同步相量测量装置

原理

　　基于GPS时钟的PMU能够测量电力系统枢纽点的电压相位、电流相位等相量数据，通过通信网把数据传到监测主站．监测主站根据不同点的相位幅度．在遭到系统扰动时确定系统如何解列、切机及切负荷．防止事故的进一步扩大甚至电网崩溃。根据功能要求．PMU应包括同步采样触发脉冲的发生模块、同步相量的测量计算模块和通信模块。同步采样触发脉冲的发生部分主要功能是提供秒脉冲和当前标准时间(精确到秒)。为了降低对GPs的依赖性．在GPS丢失卫星后一段时间内．由本机自身晶振提供相当精确的秒脉冲。相量测量运算部分输入模拟交流信号．A／D由外部产生的同步采样脉冲触发．转换完成后发送“中断”给信号处理模块(DSP)．DSP每读取一点的数据就和前面的采样数据进行数字傅里叶变换(DFF)运算，求出该交流信号基波的幅值和相位。主DSP在计算相位后同时加上相应的时标从通信接口将相量数据发送到监测主站或保存在本地共控机上．同步串口通信数据除了采样点时刻的时标外．还有测量CPU发出的当前交流信号频率。

结构

　　PMU 的数据采样／控制硬件类似于传统的 RTU，但是根据标准的要求，PMU的数据采样速率／数据传输的实时性要远远高于传统的 RTU，PMU 的数据采样速率一般在 10000 点／s左右，其数据的传输实时性要求20ms，因此，这就要求 PMU 的硬件设计上要有较快的 CPU（如采用 DSP 技术或多 CPU 技术） ，要求有较快的数据通信接口（如 10/100MHz 以太网） 。

　　图1表示了PMU的各输入／输出模块的关系，其 CPU 可以是单 CPU或双 CPU 结构。图中装置的输入信号有：①线路电压、线路电流信号的输入；②开关量信号的输入；③发电机轴位置脉冲的输入，可以是鉴相信号或转速信号；④用于励磁、AGC 等的 4mA～20mA 控制信号；⑤GPS 标准时间信号。

　　装置的输出信号有： ①用于中央信号的告警信号输出；②用于通信用的 10/100M 以太网及RS232接口 （采用IEEE  std  1344通信标准）；③用于控制用的 4mA～20mA 输出。

功能

　　1  同步相量测量

　　(1) 测量变电站线路三相基波电压、三相基波电流、序量值、开关量等的实时数据及实时时标；

　　(2) 测量发电机机端三相基波电压、三相基波电流、序量值、开关量、发电机功角、发电机内电势的实时数据及实时时标；

　　(3) 测量励磁系统、AGC 系统等的直流模拟量等。

　　2  同步相量数据传输

　　装置根据 IEEE std 1344 规约将同步相量数据传输到主站，传输的通道根据实际情况而定，如：10/100MHz 以太网、RS232、2M 口等，通信链路协议为 TCP/IP。

　　3  数据整定及就地显示

　　(1) 装置的参数当地整定；

　　(2) 装置的测量数据可以在计算机界面上以相量列表、主接线图相量矢量表计、相量矢量图、连续相量变化图、模拟量波形图、模拟量值、开关量状态等方式显示。

　　4  扰动数据记录

　　(1) 具备暂态录波功能。用于记录瞬时采样的数据的输出格式符合 ANSI/IEEEC37.111-1991CPU处理电压输入电流输入4mA-20mA输入开关量输入GPS10MHz以太网RS232告警信号输出轴脉冲输入4mA-20mA输出控制输入（COMTRADE）的要求；

　　(2)具有全域启动命令的发送和接收，以记录特定的系统扰动数据；

　　(3)可以以 IEC60870-5-103 或 FTP 的方式和主站交换定值及故障数据。

　　5  当地通信接口

　　装置提供通信接口用于和励磁系统、AGC 系统、电厂监控系统进行数据交换。

　　6  数据存储

　　存储暂态录波数据；存储实时同步相量数据。

应用

　　20世纪90年代以来，PMU陆续安装于北美及世界许多国家的电网，针对同步相量测量技术所进行的现场试验，既验证了同步相量测量的有效性，也为PMU的现场运行积累了经验。其中包括1992年6月，乔治亚电力公司在Scherer电厂附近的500 kV输电线上进行了一系列的开关 试验，以确定电厂的运行极限并验证电厂的模型；1993年3月，针对加利福尼亚—俄勒冈输电项目所进行的故障试验等。试验中应用PMU记录的数据结果与试验结果相当吻合。

　　研究与应用领域

　　目前，同步相量测量技术的应用研究已涉及到状态估计与动态监视、稳定预测与控制、模型验证、继电保护及故障定位等领域。

　　(1) 状态估计与动态监视。状态估计是现代能量管理系统(EMS)最重要的功能之一。传统的状态估计使用非同步的多种测量(如有功、无功功率，电压、电流幅值等)，通过迭代的方法求出电力系统的状态，这个过程通常耗时几秒钟到几分钟，一般只适用于静态状态估计。

　　应用同步相量测量技术，系统各节点正序电压相量与线路的正序电流相量可以直接测得，系统状态则可由测量矢量左乘一个常数矩阵获得，使得动态状态估计成为可能(引入适当的相角 测量，至少可以提高静态状态估计的精度和算法的收敛性)。将厂站端测量到的相量数据连续地传送至控制中心，描述系统动态的状态就可以建立起来。一条4800或9600波特率的普通专用通信线路可以维持每2～5周波一个相量的数据传输，而一般的电力系统动态现象的频率范围是0～2 Hz，因而可在控制中心实时监视动态现象。

　　(2) 稳定预测与控制。同步相量测量技术可在扰动后的一个观察窗内实时监视、记录动态数据，利用这些数据可以预测系统的稳定性，并产生相应的控制决策。基于同步相量测量技术，采用模糊神经元网络进行预测和控制决策，取PMU所提供的发电机转子角度以及由转子角度推算出的速度(变化率)等作为神经元网络的输入，输出对应稳定、不稳定。在弱节点处安装PMU，可以观测电压稳定性。PSS利用PMU所提供的广域相量作为输入，构成全局控制环，可以消除区域间振荡。

　　(3) 模型验证。电力系统的许多运行极限是在数值仿真的基础上得到的，而仿真程序是否正确在很大程序上取决于所采用的模型。同步相量测量技术使直接观察扰动后的系统振荡成为可能，比较观察所得的数据与仿真的结果是否一致以验证模型，修正模型直到二者一致。

　　(4) 继电保护和故障定位。同步相量测量技术能提高设备保护、系统保护等各类保护的效率，最显着的例子就是自适应失步保护。对于安装在佛罗里达—乔治亚联络线上的一套自适应失步保护系统，从1993年10月到1995年1月的运行情况分析表明，PMU是可靠和有价值的传感器。另一个重要应用是输电线路电流差动保护，在相量差动动作判据中，参加差动判别的线路二端电流相量必须是同步得到的，PMU即可提供这种同步相量。

　　对故障点的准确定位将简化和加快输电线路的维护和修复工作，从而提高电力系统供电的连续性和可靠性。传统的单端型故障定位方法是基于电抗测量原理，这种方法的精度将受故障电阻、系统阻抗、线路对称情况和负荷情况等多种因素的影响。解决这一问题的根本出路是利用线路两端同步测量的电压和电流相量进行故障距离的求解，能获得高精度和高稳定性的定位结果。

　　广域测量系统

　　电力系统的稳定已是越来越突出问题。以PMU为基本单元的广域测量系统可以实时地反映全系统动态，是构筑电力系统安全防卫系统的基础。