Единица измерения вектора

Используя PMU, легко обнаружить аномальные формы сигналов. Форма сигнала, описанная математически, называется вектором .

Блок векторных измерений ( PMU ) — это устройство, используемое для оценки величины и фазового угла электрической векторной величины (например, напряжения или тока) в электросети с использованием общего источника времени для синхронизации. Синхронизация времени обычно обеспечивается с помощью GPS или протокола точного времени IEEE 1588 , который позволяет синхронизировать измерения в реальном времени в нескольких удаленных точках сетки. PMU способны быстро захватывать выборки сигнала и восстанавливать векторную величину, состоящую из измерения угла и измерения величины. Полученное в результате измерение известно как синхрофазор . Эти синхронизированные по времени измерения важны, поскольку, если спрос и предложение в сети не идеально согласованы, дисбаланс частот может вызвать нагрузку на сеть, что является потенциальной причиной перебоев в подаче электроэнергии.

PMU также можно использовать для измерения частоты в электросети. Типичный коммерческий PMU может сообщать об измерениях с очень высоким временным разрешением, до 120 измерений в секунду. Это помогает инженерам анализировать динамические события в сети, что невозможно при традиционных измерениях SCADA , которые генерируют одно измерение каждые 2 или 4 секунды. Таким образом, PMU предоставляют коммунальным предприятиям расширенные возможности мониторинга и управления и считаются одними из наиболее важных измерительных устройств в будущих энергосистемах. PMU может быть выделенным устройством, либо функция PMU может быть встроена в защитное реле или другое устройство.

История

В 1893 году Чарльз Протеус Стейнмец представил статью об упрощенном математическом описании форм сигналов переменного электричества. Штейнмец назвал свое представление вектором . С изобретением в 1988 году единиц векторных измерений (PMU) доктором Аруном Г. Фадке и доктором Джеймсом С. Торпом из Технологического института Вирджинии, метод векторных вычислений Штейнмеца превратился в расчет векторных измерений в реальном времени, которые синхронизированы с абсолютными значениями. привязка времени, предоставленная Глобальной системой позиционирования . Поэтому мы называем синхронизированные векторные измерения синхрофазорами . Ранние прототипы PMU были построены в Virginia Tech и Macrodyne. построил первый ПМУ (модель 1690) в 1992 году. Сегодня они доступны в свободной продаже.

С увеличением роста распределенных энергетических ресурсов в энергосистеме потребуется больше систем наблюдения и контроля для точного мониторинга потока энергии. Исторически электроэнергия доставлялась потребителям однонаправленно через пассивные компоненты, но теперь, когда потребители могут генерировать собственную электроэнергию с помощью таких технологий, как фотоэлектрические солнечные батареи, это меняется на двунаправленную систему для систем распределения. В связи с этими изменениями крайне важно, чтобы сети передачи и распределения постоянно контролировались с помощью передовых сенсорных технологий, таких как –-PMU и uPMU.

Проще говоря, общественная электрическая сеть, которой управляет энергетическая компания, изначально была спроектирована так, чтобы получать электроэнергию из одного источника: генераторов и электростанций эксплуатирующей компании и подавать ее в сеть, где потребители потребляют электроэнергию. Теперь некоторые клиенты эксплуатируют электрогенерирующие устройства (солнечные панели, ветряные турбины и т. д.) и для экономии затрат (или для получения дохода) также подают электроэнергию обратно в сеть. В зависимости от региона подача электроэнергии обратно в сеть может осуществляться посредством чистого учета . Из-за этого процесса напряжение и ток необходимо измерять и регулировать, чтобы гарантировать, что мощность, поступающая в сеть, соответствует качеству и стандарту, которые ожидает оборудование клиента (что видно по таким показателям, как частота, синхронность фаз и напряжение). Если этого не сделать, как выразился Роб Лэндли, «у людей начнут взрываться лампочки». Именно эту функцию измерения и выполняют эти устройства.

Операция

PMU может измерять сигналы переменного тока частотой 50/60 Гц (напряжения и токи), как правило, со скоростью 48 выборок за цикл, что делает их эффективными при обнаружении колебаний напряжения или тока менее чем за один цикл. Однако, когда частота не колеблется около 50/60 Гц или около нее, PMU не могут точно восстановить эти сигналы. Векторные измерения с помощью PMU строятся на основе косинусоидальных волн, которые соответствуют приведенной ниже структуре.

$A\cos(\omega t+\theta )$

A в этой функции представляет собой скалярную величину, которую чаще всего описывают как величину напряжения или тока (для измерений PMU). θ — это смещение фазового угла от некоторого определенного начального положения, а ω — это угловая частота формы волны (обычно 2π50 радиан/секунду или 2π60 радиан/секунду). В большинстве случаев PMU измеряют только величину напряжения и фазовый угол и предполагают, что угловая частота является постоянной. Поскольку эта частота предполагается постоянной, она не учитывается при векторном измерении. Измерения PMU представляют собой задачу математической подгонки, при которой измерения подгоняются к синусоидальной кривой. Таким образом, когда форма сигнала несинусоидальная, PMU не может точно соответствовать ей. Чем менее синусоидальной является форма сигнала, например, поведение сетки во время провала напряжения или неисправности, тем хуже становится векторное представление.

Аналоговые сигналы переменного тока, обнаруженные PMU, оцифровываются аналого-цифровым преобразователем для каждой фазы. Генератор с фазовой автоподстройкой частоты вместе с опорным источником глобальной системы позиционирования (GPS) обеспечивает необходимую высокоскоростную синхронизированную выборку с точностью до 1 микросекунды. Однако PMU могут принимать несколько источников времени, включая ссылки, отличные от GPS, при условии, что все они откалиброваны и работают синхронно. Полученные в результате вектора с отметкой времени могут передаваться на локальный или удаленный приемник со скоростью до 120 выборок в секунду. Возможность видеть синхронизированные по времени измерения на большой площади помогает изучить, как работает сеть в целом, и определить, какие части сети подвержены различным возмущениям.

Исторически для мониторинга линий электропередачи использовалось лишь небольшое количество PMU с допустимыми ошибками около 1%. Это были просто более грубые устройства, установленные для предотвращения катастрофических отключений электроэнергии. Теперь, с изобретением микросинхронной векторной технологии, многие из них желательно устанавливать в распределительных сетях, где электроэнергию можно контролировать с очень высокой степенью точности. Такая высокая степень точности позволяет значительно улучшить видимость системы и реализовать интеллектуальные стратегии превентивного управления. PMU больше не требуются только на подстанциях, они требуются в нескольких местах сети, включая переключающие трансформаторы, комплексные нагрузки и шины фотоэлектрической генерации.

Хотя PMU обычно используются в системах передачи , проводятся новые исследования эффективности микро-PMU для систем распределения. Системы передачи обычно имеют напряжение, по крайней мере, на порядок выше, чем системы распределения (от 12 до 500 кВ, тогда как распределение работает при 12 кВ и ниже). Это означает, что системы передачи могут проводить менее точные измерения без ущерба для точности измерений. Однако для повышения точности системам распределения требуется большая точность, и в этом преимущество uPMU. uPMU уменьшают ошибку измерения фазового угла на линии с ±1° до ±0,05°, обеспечивая лучшее представление истинного значения угла. Термин «микро» перед PMU просто означает, что это более точное измерение.

Технический обзор

Вектор — это комплексное число, которое представляет как величину, так и фазовый угол синусоидальных волн, встречающихся в электричестве. Векторные измерения, которые происходят одновременно на любом расстоянии, называются «синхрофазорами». Хотя термины «PMU» и «синхрофазор» обычно используются как взаимозаменяемые, на самом деле они представляют собой два отдельных технических значения. Синхрофазор — это измеряемое значение, тогда как PMU — это измерительное устройство. В типичных приложениях единицы векторных измерений выбираются из широко рассредоточенных мест в сети энергосистемы и синхронизируются с общим источником времени системы глобального позиционирования (GPS) радиочасами . Технология синхрофазора предоставляет системным операторам и проектировщикам инструмент для измерения состояния электрической системы (по многим точкам) и управления качеством электроэнергии .

PMU измеряют напряжения и токи в основных пересекающихся точках (критических подстанциях) электросети и могут выдавать точные векторы напряжения и тока с отметкой времени. Поскольку эти векторы действительно синхронизированы, синхронное сравнение двух величин возможно в реальном времени. Эти сравнения можно использовать для оценки состояния системы, например; изменения частоты, МВт, МВАР, кВ и т. д. Контролируемые точки предварительно выбираются посредством различных исследований для проведения чрезвычайно точных измерений фазового угла и выявления изменений в стабильности системы (сети). Векторные данные собираются либо на месте, либо в централизованных местах с использованием технологий концентратора данных Phasor. Затем данные передаются в региональную систему мониторинга, которую обслуживает местный независимый системный оператор (ISO). Эти ISO будут отслеживать векторные данные от отдельных PMU или от 150 PMU — этот мониторинг обеспечивает точные средства установления контроля за потоком энергии от нескольких источников генерации энергии (ядерная, угольная, ветровая и т. д.).

Эта технология потенциально может изменить экономику подачи электроэнергии, позволяя увеличить поток электроэнергии по существующим линиям. Данные синхрофазора можно использовать для обеспечения потока мощности до динамического предела линии, а не до ее наихудшего предела. Технология синхрофазора откроет новый процесс установления централизованного и выборочного контроля за потоком электрической энергии по сети. Эти меры контроля будут затрагивать как крупномасштабные (множественные состояния), так и отдельные участки линий электропередачи на пересекающихся подстанциях. Таким образом, перегрузка линий электропередачи (перегрузка), защита и контроль будут улучшены в масштабе нескольких регионов (США, Канада, Мексика) за счет объединения ISO.

Векторные сети

Векторная сеть состоит из блоков векторных измерений (PMU), рассредоточенных по всей энергосистеме, концентраторов векторных данных (PDC) для сбора информации и системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) на центральном пункте управления. Такая сеть используется в глобальных системах измерения (WAMS), первая из которых была запущена в 2000 году Управлением энергетики Бонневиля . Полная сеть требует быстрой передачи данных с частотой дискретизации векторных данных. Маркировка времени GPS может обеспечить теоретическую точность синхронизации лучше 1 микросекунды . «Часы должны иметь точность до ± 500 наносекунд, чтобы обеспечить стандарт времени в одну микросекунду, необходимый каждому устройству, выполняющему синхрофазные измерения». Для систем с частотой 60 Гц PMU должны предоставлять от 10 до 30 синхронных отчетов в секунду в зависимости от приложения. PDC коррелирует данные, управляет и контролирует PMU (от дюжины до 60). представляет общесистемные данные обо всех генераторах и подстанциях На центральном пункте управления система SCADA каждые 2–10 секунд системы.

PMU часто используют телефонные линии для подключения к PDC, которые затем отправляют данные на сервер SCADA или системы глобальных измерений (WAMS). Кроме того, PMU могут использовать повсеместные мобильные (сотовые) сети для передачи данных ( GPRS , UMTS ), что позволяет потенциально сэкономить на инфраструктуре и затратах на развертывание за счет большей передачи данных . задержки Однако введенная задержка данных делает такие системы более подходящими для кампаний по измерению НИОКР и мониторинга, близкого к реальному времени , и ограничивает их использование в системах защиты в реальном времени.

PMU от разных производителей могут давать неточные показания. В одном тесте показания отличались на 47 микросекунд – или разница в 1 градус 60 Гц – неприемлемое отклонение. Решением проблемы в Китае было создание всех собственных PMU, соответствующих его собственным спецификациям и стандартам, чтобы не было источников конфликтов, стандартов, протоколов или характеристик производительности от разных поставщиков.

Установка

Установка типичного 10-фазного PMU — простой процесс. Вектор будет представлять собой либо трехфазное напряжение, либо трехфазный ток. Таким образом, для каждого вектора потребуется три отдельных электрических соединения (по одному на каждую фазу). Обычно инженер-электрик проектирует установку и соединение PMU на подстанции или электростанции. Персонал подстанции прикрепит стойку с оборудованием к полу подстанции в соответствии с установленными требованиями по сейсмическому монтажу. Затем ПМУ вместе с модемом и другим вспомогательным оборудованием будет установлен на стойке оборудования. Они также установят антенну спутника глобального позиционирования (GPS) на крыше подстанции в соответствии с инструкциями производителя. Персонал подстанции также установит «шунты» во всех вторичных цепях трансформаторов тока (ТТ), которые подлежат измерению. PMU также потребует подключения к цепи связи ( модем при использовании 4-проводного соединения или Ethernet для сетевого подключения).

Реализации

• Управление энергетики Бонневиля (BPA) было первым коммунальным предприятием, внедрившим комплексное внедрение синхрофазоров в свою глобальную систему мониторинга. Это было в 2000 году, и сегодня ведется несколько реализаций.
• Проект FNET , реализуемый Технологическим институтом Вирджинии и Университетом Теннесси, использует сеть из примерно 80 недорогих высокоточных регистраторов частотных возмущений для сбора данных синкрофазоров из энергосистемы США. [1]
• Независимый системный оператор Нью-Йорка установил 48 PMU по всему штату Нью-Йорк, отчасти в ответ на разрушительное отключение электроэнергии в 2003 году , которое началось в Огайо и затронуло регионы как в Соединенных Штатах , так и в Канаде .
• В 2006 году в системе глобального мониторинга Китая (WAMS) для шести сетей было установлено 300 PMU, в основном на подстанциях 500 кВ и 330 кВ и электростанциях. К 2012 году Китай планирует установить PMU на всех подстанциях 500 кВ и всех электростанциях мощностью 300 МВт и выше. С 2002 года Китай производит собственные PMU по своему национальному стандарту. Один тип имеет более высокую частоту дискретизации, чем типичный, и используется на электростанциях для измерения угла ротора генератора, определения напряжения возбуждения, тока возбуждения, положения клапана и выходной мощности стабилизатора энергосистемы (PSS). Все PMU подключены через частную сеть, а выборки принимаются в среднем в течение 40 мс.
• Североамериканская синхрофазная инициатива (NASPI), ранее известная как Восточный межсетевой фазорный проект (EIPP), включает более 120 подключенных векторных измерительных устройств, собирающих данные в систему «Суперфазорный концентратор данных», расположенную в Управлении долины Теннесси (TVA). Эта система концентрации данных теперь является проектом с открытым исходным кодом, известным как openPDC .
• Министерство энергетики спонсировало несколько связанных исследовательских проектов, в том числе GridStat [2] в Университете штата Вашингтон .
• ARPA-E спонсировала соответствующий исследовательский проект по микросинхрофазорам для систем распределения в Калифорнийском университете в Беркли .
• Самая большая глобальная система мониторинга в мире находится в Индии. Единая система измерения динамического состояния в реальном времени (URTDSM) состоит из 1950 PMU, установленных на 351 подстанции, передающих данные синхрофазоров в 29 государственных центров управления, 5 региональных центров управления и 2 национальных центра управления.

Приложения

1. Автоматизация энергосистемы , как в интеллектуальных сетях
2. Сброс нагрузки и другие методы управления нагрузкой , такие как механизмы реагирования на спрос для управления энергосистемой. (т.е. направление мощности туда, где она необходима, в режиме реального времени)
3. Повышайте надежность электросети за счет раннего обнаружения неисправностей, что позволяет изолировать действующую систему и предотвратить перебои в подаче электроэнергии .
4. Повысьте качество электроэнергии за счет точного анализа и автоматической коррекции источников деградации системы.
5. Измерение и контроль обширной территории посредством оценки состояния, в очень обширных суперсетях , региональных сетях передачи и местных распределительных сетях.
6. Технологию векторных измерений и синхронизированную штамповку времени можно использовать для повышения безопасности посредством синхронизированного шифрования, такого как доверенная база датчиков. Распознавание кибератак путем проверки данных между системой SCADA и данными PMU.
7. Оценка состояния распределения и проверка модели. Способность рассчитывать импедансы нагрузок, распределительных линий, проверять величину напряжения и углы отклонения на основе математических моделей состояния.
8. Обнаружение и классификация событий. Такие события, как различные типы неисправностей, переключения ответвлений, события переключения, устройства защиты цепей. Методы машинного обучения и классификации сигналов можно использовать для разработки алгоритмов идентификации этих важных событий.
9. Приложения микросетей — изолирование или принятие решения о том, где отключиться от сети, согласование нагрузки и генерации, а также повторная синхронизация с основной сетью.

Стандарты

Стандарт IEEE 1344 для синхрофазоров был завершен в 1995 году и подтвержден в 2001 году. В 2005 году он был заменен стандартом IEEE C37.118-2005 , который представлял собой полную переработку и касался вопросов, касающихся использования PMU в электроэнергетических системах. Спецификация описывает стандарты измерений, метод количественной оценки измерений, требования к тестированию и сертификации для проверки точности, а также формат и протокол передачи данных для передачи данных в реальном времени. Этот стандарт не был всеобъемлющим — он не пытался учесть все факторы, которые PMU могут обнаружить в динамической активности энергосистемы. В декабре 2011 года была выпущена новая версия стандарта, которая разделила стандарт IEEE C37.118-2005 на две части: C37.118-1, касающуюся векторной оценки, и C37.118-2, протокол связи. Также были введены две классификации PMU: M — измерение и P — защита. Класс M близок по требованиям к производительности к требованиям исходного стандарта 2005 года, в первую очередь для измерений в установившемся режиме. Класс P смягчил некоторые требования к производительности и предназначен для отслеживания динамического поведения системы. Поправка к C37.118.1 была выпущена в 2014 году. IEEE C37.118.1a-2014 изменил требования к производительности PMU, которые считались недостижимыми.

Другие стандарты, используемые с интерфейсом PMU:

• OPC-DA/OPC-HDA — протокол интерфейса на базе Microsoft Windows , который в настоящее время универсализируется для использования XML и работает на компьютерах, отличных от Windows.
• IEC 61850 стандарт автоматизации электрических подстанций.
• BPA PDCStream — вариант IEEE 1344, используемый PDC Bonneville Power Administration (BPA) и программным обеспечением пользовательского интерфейса.

См. также

• Частота сети
• Автоматизация энергосистем
• Передача электроэнергии
• Умная сеть

Внешние ссылки

• [3] Простая и дешевая система измерения частоты в широкой зоне.
• [4] Бесплатный концентратор данных Phasor с открытым исходным кодом (iPDC) и симулятор PMU для Linux.
• [5] Независимый системный оператор Нью-Йорка
• [6] Специальная система WAM, ориентированная на GPRS.