步技术。
其原理是通过精确计算对时报文在光纤中的传输时间，同步被对时站的采样脉冲上升沿。
同步精度＜0.050μs,开机同步时间＜3ms/100km。
计算和同步过程完全由高密度门阵列CPLD组成的硬件完成。
2.鉴于目前还没有对不同地点的GPS秒脉冲精确性进行测量和校准的手段。
利用电力系统的光纤通信网结合光纤自同步技术，为测量异地GPS的同步精度提供了可能性。
同时也为区域性的不依赖GPS同步技术提供了可能性。
1.4同步相量测量技术
电力系统常见的正弦电压和电流均可以表示为相量。
例如电压信号表示成相量形式为：
（如图1-1所示）。
图1-1瞬时量转化为相量
GPS为电力系统提供了全网统一的时钟信号,定时精度可达ns级。
借助GPS时钟信号，可以在各厂站构造以余弦函数的参考相量，其它相量都与参考相量比较，得到“绝对”相角。
经过通信系统传输，异地相量按时标综合在一起，削去共同的参考相量就得到“相对”相角（如图1-2）。
1-2同步相量测量原理
第14页
第2章PMU测量系统体系结构概述
2.1PMU测量系统体系结构组成
整个测量系统由测量站或参考站（子站）、调度中心站（主站）、远程通信网组成。
图2-1LPS-700系统体系结构
LPS-700装置安装于PMU子站，采用9600Hz的采样速率，实时监测系统的各种实时运行信息。
并通过100M以太网可向多个主站实时传送所有采集到的同步信息，为主站端观测系统的稳定裕度，记录电压失稳、低频振荡等动态过程，实现电力系统安全预警提供数据支撑，进而逐步实现电力系统控制分析等高级应用。
2.2主站系统体系结构
主站是安装在电力系统调度中心，用于接收、管理、存储、分析、告警、决策和转发动态数据的计算机系统。
其主要功能包括：
接收、管理、存储和转发源自子站的实时测量数据，对电力系统的运行状态进行监测、告警、分析、决策等；主站之间交换实时测量数据，并与调度中心EMS系统及安全自动控制系统进行数据交换。
图2-2同步相量测量系统主站体系结构
2.3PMU子站装置体系结构
PMU子站LPS-700装置根据模拟量或开关量信息的采集，形成电压相角信息，调度根据各子站的相量数据得出系统的惯性中心，或得到相对于参考站功角信息，并自上而下地提供各枢纽变电站同惯性中心的相角差、或相对于参考站的功角信息，以作为调度人员对系统稳定性分析判断的参考量。
LPS-700装置同时具备完备的暂态录波的功能，所有变电站/发电厂所需的触发方式都集成在装置中，可以做到在系统发生扰动时能完整记录系统扰动发生后暂态及动态过程各阶段的系统电参量变化过程。
LPS-700装置具有下列主要功能：
1.功角测量
装置以9600Hz的频率进行采样，在每一采样脉冲的上升沿装置同步锁存测量安装点的三相基波电压、三相基波电流、频率和开关状态，形成数据的时间断面，并在下一次采样脉冲的上升沿到来前将所有量转换为数字量供装置的其他功能模块处理。
2.带时标传送
子站对模拟量或开关量信息进行采集、并进行电压相角测量，将测量信息打上时标，向主站端传送。
可接收调度端计算系统的惯性中心向各子站传送相应的参考功角信息。
3.故障录波及分析
当系统发生大的扰动，如系统发生短路、系统摇摆（包括低频振荡、次同步振荡）时，进行启动录波，同时对动态相角和电压正序分量进行记录，并可在故障后对所记录的数据进行分析。
子站具有对本子站的故障过程进行重演，并对各模拟量的正、负、零序分量进行分析，形成故障报告的功能。
子站向主站发送故障报告信息等。
主站能对各子站的故障过程进行重演，并进行分析，形成总故障报告。
2.4通道接口及网络系统
LPS-700功角测量装置的测量信息通过电力系统数据网络送到调度端。
各子站的LPS-700功角测量装置经隔离装置通过以太网接入本站的交换机，各子站内的交换机为电力系统数据网络的一个节点，功角测量系统由各子站内的交换机及相应的子站、主站系统形成一个功角测量系统ATM实时虚网。
与ATM网络的接口采用IEEEStd1344-1995（R2001）、IEEEStdC37.118-2005应用层规约及TCP/IP传输规约，通过以太网接入至各子站内电力系统数据网络的交换机。
在调度端，调度中心的处理机通过所配置的路由器交换机经10/100M网络口接入ATM网。
功角测量系统的传输特性满足下列网络要求：
LPS-700装置通过100M以太网接口和IEEEStd1344-1995（R2001）、IEEEStdC37.118-2005规约，从数据管道向主站传送实时监测数据、实时记录数据、装置的状态信息以及装置发出的请求信息。
同时可以从命令管道接收主站下达的命令。
装置的数据集中器PDC可以扩展多个100M以太网接口并配有相应的多个应用进程与4-16个主站进行数据通信且互不干扰。
第3章LPS-700同步相量测量装置的技术指标
3.1LPS-700同步相量测量装置功能
装置的主要功能：
1.采用接受GPS、北斗等卫星时钟信号或光纤高速自同步信号，为系统的同步采集提供时钟基准。
2.高速采集各通道信号，计算出三相电压电流相量、序量值、开关状态等。
3.采用直接法测量发电机内电势角度和功角，计算出内电势相量值。
4.通过以太网，采用IEEEStd1344-1995、IEEEStdC37.118-2005、《电力系统实时动态监测系统技术规范》的规约，向数据集中器发送带时标的相量值。
5.实时数据上传，支持一发多收，可同时与多个主站实时通信；
6.按100Hz间隔保存实时相量值，可保存15天的相量值。
7.具备暂态录波功能，可完成故障录波的功能。
按9600Hz高速采样，录波存盘数据符合ANSI/IEEEC37.111-1999（COMTRADE）的要求记录故障数据。
3.2LPS-700同步相量测量装置的技术条件
3.2.1环境条件
装置在以下环境条件下能正常工作：
工作环境温度：
-10℃～＋55℃，运输中短暂贮存环境温度-25℃～＋70℃，在极限值下不施加激励量，装置不出现不可逆的变化，温度恢复后，装置应能正常工作；
相对湿度：
最湿月的月平均最大相对湿度为90％，同时该月的月平均最低温度为25℃且表面无凝露；
大气压力：
80kPa～110kPa。
3.2.2绝缘性能
绝缘电阻：
各电路分别与地（即外壳或外露的非带电金属零件）之间，交流电流电路与交流电压电路之间，交流电路与直流电路之间，用开路电压为500V的测试仪器测定其绝缘电阻值不小于100MW，湿热条件下不小于1.5MΩ。
介质强度：
1.产品能承受表3-1所示的耐压试验，无击穿或闪络现象。
2.出厂检验时，允许试验历时缩短为1s，但此时试验电压值应提高10％。
表3-1耐压试验数据
试验部位
耐压水平（工频，1min）
交流电路对地
2KV
交流电流和电压电路之间
2KV
直流电源电路（包括逆变电源输入端及各开出触点）对地
2KV
交流和直流电路之间
2KV
24V电路（包括开入24V电源及所有开入端子）对地
1KV
冲击电压：
1.产品的各电路分别与地（即外壳或外露的导电件）之间，以及交流电流电路与交流电压电路之间，能承受标准雷电波的短时冲击电压检验，检验电压的峰值为5kV。
2.承受冲击电压后，产品主要性能指标符合本标准的要求，在检验过程中，允许出现不导致绝缘损坏的闪络，如果出现闪络，则应复查绝缘电阻及介质强度，此时介质强度检验电压值为规定值的75％。
3.2.3电磁兼容性
衰减振荡波脉冲群抗扰度：
装置能承受GB/T14598.13（eqvIEC60255-22-1）规定的1MHz和100kHz脉冲群干扰试验（第一半波电压幅值共模为2.5kV，差模为1kV）。
静电放电抗抗扰度：
装置能承受GB/T14598.14（idtIEC60255-22-2）规定的Ⅲ级（接触放电6kV）静电放电干扰试验。
辐射电磁场抗扰度：
装置能承受GB/T14598.9（idtIEC60255-22-3）规定的Ⅲ级（10V/m）的辐射电磁场干扰试验。
快速瞬变抗扰度：
装置能承受GB/T14598.10（idtIEC60255-22-4）规定的Ⅳ级（通信端口2kV，其它端口4kV）的快速瞬变干扰试验。
浪涌（冲击）抗扰度：
装置应能承受GB/T17626.5规定的Ⅳ级的浪涌（冲击）抗扰度试验。
射频场感应的传导抗扰度：
装置应能承受GB/T17626.6规定的Ⅲ级的射频场感应的传导抗扰度试验。
3.2.4机械性能
振动：
装置能承受GB/T11287（idtIEC60255-21-1）规定的I级振动响应和振动耐受试验。
冲击和碰撞：
装置能承受GB/T14537（idtIEC60255-21-2）规定的I级冲击响应和冲击耐受试验，以及I级碰撞试验。
3.2.5安全性能
装置符合GB16836规定的外壳防护等级不低于IP20、安全类别为I类。
3.2.6热性能（过载能力）
1.交流电流回路：
在2倍额定电流下连续工作，10倍额定电流下允许10s，40倍额定电流下允许1s；
2.交流电压回路：
2倍额定电压下允许连续工作。
3.2.7输出触点容量
电压不大于250V、电流不大于0.5A、时间常数L/R为（5±0.75）ms的直流有感负荷回路中，触点断开容量为30W，长期允许通过电流不大于3A。
3.3LPS-700同步相量测量装置的功能指标
表3-2输入信号
序号
名称
范围
精度
备注
1
模拟量
96路
可扩展
2
开关量路数
256路
可扩展
3
交流额定电压Un（有效值）
0.5V～140V
≤0.2%Umax
4
交流测量电流In（有效值）
0.001～1.4In
≤0.2%Imax
1.4A/7A可选
5
交流保护电流In（有效值）
0.01In～20In
≤5%启动值
20A/100A可选
6
交流电流最大过载倍数/持续时间（注1）
40倍/1s
7
直流信号输入范围
0～75mV/5V/300V
/750V；
4～20mA可选
≤0.2%最大值
*注1：
施加1.2Un装置可持续工作；施加2In装置可持续工作；施加10In持续10s；施加40In持续１s后无绝缘损坏。
表3-3采样指标
采样速率
9600Hz
同步采样误差
≤1us
采样精度
16Bits
开关量分辨率
≤0.1ms
表3-4记录容量
嵌入式硬盘
200GB
相量存盘速率
100Hz/s
相量数据保存天数
存储最近15天，循环刷新
暂态数据记录文件保存数量
3000个以上
第4章LPS-700同步相量测量装置原理
4.1概述
LPS-700型PMU测量系统由同步相量测量装置、PDC相量数据集中器及本地监控工作站等三部分硬件组成，并通过软件形成装置内部的数据流和各部分之间的数据流。
图4-1LPS-700同步向量测量系统硬件组成
4.2LPS-700装置硬件单元组成
授时同步时钟单元：
产生各部分被PPS同步的时钟脉冲。
相量同步采集单元：
进行模拟量、直流量、开关量、内电势的A/D转换及计算。
相量数据存储单元：
本地暂态数据的存储。
相量数据传输单元：
向PDC在线发送动态相量数据及离线暂态数据。
相量数据集中器PDC：
接收并存储相量测量装置的相量数据并向多个数据中心站发送相量数据。
本地监控工作站：
对装置工作情况的显示及设置。
4.3PMU装置数据流
104μs实时采集数据流：
各采集单元均以9600Hz采集数据并缓存。
10ms实时计算数据流：
汇集各采集单元的所有采集数据完成计算并缓存，形成10ms动态数据。
10ms传送动态数据通信数据流：
将缓存的10ms动态相量数据通过100M以太网口输出。
暂态数据通信数据流：
将存储的故障信息暂态数据通过100M以太网口输出。
4.4PMU装置的同步
GPS秒脉冲同步测量时钟，以测量时钟再同步采样时钟、开入量采集时钟、计算时钟、判断时钟及数据传输时钟。
4.5PMU装置的测量数据类型
交流模拟量类型：
母线三相电压及正序相量、线路三相测量电流及正序相量、线路三相保护电流、线路有功、线路无功、机端三相电压、机端三相电流。
开关输入量类型：
接入母线的刀闸位置信号用于母线切换以及发电机端等开关量信号。
频率量类型
直流输入量类型（4-20mA）：
励磁电压、励磁电流、调速系统信号、AGC信号、AVC信号。
鉴相与内电势角度类型
发电机转速类型
4.6PMU装置的稳态（动态）测量
在同步时钟下同一时刻装置完成所有采集量的采集及计算。
1.10ms稳态PMU相量数据的生成
2.10ms稳态PMU相量数据的存储
3.10ms、20ms、40ms间隔稳态PMU相量数据的传送
4.装置上的文件存储系统
5.数据集中器PDC上的文件存储系统
6.装置上的PMU数据传输规约格式
7.裸机UDP实时传输协议
8.离线调取（传送）历史PMU数据传输协议格式
9.1分钟数据文件规定
10.参考相量的接收及应用
4.7PMU装置的暂态测量
1．104μs的A/D暂态数据流
2．暂态数据的启动记录
3．暂态数据的记录时间长度：
A段+B段，时间可达5秒
4．暂态数据的记录密度：
A段+B段全部104μs间隔密集采集及记录
5．暂态数据的启动定值
6．暂态数据的处于长期越限的处理
7．设置多数据存储缓冲区应对连续故障的暂态数据记录
8．暂态数据存储缓冲区到本地硬盘永久存储的数据搬移
9．暂态数据接近无限的硬盘永久存储量
10．暂态数据硬盘文件的命名形式
11．暂态数据存储及传输的Comtrade数据格式
12．离线调取（传送）暂态记录数据传输协议格式
13．故障信息分析软件
4.8发电机功角δ的测量原理
发电机功角δ是发电机内电势Eq与机端电压之间的夹角，它反映了同步发电机的出力大小，同时也是衡量系统中各发电机是否同步运行的直接标志，对于功角稳定判别、区域间低频振荡监测有着重要作用。
LPS-700装置中为测量功角δ专门配置有内电势测量插件，本插件采用鉴相脉冲与机端电压的方法测得发电机功角δ。
原理如下：
图4-2发电机功角测量原理图
图中：
Eq----发电机内电势
U-----发电机机端电压
δ----发电机功角
θ----鉴相脉冲矢量始终领先内电势Eq常数角θ
鉴相脉冲的产生：
在发电机的大轴上安装一个齿轮，整个齿轮只有一个齿，在齿轮边上固定一个电涡流传感器，当发电机旋转一周时，电涡流传感器感应出一个脉冲，该脉冲信号即为鉴相脉冲。
鉴相脉冲上升沿之间的角度为360°。
鉴相脉冲与内电势之间的角度θ为固定的，而内电势与机端电压之间的角度为发电机功角δ，该功角δ与发电机的出力有关，当发电机的出力为0时，即满足以下三个条件时：
发电机在额定转速；
已给发电机提供励磁电压，此时发电机机端电压为额定电压；
发电
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