SMU2型PMU技术使用说明书.docx

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SMU2型PMU技术使用说明书

国网南京自动化研究院

国电南瑞科技股份有限公司

SMU-2型

同步相量测量装置

技术使用说明书

编写：

周捷成海生杨永标鲁文丁可

侯明国赵景涛滕云丁孝华

审核：

孙国城

批准：

朱金大

版本号：

V1.0

第一章简介及技术规范

本章包括下述SMU-2型同步相量测量控制装置的简单介绍：

·概述

·SMU-2同步相量测量控制装置的构成

·SMU-2同步相量测量控制装置的技术特点

·实现的功能

·装置设计遵循的标准

1.1概述

电力系统中的SCADA系统能提供大约4秒刷新一次的稳态数据，而传统的故障录波器能提供故障前后几秒内动态的快速波形数据（每秒千次以上的原始录波数据）。

但这二种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动态数据量太大，不可能全天候保存，只能记录故障前后几秒的原始数据，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对于电网系统的动态状态预测、低频振荡、故障分析等工作几乎不能提供任何帮助。

因此，在电力学术界就提出“同步相量测量理论”和“电力系统实时动态监测系统”来解决这个问题，通过基于GPS同步时钟的相量测量装置（PhasorMeasurementUnit:

PMU），同步采集电网各关键节点的电压电流相量，这些同步相量数据不需要如同原始波形的采集密度就可对电网的动态运行状态进行实时精准的状态预测，为输电线路的低频振荡及故障分析等工作提供足够的数据，为系统事后分析提供详实而同步的数据。

PMU是电力系统实时动态监测系统及广域测量系统的核心单元。

SMU-2同步相量测量装置利用GPS卫星时钟信号和高速DSP数字信号处理技术，按照IEEEStandard1344－1995（R2001）和《电力系统实时动态监测系统技术规范》（本说明书简称为《技术规范》），测量出全电网各节点电压电流同步相量和绝对相角。

为全系统电网监测、变电站自动化测控、稳定控制、自适应继电保护等功能提供必要的原始数据和实现手段。

我国将逐年实现全国联网。

为配合全国联网，进一步加强电力系统调度中心对电力系统的动态稳定监测和分析能力，需要在重要的变电站和发电厂安装同步相量测量装置，构建电力系统实时动态监测系统，并通过调度中心分析中心站实现对电力系统动态过程的监测和分析。

该系统将成为电力系统调度中心的动态实时数据平台的主要数据源，并逐步与EMS系统及安全自动控制系统相结合，以加强对电力系统动态安全稳定的监控。

基于上述背景，国电南瑞科技股份有限公司在原SMU-1型PMU装置的基础上，利用GPS卫星时钟信号、高速DSP数字信号处理技术和嵌入式操作系统，进行全新的研制开发，研制出SMU-2型新一代PMU装置，在可靠性、算法实现、通讯技术上实现新的飞跃。

1.2SMU-2系列同步相量测量控制装置系统构成

SMU-2系列同步相量测量控制装置主要由以下部分组成：

1）SMU-2M-A线路同步相量测量控制单元

2）SMU-2M-B线路同步相量测量控制单元

3）SMU-2G发电机同步相量测量单元

4）SMU-2CS数据集中器单元

5）SMU-2P同步相量辅助分析单元

6）SMU-2GPS时钟同步单元等部分。

其中SMU-2GPS时钟同步单元包括外置共享GPS单元、内部GPS模块等。

1.3SMU-2系列同步相量测量控制装置技术特点

1．双核CPU全嵌入式设计

系统采用全嵌入式设计方法，SMU-2M、SMU-2G测量控制单元以及SMU-2CS数据集中器均采用源码开放的Linux嵌入式实时操作系统，采用MotorolaPowerPC和ADIBlackFinDSP组成双CPU系统，极大提高了测量控制单元的可靠性。

具有较强的可靠性、网络通信能力、可扩充性。

2．高速高精度采样

采用16位同步A/D以10kHz的速率转换数据。

使得装置的测量精度可达到0.1%；开关量分辨率为0.1ms；频率的测量分辨率达到0.001Hz。

3．高精确性、灵活接口的时钟信号

系统采用高精度的GPS时钟信号及高稳定度的恒温晶振，独特的软硬件算法补偿，提供系统高精确的时钟及同步采集信号。

系统在有效捕捉情况下，1PPS信号200ns精度。

失去GPS同步时钟信号60分钟以内相角测量误差不大于1.0度。

外置共享型GPS单元可以接受全站统一的对时信号，灵活可靠。

4．高精度相角、功角测量

依靠CPU快速处理、GPS高精度对时、对时光纤级联等技术，使得相位测量、内电势角度的测量误差在0.2度以内。

5．高速数据传输

采用100M以太网技术和多线程技术实现同步相量数据的高速传输，从相量计算开始到送到主站的延迟时间约7.5ms----15.5ms（根据通信情况不等）。

6、装置双SATA硬盘设计

采用双SATA硬盘设计。

支持故障数据的双重备份，支持连续数据交替保存，以提高可靠性及让每一硬盘得到修整。

7．完整的录波分析功能

将传统的故障录波功能嵌入其中，使得该装置在分析电网扰动、故障等方面大大高于同类装置。

8．高可靠的集成化装置设计

一体化背插式机箱结构设计，强弱电完全分开，可大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合增强装置的抗干扰能力，提高可靠性和安全性。

抗干扰好；特别设计的PCB，EMC性能好，满足16位分辨率的噪声要求；内置GPS授时可靠；采用原码公开的实时操作系统，安全可靠。

9、大容量的输入通道

SMU-2M-A：

96路交流量＋256路开关量;

SMU-2M-B：

48路交流量＋64路开关量;

SMU-2G：

2台发电机组的测量：

2个键相脉冲，2个转速脉冲，

12路交流输入，36路直流量（也可选配为交流）输入，32路开关量。

10、采用直接法自适应测量内电势及功角。

每一台SMU-2G可同时测量2台发电机组的同步相量和功角。

系统可采集发电机键相脉冲及发电机转速脉冲信号，自适应矫正脉冲的初始位置，通过脉冲来测量发电机转子位置，采用直接法测量发电机内电势及功角。

1.4装置设计遵循的标准

本装置的设计采用以下标准设计：

IEEEStd1344－1995（R2001）IEEEStandardforSynchrophasorsforPowerSystems

Q/GDW131-2006电力系统实时动态监测系统技术规范

IEEEStdC37.118-2005电力系统同步相量标准

GB/T7261-2000继电器及装置基本试验方法

GB/T11287-2000电气继电器第21部分：

度量继电器和保护装置的振动、冲击、碰撞和地震试验

GB/T14285-1993继电保护和安全自动装置技术规程

GB/T14537-1993量度继电器和保护装置的冲击与碰撞试验（IEC60255-21-2：

1998）

GB/T14598.9-10电气继电器

GB/T14598.13-14度量继电器和保护装置的电气干扰试验

GB/T16836-1997度量继电器和保护装置安全设计的一般要求。

GB/T17626.5-1999电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验

GB/T17626.6-1998电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度

DL/T478-2001静态继电保护及安全自动装置通用技术条件

DL/T720-2000电力系统继电保护柜、屏通用技术条件

DL/T5147-2001电力系统安全自动装置设计技术规定

DL/T5136-2001火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程

IEC60870-5-104远动设备及系统第5-104部分：

传输规约采用标准传输文件集的IEC60870-5-101网络访问

ANSI/IEEEC37.111-1991电力系统暂态数据交换通用格式

IEC60870-5-101远动设备及系统传输规约基本远动任务配套标准

IEC60870-5-103远动设备及系统传输规约保护通信配套标准

第二章SMU-2系列装置功能及容量

本章讨论装置的功能及容量配置

●SMU-2M-A线路同步相量测量控制单元

●SMU-2M-B线路同步相量测量控制单元

●SMU-2G发电机同步相量测量单元

●SMU-2CS数据集中器单元

●SMU-2GPS时钟同步单元

●SMU-2P同步相量辅助分析单元

2.1SMU-2M-A同步相量测量控制单元

SMU-2M-A结构上为12U整机箱，是专为大容量的变电站线路同步相量测控而设计的。

软件平台采用实时多任务操作系统，硬件平台采用MCU+DSP双CPU嵌入式结构设计。

2.1.1SMU-2M-A装置容量

每台SMU-2M-A同步相量测量控制单元测量容量为：

●模拟量：

96路

●开关量：

256路

●模拟量测量范围：

电压：

0—120V

电流：

0—3In（一般在定货时需指出1A/5A制CT）

2.1.2SMU-2M-A装置功能

1.同步相量测量

测量三相基波电压、三相基波电流、序量值、开关状态等带有实时时标的矢量值。

2.通讯功能

将带有实时时标的矢量值、扰动记录文件，以IEEEstd1344-1995（R2001）规约，通过网络方式以规定的速率向数据集中器发送。

3.实时监测

实时测量数据监测通过实时相量值，计算出U、I、P、Q、功率因素、F、功角等值，作为实时在线监测。

4.暂态录波

具备暂态录波功能，可完成所有常规故障录波的功能。

用于记录瞬时采样的数据的输出格式符合ANSI/IEEEC37.111-1991（COMTRADE）的要求。

具有全域启动命令的发送和接收，以记录特定的系统扰动数据。

5.装置自检

装置实时检查自身的状况，对装置异常、参数异常、程序自恢复、CT或PT断线、直流电流消失、通信异常等在本地显示或上传告警。

6.参数在线整定

可在当地或根据主站的命令来修改系统的构成。

2.2SMU-2M-B同步相量测量控制单元

SMU-2M-B结构上为6U整机箱，是针对较小容量的变电站同步相量测控单元，可完成330KV及以上电压等级变电站中一个间隔的交流通道测量。

软件平台采用实时多任务操作系统，硬件平台采用MCU+DSP双CPU嵌入式结构设计。

2.2.1SMU-2M-B装置容量

每台SMU-2M-B同步相量测量控制单元测量容量为：

●模拟量：

48路

●开关量：

64路

●模拟量测量范围：

电压：

0—120V

电流：

0—3In（一般在定货时需指出1A/5A制CT）

●集中、分散配置。

2.2.2SMU-2M-B装置功能

SMU-2M-B除了交流量和开关量输入容量较少之外，装置功能同SMU-2M-A。

2.3SMU-2G发电机同步相量测量单元

SMU-2G结构上为6U整机箱，是专为发电机组设计的同步相量测量单元，可同时测量2台发电机组的机端电压电流同步相量和发电机功角。

SMU-2G发电机同步相量测量单元软件平台采用实时多任务操作系统，硬件平台嵌入式结构设计。

2.3.1SMU-2G装置容量

每台SMU-2G发电机同步相量测量单元测量容量为：

●模拟量输入：

3×2路电压、3×2路电流、36路直流（可选配为交流）

交流量一般接入2台机组的三相机端电压、机端电流；直流量可接入励磁电压、励磁电流、AGC信号、AVC信号、△PSS的PID信号、调频PID信号、气门开度信号、一次调频控制指令等等

。

●转子脉冲：

2×2路

每台机组输入：

1路鉴相脉冲：

1脉冲/转

1路转速脉冲信号

输入电压0.5-24V

●模拟量输出：

4-20mA输出（选配）

●开关量：

32×2路

●模拟量测量范围：

电压：

0—120V

电流：

0—3In

直流：

4-20mA

●分散安装或集中式安装

2.3.2SMU-2G装置功能

1.相量测量

测量2台发电机组的三相机端电压、三相机端电流、序量值、开关状态等的实时同步相量值。

2.内电势测量

采用直接法测量发电机功角及内电势角度，采用计算法测量内电势相量值。

3.通讯功能

将实时时标量值以IEEEstd1344-1995（R2001）规约，以网络方式按整定的速率向数据集中器发送。

4.实时监测

实时测量数据监测通过实时相量值，计算出U、I、F、功角、内电势等值，作为实时在线监测。

5.暂态录波

具备暂态录波功能，可完成所有常规故障录波的功能。

用于记录瞬时采样的数据的输出格式符合ANSI/IEEEC37.111-1991（COMTRADE）的要求。

具有全域启动命令的发送和接收，以记录特定的系统扰动数据。

6.装置自检

装置实时检查自身的状况，对装置异常、参数异常、程序自恢复、通信异常等在本地显示或上传告警。

7.参数在线整定

可在当地或根据主站的命令来修改系统的构成。

2.4SMU-2CS数据集中器

SMU-2CS的软件平台采用嵌入式设计，厂站中的PMU采集单元需要通过数据集中器向主站转发数据。

2.4.1SMU-2CS容量

每台SMU-2CS同步相量数据集中器最大容量：

●SMU-2M装置：

4台

●SMU-2G装置：

6台

●连接主站数：

4个

●网络通讯口：

标配3个10M/100M自适应网口，可扩充；2个10M网口

●串行口：

2个，可扩充

2.4.2SMU-2CS功能

1.信息采集

通过网络口与SMU-2M、SMU-2G等单元通讯，接收并解释其报文信息。

2.通讯功能

将实时时标量值以IEEEstd1344-1995（R2001）规约，以UDP或TCP/IP报文，以规定的速率向集中控制单元发送。

可以以IEC60870-5-103或FTP的格式和主站交换故障数据。

最大可同时向4个主站连接。

在规约中，与各主站通讯的进程相互独立，互不干扰。

3.信息转发

装置可设置转发表，可通过设置整定，向不同的主站发送不同的相量数据。

4.数据存贮

作为系统的第二级数据存贮器，可将接受到的测量单元的动态相量数据进行存贮。

5.装置自检

装置实时检查全站的装置运行情况，在装置出现通讯异常，GPS失步等情况下，在本地告警节点开出并上传告警。

6.参数在线整定

可在当地或根据主站的命令来修改系统的构成。

2.5SMU-2GPS时钟同步单元

SMU-2GPS时钟同步单元包括外置共享GPS单元、内嵌式GPS模块等。

SMU-2GPS主要通过接受外部GPS信号，通过将该信号进行转换后，通过光纤方式，将GPS报文信息、1PPS信号、同步信号等向各个SMU测量单元进行发送。

GPS单元在丢星状态下，可通过内部的恒温晶振对时钟信号进行修正，使在丢星情况下，保证时钟具备一定的精度。

内嵌式GPS模块是SMU-2M或SMU-2G中的一个插件，其对时精度、守时能力和外置式GPS单元是一样的。

当厂站内配置较少的PMU装置时，可采用内嵌式GPS插件。

2.5.1SMU-2GPS单元组成

SMU-2GPS主要由以下部分组成：

1）GPS模块

2）恒温晶振及控制系统

3）GPS扩展插件

4）GPS天线（规格30米、50米、100米）

说明：

在GPS天线100米时，天线中需要加入GPS信号增强器。

2.5.2SMU-2GPS单元容量

1）ST多模光纤输出接口最大11组，可接入11台SMU-2装置

2）扩展接口可根据工程情况选配

3）RS232电气接口1组，可输出GPS信号。

2.6SMU-2P同步相量辅助分析单元

该单元采用工控机平台，具有良好的人机界面。

其功能主要为同步相量测量单元及数据集中器的人机界面显示，参数整定，动态数据的显示分析，录波数据的分析功能，发电机组的试验分析，波形计算打印等。

2.6.1SMU-2P软件平台及运行环境

SMU-2P同步相量辅助分析单元采用工业控制计算机为硬件平台。

SMU-2P软件的安装，可使用厂家提供的安装光盘完成软件的安装。

SMU-2P可放置于变电站/发电厂监控人员工作台上。

通过以太网与SMU-2CS数据集中器管理单元通信。

通过SMU-2P可实现对站内的各装置进行维护，实时监视现场模拟量、开关量的变化。

在系统发生扰动的情况下，可通过分析软件，进行就地分析。

同时系统还可为站内的二级存贮提供额外的海量存贮器。

2.6.2SMU-2P参数设置

SMU-2P对系统的参数设置主要有如下对管理单元SMU-2CS、采集单元SMU-2M、SMU-2G的参数设置。

2.6.2.1数据集中器单元SMU-2CS的设置

数据集中器SMU-2CS可以是独立的装置，也可以是由厂站内的某一台SMU-2M的CPU板兼有数据集中器的软件功能，可对SMU-2CS可进行如下设置：

1）系统对应的主站数目

2）对应各主站的数据管道端口、命令管道端口

3）对应各主站的IP地址

4）对应各主站的转发表设置

5）系统的厂站名称

6）SMU-2CS连接的采集单元IP地址

7）系统的配置文件

2.6.2.2同步相量采集单元SMU-2M/2G的设置

对同步相量采集单元可进行如下设置：

1）厂站名称：

各装置的名称

2）站号：

在同一厂站中用于唯一标识装置的代号，为四位整数。

3）IP地址：

装置的IP地址，通过此地址管理单元与装置通讯

4）模拟量通道数：

装置所接入的模拟量通道总数

5）开关量通道数：

装置所接入的开关量通道总数

6）频率通道数：

装置所接入的频率量通道总数

7）直流量通道数：

装置所接入的直流量通道总数

8）GPS模式：

装置接入GPS的情况

9）数据集中器的IP地址

10）历史记录/暂态记录存贮的IP地址

11）UTC时差：

装置运行当地与格林威治之间的时差

12）发电机数：

装置所接入的发电机总数

13）各通道的增益幅值、增益相角、偏置参数

14）各通道的启动定值

2.6.3系统分析功能

SMU-2P单元可从接受到的扰动记录中读取以COMTRADE格式存贮的记录，从这些数据中进行分析、打印。

应用分析软件功能主要包括:

1）故障录波波形分析

2）相量分析

3）序量分析

4）谐波分析

5）频率分析

2.6.4辅助存贮功能

SMU-2P可为整个系统提供后备的海量存贮器，可根据需要配置40G以上的硬盘。

可以通过FTP方式将SMU-2M和SMU-2G装置内的重要数据导入到SMU-2P进行备份保存。

2.6.5实时数据显示

SMU-2P可以通过通讯访问现场的实时运行情况，在界面上可显示：

1）各遥信开关量的状态

2）各模拟量的幅值、相位

3）系统状态图

4）发电机功角显示

2.6.6同步相量装置测试模拟主站软件

该测试程序可用来在现场调试时，模拟主站单元向站内各PMU装置进行召唤配置帧，召唤现场运行的信息。

其主要实现以下功能：

1）接受到的IEEEstd1344-1995（R2001）通道报文解析

2）接受各PMU装置的1秒数据帧

3）接受各PMU装置的整点数据

4）显示相量的矢量图

5）比较某几个相量的角差，并通过图形显示

6）显示各PMU的触发信息、同步信息

7）显示系统的通讯流量

第三章SMU-2系列装置组成及接线

本章主要讨论SMU-2系列装置的组成及安装接线。

3.1SMU-2系列装置的组成

SMU-2系列同步相量测量控制装置主要由以下部分组成，即：

SMU-2M-A线路同步相量测量控制单元，如图3.1.1所示。

SMU-2M-B线路同步相量测量控制单元，如图3.1.2所示

SMU-2G发电机同步相量测量单元，如图3.1.2所示。

SMU-2CS同步相量数据集中器，如图3.1.3所示。

SMU-2P同步相角测量管理单元，如图3.1.4所示。

SMU-2GPS时钟同步单元，如图3.1.5所示。

图3.1.1SMU-2M-A同步相量测量控制单元

图3.1.2SMU-2M-B/SMU-2G同步相量测量单元

图3.1.3SMU-2CS数据集中器

图3.1.5SMU-2P同步相角测量管理单元

图3.1.6SMU-2GPS时钟同步单元

3.2SMU-2系列装置的安装及接线

3.2.1SMU-2系列装置的安装

SMU-2系列装置可根据实际工程的需要进行组屏安装，也可进行分散安装。

图3.2.1为SMU-2组屏安装的屏面布置示意图。

（A）网控/变电站SMU屏面布置图（B）发电机SMU屏面布置图

图3.2.1同步相量测量装置屏面布置示意图

3.2.2SMU-2M-A端子定义及面板指示

SMU-2M-A同步相量测量控制单元背部端子如图3.2.2所示

图3.2.2SMU-2M-A背部端子图

P1为电源板插件。

该部分接入装置电源DC220V/110V。

P2为GPS模块及DO开出插件，具体定义如下：

该模件上面的12个端子包含了4付1常开1常闭的接点，可用于中央告警信号或控制信号的输出；中间为1个GPS天线插座；下面是ST多模光纤接口：

分别是GPS和1PPS信号的输入和输出接口，可用于现场GPS光纤信号的级联。

注：

GPS天线为弱电信号，应单独走线，不与控制电缆、CT/PT电缆并列。

P3为CPU板插件，具体定义如下：

COM1口为DB9调试RS232串口。

其孔位定义为：

2－TXD；3－RXD；5－GND。

可使用SMU-2P（或笔记本电脑）上的串行口与之相连，在PC上打开超级终端，设定到9600bps，8位数据，无奇偶位方式，即可与同步相量测量控制装置对话，显示其工作状态、定值，并可人工启动、复位等。

该口为调试时使用，正常运行时，不应使用该端口。

COM2、COM3为2个DB9的标准RS232串口，其孔位定义为：

1－DCD；

2－TXD；

3－RXD；

4－DTR；

5－GND；

6－DSR；

7－RTS；

8－CTS；

9－RI。

USB1、USB2、USB3为3个USB接口，可外接USB鼠标、键盘等。

LAN1、LAN2、LAN3为3个10M/100M自适应以太网口（RJ45）。

LAN4、LAN5为2个10M的以太网口（RJ45）。

DISPLAY为15孔的标准显示器接口。

P4、P5为AI插件，该插件为空面板，用于集中和处理交流插件的交流信号。

P6、P7为DI插件，该插件为空面板，用于集中和处理开关量插件的开入信号。

P8～P15为8块ISO开关量插件（满配置时），每块插件有32路开关量，由具体工程配置决定该处接入开关量信号的个数。

一台SMU-2M最大能接入256个开关量，每块ISO插件的具体定义如下：

开关量信号的电源负端（电压等级为DC220V、DC110V、DC48V，若为DC48V时要外加电源模块），电源正端接至作为开关量信号输入的接点，另一端即一般为工程图纸上端子排的“开关量信号公共端”。

接线时请参见实际的工程图纸。

P16～P23为8块TR200交流量插件，对于SMU-2M-A而言，有TR-6I6U、TR-12I、TR-12U三种型号，可根据具体工程选配。

定义如下：

12U机箱下面的8个TR200（P16～P23）插件接入模拟量信号。

由具体工程配置决定该处接入几组电压、电流信号，1个SMU-2M-