一种基于高精度校准器的相量测量单元PMU静动态测试系统

摘要

本发明公开了一种基于高精度校准器的相量测量单元PMU静动态测试系统，包括信号源，用于根据不同的测试用例，生成相应的测试信号；高精度校准器，用于对信号源生成的测试信号进行采样，并采用非线性回归同步相量算法对采样的测试信号进行计算，得到参考相量；量测相量提取模块，用于采用计算机设备作为相量测量单元PMU主站，向待测PMU发出离线召唤命令，提取并分析得到量测相量信息；分析比较模块，用于将量测相量信息与所述高精度校准器生成的参考相量进行比较，实现对所述待测PMU的静动态测试。从而解决基于高精度信号源的PMU测试系统对信号源要求高、无法对PMU进行现场测试的问题，实现了全面系统的PMU静态及动态测试。

说明书

技术领域

本发明涉及同步相量测量技术领域，尤其涉及一种基于高精度校准器的相量测量单 元PMU静动态测试系统。

背景技术

目前，相量测量单元(PhasorMeasurementUnit，PMU)的应用对电力系统的量测 技术带来了革命性的变革，作为一种量测手段，它受电力系统动态过程及其它诸多因素 影响，PMU量测信息不可避免存在量测误差及动态响应延时等问题。电网中的PMU装置来 自不同的生产厂家，其硬件配置和内部所应用的同步相量算法不尽相同，这使得PMU装置 的量测精度和静动态行为千差万别。为了保证PMU装置能够满足同步相量量测的指标要 求，有必要研发基于高精度校准器的PMU静动态测试系统，以便针对PMU装置的同步相量 量测精度和静动态行为进行全面和严格的测试。

现有技术中的PMU测试系统搭建方案是基于高精度信号源的PMU静动态测试系统。基 于高精度信号源的PMU静动态测试系统对信号源精度要求较高，信号源的DSP、A/D、功 放等部件会产生时延，从而造成信号真正发出的时间与其时标无法完全对应，需对其进 行补偿，此外对于现场运行的PMU装置，其输入是电力系统实时信号，其真值未知，同时 也无法在PMU不退出运行的情况下，利用基于高精度信号源的PMU静动态测试系统对其进 行测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高精度校准器的相量测量单元PMU静动态测试系统，该 系统能够解决基于高精度信号源的PMU测试系统对信号源要求高、无法对PMU进行现场 测试的问题。

一种基于高精度校准器的相量测量单元PMU静动态测试系统，所述测试系统包括信号 源、高精度校准器、量测相量提取模块和分析比较模块，其中：

所述信号源，用于根据不同的测试用例，生成相应的测试信号；

所述高精度校准器，用于对所述信号源生成的测试信号进行采样，并采用非线性回 归同步相量算法对采样的测试信号进行计算，得到参考相量；

所述量测相量提取模块，用于采用计算机设备作为相量测量单元PMU主站，向待测 PMU发出离线召唤命令，提取并分析得到所述待测PMU的量测相量信息；

所述分析比较模块，用于将所得到的待测PMU的量测相量信息与所述高精度校准器 生成的参考相量进行比较，进行误差统计与分析评估，将分析评估结果自动写入文档， 形成完整的测试报告，实现对所述待测PMU的静动态测试。

根据不同的测试用例，生成相应的测试信号，具体包括：

建立测试信号库，其中的幅值扫描测试、频率扫描测试、阶跃测试的信号利用所述 信号源的状态序列模块生成；

谐波影响测试、带外测试、调制测试、频率斜坡测试的信号利用Matlab将信号转化为 Comtrade格式的文件，并利用所述信号源的暂态回放模块生成测试信号。

所述高精度校准器进一步包括：

信号采样模块，用于对所述信号源生成的测试信号进行采样，具体能根据不同的测 试用例对采样率、采样时间以及输出路径进行设置，实现对输入电压信号的采样；

参考相量生成模块，用于根据测试用例及相关参数的设置，采用非线性回归同步相 量算法对采样的测试信号进行计算，得到参考相量。

所述向待测PMU发出离线召唤命令，提取并分析得到所述待测PMU的量测相量信 息，具体包括：

将计算机设备作为PMU主站，向待测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标准格式对该相量离线数据帧进行分析解读，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，得到所述待测PMU的量测相量信息；

然后进行数据格式转换，得到量测结果并储存。

所述将所得到的待测PMU的量测相量信息与所述高精度校准器生成的参考相量进行 比较，进行误差统计与分析评估，具体包括：

将所得到的待测PMU的量测相量信息与所述高精度校准器生成的参考相量进行比 较，得到相量、频率、功率误差及综合矢量误差；

然后进行误差统计与分析评估，评估指标具体包括误差最大值、最小值、中位数、 平均值和标准差，来分别表现所述待测PMU量测误差极值、平均水平及分布情况。

由上述本发明提供的技术方案可知，上述系统能够解决基于高精度信号源的PMU测 试系统对信号源要求高、无法对PMU进行现场测试的问题，实现了全面系统的PMU静态 及动态测试。

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为本发明实施例所提供的基于高精度校准器的相量测量单元PMU静动态测试系统 结构示意图。

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。

本发明实施例所述的PMU静动态测试系统可以实现测试信号发出、参考相量生成、 量测相量提取以及误差分析评估的功能，其中高精度校准器是该测试系统的关键与难 点。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所 提供基于高精度校准器的相量测量单元PMU静动态测试系统结构示意图，所述测试系统主 要包括信号源、高精度校准器、量测相量提取模块和分析比较模块，其中：

所述信号源，用于根据不同的测试用例，生成相应的测试信号。具体实现中，需要 建立测试信号库，其中的幅值扫描测试、频率扫描测试、阶跃测试的信号利用所述信号 源的状态序列模块生成；谐波影响测试、带外测试、调制测试、频率斜坡测试的信号利 用Matlab将信号转化为Comtrade格式的文件，并利用所述信号源的暂态回放模块生成测试 信号。

所述高精度校准器，用于对所述信号源生成的测试信号进行采样，并采用非线性回 归同步相量算法对采样的测试信号进行计算，得到参考相量。具体实现中，该高精度校 准器进一步可包括信号采样模块和参考相量生成模块，其中：

信号采样模块，用于对所述信号源生成的测试信号进行采样，具体能根据不同的测 试用例对采样率、采样时间以及输出路径进行设置，实现对输入电压信号的采样；

参考相量生成模块，用于根据测试用例及相关参数的设置，采用非线性回归同步相 量算法对采样的测试信号进行计算，得到参考相量。

上述高精度校准器采用非线性回归同步相量量测算法，对不同测试信号进行有针对 性建模，拥有非常高的量测精度。

所述量测相量提取模块，用于采用计算机设备作为相量测量单元PMU主站，向待测 PMU发出离线召唤命令，提取并分析得到所述待测PMU的量测相量信息，上述过程具体 为：首先将计算机设备作为PMU主站，向待测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标准格式对该相量离线数据帧进行分析解读，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，得到所述待测PMU的量测相 量信息；然后进行数据格式转换，得到量测结果并储存。

在具体实现中，该测试系统可以分别解读IEEEC37.118及我国《电力系统实时动态监 测系统技术规范》所规定的两种不同存取数据格式的数据。

所述分析比较模块，将所得到的待测PMU的量测相量信息与所述高精度校准器生成 的参考相量进行比较，进行误差统计与分析评估，将分析评估结果自动写入文档，形成 完整的测试报告，实现对所述待测PMU的静动态测试。

具体实现中，该分析比较模块将所得到的待测PMU的量测相量信息与所述高精度校 准器生成的参考相量进行比较，得到相量、频率、功率等误差及综合矢量误差(Total vectorerror，TVE)；然后进行误差统计与分析评估，评估指标具体包括误差最大值、最 小值、中位数、平均值和标准差，来分别表现所述待测PMU量测误差极值、平均水平及 分布情况。

另外，具体实现中，上述高精度校准器可以基于美国国家仪器公司(National Instrument,NI)的NIPXI系列板卡来搭建，实现信号的高精度同步采样；进一步采用非线 性回归同步相量量测算法，对采样信号进行计算，得到参考相量。经测试，基于高精度 校准器的相量测量单元PMU静动态测试系统精度能够满足ANSI/NCSLZ540.3-2006对校准 系统精度的要求。

下面以具体的实例对该高精度校准器的硬件选型及精度进行详细说明，该实例中高 精度校准器基于美国国家仪器公司(NI)的NIPXI系列板卡来实现，其硬件系统主要分为 GPS同步授时模块、电压模拟量采样模块、控制器模块三个部分，另外还包括GPS天线等 附属设备。其中，GPS同步模块用于提供UTC(世界协调时间)同步时标，并实现在UTC 时间整秒处同步触发采样；电压模拟量采集模块进行电压模拟量采集，并将其转化为数 字量以便控制器模块进行计算。

根据ANSI/NCSLZ540.3-2006对校准系统的精度要求以及测试系统搭建时的具体要 求，可得到高精度校准器功能需求，如下表1所示：

表1高精度校准器功能需求

该高精度校准器的型号及基本指标如下表2、表3和表4所示，其中表2中列出控制器 和同步授时板卡基本指标，表3中列出同步采样单元基本指标，表4中列写出其他配件和 板卡的基本指标：

表2控制器和同步授时板卡指标

表3同步采样单元指标

表4其他配件和板卡

进一步的，对上述同步授时板卡和采样板卡的精度进行详细说明：

本实施例的测试系统选择美国国家仪器公司(NI)的NIPXIe-6682H型号GPS同步板卡实 现同步授时功能，NIPXIe-6682H板卡的标称参数如下表5所示：

表5NIPXIe-6682H板卡的标称参数

由上述表5可以看出，NIPXIe-6682H板卡的标称参数满足对高精度校准器的要求。

本实施例的测试系统选择美国国家仪器公司(NI)的NIPXIe-4300型号板卡配套电压衰 减接线盒来实现模拟量采集功能，NI给出了NIPXIe-4300的校准报告，报告显示在10V量 程下采样板卡的误差在0.392mV以内，对应的相对误差：

$\alpha =\frac{0.392mV}{9.98V}=39.28ppm---\left(1\right)$

可以满足高精度校准器的硬件采样精度要求。

进一步的，下面对高精度校准器的软件算法也进行详细说明，该高精度校准器采用 非线性回归同步相量量测算法，该算法基于动态同步相量模型，利用非线性回归方法实 现同步相量计算。由于非线性回归同步相量算法对不同的PMU测试信号采取有针对性的 信号模型，且每个建模参数具有明确的物理意义，从而提高了计算精度。

进一步的，下面再对该PMU静动态测试系统进行校验，以便对该测试系统的整体性 能进行评估：

以频率偏移影响测试、带外测试、幅值相角同时调制测试、频率斜坡测试为例，利 用基于高精度信号源的PMU静动态测试系统对基于高精度校准器的PMU静动态测试系统 进行校验。其中以A相电压结果为例，校验结果如下表6所示：

表6校准结果统计表

从上述表6的结果可以看出，基于高精度校准器的PMU静动态测试系统其相量量测精 度可以满足国家电网企标《电力系统实时动态监测系统技术规范》的要求，并普遍可高 出一个数量级以上。由此可见，本发明实施例所述的PMU静动态测试系统精度能够满足 ANSI/NCSLZ540.3-2006对校准系统精度的要求。

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)该测试系统对信号源没有过高的要求，可与待测PMU同时对输入信号进行采样， 并进行相量计算，生成相量参考值；

2)测试系统中的高精度校准器可基于美国国家仪器公司(NI)的NIPXI系列板卡实 现，采用非线性回归同步相量算法，对不同的PMU测试信号采取有针对性的信号模型， 且每个建模参数具有明确的物理意义，提高了计算精度；

3)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，并得到相量数据；

4)该测试系统操作方便，提高了测试效率。

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。