使用LabVIEW和CompactRIO開(kāi)發(fā)基于同步相量測量的監測技術(shù)，實(shí)現“智能計量”

挑戰：

創(chuàng )建高級相量測量單元（PMU），以確定配電網(wǎng)絡(luò )的運行進(jìn)度，并改進(jìn)配電網(wǎng)絡(luò )為主動(dòng)式智能電網(wǎng)。
　
解決方案：

開(kāi)發(fā)基于NI CompactRIO硬件、NI LabVIEW和LabVIEW Real－Time模塊的高性能PMU。其中NI LabVIEW用于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）級編程，以實(shí)現基于全球定位系統（GPS）時(shí)間基準的高精度時(shí)間同步，LabVIEW Real－Time模塊用于開(kāi)發(fā)精確的同步相量估計算法?！?/p>

由被動(dòng)式向主動(dòng)式的演變使配電網(wǎng)絡(luò )的運行程序發(fā)生了巨大的變化，尤其是在實(shí)時(shí)監測網(wǎng)絡(luò )時(shí)。我們需要使用先進(jìn)的智能監測工具來(lái)快速可靠地估計這些網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)狀態(tài)。這一領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一就是基于PMU的分布式監測。

同步相量估計算法均基于離散傅立葉變換（DFT）應用于代表網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)電壓和／或分支電流波形的準穩態(tài)信號。我們可以將這些基于DFT算法分成用于執行遞歸和非遞歸更新的單周期DFT估計函數和小數周期DFT估計函數。我們創(chuàng )建了一個(gè)DFT算法，使我們可以在主動(dòng)式配電網(wǎng)絡(luò )中使用PMU，而且即使存在失真信號波形和機電暫態(tài)（即頻變信號），也可在特定范圍內保持同步相量的測量精度。

與輸電網(wǎng)絡(luò )相比，主動(dòng)式配電網(wǎng)絡(luò )的特性是線(xiàn)路長(cháng)度較短和輸電量有限。使用總線(xiàn)電壓同步相量方法來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)時(shí)，這兩個(gè)特性就使得總線(xiàn)電壓相量之間的相位差非常?。ㄒ话阍趲资粱《然蚋停?。這些特性要求PMU設備具有遠低于IEEE C37.118規定限值的同步相量相位不確定度。配電網(wǎng)絡(luò )的失真電平遠高于輸電網(wǎng)絡(luò )。此外，即使與主輸電網(wǎng)絡(luò )隔離，主動(dòng)式配電網(wǎng)絡(luò )也可以運行。因此進(jìn)行隔離和重新連接操作時(shí)，PMU就為配電網(wǎng)運營(yíng)提供很大的支持。但是由于額定網(wǎng)絡(luò )頻率偏差通常不可忽略，使用PMU來(lái)監測機電暫態(tài)可能會(huì )導致對同步相量相位和頻率的估計不正確。

同步相量估計算法

基于DFT的傳統同步相量估計算法通常直接對以幾千赫茲采樣的信號進(jìn)行DFT，再根據DFT輸出執行同步相量測量。另一方面，我們的算法雖然仍基于DFT，但采用的是一個(gè)兩步驟方法，其中第一個(gè)步驟是對輸入信號進(jìn)行DFT分析，第二個(gè)步驟是對與基頻信號對應的重構時(shí)域信號進(jìn)行時(shí)域分析。第一步的獨特之處在于它采用本文提出的方法來(lái)識別基頻信號。該算法在高采樣頻率下（例如，100千赫）可提供準確的結果。下面簡(jiǎn)要介紹一下同步相量估計算法。

同步相量估計算法包含以下三個(gè)步驟：

1.在80 ms（即50 Hz四個(gè)周期）的時(shí)間窗口（T）內對三相電壓采樣，從UTC－GPS脈沖每秒（PPS）波前（通常為1或10 PPS）對應的時(shí)間開(kāi)始。

2.將基頻信號重構為正弦信號，正弦信號的頻率為特定單一頻率窗口ΔF（也就是f0±ΔF，其中f0是指電網(wǎng)頻率的額定值）中某個(gè)值。我們使用LabVIEW Real－Time模塊和CompactRIO實(shí)時(shí)微控制器來(lái)實(shí)現這一步驟。

3.以重構的基頻信號波形為基準，估計同步相量的振幅、相位和頻率。我們使用LabVIEW Real－Time模塊和CompactRIO實(shí)時(shí)微控制器來(lái)實(shí)現這一步驟。

圖1總結了用上述過(guò)程所獲得的信號分析。其中虛點(diǎn)線(xiàn)表示用于估計同步相量的通用失真信號，連續實(shí)線(xiàn)表示時(shí)域重構的基頻信號，虛線(xiàn)表示PPS信號。

PMU原型

我們在配備了3百萬(wàn)門(mén)FPGA的NI CompactRIO嵌入式實(shí)時(shí)微控制器上實(shí)現同步相量估計算法。我們使用NI9215 C系列模塊，以±10 V的動(dòng)態(tài)信號輸入和100 kHz的采樣頻率對電壓波形進(jìn)行采樣。 UTC－GPS時(shí)間幀由時(shí)間同步不確定度為100 ns的S。E。A GPSIB移動(dòng)模塊提供。我們使用NI9401數字I／O模塊作為計數器來(lái)執行PPS前上升沿（由GPS裝置提供）和數字化波形的第一個(gè)采樣之間的測量。

FPGA將PPS的數量發(fā)送給GPS設備，GPS設備生成PPS信號發(fā)送到NI9215和NI9401。這些連接觸發(fā)啟動(dòng)PPS前沿（持續時(shí)間與觀(guān)測時(shí)窗T相對應）對應的波形采樣。同時(shí)，發(fā)送到NI 9401模塊的PPS前沿觸發(fā)FPGA計數器開(kāi)始以FPGA時(shí)鐘頻率運行，對于系統所采用的硬件，FPGA時(shí)鐘頻率為40 MHz。該計數器在采樣波形的第一個(gè)采樣處停止運行，進(jìn)行計算（參見(jiàn)圖1）。然后采樣數據以及GPS時(shí)間標記插入到DMA FIFO存儲器，并由實(shí)時(shí)微控制器進(jìn)行檢索，以執行同步相量估計算法。 PPS的數量對應于每秒同步相量估計的數量。

PMU實(shí)驗表征和結論

實(shí)驗表征以具有頻率恒定的頻譜分量的周期信號為基準。我們將NI PXI機箱連接至NI PXI任意波形發(fā)生器、NI PXI定時(shí)和同步模塊、NI PXI高精度數據采集模塊以及NI PXI高性能嵌入式控制器，生成一個(gè)基準信號。我們分析了兩種情況：?jiǎn)我粜盘枺?0赫茲）和失真信號。對于失真的信號，我們生成的基準信號的頻譜分量等于標準EN50160規定的限值。表1總結了PMU的不確定性，證明所開(kāi)發(fā)的設備可兼容主動(dòng)式配電網(wǎng)絡(luò )應用的要求。

以下是一個(gè)較為完整的實(shí)驗表征描述，表明了PMU原型的性能不會(huì )受到頻率不斷變化的信號的影響，頻率不斷變化的信號代表緩慢的機電暫態(tài)。