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同步相量测量和应用实验室
- 同步相量测量系统
A.相量的定义和标准
同步相量测量技术或同步相量测量由Arun Phadke和James S.Thorp于1983年首次提出。 关于相量测量的第一个标准，IEEE 1344标准的同步相量于1995年引入，并于2001年重申。在2005年，它被IEEE C37.118-2005 所取代，这是一个完整的修订， 关于在电力系统中使用PMU的问题。 同步相量标准的最新版本包括两部分：IEEE C37.118.1-2011和IEEE C37.118.2-2011分别应用于测量和通信方面。
为了引入同步相量的概念，考虑（1）中的正弦波形x（t）：
(1)
其中x是幅度，w = 2пf是角频率,ɸ是正弦波形的相位角。信号x（t）可以以相量的形式表示为：
(2)
其中幅值 是波形的rms值，下标r和i表示矩形分量中的复数值的实部和虚部。该值取决于时间标度的原点，其中t = 0。值得注意的是，这个相量是为角频率定义的，与相同网络相关的其他相量的评估必须针对相同的时间基准和频率进行[9]。 根据IEEE标准C37.118.1 [9]，（1）中的信号x（t）的同步相量表示是在（2）中的X的值，其中是相对于在标称系统频率同步的基准余弦函数的相对于世界协调时间（UTC）的瞬时相位角，如图1所示。
同步相量在系统标称频率f0处定义，因此，如果电力系统在非标称频率f0 Delta;f下操作，则其将被反映为相位角的连续变化，并且同步相量将看起来以一定的速度 与Delta;f成比例。 一般的时变同步相量可以表示为：
（3）
将时间标签附加到每个同步相量测量，以促进在不同位置进行的测量的时间对准。同步相量计算由相量测量单元（PMU）执行，相量测量单元获得从GPS卫星时钟同步采样和时间戳所需的UTC时间。 GPS时钟的基本时间同步精度在plusmn;0.2mu;s[7]的范围内。时间标记的同步相位体以在同步相量标准中定义的标准报告率之一报告。在IEEE C37.118.1-2011中定义的以帧每秒（fps）为单位的报告速率在表I中给出。除了同步相量之外，PMU还测量和报告系统频率和频率变化率（ROCOF）。IEEE标准C37.118.1-2011定义了在总向量误差（TVE）方面在电力系统中期望的各种稳态和动态条件下的所需精度，并且提供测试程序以建立测量设备的精度。
B.同步相量测量系统
图2展示了同步相量测量系统的一般结构，其由PMU，通信网络，一个或多个相量数据集中器（PDC）和诸如应用服务器和数据库的辅助系统组成。 PMU通常位于电力系统的不同变电站中。同步相量网络中的PDC以分层方式排列，并且分成为本地，中央和超级PDC。本地PDC位于子站的PMU附近。它们收集，时间对齐并将同步相量数据从本地PMU发送到更高级别的PDC。中央PDC通常位于系统控制室，并从本地PDC或多个PMU接收数据。超级PDC是区域PDC，其通过多个PDC从几百个PMU接收数据。PDC可以为广域监控应用提供时间对齐的数据。数据可以存储在每个级别，然而中央和超级PDC更可能存储数据，因为它们集中大量的信息。
同步相量通过通信网络传递。由于可靠性和安全原因，大多数公用设施使用公司光纤作为通信系统的主干。诸如TCP / IP或UDP / IP的协议在实践中经常用于发送同步相量数据，尽管这些标准没有规定特定的通信介质或协议。
C.同步相量的应用
有许多潜在的应用同步相量器技术。表II给出了可能应用的一般分类，并给出了每个类别的一些示例应用。虽然有许多可能的应用，但只有少数应用，主要是监视应用，已经在实际电力系统上实现。正在通过研究开发使用同步相量器的新的监测和控制应用。
实验室设置的核心要素是模拟电力系统的RTDS实时数字模拟器[11]。 其他元件包括两个PMU，GPS时钟，PDC和几个应用程序。 实验室开发的实验网络的基本结构如图所示。实验室设置的主要组成部分是：
电力系统：在RTDS实时模拟器中模拟的电力系统用于产生电压和电流信号。 RTDS模拟器可以产生可传递到PMU的低电平模拟信号。
卫星时钟：带有天线的SEL-2407同步卫星时钟[12]用于产生时间参考信号。 在该同步相量网络中，仅使用单个卫星时钟，因为所有组件物理上位于相同的位置。 时间基准通过其IRIG-B输出通道提供给PMU。
PMU：具有PMU功能的两个SEL-421继电器用作PMU。它们通过模拟输出从RTDS中模拟的电力系统网络中收集信息，使用IEEE C37.118-2005同步相量协议计算同步相量，添加时间戳和流实时数据。
数据网络：实验室同步相量网络使用TCP / IP网络进行数据传输。 Ruggedcom RSG2288交换机用于设置通信网络。 100 Mbps通信链路通过与RTDS模拟器和实验室中的其他计算机共享的网络交换机连接。
PDC：运行SEL-5073同步相量数据集中器软件[13]的PC负责收集来自不同PMU的同步相量信息的功能，根据时间戳对齐数据以及使用同步相量协议将整理的测量发送到应用程序100 Mbps数据网络。
应用程序：这些是使用同步相量测量的程序。实验室设置中的三个应用包括SEL-5078-2同步中心数据可视化程序，以及内部开发的实时传输线参数估计和故障定位应用。PMU连接测试程序用作测试和故障排除的实用程序。
在实时数字模拟器中模拟的简单电力系统如图4所示。特意选择非常简单的电力系统用于示范目的，因为这将有助于集中于同步相量测量方面，仍然能够展示少量有用的应用而不受复杂性的抑制。
图4 电力系统RTDS仿真模拟
来自RTDS模拟器的适当缩放的低电平模拟输出通过位于继电器内部的接口直接连接到SEL-421继电器，避免使用电流和电压放大器。这简化了实验设置。
在此设置中使用的SEL-5073 PDC软件[31]可以以每秒1-240个消息的速率连接多达500个PMU或其他PDC。它可以支持6个独立的输出。输出，输入和归档可以在不中断现有配置的情况下完成。该软件允许使用串行或以太网通信根据IEEE C37.118同步标准标准读取输入，以太网用于根据上述标准发送同步相量数据。可以通过PDC Assistant实用程序为每个输出单独选择消息速率和相量。如果需要，可以连续地或针对特定事件存档数据。PDC可以配置为使用输入同步相量数据进行有限的计算集合，例如有功和无功功率，序列分量和代数计算。这些结果可以并入到其他PDC或应用程序的输出。
用于理解反射和串扰的教育工具
摘要：在印刷电路板（PCB）上，公共信号完整性（SI）问题通常由反射和串扰产生。如今，高时钟频率和通信吞吐量增加了产生电磁干扰的机会。在这些情况下，有必要帮助年轻学生了解这两种现象如何影响信号的传播。这个任务并不容易，因为这两个现象与电磁场线有关，并且取决于许多物理参数（例如迹线长度，阻抗）和电参数（例如驱动器输出阻抗，上升/下降时间）。为了方便教学过程，MatLab开发了一个软件工具。MatLab环境允许根据简化的方程式从分析方法描述两个SI干扰。还实现了复杂方程，以便准确地呈现在理解基础之后的两个扰动的影响。
1.介绍
通常在向学生解释信号是如何通过传输线来传播的时候，都会使用一种专业的软件。通过这样做，我们注意到仅仅少数学生理解了信号是怎样沿传输线传送的。不能够很好的理解这种复杂的现象，学生们也就不能在复杂的系统中去分析信号完整性问题。第二个缺点是不能理解振铃现象在传输线上出现的原因，大多数学生不能组织他们设计中的SI问题的产生。产生这种情况的原因是如何开发SI软件。 通常这样的程序旨在帮助有经验的工程师在复杂系统中识别问题可能出现在哪里。创建SI软件的想法是具有尽可能多的功能和工具，来帮助SI工程师分析问题。 然而，这些工具中的每一个在窗口中绘制在传输线的输入和输出处的最终波形，而学生们不理解它是什么原因导致的。
多年来，教育工具被开发来帮助学生理解信号如何传播。 即使结果是动画的，显示波如何来回传播，仍然可能在理解发生器，入射和反射波形如何彼此相互作用而产生振铃效应方面存在一些困难。 为了向学生呈现在时间和空间上产生的波形之间的相互作用，我们选择格子图作为第一实现。 在本文中，还实施了描述电磁波沿着轨迹的传播的n部分LC模型。
用于实现软件工具的公式在很多书和文章中都有过描述。而我们的方法新就新在我们让学生控制扫描时间步长，以观察这个参数如何影响计算时间和精度。 我们为他们提供一个适当扫描时间步长，但他们可以有自己最终的决定。 我们之所以这样做，是因为扫描时间步长对所获得的信号有影响，因为从示波器的采样已经超过了从真实设计获取的信号。 我们进一步开展了不同的传输信号对示波器波形产生影响的实验。
本文组织如下。 第2节提出了开发用于分析传输线上的串扰和信号传播的教育工具的其它方法。 第3节描述了软件工具界面，以及如何便于向学生传授与传输线和串扰相关的SI问题。 本文最后得出结论，提出了未来软件工具开发的计划。
2.相关的工作
在[1]和[2]中，提出了一种模拟信号通过传输线的耦合和传播的软件工具。软件接口允许学生控制信号参数，传输线参数和耦合特性。然而，在这两篇论文中，使用LC单元网络的n个部分来描述信号传播。实际上，该方法在描述信号如何通过电磁波形的传播在真实轨迹中传播时更加接近，但是难以使学生理解反射如何出现。
为了解决这个缺点，我们使用基于格子表示法的来解释[3]。该方法允许使用分析计算来获得传播通过传输线的每个波形。所提出的软件工具输出与反射波形相对应的数据阵列。这样，学生可以在Excel中分析任意时间点的数据，更好地了解信号传输过程中发生的情况。他们可以使用导出的数据进行任何类型的绘图，并查看其中的异同点。
通常使用n型LC单元网络并添加互感和电容来描述耦合效应来对耦合迹线进行建模。然而，通过这样做，学生不能分析作为电磁场线之间的相互作用的结果而出现的传播模式。为了解决以前的情况，在软件工具中实现了单线等效模型（SLEM）。这允许描述基于奇模式和偶模式的信号的传播。 SLEM技术帮助学生理解两种传播模式如何影响发送的信息。
学生还可以选择传输线的LC单元描述，但目的是观察实际信号的波形，并分析范围对测量信号的影响。
- 软件工具的描述
3.1模拟传输线
如第2节所述，通过传输线的信号传播使用两种方法描述：网格图和n段LC网络。
无论使用何种技术来模拟从源到负载的信号传播，学生都可以完全控制信号和传输线路属性的配置。 用户还会收到软件提示以设置扫描步长时间的适当值（由信号采样率配置）。 我们允许学生配置此参数，以便了解该参数多小的误差也将导致有关波形传播产生多大的错误。
与其他教育软件相比，学生不仅可以观察到最终波形，还可以观察两端的反射波形（对于五个传播时间延迟的时域）。通过这种技术，学生可以观察在传输线末端形成信号的怎样一个波形。
动画不仅是针对波形实现的，而且还用在呈现分析数值结果时。学生可以暂停动画，以观察有多少反射干扰，以获得传输线末端的信号。除了在模拟期间呈现的数值结果之外，教育工具还将波形信号输出到excel文件中。通过这样做，学生可以更好地了解上升/下降时间的值如何影响振铃效应。
即使网格图允许在涉及信号传播时的简单模拟，然而结果并不是非常准确。这种类型的模型不能完全分析电磁波如何传播。这种不方便的解决方案是n节LC单元网络模型。这种类型的模拟模型取决于单元格数量，以便设置模型带宽。类似于以前的仿真模型，学生仍然能够通过设置使用的LC单元的数量来控制结果的准确性。
学生应该在使用格子模型正确理解传播现象之后能进行这样的分析。与之前的结果相比，LC模型引入了由高频出现的寄生电容和电感引起的振铃效应。除了振铃效应，该模型说明了传输线对下降/上升时间值的影响。
与其他教育软件相比，我们还实现了信号在示波器上的显示。示波器和测量探头具有有限的带宽，这会影响示波器显示屏上如何显示测量的信号。这个功能对学生非常有帮助，因为这教给他们如何在设置测量测试设置时选择示波器和探头。
该软件允许设置探头属性，还可以设置示波器带宽和采样频率。这两个参数在测量高速信号时同样重要。小的带宽不允许观察高的上升/下降时间值，并且小的采样率无法很好地观察在上升/下降时间期间发生的情况。
教育工具尚未纳入由驱动器输出和接收器输入特性引起的非线性效应。目前，该工具尝试覆盖在传输线上发送信号时出现的基本现象。通过在传输的信号上呈现测量设备的影响，学生可能会遇到出现在默认设置中的问题。
3.2仿真耦合迹线
如本文前面所述，串扰也可以通过两种方法建模。第一种方法的优点是提供出现在耦合迹线之间的基本现象，说明近端和远端串扰如何出现。该方法的第二个优点在于向学生呈现无论有多少迹线被耦合都会出现的两种传播模式。在这两个特殊状态下，学生可以观察电磁场线的相互作用如何影响传输的信号。通过这种类型的仿真，学生可以观察串扰如何影响电气特性。该工具有助于向学生展示作为阻抗的函数的串扰[4]。<!--
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