PMU چیست؟ مقاله واحد اندازه‌گیری فازور

PMU – واحد اندازه‌گیری فازور چیست؟

یک واحد اندازه گیری فازور (PMU) یک دستگاه است که امواج الکتریکی را در یک شبکه برق با استفاده از یک منبع زمان مشترک برای هماهنگ سازی اندازه گیری می کند. هماهنگ سازی زمان اجازه می دهد تا هم زمان زمان سنج اندازه گیری از نقاط اندازه گیری از راه دور در شبکه. اندازه گیری در نتیجه به عنوان synchrophasor شناخته شده است. PMU ها یکی از مهمترین ابزار اندازه گیری در آینده سیستم های قدرت هستند. PMU می تواند یک دستگاه اختصاصی باشد، یا عملکرد PMU را می توان به یک رله حفاظتی یا دستگاه دیگر متصل کرد.

تاریخچه PMU – واحد اندازه‌گیری فازور
در سال 1893، Charles Proteus Steinmetz مقاله ای در مورد توصیف ساده ریاضی شکل موج جریان برق متناوب ارائه کرد. Steinmetz نماینده خود را یک فازور نامید. با اختراع واحدهای اندازه گیری فازور (PMU) در سال 1988 توسط دکتر آرن جی. فیدک و دکتر جیمز ثورپ در ویرجینیا تکنیک، روش استینمث از محاسبه فازور به محاسبه اندازه گیری های فازور زمان واقعی متصل شد که هماهنگ با مطلق مرجع زمان ارائه شده توسط سیستم موقعیت یابی جهانی. بنابراین ما به اندازه گیری فازور همگام به عنوان synchrophasors اشاره می کنیم. نمونه اولیه اولیه PMU در ویرجینیا فنا ساخته شد و Macrodine نخستین PMU (مدل 1690) را در سال 1992 ساخت. با رشد منابع انرژی به طور فزاینده تر انرژی در شبکه برق، سیستم های مشاهده و کنترل بیشتر برای نظارت بر جریان برق مورد نیاز خواهد بود. از لحاظ تاریخی، قدرت از طریق اجزای غیرفعال به مشتریان به طور یک جانبه تحویل داده شده است. با یک شبکه به طور فزاینده ای پیچیده تر از تولید و بار، ضروری است که شرایط الکتریکی شبکه های انتقال و توزیع به طور مداوم با استفاده از تکنولوژی سنسور پیشرفته – PMU ها و uPMU ها مشاهده شود.

به عبارت ساده، شبکه برق عمومی که یک شرکت برق کار می کند، در ابتدا طراحی شده بود تا قدرت را از یک منبع واحد به دست آورد: ژنراتور و نیروگاه های عامل شرکت، و آن را به شبکه، که در آن مشتریان قدرت را مصرف می کنند. در حال حاضر، برخی از مشتریان دستگاه های تولید برق (پانل های خورشیدی، آسیاب های بادی، و غیره) را مدیریت می کنند و برای صرفه جویی در هزینه ها (یا تولید درآمد) نیز قدرت را به شبکه می فرستند. به عنوان ابزار قدرت الکتریکی طبق قانون مورد نیاز برای خرید قدرت تولید شده توسط مشتریان، این ابزار می خواهد مطمئن شود که این به شبکه آسیب نمی رساند. شبکه باید در حال حاضر اندازه گیری و کنترل شود تا اطمینان حاصل شود که قدرت رفتن به شبکه از منابع دیگر از کیفیت و استانداردهای مشابهی است که تجهیزات مشتری از آن انتظار می رود یا اگر این کار انجام نشده است، همانطور که راب لاندلی ، “لامپ های مردم شروع به انفجار”. این عملکرد اندازه گیری چیزی است که این دستگاه ها انجام می دهند.

عملیات PMU – واحد اندازه‌گیری فازور
یک PMU می تواند موج های 50/60 هرتز AC (ولتاژ و جریان) را با سرعت 48 نمونه در هر چرخه اندازه گیری کند. شکل موج آنالوگ توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال برای هر فاز دیجیتالی می شود. نوسانگر فاز قفل شده همراه با یک منبع مرجع موقعیت یابی جهانی (GPS)، نمونه ی هماهنگ یابی با سرعت بالا را با دقت 1 میکرو ثانیه ای فراهم می کند. با این حال، PMU ها می توانند در زمان های مختلفی از جمله منابع غیر جیپیسی به کار خود ادامه دهند تا زمانی که همه آنها کالیبراسیون شده و همزمان کار کنند. فازورهای زمان بندی شده به دست آمده می توانند به یک گیرنده محلی یا از راه دور با سرعت 120 نمونه در هر ثانیه ارسال شوند. از لحاظ تاریخی، تعداد کمی از PMU ها برای نظارت بر خطوط انتقال با خطاهای قابل قبول حدود 1٪ مورد استفاده قرار گرفته اند. این دستگاه ها به اندازه کافی بزرگتر بود تا از وقوع خاموش شدن فاجعه بار جلوگیری شود. در حال حاضر، با اختراع تکنولوژی phasor micro-synchronous، بسیاری از آنها مورد نظر در شبکه های توزیع نصب می شوند که قدرت را با دقت بسیار بالا کنترل می کنند. این سطح بالایی از دقت ایجاد می کند که به شدت بهبود دید سیستم و اجرای استراتژی های هوشمند و پیشگیرانه کنترل است. دیگر PMU ها فقط در ایستگاه های فرعی مورد نیاز نیستند، اما در چندین نقطه از شبکه شامل ترانسفورماتورهای شیر تغییر، بارهای پیچیده و اتوبوس های تولید PV مورد نیاز است.

نمای کلی فنی PMU – واحد اندازه‌گیری فازور
فازور یک عدد پیچیده است که نشان دهنده اندازه و زاویه فاز امواج سینوسی در برق است. اندازه گیری های فازور که در همان زمان اتفاق می افتد، “synchrophasors” نامیده می شود. در حالی که اصطلاح “PMU” و “synchrophasor” به طور متناوب استفاده می شوند، در واقع دو معیار فنی جداگانه را نشان می دهند. Synchrophasor مقدار اندازه گیری شده است در حالی که PMU دستگاه اندازه گیری است. در برنامه های معمول، واحدهای اندازه گیری phasor از نقاط پراکنده در شبکه برق قدرت گرفته شده و از منبع زمان مشترک یک ساعت رادیویی سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) هماهنگ شده اند. تکنولوژی Synchrophasor ابزار برای اپراتورها و برنامه ریزان سیستم را برای اندازه گیری وضعیت سیستم الکتریکی و مدیریت کیفیت برق فراهم می کند.

PMU اندازه گیری ولتاژ و جریان در مکان های تقاطع اصلی (ایستگاه های انتقالی) بر روی یک شبکه برق و می تواند ولتاژ زمان دقیق و phasors فعلی را به سرعت تولید کند. از آنجا که این phasors واقعا هماهنگ هستند، مقایسه هماهنگ دو مقدار در زمان واقعی امکان پذیر است. این مقایسه ها می توانند برای ارزیابی شرایط سیستم استفاده شوند مانند: تغییرات فرکانس، MW، MVARs، kVolts، و غیره [نیاز به توضیح لازم است] نقاط نظارت شده از طریق مطالعات مختلف به منظور اندازه گیری زاویه بسیار دقیق فاز برای نشان دادن تغییر در ثبات سیستم (شبکه) پیش از انتخاب قرار می گیرند. داده های Phasor در محل یا در مکان های متمرکز با استفاده از تکنولوژی های فازدار Data Concentrator جمع آوری می شوند. سپس داده ها به یک سیستم نظارت منطقوی منتقل می شوند که توسط سیستم مستقل سیستم محلی (ISO) نگهداری می شود. این ایزو داده های Phasor را از PMU های مختلف یا از 150 واحد PMU نظارت می کند – این نظارت ابزار دقیق ایجاد کنترل برای جریان قدرت از منابع تولید انرژی چندگانه (هسته ای، زغال سنگ، باد و غیره) را فراهم می کند.

این تکنولوژی توانایی تغییر اقتصاد در تحویل قدرت با افزایش جریان برق بیش از خطوط موجود را دارد. داده های Synchrophasor می تواند مورد استفاده قرار گیرد تا اجازه جریان برق را به حد پویای خط اضافه کند به جای اینکه بدترین حد آن باشد. تکنولوژی Synchrophasor در فرآیند جدیدی برای ایجاد کنترل متمرکز و انتخابی برای جریان برق الکتریکی در طول توری. این کنترل ها در هر دو مقیاس بزرگ (چند حالت) و بخش های خط انتقال فردی در ایستگاه های متقاطع تاثیر می گذارد. بنابراين تراكم خط انتقال (بارگذاری بیش از حد)، حفاظت و كنترل در مقیاس منطقه ای چندگانه (ایالات متحده، كانادا، مكزیک) از طریق ارتباط بین ISO بهبود خواهد یافت.

شبکه های Phasor PMU – واحد اندازه‌گیری فازور
یک شبکه phasor متشکل از واحدهای اندازه گیری phasor (PMU) در سیستم برق، Phasor Data Concentrators (PDC)، برای جمع آوری اطلاعات و سیستم نظارت بر کنترل و جمع آوری اطلاعات (SCADA) در مرکز کنترل مرکزی است. چنین شبکه ای در سیستم های اندازه گیری وسیع (WAMS) استفاده می شود که اولین آن در سال 2000 توسط اداره برق Bonneville آغاز شد.شبکه کامل نیاز به انتقال سریع داده ها در فرکانس نمونه برداری از داده های phasor دارد. تمبر GPS زمان می تواند دقت نظری هماهنگ سازی را بهتر از 1 میکروثانیه فراهم کند. “ساعتها باید دقیق باشند تا ± 500 نانو ثانیه برای ارائه یک استاندارد زمان یک میکرون ثانیه مورد نیاز هر دستگاه انجام اندازه گیری همگام سازی.” برای سیستم های 60 هرتز، PMU ها باید بین 10 تا 30 گزارش همزمان را در هر ثانیه بر اساس برنامه اجرا کنند. PDC داده ها را به هم مرتبط می کند و PMU ها را کنترل می کند (از ده ها تا 60). در سیستم کنترل مرکزی، سیستم SCADA، داده های گسترده ای را در تمام ژنراتورها و پست های سیستم در هر 2 تا 10 ثانیه ارائه می دهد.

PMU ها اغلب از خطوط تلفن برای اتصال به PDC ها استفاده می کنند و سپس داده ها را به سرور WADA یا SCADA یا سیستم اندازه گیری میدان گسترده (WAMS) ارسال می کنند. علاوه بر این، PMU ها می توانند شبکه های تلفن همراه (تلفن همراه) را برای انتقال داده ها (GPRS، UMTS) استفاده کنند که امکان صرفه جویی در هزینه های زیرساخت ها و هزینه های راه اندازی را فراهم می سازد. با این وجود، تأخیر داده های معرفی شده چنین سیستم هایی را برای کمپین های سنجش تحقیق و توسعه و نظارت نزدیک با زمان واقعی مناسب تر می کند و استفاده از آنها را در سیستم های محافظت در زمان واقعی محدود می کند.

PMUs از فروشندگان متعدد می تواند نتایج نادرست انجام دهد. در یک آزمون، قرائت ها با 47 میکرو ثانیه یا تفاوت 1 درجه در 60 هرتز واریانس غیر قابل قبول متفاوت بود راه حل چین برای حل این مسئله این بود که تمام PMU های خود را با توجه به مشخصات و استانداردهای خود بسازیم، بنابراین هیچ منبع چندگانه از درگیری ها، استانداردها، پروتکل ها یا ویژگی های عملکرد وجود نخواهد داشت.

نصب PMU – واحد اندازه‌گیری فازور
نصب یک PMU 10 Phasor معمولی یک فرایند ساده است. فازور یک ولتاژ 3 فاز یا یک جریان 3 فاز خواهد بود. بنابراین، هر فازور نیاز به 3 اتصالات الکتریکی جداگانه (1 برای هر فاز) دارد. به طور معمول یک مهندس برق طراحی و نصب و پیوستن یک PMU را در یک ایستگاه یا یک نیروگاه تولید می کند. پرسنل زیرزمینی یک قفسه ی تجهیزات را به طبقه ی ایستگاه زیر نیاز دارند که نیاز به نصب لرزه ای دارند. سپس PMU همراه با یک مودم و سایر تجهیزات پشتیبانی خواهد شد در قفسه تجهیزات نصب شده است. آنها همچنین آنتن ماهوارهای موقعیت یاب جهانی (GPS) را بر روی سقف ایستگاه نصب می کنند. پرسنل زیرزمینی نیز “مدارهای” را در تمام مدارهای ثانویه ترانسفورماتور جریان (CT) که برای اندازه گیری هستند، نصب می کنند. PMU همچنین نیاز به اتصال مدار ارتباطی (مودم با استفاده از اتصال 4 سیم یا Ethernet برای اتصال شبکه) 

پیاده سازی PMU – واحد اندازه‌گیری فازور
اداره برق Bonneville (BPA) اولین ابزار برای پیاده سازی جامع از synchrophasors در سیستم نظارت گسترده آن است. امروزه چندین پیاده سازی در حال انجام است.
پروژه FNET توسط ویرجینیا فناوری و دانشگاه تنسی با استفاده از شبکه ای تقریبا 80 ضبط با هزینه کم و با دقت بالا برای جمع آوری اطلاعات سنکرون از شبکه برق ایالات متحده مورد استفاده قرار می گیرد.
اپراتور سیستم مستقل نیویورک 48 PMU را در سراسر ایالت نیویورک نصب کرده است، که به طور ناگهانی در واکنش به خیزش خفیفی 2003 که در اوهایو و مناطق آسیب دیده در ایالات متحده و کانادا رخ داده است. 
در سال 2006، سیستم های نظارت بر شبکه گسترده چین (WAMS) برای 6 شبکه دارای 300 واحد PMU بود که عمدتا در ایستگاه های 500 کیلو و 330 کیلو ولت و نیروگاه ها نصب می شد. تا سال 2012، چین قصد دارد PMU ها را در تمام پست های 500kV و تمام نیروگاه های 300 مگاوات و بالاتر داشته باشد. از سال 2002، چین PMU های خود را به استاندارد ملی خود اختصاص داده است. یک نوع دارای نرخ نمونه گیری بالاتر از معمول است و در نیروگاه ها برای اندازه گیری زاویه ی روتور ژنراتور، گزارش ولتاژ تحریک، جریان تحریک، موقعیت شیر ​​و خروجی تثبیت کننده سیستم قدرت (PSS) مورد استفاده قرار می گیرد. تمام PMU ها از طریق شبکه خصوصی متصل می شوند و نمونه ها به طور متوسط ​​در حدود 40 میلی ثانیه دریافت می شوند.
ابتکار Synchrophasor آمریکای شمالی (NASPI)، که قبلا به عنوان پروژه فازور متصل به شرق شرقی (EIPP) شناخته شده است، دارای بیش از 120 واحد اندازه گیری فازور متصل است که داده ها را به یک سیستم متمرکز کننده “سوپر فازور اطلاعات” متمرکز در اداره دره تنسی (TVA) متصل می کند. این سیستم تمرکز داده در حال حاضر یک پروژه منبع باز شناخته شده به عنوان openPDC است.
وزارت امورخارجه ایالات متحده از چندین پروژه تحقیقاتی مرتبط، از جمله GridStat  در دانشگاه ایالتی واشنگتن حمایت کرده است.

برنامه های کاربردی PMU – واحد اندازه‌گیری فازور
اتوماسیون سیستم قدرت، همانطور که در شبکه های هوشمند است
ریزش بار و سایر روش های کنترل بار مانند مکانیسم پاسخ تقاضا برای مدیریت یک سیستم قدرت. (به عنوان مثال قدرت هدایت که در آن زمان مورد نیاز است)
قابلیت اطمینان شبکه برق را با تشخیص خطاها در اوایل، امکان جداسازی سیستم عامل و جلوگیری از قطع برق را افزایش دهید.
افزایش قدرت با تجزیه و تحلیل دقیق و اصلاح خودکار منابع خرابکاری سیستم.
اندازه گیری و کنترل ناحیه وسیع از طریق تخمین دولت،  در شبکه های گسترده ای از شبکه گسترده، شبکه های انتقال منطقه ای و شبکه های توزیع محلی.
فن آوری اندازه گیری فازور و مهر تایمر زمان هماهنگ می تواند برای بهبود امنیت از طریق رمزنگاری همزمان مانند پایه حساسیت اعتماد استفاده شود. شناسایی حمله سایبری با تایید داده ها بین سیستم SCADA و اطلاعات PMU 
ارزیابی وضعیت توزیع و تایید مدل. توانایی محاسبه امپدانس بارها، خطوط توزیع، اندازه گیری ولتاژ و زاویه دلالت بر اساس مدل های حالت ریاضی.
تشخیص رویداد و طبقه بندی. رویدادهایی مانند انواع گسل ها، تغییرات ضربه، وقایع سوئیچینگ، دستگاه های حفاظت مدار. برای تشخیص این حوادث مهم، می توان الگوریتم های یادگیری ماشین و روش های طبقه بندی سیگنال را مورد استفاده قرار داد.
برنامه های Microgrid – جزیره سازی یا تصمیم گیری در مورد جدا کردن شبکه، بارگذاری و تطبیق نسل ها و هماهنگ سازی مجدد با شبکه اصلی. 

استانداردها PMU – واحد اندازه‌گیری فازور
استاندارد IEEE 1344 برای synchrophasors در سال 1995 تکمیل شد و در سال 2001 دوباره تأیید شد. در سال 2005، IEEE C37.118-2005 جایگزین آن شد، که یک نسخه کامل بود و مسائل مربوط به استفاده از PMU ها در سیستم های برق را مورد بررسی قرار داد. این مشخصات استانداردهای اندازه گیری، روش اندازه گیری های اندازه گیری، تست ها و الزامات صدور گواهینامه برای تأیید صحت و فرم و پروتکل انتقال اطلاعات برای ارتباطات داده در زمان واقعی را توصیف می کند. این استاندارد جامع نبوده و تلاش برای رفع تمام عواملی که PMU ها می توانند در فعالیت پویای سیستم قدرت تشخیص دهند، نیست.یک نسخه جدید از استاندارد در دسامبر 2011 منتشر شد که استاندارد IEEE C37.118-2005 را به دو بخش تقسیم کرد: C37.118-1 با تخمین فازور و C37.118-2 پروتکل ارتباطات. همچنین دو طبقه بندی PMU، M – اندازه گیری و P – حفاظت را معرفی کرد. کلاس M در شرایط عملکردی نزدیک به استاندارد اصلی 2005، در درجه اول برای اندازه گیری حالت پایدار، نزدیک است. کلاس P برخی از الزامات عملکرد را آرام کرده و در نظر گرفته شده است تا رفتار سیستم پویا را جذب کند.

استانداردهای دیگر مورد استفاده در ارتباط با PMU:

OPC-DA / OPC-HDA – یک پروتکل رابط مبتنی بر مایکروسافت ویندوز است که در حال حاضر به منظور استفاده از XML به طور کلی و اجرا بر روی کامپیوترهای غیر ویندوز.
استاندارد IEC 61850 برای اتوماسیون پست الکتریکی
BPA PDCStream – یک نوع از IEEE 1344 که از سوی PDC ها و نرم افزار رابط کاربری بنیویون نیروی برق (BPA) استفاده می شود.