基于PMU的广域相量测量系统概述

【摘 要】本文首先介绍了PMU(Phasor Measurement Unit)的主要技术问题：同步数据采集和相量计算方法，初步分析影响相量测量单元准确度的因素和解决方法，最后简单介绍了PUM在电力系统中的应用。

【关键词】PMU；WAMS；广域相量测量；应用技术

1、前 言

同步相量测量装置PMU是1980年首次提出的。随着GPS在民用领域的应用，PMU应运而生，而全球发生的几次大电网事故推动了PMU和基于PMU的WAMS(Wide Area Measurement System)同步相量测量技术在系统中的应用。工程技术人员可以根据PMU提供的精确相量数据，确定系统故障的一系列事件的先后顺序，确定导致系统故障的原因和故障点。现场试验及研究结果表明：WAMW技术在电力系统稳定预测与控制、状态估计与动态监视、继电保护、模型验证、故障定位等有着广泛的应用前景

2、PMU的主要技术问题

PMU要求同步对时误差不超过1?s，相量幅度误差小于0.2％，角度误差不过0.2度，频率测量为45－55Hz，误差不超过0.005Hz，能连续记录14天的数据，最快100Hz。GPS信号丢失时能自动守时，GPS失锁60分钟，误差不超过55?s，按照标准协议传送动态数据。PMU的主要技术问题包括同步采集和相量计算。

2.1同步采集

典型的PMU的结构如图2-1所示，基本原理为：锁相振荡器将GPS接收器给出1pps信号分成一系列脉冲用于采样，交流信号经过滤波处理后经A/D模数转换器量化，再经过微处理器进行离散傅立叶变换计算出相量。微处理器也可以采用对称分量法计算出正序相量。PUM装置按照一定的标准将时间标记、正序相量等装配成报文，传送到远端的数据集中器。收集来自各个数据集中器的PMU信息，为全系统的保护、控制和监视提供数据。

2.2相量计算

相量测量算法主要有离散傅立叶变换法(DFT)、过零检测法等。

2.2.1 过零检测法

过零检测法只需将被测工频信号的过零点时刻，与某一标准时间相比较即可得出相角差，是比较直观的一种同步相量测量方法。对于50Hz的工频信号，子站和参考站的电压相角差为若要在每一个周波内都能进行相位比较，提高相角测量的实时性，则需要以GPS的1PPS为基准，由WAMS的CPU内的精确晶振时钟建立标准的50Hz信号，由CPU在电压过零点时打上时间标签，再求出各个节点电压相对于标准的50Hz信号的相角差。过零检测法原理比较简单，易于实现，但其易受谐波、噪声和非周期分量的影响，精度不高，实时性不好，需要与其他技术手段结合使用。

2.2.2 离散傅立叶变换法

DFT是在电力系统相量计算中应用最广泛的算法之一。DFT有滤波功能，可以准确地求出信号中的直流分量、基波分量和各次谐波分量，计算精度不受直流分量和谐波分量的影响。

N为每周波的采样点数，X为相量的有效值 ，为采样值。这种相量计算方法能消除整次谐波分量的影响，但是要求在相量计算之前，对输入信号进行低通滤波处理，防止频域混叠现象的发生。

DFT相量计算，要求采样频率为基波信号周期的整数倍。信号频率与采样频率不同步时周期采样信号的相位在始端和终端不连续，会出现频率泄漏，进而造成计算的误差。定间隔采样法和等角度采样法能减小这种不利影响。

2.2.3数字微分法

数字微分法利用正弦量的特性，差分后可将信号频率转化为系数，经过求商约去时域变量后得到相量计算式。数字微分法实质上基于拉格朗日插值曲线拟合法和数字微分。数字微分法计算量小、精度高、耗时短，但该算法不具备抗干扰能力，使其应用范围有一定的限制。数字微分法通过选取恰当的数据间隔，一定程度上能够抑制谐波的干扰，但是对于随机干扰和非周期分量却难以获得好的结果，仍然需要滤波处理。

2.3影响测量准确度的因素

系统的频率并非固定不变的，信号为非工频信号时，使固定的采样窗口与信号周期不一致，需要对非工频信号进行误差补偿，否则对相量测量单元的准确度造成一定的影响。系统中的谐波也会对PMU装置测量的准确度造成影响，当相量计算方法采用DFT时可消除整数次谐波，起到一定的滤波作用。此外，暂态畸变也会影响PMU的相量测量的精度。

3、PMU在电力系统中的应用

1993年美国的工程技术人员研制出第一台PMU装置，标志着同步相量测量技术在电力系统的实用化，使同步相量测量技术的推广应用上升到一个新的阶段。随着各大电力公司和科研机构对PMU的应用研究和工程实施的迅速开展，基于PUM的同步相量测量技术在电力系统保护、电力系统控制、电力系统监测方面将会有广阔的应用前景。

3.1动态过程监测和记录

3.1.1电力系统故障录波

早期通信信道传输能力较低且价格昂贵，最初PMU几乎唯一的应用就是故障录波，目前故障录波仍然是PMU最基本的也是非常重要的一个应用。它包括常规保护的故障录波和扰动情况下系统的行为录波。

3.2系统低频振荡监测、辨识与抑制

电力系统的低频振荡问题已成为制约电网传输能力和危及电网安全稳定运行的最主要因素之一。基于PMU的WAMS能够对电力系统动态过程进行在线同步测量，能够快速测量与发电机机电暂态密切相关的测量量，如发电机的功角、角速度、内电势和母线电压等，并将信息及时地传送到调度中心，为实现全网在线分析低频振荡提供了信息平台。WAMS根据辨识结果配置PSS参数，有效地抑制低频振荡。系统运行人员从中获知电网经常发生的阻尼特性、振荡的频率及其相关机组，提前了解当前电网存在的主要振荡问题，调整控制系统参数、合理安排运行方式，并提前制定校正控制预案。

4、结语

基于PMU的广域相量同步测量技术还是一种新生事物，在电力系统中必将有广阔的发展前景，PMU/WAMS将会有更大的发展空间。智能调度是智能电网的中枢，广域相量测量技术是实现智能电网的基础，也是保证电网安全的重要手段。智能控制是智能电网的重要的环节之一，基于PMU的WAMS系统是智能控制得到保证的关键。为实现中国坚强型智能电网的宏伟目标，WAMS将是其重要的组成部分。

参考文献

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[2]张超.同步相量测量单元PMU的研究[D].广西大学硕士毕业论文,2007.

[3]游燕,张晔,随慧斌,路金川.基于PMU的广域保护系统[J].山东电力技术,2005(3).