Phasor Measurement Unit (PMU)

Phasor Measurement Unit (PMU)

Phasor Measurement Units (PMUs) mit den gemessenen Zeigern (Synchrophasor) leisten einen wertvollen Beitrag zur dynamischen Überwachung transienter Vorgänge in Energieversorgungsnetzen.

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Eigenschaften & Funktionen

Phasor Measurement Unit (PMU)

Features

Mit Phasor Measurement Units (PMUs) wird an ausgewählten Stationen des Übertragungsnetzes eine Messung von Strom und Spannung nach Betrag und Phase vorgenommen. Durch die hochgenaue Zeitsynchronisierung (über GPS) können die Messwerte (Synchrophasor) aus verschiedenen, weit voneinander entfernten Unterstationen miteinander verglichen werden und aus den Phasenwinkeln und dynamischen Verläufen Rückschlüsse auf den Systemzustand und dynamische Ereignisse wie Leistungspendelungen gezogen werden.

 

Alle SIPROTEC 5 Geräte unterstützen die PMU-Funktionalität. Wird die Option “Phasor Measurement Unit“ gewählt, so ermitteln die Geräte Strom- und Spannungszeiger, versehen diese mit hochgenauen Zeitstempeln und senden sie zusammen mit weiteren Messwerten (Frequenz, Frequenzänderungsgeschwindigkeit) über das Kommunikationsprotokoll IEEE C37.118 an eine Auswertestation. Mit Hilfe der Synchrophasoren und des Auswerteprogrammes SIGUARD PDP können Netzpendelungen automatisch erkannt und Alarme in der Leitstelle ausgelöst werden.

 

SIGUARD PDP (Phasor Data Processor) ist ein System zur Netzüberwachung (Grid Monitoring, Wide Area Monitoring), das als Messgrößen Zeiger (Synchrophasor) aus Phasor Measurement Units als Messwertgeber nutzt. Es hilft die aktuelle Netzsituation schnell zu erkennen und stellt Pendelungen und Ausgleichsvorgänge ohne Verzögerung transparent dar. Eine Abbildung der jeweiligen Netztopologie ist dazu nicht erforderlich. Das Tool unterstützt das Leitstellenpersonal bei der Beurteilung kritischer Netzsituationen und trägt dazu bei, passende Maßnahmen zu ergreifen. Da sämtliche Messergebnisse gespeichert werden, lassen sich Netzstörungen in kürzester Zeit analysieren.

Phasor Measurement (PMU) mit SIPROTEC 5

PMU - Funktionsübersicht 
Eine Phasor Measurement Unit (PMU) misst die Zeigerwerte von Strom und Spannung. Diese werden mit einem hochgenauen Zeitstempel versehen und zusammen mit den ebenfalls zeitgestempelten Werten von Netzfrequenz, Netzfrequenz-Änderungsgeschwindigkeit und optionalen Binärinformationen an eine zentrale Auswertestation gesendet. Dazu wird das standardisierte Übertragungsprotokoll IEEE C37.118 verwendet.

Struktur der Funktionsgruppe

Die Funktionsgruppe PMU wird aktiviert, indem Sie auf einem Ethernet-Modul (elektrisch oder optisch) das Protokoll IEEE C37.118PMU auswählen. Die PMU erhält Messwerte von den Messstellen sowie die genaue Uhrzeit von der Zeitsynchronisation. Daraus werden zeitgestempelte Synchrozeiger für Strom und Spannung gebildet und zusammen mit weiteren Werten über die Kommunikationsmodule an einen Server (PDC, Phasor Data Concentrator) übermittelt.

PMU-Funktionsbeschreibung 
Die von der PMU in einem kontinuierlichen Datenstrom an einen PDC gesendeten Synchrozeiger sind mit Zeitstempeln versehen und damit vergleichbar mit den Messwerten anderer PMUs. Auch Netzfrequenz, Netzfrequenz-Änderungsgeschwindigkeit und optionalen Binärinformationen werden als zeitgestempelte Messwerte gesendet. Damit erhalten Sie einen Überblick über die transienten Vorgänge in einem verteilten Energieübertragungssystem, z.B. Netzpendelungen und Ausgleichsvorgänge. 

Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede zwischen den PMU-Messwerten und den restlichen Messwerten des Gerätes.

Tabelle: Vergleich von Synchrozeigern und konventionellen Messwerte
Synchrozeiger von der PMU
Messwerte aus den Messstellen
Kontinuierliches Update (Messwert-Strom) mit z.B. 10 Werten pro Sekunde (reporting rate)
Langsame Aktualisierung (typisch alle 5 Sekunden)
Jeder Messwert hat einen Zeitstempel
Kein Zeitstempel für die Messwerte
Zeigerwerte von Strom und Spannung
Effektivwerte ohne Phasenwinkel

Das folgende Bild zeigt den Aufbau eines solchen Wide Area Monitoring-Systems. Die von den PMUs an den PDC gelieferten Daten werden über das Inter-Control Center Communications Protocol (ICCP) nach DIN EN 60870-6 an die Leitstelle übertragen.

 

Die Phasor Measurement Units verfügen über je 2 Kommunikationsschnittstellen: Ein Ethernet-Modul zur Synchrozeiger-Kommunikation über IEEE C37.118 und ein weiteres Modul zur Kommunikation zur Stationsleittechnik, z.B. über das IEC 61850-Protokoll.

Das zentrale Auswertesystem, z.B. SIGUARD PDP Phasor Data Processor, nimmt die Daten entgegen, archiviert sie und stellt sie auf einer Benutzeroberfläche grafisch dar. In diesem System kann auch eine automatische Überwachung z.B. auf ungedämpfte Pendelungen stattfinden. Auch die Weiterverteilung von Informationen an andere PDCs oder an eine Leitstelle findet hier statt. 

Für die Einhaltung des im Standard IEEE C37.118 geforderten maximalen Fehlers (TVE) darf die Zeittoleranz bezogen auf die UTC-Zeitreferenz (UTC = Universal Time Coordinated) maximal 10 μs betragen. Daher muss das Gerät für die korrekte Funktion der PMU mit einem GPS-genauen Zeitsignal direkt synchronisiert werden.

Phasoren 

Ein Phasor u(t) = Ue jωt lässt sich als Zeiger darstellen, der sich in der komplexen Ebene mit der Kreisfrequenz ω entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Die Funktion der Spannung u(t) = Re{u(t)} ergibt sich daraus als Projektion des Phasors u(t) auf die reelle Achse.

Bezugspunkt für Winkelbestimmung 

Die Bestimmung des Phasenwinkels eines Messsignals X m erfolgt relativ zu einer Kosinus-Funktion mit Nennfrequenz, die mit der UTC-Zeitreferenz synchronisiert ist.

 

Die Anzahl der Phasoren, die pro Sekunde übertragen werden, ist parametrierbar. Die Übertragungsrate ist als Reporting Rate nach IEEE C37.118 definiert. Die Reporting Rate legt die Anzahl der Phasoren fest, die pro Sekunde übertragen werden. Um Phasoren verschiedener Standorte vergleichen zu können, ist für die Durchführung der Phasorenmessung eine hochpräzise Zeitsynchronisation via GPS erforderlich.

Reporting Rate
Mit der parametrierbaren Reporting Rate legen Sie die Anzahl der Telegramme fest, die pro Sekunde gebildet und zum PDC übertragen werden. Sie ist abhängig von der Nennfrequenz einstellbar und gilt für alle Ströme und Spannungen der betreffenden Funktionsgruppe PMU. Wenn Sie mehrere Funktionsgruppen PMU im Gerät angelegen, dann können diese mit verschiedenen Reporting Rates arbeiten.

Total Vector Error (TVE)

Der TVE beschreibt den Fehler zwischen dem tatsächlichen und dem gemessenen Wert des Eingangssignals. Der Synchrophasor-Standard IEEE 37.118 legt unter anderem den oberen Grenzwert von 120 % UN bzw. 200 % IN fest. Bis zu diesem Grenzwert darf der TVE von 1 % bei stationären Signalen nicht überschritten werden. Der Standard gibt die 2 Performanzklassen Klasse P und Klasse M vor, in denen sich die Einflussgrößen bewegen dürfen und der TVE von ≤1 % einzuhalten ist. Die SIPROTEC 5-Geräte unterstützen Klasse P und Klasse M, die die folgende Einflussgrößen für einen TVE von 1 % festlegt:

Die SIPROTEC 5-Geräte unterstützen Klasse P und Klasse M, die die folgende Einflussgrößen für einen TVE von 1 % festlegt:

  • Signalfrequenz (bezogen auf fN)

  • Signalgröße (bezogen auf 100 % Nenngröße) für Spannung und Strom

  • Phasenwinkel (bezogen auf 0°)

  • Harmonische Verzerrungen (bezogen auf <0,2 % (THD) bis zur 50. Harmonischen

Das folgende Bild veranschaulicht grafisch den Total Vector Error. Neben der Amplitude geht in den TVE auch der Winkelfehler mit ein.

Größen, die den TVE beeinflussen, sind:

  • Amplitudenfehler

  • Phasenfehler

  • Genauigkeit der Synchronisation (Abweichung von der UTC)

Die Genauigkeit der Synchronisation wird durch einen GPS-Zeitgeber und die exakte Korrektur der Laufzeitverzögerung innerhalb des GPS-Empfangsmoduls sowie durch die optimale Aufstellung der GPS-Antenne beeinflusst. 

 

Übertragene Daten
Folgende Daten werden von der PMU zum PDC übertragen:

  • Strom- und Spannungsphasoren

  • Frequenz

  • Änderungsrate der Frequenz

  • Binärinformationen

Die von einer Funktionsgruppe PMU übertragenen Strom- und Spannungskanäle werden über den Funktionsgruppenverbindungen-Editor in DIGSI 5 ausgewählt. Die Frequenz und die Frequenzänderungsgeschwindigkeit werden pro PMU einmal ermittelt. Dabei werden nur die Strom- und Spannungskanäle berücksichtigt, die über den Funktionsgruppenverbindungen-Editor für diese PMU ausgewählt wurden. Die Binärinformationen können Sie in der Informationsrangierungsmatrix von DIGSI 5 rangieren. 

Die Auswahl des Kanals, der für die Frequenzbestimmung verwendet wird, findet während der Gerätelaufzeit dynamisch statt. Jeder Kanal wird in der folgenden Reihenfolge auf das Vorhandensein eines Signals geprüft:

  1. 3-phasige Spannungsmessstellen

  2. 1-phasige Spannungsmessstellen

  3. 3-phasige Strommessstellen

  4. 1-phasige Strommessstellen

Die 1. gefundene Messstelle mit gültigem Signal wird für die Frequenzbestimmung in der Funktionsgruppe PMU verwendet. 

Bei 3-phasigen Messstellen ist anstelle von 3 einzelnen Synchrophasoren auch die Übertragung des Mitsystems möglich. 

PMU-Kommunikation (IEEE C37.118)
Die PMU-Kommunikation nach dem Standard IEEE C37.118 ist eine Client-Server-Kommunikation, bei der der PDC (Phasor Data Concentrator) als Client und die PMU als Server arbeitet. Nach erfolgreicher Verbindung eines PDCs mit der Geräte-PMU und Abfrage der PMU-Konfigurationsdaten startet der PDC über einen Einschaltbefehl an die PMU die Übertragung der Synchrophasor-Daten. Neben den Phasoren werden die Kanalnamen der rangierten Messstellen und die Binärinformationen mit übertragen. Diese werden standardmäßig von der jeweiligen PMU-Funktionsgruppe selbst generiert. Sie können die Kanalnamen der Messstellen bei Bedarf aber auch editieren und hierfür eigene Bezeichnungen vergeben.

SIPROTEC 5

Die PMU Funktionalität wird vom SIPROTEC 5-System unterstützt. Finden Sie das passende Gerät für Ihre Anwendung.