CN103033789A - 一种同步相量测量单元pmu的静动态测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步相量测量单元PMU的静动态测试系统。所述系统包括信号发生模块，相量提取模块和误差统计分析模块，其中所述信号发生模块将Omicron继电保护测试仪作为信号源，并在此基础上形成PMU测试波形库；相量提取模块采用计算机设备作为PMU主站，向被测试PMU发出离线召唤命令，提取并分析得到PMU量测相量信息；误差统计分析模块根据制定的测试项目生成相量理论值，将所得到的PMU量测相量与所述相量理论值进行比较，得到相量、频率、功率误差及综合矢量误差，并据此进行误差统计分析评估。该系统可对PMU进行全面、系统的静态及动态测试，提高了测试效率，并提供完整客观的PMU性能评估方法。

Description

一种同步相量测量单元PMU的静动态测试系统

技术领域

本发明涉及同步相量测量技术领域，尤其涉及一种同步相量测量单元PMU的静动态测试系统。

背景技术

近年来，智能电网的提出及实施使WAMS得到广泛应用，为电网提供了大量同步相量数据，基于同步相量信息的动态安全控制得到广泛的应用，为电力系统动态安全监控提供了基础。然而，作为一种量测手段，同步相量测量单元（PMU，PhasorMeasurement Unit）受诸多因素影响，其量测信息不可避免存在量测误差、动态响应延时等问题。并且由于不同PMU厂家采用的硬件及算法不同，各厂家PMU的量测精度及动态响应速度也不相同。如果在各厂家PMU安装投运之前不对其进行统一测试，其量测精度及一致性将不能得到保障，有可能其同步相量信息不可用，从而限制智能电网各种控制系统的作用，严重时甚至可能导致错误的控制措施，进一步扩大故障。因此完整系统的PMU静动态测试对电力系统动态安全监控至关重要。

然而在现有技术方案中，PMU动态标准刚刚发布，测试项目不清晰，信号参数变化范围较大，并且数据分析繁琐，手工测试工作周期较长，且不全面系统，国内尚无完整的PMU静动态测试系统研发成功。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步相量测量单元PMU的静动态测试系统，该系统可对PMU进行全面、系统的静态及动态测试，极大的减少了手动测试的工作量，提高了测试效率，并提供完整客观的PMU性能评估方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种相量测量单元PMU的静动态测试系统，所述系统包括信号发生模块，相量提取模块和误差统计分析模块，其中：

所述信号发生模块将Omicron继电保护测试仪作为信号源，并对该信号源进行时间同步补偿及信号精度补偿，使其发出的信号精度高于PMU量测精度，并在此基础上形成PMU测试波形库；

相量提取模块采用计算机设备作为PMU主站，向被测试PMU发出离线召唤命令，并按照PMU标准的相量信号传输格式，提取并分析得到PMU量测相量信息；

误差统计分析模块根据制定的测试项目生成相量理论值，将所得到的PMU量测相量与所述相量理论值进行比较，得到相量、频率、功率误差及综合矢量误差，并据此进行误差统计分析评估，最终将上述分析评估结果自动写入文档，形成测试报告。

所述在此基础上形成信号发生库，具体包括：

通过Omicron的状态序列及暂态回放两种方式形成PMU测试波形库，该PMU测试波形库可发出PMU测试所需所有信号。

所述按照PMU标准的相量信号传输格式，提取并分析得到PMU量测相量信息，具体包括：

按照PMU标准的相量信号传输格式分析解读，提取出相量幅值、相角、频率、频率变化率、有功功率及无功功率有关的量测相量信息，并进一步进行数据格式转换，得到所述PMU量测相量信息的量测结果并储存。

所述据此进行误差统计分析评估，具体包括：

通过图形、表格及误差分布图表征所述PMU量测相量的误差水平及分布情况；

且所述评估的方式包括：误差最大值、最小值、中位数、平均值和标准差，分别表现PMU量测相量的误差极值、平均水平及分布情况。

所述误差统计分析模块进一步通过频率影响因子这一指标评价所述PMU量测相量受频率偏移的影响程度。

所述信号发生模块进一步采用多种信号发生方式来满足静动态测试要求，其中：

静态信号采用状态序列的方式输出，通过每个状态中参数的改变，来模拟电力系统中静态条件下不同的运行方式；

动态信号根据信号数学模型形成相应的comtrade文件，并利用暂态回放的方式模拟电力系统中的动态信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述系统包括信号发生模块，相量提取模块和误差统计分析模块，其中所述信号发生模块将Omicron继电保护测试仪作为信号源，并对该信号源进行时间同步补偿及信号精度补偿，使其发出的信号精度高于PMU量测精度，并在此基础上形成PMU测试波形库；相量提取模块采用计算机设备作为PMU主站，向被测试PMU发出离线召唤命令，并按照PMU标准的相量信号传输格式，提取并分析得到PMU量测相量信息；误差统计分析模块根据制定的测试项目生成相量理论值，将所得到的PMU量测相量与所述相量理论值进行比较，得到相量、频率、功率误差及综合矢量误差，并据此进行误差统计分析评估，最终将上述分析评估结果自动写入文档，形成测试报告。该系统可对PMU进行全面、系统的静态及动态测试，极大的减少了手动测试的工作量，提高了测试效率，并提供完整客观的PMU性能评估方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供PMU静动态测试系统的结构示意图；

图2为本实施例所提供的相量提取模块的提取界面示意图；

图3为本实施例所述PMU幅值调制测试的电压幅值误差分析示意图；

图4为本实施例所述阶跃测试动态响应时间延时示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例所述PMU静动态测试系统可以完成测试信号发出、量测相量提取及误差分析评估的功能。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，图1为本发明实施例提供PMU静动态测试系统的结构示意图，图1中所述PMU静动态测试系统包括信号发生模块，相量提取模块，误差统计分析模块，其中：

所述信号发生模块将Omicron继电保护测试仪作为信号源，该Omicron继电保护测试仪是由国外供货商提供的一种继电保护测试装置，并对该信号源进行时间同步补偿及信号精度补偿，使其发出的信号精度高于PMU量测精度，并在此基础上形成PMU测试波形库。具体来说，可以通过Omicron的状态序列及暂态回放两种方式形成PMU测试波形库，该PMU测试波形库可发出PMU测试所需所有信号。

在具体实现中，针对上述信号发生模块，还可以利用PMU对Omicron继电保护测试仪用状态序列及暂态回放发出的相同信号的量测结果进行对比分析，选取暂态回放最佳的采样频率，使其发出的信号相角精度达到最高，并对其幅值衰减进行补偿，从而解决暂态回放采样率过低而造成的信号精度不够的问题，这样最终做到该测试仪所发出信号精度比PMU要求相量量测精度高一个数量级，达到作为标准信号源的要求。

此外，还可以根据电力系统静态、动态特性及基于PMU相量应用要求，确立全面系统的PMU静态及动态测试方案，建立相应的信号数字模型，并通过Omicron的状态序列及暂态回放两种方式形成PMU测试波形库，该PMU测试波形库可发出PMU测试所需所有信号。

另外，所述信号发生模块进一步采用多种信号发生方式来满足静动态测试要求，其中：静态信号采用状态序列的方式输出，通过每个状态中参数的改变，来模拟电力系统中静态条件下不同的运行方式；动态信号根据信号数学模型形成相应的电力系统电磁暂态数据通用交换格式comtrade文件，这里所述的comtrade是IEEE标准电力系统暂态数据交换通用格式，然后利用暂态回放的方式模拟电力系统中的动态信号。

具体实现中，针对上述信号发生模块，利用高精度示波器及GPS装置对Omicron继电保护测试仪发出信号的时标精度进行了大量测试，发现经同步时间延时自适应补偿装置后，测试仪发所出信号的时标精度典型误差为1μs，最大误差不超过5μs。

上述相量提取模块采用计算机设备作为PMU主站，向被测试PMU发出离线召唤命令，并按照PMU标准的相量信号传输格式，提取并分析得到PMU量测相量信息；

具体来说，相量提取模块将计算机作为PMU主站，采用PMU离线召唤方式，向被测试PMU发出离线召唤命令，提取规定时段内的相量离线数据帧，再按照PMU标准的相量信号传输格式分析解读，提取出相量幅值、相角、频率、频率变化率、有功功率及无功功率有关的量测相量信息，并进一步进行数据格式转换，得到所述量测相量信息的量测结果并储存。

上述误差统计分析模块根据制定的测试项目生成相量理论值，将所得到的PMU量测相量与所述相量理论值进行比较，得到相量、频率、功率误差及综合矢量误差(TotalVector Error，TVE)，并据此进行误差统计分析评估，最终将上述分析评估结果自动写入文档，例如Word文档，形成测试报告。

在具体实现中，进行误差统计分析评估的方式为：通过图形、表格及误差分布图表征所述PMU量测相量的误差水平及分布情况；且所述评估的方式包括：误差最大值、最小值、中位数、平均值和标准差，分别表现PMU量测相量的误差极值、平均水平及分布情况。

进一步的，所述误差统计分析模块还可以通过频率影响因子这一指标评价所述PMU量测相量受频率偏移的影响程度，如公式(1)所示：

$I_F=\sqrt{\frac{\underset{k=f_s}{\overset{f_e}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|e_k|-|e_{f_0}\left|\right)}^2}{N-1}}---\left(1\right)$

式中，I_F为频率影响因子，e_k为频率为k时的误差，f₀为频率为额定频率，f_s-f_e为频率变化范围，N为e_k的个数

基于上述PMU静动态测试系统，对该PMU静动态测试系统的测试过程作详细说明：

首先，根据所述PMU静动态测试系统的结构，将Omicron继电保护测试仪、计算机控制中心、被测试PMU连接起来，搭建测试系统。

然后，在信号发生模块中选择相应的测试项目，本实例选择的是幅值调制测试项目，控制根据测试方案事先形成PMU测试波形库发出相应信号。

信号发出且PMU量测完成后，利用相量提取模块向被测试PMU发出离线召唤命令，如图2所示为本实施例所提供的相量提取模块的提取界面示意图，具体可以在图2所示的提取界面中填写PMU的ID CODE，IP，端口号，起止时间等需要的信息，提取规定时间段内的PMU量测相量，并根据规定分析数据帧，最终得到相量数据。

在得到相量数据后，在误差分析模块中填写PMU电压及电流变比，并选取相应的测试项目，对PMU量测相量进行误差计算，并进一步进行误差统计分析，并将指标通过图形及表格的形式表现出来，如图3所示的PMU幅值调制测试的电压幅值误差分析示意图，同时将上述分析结果自动写入Word文档，形成测试报告，以供进一步的分析研究。

除上述本实例所举出的幅值调制测试项目之外，其他测试项目的测试过程可参考该实例进行，下面对PMU静动态测试方案所可能涉及到的测试项目、参数设置、信号模型及相量真实值进行详细描述：

1）静态测试

幅值扫描测试：输入三相平衡额定频率电压及电流信号，幅值从0.1倍额定值到2。0倍的额定值变化，观察量测相量幅值、相角量测精度。

频率扫描测试：三相平衡输入信号频率从45Hz到55Hz变化，观察相量频率误差，并观察此过程中相量幅值及相角的量测误差。

三相幅值不平衡测试：保持A、B两相电压、电流输入信号为额定值，C相电压、电流输入信号幅值从0。8倍额定值到1.2倍额定值变化，观察相量量测误差。

三相相角不平衡测试：保持A、B两相电压、电流输入信号为额定值，C相电压、电流输入信号相角从120°到300°变化，观察相量量测误差。

谐波测试：三相平衡输入信号基波频率分别为49。5Hz、50Hz和50。5Hz，在基波电压上叠加幅值为20％的2次谐波至13次谐波，观察相量量测误差。

功率测试：输入三相平衡额定频率电压及电流信号，改变功率因数角分别为0°、30°、60°、90°，基波在49Hz～51Hz频率范围内变化，观察有功功率及无功功率误差。

自定义测试：用户可根据自己的需要设置测试信号参数。

2）动态测试

幅值调制测试：其数学模型如下式(2)所示，

其中，Xm为相量幅值，设为额定值(57。73V)；f为基波频率，分别设为49。5Hz、50Hz和50。5Hz；Xd是幅值调制深度，设为10％；fa是调制频率，设为0.1Hz-4。5Hz；

为相量初相角；

为调制部分初相角。nT时刻相量真实值如式(3)所示。

频率调制测试：其数学模型如式(4)所示，其中，Xm、f、与其在幅值调制测试中意义及设置方式一致；fd为调制深度，设为0。5Hz；fa是调制频率，设为0.1Hz-2Hz。nT时刻相量、频率及频率变化率真实值如式(4)、(5)、(6)所示。

阶跃测试：包括幅值阶跃测试、相角阶跃测试及频率阶跃测试。幅值阶跃响应测试信号如式(7)所示。

其中，Xm为突变前幅值，Xt为幅值突变大小，ε(t)为阶跃函数。测试中，信号幅值阶跃量为额定幅值的10％。相位阶跃响应测试与频率阶跃响应测试信号与式(7)类似，只需将阶跃部分分别改为相位与频率，相位的阶跃量为90°，频率阶跃量为0。5Hz。如图4所示为本实施例所述阶跃测试动态响应时间延时示意图，即从PMU量测相量误差从超出允许范围开始到误差重新落入并保持在误差允许范围内结束的一段时间。

频率斜坡测试：测试信号频率以1Hz/s的速度从45Hz变化到55Hz，其信号模型如式(8)所示，nT时刻相量及频率真实值如式(9)、(10)所示。

$f\left(\mathrm{nT}\right)=f+\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}\mathrm{nT}---\left(9\right)$

带外调制测试：此测试针对测量类PMU，保护类PMU无需进行测试。测试内容与幅值调制测试、频率调制测试基本一致，只是将fa设置为Fs/2-Fs，Fs为PMU子站相量上送主站得频率，量测类类PMU应滤除上述调制频率的调制信号，其测量值应仍为稳定的额定值。

综上所述，本发明实施例所述PMU静动态测试系统具有如下优点：

1)、采用高精度带有时标的信号发生模块，并且通过时间同步补偿以及信号幅值、相角校准，可发出比PMU相量精度高一个数量级的信号；

2)、全面科学的PMU静动态测试方案，包括测试项目、信号模型、参数设置方法以及相量理论值计算公式；

3)、测试系统组成、结构框架及测试方法简洁，且科学有效；

4)、采用多种信号发生方式来满足测试要求。其中，静态信号采用状态序列的方式输出，通过每个状态中参数的改变，来模拟电力系统中静态条件下不同的运行方式；动态信号则根据信号数学模型形成相应的comtrade文件，然后利用暂态回放的方式模拟电力系统动态信号；

5)、采用离线召唤的方式提取PMU量测相量，并可根据国内外两种信号格式自行分析，得到相量数据，可脱离PMU厂家自带的分析工具；

6)、采用了多种误差分析及评价方法，更为全面的评价PMU的静动态量测性能，并自动生成测试报告。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种相量测量单元PMU的静动态测试系统，其特征在于，所述系统包括信号发生模块，相量提取模块和误差统计分析模块，其中：

所述信号发生模块将Omicron继电保护测试仪作为信号源，并对该信号源进行时间同步补偿及信号精度补偿，使其发出的信号精度高于PMU量测精度，并在此基础上形成PMU测试波形库；

相量提取模块采用计算机设备作为PMU主站，向被测试PMU发出离线召唤命令，并按照PMU标准的相量信号传输格式，提取并分析得到PMU量测相量信息；

误差统计分析模块根据制定的测试项目生成相量理论值，将所得到的PMU量测相量与所述相量理论值进行比较，得到相量、频率、功率误差及综合矢量误差，并据此进行误差统计分析评估，最终将上述分析评估结果自动写入文档，形成测试报告。

2.根据权利要求1所述相量测量单元PMU的静动态测试系统，其特征在于，所述在此基础上形成信号发生库，具体包括：

通过Omicron的状态序列及暂态回放两种方式形成PMU测试波形库，该PMU测试波形库可发出PMU测试所需所有信号。

3.根据权利要求1所述相量测量单元PMU的静动态测试系统，其特征在于，所述按照PMU标准的相量信号传输格式，提取并分析得到PMU量测相量信息，具体包括：

按照PMU标准的相量信号传输格式分析解读，提取出相量幅值、相角、频率、频率变化率、有功功率及无功功率有关的量测相量信息，并进一步进行数据格式转换，得到所述PMU量测相量信息的量测结果并储存。

4.根据权利要求1所述相量测量单元PMU的静动态测试系统，其特征在于，所述据此进行误差统计分析评估，具体包括：

通过图形、表格及误差分布图表征所述PMU量测相量的误差水平及分布情况；

且所述评估的方式包括：误差最大值、最小值、中位数、平均值和标准差，分别表现PMU量测相量的误差极值、平均水平及分布情况。

5.根据权利要求1所述相量测量单元PMU的静动态测试系统，其特征在于，所述误差统计分析模块进一步通过频率影响因子这一指标评价所述PMU量测相量受频率偏移的影响程度。

6.根据权利要求1所述相量测量单元PMU的静动态测试系统，其特征在于，所述信号发生模块进一步采用多种信号发生方式来满足静动态测试要求，其中：

静态信号采用状态序列的方式输出，通过每个状态中参数的改变，来模拟电力系统中静态条件下不同的运行方式；

动态信号根据信号数学模型形成相应的comtrade文件，并利用暂态回放的方式模拟电力系统中的动态信号。

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