CN101592695B - 同步相量测量单元pmu的动态性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于广域测量系统WAMS主站实时数据的同步相量测量装置PMU动态性能测试方法。根据频率和电压幅值的实时动态量测曲线，计算频率变化率、幅值变化率、频偏-幅值变化率，并将计算的变化率与设定的阈值进行比较，判断PMU的动态性能。在实际运行中，周期性计算上述三项指标，并记录时间和指标信息。也可以结合统计的方法，离线评价PMU数据质量好坏。该方法以真实电力系统运行环境为依据，为电力系统广域测量系统用户评价PMU动态性能提供了一种比较好的解决方案，实现起来简单有效。

Description

同步相量测量单元PMU的动态性能测试方法

技术领域

本发明属于电力系统广域测量技术领域。具体涉及一种在线测试PMU动态性能的方法。

背景技术

基于同步相量测量单元PMU的广域测量系统可以对电网的动态运行状况进行记录和监视。目前省级以上电网都在大规模建设PMU子站和广域测量系统WAMS主站。虽然IEEE C37.118标准对同步相量测量单元PMU的静态特性做出了规定，但是没有一套成熟的PMU的动态特性测试方法。迄今为止，各厂家的PMU产品在实际运行环境中的精度和相量测量的一致性，并没有严格地经过检验。而PMU的动态测量性能是其区别于传统SCADA的最重要特征之一。关于PMU的动态性能测试可分为实验室测试和现场测试。这是因为许多现场环境包括信号难以在实验室中复现，因此有必要通过在线PMU动态性能的监测来评价PMU动态性能。受现场运行条件的限制，不可能实现同信号比较，因此在线PMU动态性能监测主要通过比较不同的PMU量测结果计算指标，寻找数据中的矛盾或异常，在此基础上，对出现的矛盾或异常加以解释，从而达到测试各PMU动态性能的目的。

发明内容

当实际频率偏移额定工频时会导致PMU电流、电压幅值以及相位的计算产生误差。由频率偏移造成的幅值误差往往呈振荡状态，并且频率越偏离额定工频，幅值误差的振荡频率越大。为了有效地实现对同步相量测量单元PMU动态性能的测试，本发明公开了一种基于WAMS主站相量数据来在线测试同步相连测量单元PMU动态性能的方法，该技术方案具体如下：一种同步相量测量单元PMU动态性能的测试方法，所述方法基于电力系统广域测量系统WAMS主站实时数据，真实反应实际运行情况下同步相量测量单元PMU的动态性能，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)通过预定频率采集广域测量系统WAMS主站实时数据，其中所述实时数据为需要进行动态测试的同步相量测试单元PMU所量测的频率和电压相量；

(2)计算步骤(1)所采集的电压相量每秒内的幅值变化率和所采集的频率在每秒内的频率变化率，其中所述幅值变化率和频率变化率为电压相量的幅值和频率实时数据波峰和波谷之间的差值，实时记录每秒平均频率所属频率区间，和平均频率落入此区间时电压相量在每秒内的幅值变化率；

(3)根据以下公式分别计算频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3；

(4)将所计算得到的频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3分别与预设的频率变化率阈值、电压幅值变化率阈值和频偏-幅值变化率阈值相比较，当频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3均小于预设的相应阈值时，判断同步相量测量单元PMU的动态性能合格；当频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3中任一项大于预设的相应阈值时，判断同步相量测量单元PMU的动态性能不合格。

其中，计算频率变化率K1的公式如下，

$K1=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ N为统计周期长度，单位为秒，x_i为每秒频率变化率；

计算电压幅值变化率K2的公式如下，

$K2=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ N为统计周期长度，其单位为秒，y_i为电压相量在每秒内的的幅值变化率；

计算频偏-幅值变化率K3的方法如下，

a)将有效的频率区段均分为M个频率区间f(m)，m∈[1，M]；

b)实时记录每秒平均频率f_i所属频率区间f(m)，和f_i属于f(m)区间时电压相量在每秒内的幅值变化率y(m)_i，m∈[1，M]；

c)计算统计周期内各个频率区间f(m)对应的平均电压幅值变化率k_m，公式如下，

$k_m=\frac{1}{N_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{y\left(m\right)}_i,$ m∈[1，M]，N_m为统计周期内每秒平均频率f_i属于f(m)区间的时间，其单位为秒，y(m)_i为统计周期内每秒平均频率频率f_i属于f(m)区间时电压相量在每秒内的幅值变化率；

d)计算频偏-幅值变化率K3公式如下：

$K3=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(k_m-k_0)}^2},$ M为将有效频率区段平均划分成的频率区间总数，k_m为各个频率区间f(m)对应的平均电压幅值变化率，k₀为50Hz所在频率区间对应的平均电压幅值变化率。

虽然目前投运中的PMU都满足IEEE C37.118标准，但不同PMU的动态性能存在较大区别。在此之前，只能依靠有经验的人员回放PMU数据曲线方法来辨别。而本发明为在线测试PMU动态性能方法弥补了空白，将性能量化为数字指标。多个WAMS系统使用该方法的结果表明，该方法基本可以检出有问题的PMU，甚至可以粗略区分不同厂家的产品。

附图说明

图1为基于WAMS主站实时数据进行PMU动态性能测试方法流程框图；

图2为本发明方法基于频偏-幅值变化率测试PMU动态性能流程图。

具体实施方式

下面，根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细表述。

本发明运行于电力系统广域测量系统(WAMS)主站。通过WAMS主站实时库接口获取实时PMU量测数据，在线测量PMU的动态分析。同时，分析结果保存于商用数据库，也可以供离线统计分析使用。具体步骤如下：

一种同步相量测量单元PMU动态性能的测试方法，所述方法基于电力系统广域测量系统WAMS主站实时数据，真实反应实际运行情况下同步相量测量单元PMU的动态性能，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)以10毫秒或20毫秒为间隔，采集广域测量系统WAMS主站的实时数据，其中所述实时数据为需要进行动态测试的同步相量测试单元PMU所量测的频率和电压相量；

(2)计算步骤(1)所采集的电压相量每秒内的幅值变化率和所采集的频率在每秒内的频率变化率，其中所述幅值变化率和频率变化率为电压相量的幅值和频率实时数据波峰和波谷之间的差值，实时记录每秒平均频率所属频率区间，和平均频率落入此区间时电压相量在每秒内的幅值变化率；

(3)根据以下公式分别计算频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3：

其中，计算频率变化率K1的公式如下，

$K1=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ N为统计周期长度，单位为秒，x_i为每秒频率变化率；

计算电压幅值变化率K2的公式如下，

$K2=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ N为统计周期长度，其单位为秒，y_i为电压相量在每秒内的幅值变化率；

计算频偏-幅值变化率K3的方法如下，

a)将有效的频率区段均分为M个频率区间f(m)，m∈[1，M]；

b)实时记录每秒平均频率f_i所属频率区间f(m)，和f_i属于f(m)区间时电压相量在每秒内的幅值变化率y(m)_i，m∈[1，M]；

c)计算统计周期内各个频率区间f(m)对应的平均幅值变化率k_m，公式如下，

$k_m=\frac{1}{N_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{y\left(m\right)}_i,$ m∈[1，M]，N_m为统计周期内每秒平均频率f_i属于f(m)区间的时间，其单位为秒，y(m)_i为统计周期内每秒平均频率f_i属于f(m)区间时每秒电压幅值变化率；

d)计算频偏-幅值变化率K3公式如下：

$K3=\sqrt{\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(k_m-k_0)}^2},$ M为将有效频率区段平均划分成的频率区间总数，k_m为各个频率区间f(m)对应的平均电压幅值变化率，k₀为50Hz所在频率区间对应的平均电压幅值变化率；

(4)将所计算得到的频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3分别与预设的频率变化率阈值、电压幅值变化率阈值和频偏-幅值变化率阈值相比较，当频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3均小于预设的相应阈值时，判断同步相量测量单元PMU的动态性能合格；当频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3中任一项大于预设的相应阈值时，判断同步相量测量单元PMU的动态性能不合格。

5)记录K1、K2、K3和时间信息至商用数据库，用于离线统计分析。

6)比较各PMU动态性能优劣：电网稳定运行的情况下(大多数时间)，频率、幅值在一秒内不会有大的波动，因此K1、K2指标越小，PMU动态性能越好。K3指标越大，表示幅值变化率随频率偏移工频增加而显著增大，则PMU动态性能越差。

下面，结合华北电网的WAMS部分PMU动态测量的具体实施例，对本发明技术方案作进一步的分析。

(1)以10毫秒为间隔，采集华北WAMS主站实时数据，其中所述实时数据为通州站1、姜家营站、霍州站1、盘山电厂、大同二电厂五个PMU所量测的PMU频率和某一线路的电压相量；

(2)计算每秒内幅值变化率和频率变化率；实时记录每秒平均频率所属频率区间，和平均频率落入此区间时电压相量在每秒内的幅值变化率；

(3)每个统计周期(600秒)根据以下公式计算频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3：

其中，计算频率变化率K1的公式如下，

$K1=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,$ N为统计周期长度，600秒，x_i为每秒频率变化率；

计算电压幅值变化率K2的公式如下，

$K2=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ N为统计周期长度，600秒，y_i为电压相量在每秒内的幅值变化率；

计算频偏-幅值变化率K3的方法如下，

a)将有效的频率区段均分为25个频率区间f(m)，m∈[1，25]。f(1)＝(49.94，49.945]，f(2)＝(49.945，49.95]，…，f(25)＝(50.055，50.06]；

b)实时记录每秒平均频率f_i所属频率区间f(m)，和f_i属于f(m)区间时电压相量在每秒内的幅值变化率y(m)_i，m∈[1，25]；

c)计算统计周期内各个频率区间f(m)对应的平均幅值变化率k_m，公式如下，

$k_m=\frac{1}{N_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{y\left(m\right)}_i,$ m∈[1，25]，N_m为统计周期内每秒平均频率f_i属于f(m)区间的时间，其单位为秒，y(m)_i为统计周期内每秒平均频率f_i属于f(m)区间时每秒幅值变化率；

d)计算频偏-幅值变化率K3公式如下：

$K3=\sqrt{\frac{1}{25}\underset{m=1}{\overset{25}{\mathrm{\Σ}}}{(k_m-k_0)}^2},$ k_m为各个频率区间f(m)对应的平均电压幅值变化率，k₀为50Hz所在频率区间对应的平均电压幅值变化率；

(4)记录K1、K2、K3和时间信息至商用数据库，用于离线统计分析。

(5)设定频率变化率阈值10mHz/s，电压幅值变化率阈值500V/s，频偏-幅值变化率阈值100V/s。将所计算得到的频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3分别与预设的频率变化率阈值、电压幅值变化率阈值和频偏-幅值变化率阈值相比较，当频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3均小于预设的相应阈值时，判断同步相量测量单元PMU的动态性能合格；当频率变化率K1、幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3中任一项大于预设的相应阈值时，判断同步相量测量单元PMU的动态性能不合格。

表1 PMU频率、幅值、频偏-幅值变化率计算结果

PMU名称	幅值变化率(单位：V/s)	频率变化率(单位：mHz/s)	频偏-幅值变化率(单位：V/s)
				通州站1	891.3	5.3	696.0
姜家营站	264.9	1.8	134.7
				霍州站1	164.0	2.7	98.8
盘山电厂	8.2	2.1	4.3
				大同二电厂	3.3	1.1	3.6

表2 PMU动态测量质量评价结果

PMU名称	幅值变化率	频率变化率	频偏-幅值变化率	综合评价
					通州站1	不合格	合格	不合格	不合格
姜家营站	合格	合格	不合格	不合格
					霍州站1	合格	合格	合格	合格
盘山电厂	合格	合格	合格	合格
					大同二电厂	合格	合格	合格	合格

Claims (9)

1.一种同步相量测量单元PMU动态性能的测试方法，所述方法基于电力系统广域测量系统WAMS主站实时数据，真实反应实际运行情况下同步相量测量单元PMU的动态性能，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)通过预定频率采集广域测量系统WAMS主站实时数据，其中所述实时数据为需要进行动态测试的同步相量测试单元PMU所量测的频率和电压相量；

(2)计算步骤(1)所采集的电压相量每秒内的幅值变化率和所采集的频率在每秒内的频率变化率，实时记录每秒平均频率所属频率区间，和平均频率落入此区间时电压相量在每秒内的幅值变化率；

(3)分别计算频率变化率K1、电压幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3；

(4)将所计算得到的频率变化率K1、电压幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3分别与预设的频率变化率阈值、电压幅值变化率阈值和频偏-幅值变化率阈值相比较，当频率变化率K1、电压幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3均小于预设的相应阈值时，判断同步相量测量单元PMU的动态性能合格；当频率变化率K1、电压幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3中任一项大于预设的相应阈值时，判断同步相量测量单元PMU的动态性能不合格。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

其中，计算频率变化率K1的公式如下，

N为统计周期长度，单位为秒，x_i为每秒频率变化率；

计算电压幅值变化率K2的公式如下，

N为统计周期长度，其单位为秒，y_i为电压相量在每秒内的幅值变化率；

计算频偏-幅值变化率K3的方法如下，

a)将有效的频率区段均分为M个频率区间f(m)，m∈[1，M]；

b)实时记录每秒平均频率f_i所属频率区间f(m)，和f_i属于该频率区间f(m)时，电压相量在每秒内的幅值变化率y(m)_i，m∈[1，M]；

c)计算统计周期内各个频率区间f(m)对应的平均电压幅值变化率k_m，公式如下，

m∈[1，M]，N_m为统计周期内每秒平均频率f_i属于f(m)区间的时间，其单位为秒，y(m)_i为统计周期内每秒平均频率f_i属于f(m)区间时电压相量在每秒内幅值变化率；

d)计算频偏-幅值变化率K3公式如下：

M为将有效频率区段平均划分成的频率区间总数，k_m为各个频率区间f(m)对应的平均电压幅值变化率，k₀为50Hz所在频率区间对应的平均电压幅值变化率。

3.权利要求1所述的方法，其特征为：广域测量系统WAMS主站相量数据的采集频率为10毫秒/帧或20毫秒/帧。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述统计周期长度为1分钟或10分钟，N＝60或N＝600。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述有效的频率区段为50Hz+0.06Hz；所述均分的频率区间为每0.005Hz一个区间，即M＝25，其中，f(1)＝(49.94，49.945]，f(2)＝(49.945，49.95]，f(M)＝(50.055，50.06]。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预设的频率变化率阈值、电压幅值变化率阈值和频偏-幅值变化率阈值根据电网运行情况具体设置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：频率变化率阈值为10mHz/s，电压幅值变化率阈值为500V/s，频偏-幅值变化率阈值为100V/s。

8.权利要求1所述的方法，其特征为：记录所述频率变化率K1、电压幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3的计算结果和时间信息，用于离线分析。

9.权利要求1所述的方法，其特征为：所述频率变化率K1、电压幅值变化率K2和频偏-幅值变化率K3越小，所测量的同步相量测量单元PMU的动态性能越好。

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