高性能同步相量测量装置ＰＭＵ测试仪的研制与检测 江能明 ，陈金完 ，肖 晖 ，黄诗旺 ，陈建洪 （１．国网福建省电力有限公司，福州 ３５０００３；２．福建省工业设备安装有限公司，福州 ３５００１１） ［摘要］ 利用ＧＰＳ同步时钟信号的发生与时间补偿，研制一种高性能同步相量测量装置ＰＭＵ测试仪。介绍ＰＭＵ测 试仪的硬件、软件设计，阐述ＰＭＵ测试仪稳态、动态性能的检测试验。试验证明，ＰＭＵ测试仪可应用于 ＰＭＵ设备的现场检测。 关键词 ＰＭＵ测试仪稳态性能动态性能检测 ０引言 随着大电网互联和电力负荷需求的急剧增长，电网稳 定就显得尤为重要，因此构建全网动态稳定性监视与控制 机控制测试仪，产生带ＧＰＳ绝对时标的测试信号，输出到 被测ＰＭＵ；ＷＡＭＳ主站模拟软件与被测ＰＭＵ通信，接 收被测ＰＭＵ输出的相量测量报文，以获取ＰＭＵ相量测 量数据。ＰＭＵ测试软件可进一步比对所获取的数据，判 断其是否合格，形成自动闭环测试。 系统成为当前电力系统急需解决的问题之一。ＰＭＵ可实 现异地相量的实时同步采集、处理、记录和远程传输，结 合调度中心主站可实现对电力系统动态过程的监视与控 制，也可广泛应用于输电线路故障定位、自适应失步保 护、动态故障录波、电网状态估计及防灾预警等方面。 随着ＰＭＵ现场检测工作的深入开展，国家电网公 司于２０１０年、２Ｏｌ１年先后发布了《电力系统同步相量 测量装置（ＰＭＵ）测试技术规范》、《电力系统同步相量 测量装置检测规范》，进一步规定了ＰＭＵ的检测项 图１ ＰＭＵ测试仪的系统构成图 ＰＭＵ测试仪的绝对时间由ＧＰＳ卫星接收设备提供。 ＧＰＳ卫星接收设备通过天线接收ＧＰＳ同步信号，并将 ＰＰＳ脉冲提供给高性能标准源。高性能标准源对ＰＰＳ脉冲 目、检测方法和检测结果判定等。但是受传统常规检验 仪器及手段的束缚，ＰＭＵ大部分的稳态性能和动态性 能都无法得到检验，因此亟待研究出相应配套的ＰＭＵ 测试仪以解决上述问题。 进行前馈补偿输出环节的固定时延后，将其作为ＤＳＰ计算 三相交流电压、电流输出及键相脉冲输出的时间基准。 ＰＭＵ测试仪的关键技术是与ＰＰＳ同步的测试信号的发生 《电力系统同步相量测量装置（ＰＭＵ）测试技术规范》定 义了４种ＰＭＵ测试平台，即稳态性能测试平台、比对试 验测试平台、动态波形回放测试平台和高性能标准源测试 平台。前３种测试平台基本用于试验室，不适用于电厂或 方法，需要保证输出信号相角具有绝对时标，同时输出信 号能够灵活地实现调频、调相、叠加谐波、低频调制、线 性调制等功能。 ２ ＰＭＵ测试仪的硬件设计 ＰＭＵ测试仪硬件包括ＧＰＳ卫星接收设备和高性能标 准源。ＧＰＳ卫星接收设备技术已经比较成熟，直接采用现 有的工业级设备，信号接收时间误差为－－＋－ｌＯＯｎｓ。高性能 标准源采用模块化思想设计，各模块工作、互不干 扰，模块间采用内部总线接口，如图２所示。 ｌ外置ＧＰＳｌ Ｉ 调试电脑 ｌ 变电站的现场调试。高性能ＰＭＵ测试仪作为的测试 平台，具有测试准确、即时、可标定、可溯源的特点，同 时具有便携的优势，是最理想的ＰＭＵ测试方案。本文提 出一种用于现场调试的高性能ＰＭＵ测试仪，它能产生相 角具有ＧＰＳ绝对时标的稳态测试信号或特定时标下的动态 变化信号，为ＰＭＵ的稳态、动态性能测试提供全面的测 试手段。 ｌ接收设备ｆＬ＝ —Ｔ—— ｌ（软件测试）ｌ ——— 【＿——一 １ ＰＭＵ测试仪的系统构成与工作原理 ＰＭＵ测试仪由高性能标准源、ＧＰＳ卫星接收设备和 测试软件构成，如图１所示。测试软件由ＰＭＵ测试仪控 制软件和ＷＡＭＳ主站模拟软件组成。 应用ＰＭＵ测试仪进行检测时，由ＰＭＵ测试软件联 收稿日期：２０１３—０８－１８ 二一 一一二：．：：：二：一：二二：：：二： ：二二 二：． Ｉ ＰＰＳ同步时钟『ｆ高速ＤＡＣ【ｌ１Ｊ ＦＰＣＡ高速数ｌ—ＤＳＰ主ＣＰＵＩ； Ｉ １ 接收模块 ）Ｉ转换模块ｒ １据处理模块ｌ’１管理模块１Ｉ ：——亡＝—————＝ － 高性能标准源 Ｉ 内部总线 ｛ ＝二 ＿＝＝二 ！ ｌ Ｉ ＡＩ交流功率Ｉ ｊＰＬ键相脉冲ｌ Ｉ ＰＯＷＥＲｉ ｆＤＩ开入ｌ ｌＤＯ开出ｌ Ｉ 。ｌ输出模块ｌ ｌ输出模块ｆ Ｉ电源ｌ ｌ模块ｌ ｌ模块Ｉ 图２高性能标准源内部结构圈 作者简介：江能明（１９８０一），工程师，从事电力系统继电保护工作；陈金完（１９７７一），工程师，从事电力设备安装工作；肖晖（１９７７一），硕士， 高级工程师，从事电力系统通信工作；黄诗￣（１９８２一），硕士，工程师，从事电力系统超高压输变电建ｉ￣＿ｒ－作；陈建洪（１９７８～），硕士，高级 工程师，从事电力系统超高压输变电检修工作。 ７０ｌ ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ Ｊ电工技术 ＤＳＰ主ＣＰＵ管理模块作为高性能标准源的总管理 模块，负责接收ＰＭＵ测试软件的测试执行方案，执行 ＰＭＵ测试软件能对ＰＭＵ产品的测量准确度、时钟 同步等性能指标以及实时监测、动态数据记录和实时通 控制算法主程序，控制内部各模块的输出。ＦＰＧＡ高速 数据处理模块主要用于对交流及键相脉冲输出的精准控 信等功能进行综合检测。ＰＭＵ测试软件主要包括以下 功能。 制，接收ＤＳＰ对交流电压／电流的幅值、相位和频率的 调制。ＰＰＳ同步时钟接收模块为了使输出相角与ＧＰＳ 绝对时间误差小于０．０５。（２．７７“ｓ），要求硬件时间基准 （１）控制ＰＭＵ测试仪产生与ＧＰＳ同步的周期性测试 信号，并模拟ＷＡＲＭＳ主站获取ＰＭＵ测量数据，测试 ＰＭＵ的交流测量误差（包括交流零漂、幅值、相位、频 率、有功功率、无功功率误差等）、交流测量影响量（包括 温漂小于±１．５×１０一，高速ＤＤＳ合成频率大于 １ＭＨｚ。ＡＩ交流功率输出模块要求稳定度高、输出响应 时间短；另外还要求输出响应时间通过元件参数可控， 并可通过时延预控补偿逻辑加以补偿，使输出相角具有 频率、不平衡、谐波、幅值调制和频率调制、通道间影响 等）、暂态录波启动等。 （２）控制ＰＭＵ测试仪产生特定时标下的若干变化（包 绝对时标。 硬件设计的核心在于同步测试信号的发生。测试信 号的时间同步可通过处理器晶振的选用和ＰＰＳ信号定 时修正处理器中断间隔来实现。但测试信号本身是模拟 信号，从数据计算完成到测试仪端口输出间存在时延。 输出通道的时延主要包括ＤＡＣ数模转换时间、模拟通 道和功率模块产生的时延两部分。对于单台装置，通过 选用高速ＤＡＣ和控制模拟通道上关键元件的参数，可 保证其输出通道的时延具有良好的重复性。因此，输出 通道的时延可作为整机的一个特征参数进行调试并在同 步控制中进行补偿。 ＰＭＵ测试仪采用对ＰＰＳ的前馈补偿来补偿输出环节 的固定时延。补偿时，将ＰＰＳ信号沿作为ＦＰＧＡ的触发信 号；ＦＰＧＡ从ＰＰＳ信号触发开始计时，计时时间为（１ｓ一 时延补偿时间）；ＦＰＧＡ以计时停止时刻为起点，产生对 ＤＳＰ的中断，控制ＤＳＰ产生ＤＡＣ输出信号。 ３ ＰＭＵ测试仪的软件设计 ＰＭＵ测试软件采用分层结构、面向对象和模块化 等设计思想，降低各模块的耦合度，具有良好的可扩展 性。通信层采用统一的接口界面，良好地封装及隐藏了 应用层各功能单元的复杂性，为各测试模块的编写及添 加新功能提供了充分的便利。ＰＭＵ测试软件采用Ｍｉ— ｃｒｏｓｏｆｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ进行开发，主要开发了ＰＭＵ测试 仪通信模块、ＷＡＭＳ模拟主站通信模块、稳态性能测 试模块和动态性能测试模块。ＰＭＵ测试软件架构如图 ３所示。 ｝ｉ 括幅值、频率、相位阶跃等），测试ＰＭＵ动态特性。 （３）低频振荡测试。 （４）模拟发电机机端电压和键相脉冲信号。 （５）测试２～１３次谐波影响量。 （６）ＷＡＭＳ主站模拟软件可实时获取ＰＭＵ上送相量 数据，最大获取速度为１００帧／ｓ，通信规约符合ＧＢ／Ｔ ２６８６５．２《电力系统实时动态监测系统第２部分：数据传输 协议》。 ４ ＰＭＵ测试仪的性能检测 按照ＧＢ／Ｔ ２６８６２－－２０１１《电力系统同步相量测量装置 检测规范》和Ｑ／ＧＤＷ ４１６—２０１０《电力系统同步相量测量 装置（ＰＭＵ）测试技术规范》的相关内容，对ＰＭＵ测试仪 的性能进行检测。 ４．１稳态输出性能检测 对于稳态输出性能检测，使用０．０１级三相交流功率 标准对ＰＭＵ测试仪输出的交流电压幅值、交流电流幅 值、频率、有功功率、无功功率的准确度和稳定度，以及 负载能力、谐波输出等性能指标进行检验。ＰＭＵ测试仪 能够达到的主要技术指标：交流信号幅值精度不大于 ±０．０５ ；频率精度不大于±０．００１Ｈｚ；可叠加谐波分量 次数为２～１３次。检测结果见表１、表２。 表１电压幅值准确度 表２电压Ｕ１频率准确度 ｝Ｉｚ 检验项目 测量回路 输出值 实测值 准确度 ４５．００ ４５．０００ １ ０．ｏｏｏ ｌ 频率准确度 Ｕ ５Ｏ．０Ｏ ５０．ｏｏｏ ２ ０．ｏ００ ２ ５５．ＯＯ ５５．ｏｏ０ ２ ０．００ｏ ２ 对于同步相角准确度的检测，使用高速信号采集分析 仪同步记录ＰＭＵ测试仪输出信号和ＧＰＳ秒脉冲信号后， 对记录的数据进行离线处理，计算出相角同步准确度。 ＰＭＵ测试仪能够达到的技术指标：相角与ＰＰＳ同步准确 度不大于±０．０５。。检测结果见表３。 电工技术ｆ ２０１３ｆ１２期ｉ７１ 续表 题，对该批次产品进行了全部更换处理。 ４防范措施 为了及时发现ＣＶＴ故障，制定了以下防范措施。 （１）加强５００ｋＶ ＣＶＴ入厂监造力度，确保重要产品材 由表１可知，在电容器的绝缘油耐压及微水试验数据 料质量合格，生产工艺满足要求。 （２）制定ＣＶＴ二次电压监测制度，定期对ＣＶＴ二次 电压进行检查并做好记录。一旦ＣＶＴ二次电压出现异 常，就应查明原因并及时处理。 合格的情况下，ＣＶＴ下节电容器绝缘油中的Ｈ 、Ｃ２Ｈｚ、 总烃含量严重超标，表明电容器内部有严重的放电现象， 而Ｃ２Ｈ 、ＣＨ 、Ｈｚ含量都较高又表明内部有过热性故 障。 将电容器中的油从底部引线小瓷套处全部放出，拆下 ＣＶＴ下节外瓷套，露出电容器内的电容单元。检查电容 单元外观无异常后，对电容元件逐个进行电容量及绝缘测 试。绝缘测试结果显示，电容器中有３个电容元件被击 穿，绝缘值为零。分拆击穿的电容元件发现，击穿部位附 近有大量的蜡状物；随机分拆４个未击穿的电容元件，也 发现中部铝箔与绝缘膜间有局部放电产生的蜡状物。解体 检查ＣＶＴ上节、中节，无异常。 （３）做好设备带电检测数据的积累工作。通过数据积 累，可根据ＣＶＴ一次（或二次）电压变化大小及变化率来 研究设备是否存在内部故障。 （４）加装ＣＶＴ在线监测装置，加强对电压互感器Ｎ头 引下线电流的监测分析。 （５）加强对容性试品的红外、紫外检测，同时做好备 品备件管理工作，确保备件充足。 参考文献 ３．３原因分析 厂家分析认为，电容元件产生蜡状物的原因是生产该 批次ＣｖＴ时，在分切铝箔的过程中环境控制不到位，忽 ［１］刘胜军，王慷，郭猛．电容式电压互感器二次电压偏高分析 ［Ｊ］．变压器，２０１０（４）：６６￣６８，７１ ［２］范淑霞．电容式电压互感器二次电压异常分析及处理［Ｊ］．河 北电力技术，２０１１（３）：２６，５１ 略了洁净度要求（正常情况下要求材料储存间清洁度为６ 级），使得碎颗粒粉尘和其它异物粘附在铝箔表面，在长 期的电压作用下局部场强集中，产生低能局部放电，致使 周围油劣化而形成蜡状物。 另外，绝缘油色谱试验数据显示，电容单元发生放电 ［３］李顺尧．２２０ｋＶ电容式电压互感器试验方法探讨［Ｊ］．高压电 器，２００８，４４（３）：２８０－－２８２ Ｅ４］吴旭涛，艾绍责，李小燕，等．３５ｋＶ电容式电压互感器一次熔 断器异常熔断原因的试验研究［Ｊ］．高压电器，２００９，４５（６）： １Ｏ２～１０５ 故障后，绝缘油中气体含量迅速增加。此时如果不及时更 换处理故障ＣＶＴ，那么，随着运行时间的增长，缺陷将进 一Ｅｓ］李正吾，赵文瑜．新电工手册［Ｍ］．合肥：安徽科学技术出版 社，２０００ 步发展，电容器内气体含量将增加，最终可能导致电容 综上分析，针对该批次产品存在的工艺控制不良的问 ［６］王建华．电气工程师手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８ Ｅ７］蓝之达．供用电工程［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９８ （编辑杨正君） 器爆炸。 （上接第７２页） ［２］陈建洪，凌箐，陈月卿，等．一种新型便携式同步相量测量装 置测试仪［Ｊ］．电网技术，２０１３，增刊１：３２７￣３３０ ５结束语 高性能ＰＭＵ测试仪采用ＧＰＳ秒脉冲作为同步时间基 准，能产生相角具有绝对时标的稳态测试信号或特定时标 下的动态变化信号，并可模拟谐波叠加、低频调制、线性 调制等信号和键相脉冲信号。ＰＭＵ测试仪静态、动态性 能检测试验表明，其性能满足ＧＢ／Ｔ ２６８６２－－２０１ １６电力系 统同步相量测量装置检测规范》。现场的使用情况也表 明，该ＰＭＵ测试仪能对ＰＭＵ的静态、动态性能进行全 面、准确、高效、规范化、标准化的检测。 参考文献 Ｅ３］娄源利，胡敏强．ＰＭＵ测试仪的开发和研究ＥＪ］．工业控制计 算机，２００８，２１（１１）：７９，８０ ［４］赵宗强，潘勇伟，等．便携式同步相量测量装置现场测试仪 口］．电力系统自动化，２００７，３１（２４）：９９￣１０１ Ｅ５］张晓莉，周泽昕，等．同步相量测量装置的测试与评，ｆｇ－［Ｊ］．电 力科学与技术学报，２０１１，２６（２）：３１￣３６ ［６］Ｑ／ＧＤＷ １３１—２００６电力系统实时动态监测系统技术规范 Ｅｓ］ ［７］Ｑ／ＧＤＷ ４１６—２０１Ｏ电力系统同步相量测量装置（ＰＭｕ）测 试技术规范［ｓ］ ［８］ＧＢ／Ｔ ２６８６２－－２０１１电力系统同步相量测量装置检测规范 ［ｓ］ Ｅ９］黄益庄．变电站综合自动化技术ＥＭ］．北京：中国电力出版 社．２０００ Ｅｌｉ昊京涛，谢小荣，王立鼎，等．广域测量系统在电力系统的发 展与展望［Ｊ］．电网技术，２００６，７（３）：４６￣４９ ７４１ ｗｗＷ．ｃｈｉｎａｅｔ．ｎｅｔ ｌ电工技术
