同步移相器的时间同步要求

IEEE电力系统同步测量标准(IEEE C37.118.1 -2011)建议,电力系统中的相位测量设备应与UTC同步到1μs以内。 这对处理50或60赫兹低频的电压和电流的系统来说,是相当严格的时间要求。 那么,这1μs是怎么来的呢?让我们花5分钟以内的时间来解答这个问题。

在屋顶安装太阳能电池板提供电力

电网运营商负责的电网已经变得越来越复杂。很久以前,电力是通过燃烧化石燃料或核反应堆产生的,这些燃料或核反应堆在大型发电厂中以恒定的速率发电。大部分电力消耗在白炽灯上,白炽灯的优点是看起来像一个简单的电阻器。现在越来越多的电力是由太阳能电池板和风车产生的,这两者的输出都具有很强的时间依赖性,可以是大型设备,也可以是个人家庭或企业。此外,越来越多的电能被消耗在储能设备中,储能设备的阻抗有很大的无功分量。没错,我说的是我们“现在一天”充电的所有电池。手机电池,笔记本电脑电池,甚至汽车电池!

正在充电的汽车

为了有效监测和控制日益复杂的电网,电网运营商正在整个电网中增加更多的同步测量能力。 这些是对整个电网的电压和电流的时间标记测量。 运营商可以监测由于无功负荷引起的电压和电流之间的关系,比较可能连接在一起的两个电压的相位,以便将电力从电网的一个部分转移到另一个部分,或监测信号的谐波内容。 通常重要的数据是由一个以上的相位测量单元或PMU汇总而成。 这些PMU需要同步,以便数据可以直接在时间上进行比较。 但如何确保测量准确? 这让我们回到了IEEE C37.118.1标准。

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同步移相器的测量能力通常与其他电力设备(如保护继电器)集成

考虑测量一个正弦波电压,V = Vm cos(φ(t))。 这里φ(t)是瞬时相位,即2πf0t+φo,其中f0是线路频率,φo是t=0时的相位。正如你所记得的,这个电压可以用相位来表示,实部Vr=Vm cos(φ(t)),虚部Vi=Vm sin(φ(t)) 。如果PMU的时基偏离Δt,那么就会出现ε=2πf0Δt的相位误差。 IEEE C37.118.1标准定义了一个指标总矢量误差(TVE)来量化我们的测量所受到的损害。

TVE2 = {[(Vr(meas)-Vr]+ [(Vi(meas)-Vi]2}/{Vr+ Vi2}

其中:

Vr(meas) = Vm cos(φ(t) +ε)

Vi(meas) = Vm sin(φ(t) +ε)

如果你把Vr、Vi、Vr(Meas)和Vi(Meas)的公式加进去,你就可以把它简化为:

TVE2=2[1-cos(ε)]

如果你对学习三角函数的光辉岁月感到怀念,或者你觉得无聊得要命,强烈建议你自己验证一下。

在时基误差与16.67或20ms的线路电压周期相比较小的情况下,我们可以进一步简化。用泰勒级数计算:

TVE≅ε

IEEE标准建议将总的矢量误差保持在1%以下。这相当于60赫兹的时间误差为±26μs,50赫兹为±31μs。 如果你保持在这些时间误差以下,你就可以把定时对TVE的贡献控制在1%的目标之内。 在测量系统中也可能存在其他误差。 为了确保计时不占用大量的误差预算,IEEE建议计时精度为1μs,远远低于我们刚才计算的阈值。 所以使用IEEE 1588是现实的。