PMU的原理应用及发展前景

朱晓卫 王莉斌

摘要：本文简要介绍了相量测量装置（PMU）的基本原理、主要功能和在电网中的典型配置，以及PMU在电网互联化、调度系统一体化背景下的发展前景。随着调度主站对电网实时动态监测系统功能的完善以及电网大数据应用的发展，PMU作为电网动态监测数据的来源，将在今后电网监测系统中发挥越来越重要的作用。

关键词：电力系统；PMU；动态数据；监测系统

中图分类号：TM7文献标识码： A

0 引言

为了加强电力系统调度中心对电网动态监测与分析的能力，需要在重要的变电站和发电厂安装相量测量装置（Phasor Measurement Unit, PMU），来构建电力系统实时动态监测系统，并通过调度中心实现对电力系统动态过程的监测和分析。PMU是电力系统实时动态监测系统的基本组成部分，它以数千赫兹速率采集电流、电压等相量信息，然后通过计算获得测点的频率、功率、发电机功角等信息，并以每秒几十帧的速率向调度主站的广域测量系统（Wide-Area Measurement System, WAMS）主站发送测量数据，使调度能实时监测到电网的动态过程。

1 基本原理

1.1 PMU基于时标的采样

PMU的同步采样以1PPS秒脉冲为基准，相量角度由1PPS脉冲决定。电压、电流等相量的表达式可以写为，当v(t)的最大值出现在秒脉冲时，相量的角度为0度（如图1），当v(t)正向过零点与秒脉冲同步时，相量的角度为-90度（如图2）。

图1V(t)最大值出现在秒脉冲

图2V(t)正向过零点出现在秒脉冲

当相量幅值不变时，相量的相位与信号的频率应符合如下关系：

即相量的频率等于50Hz时，相量的角度不变，当相量的频率大于50Hz时，相量的角度逐渐增大，当相量的频率小于50Hz时，相量的角度逐渐减小。

1.2 PMU数据处理基本原理

PMU测量单元的硬件原理图如图3所示，来自PT/CT二次侧的电压、电流信号经过互感器后，经过滤波变成满足采样定理的交流信号，然后在同步信号基准下进行模数转换，给计算出的相量打上时标，最后经过处理器处理后在当地监测系统中显示，同时通过通讯模块完成数据上送。相量的算法是通过离散傅立叶变换法提取波形的基波分量，然后计算出相位得到。

图3PMU硬件原理图

1.3 PMU系统组成结构

PMU系统主要由相量测量单元、数据集中单元、辅助分析单元及相关通讯附件组成，典型结构如图4所示。相量测量装置单元主要进行信号的采样，并将采样后的数据送到数据集中单元和辅助分析单元；数据集中单元将数据进行封装打包和存储，并最后转发给调度主站；辅助分析单元通过监控软件显示采样值和相关装置工作状态。PMU系统与主站通讯在网络传输层采用了TCP/IP协议，在应用层采用了IEEE std l344规约。

图4PMU系统典型结构图

2 主要功能

PMU相量测量装置具备实时监测、 数据存储和实时通信三大功能，且三者互相配合，互不影响。

2.1实时监测功能

2.1.1相量测量单元的采样

相量测量单元以100帧/秒的采样速率实时测量线路的三相电压、三相电流、开关量等信号，以及机组的机端电压、机端电流、直流量、开关量和鉴相脉冲等信号。

2.1.2相量测量单元的计算

相量测量单元根据所测信号进行计算处理，得到线路的频率、有功、无功，以及机组的内电势、转速等电气量，并可根据变比等参数进行一次值/二次值的转换。

2.2 数据存储功能

2.2.1动态文件存储

数据集中单元收到相量测量单元的采样数据后，实时地将该动态数据以dyn格式的文件进行存储，每分钟存储一个文件，每个文件为6000帧。数据集中单元最少可以存储14天的动态文件。

2.2.2暂态文件存储

相量测量单元可以根据需要设置故障录波定值，当采样过程中采样值出现异常情况（如突变、越限等）时，相量测量单元会自动触发录波功能，按照故障录波的方式对故障前和故障后的数据进行采样，并按照COMTARDE格式存储故障文件。

2.3 实时通信

数据集中器将所收到的数据实时发送到主站，支持接受多个主站的同时召唤命令，并以时间作为优先级顺序建立通道，传送部分或全部测量通道的实时监测数据。PMU的实时数据的输出速率能够根据主站要求进行选择，具有25帧/秒、50帧/秒、100帧/秒等多种可选速率。PMU的实时监测数据的输出时延(相量时标与通信出口数据输出时刻之时间差)不大于30 ms。

3 典型配置

由于我国地域的广阔性以及电网覆盖的复杂性，使得电网的每个站点不可能都配置一套PMU供调度实时动态监测，并且作为调度主站的运行人员，在监控和分析整个电网的动态运行状况时，也不可能做到对每个厂站面面俱到，因此PMU系统一般只需要监控电网主干网上重要的枢纽站或电压等级较高的厂站。

因此，在配置PMU厂站时，应考虑以下几点：①保全性，即能够反映系统关键节点的信息及主干网的动态信息，且不会丢失数据；②经济性，即PMU的数量最少，花费相应的代价也就越小；③兼容性，可以与多种算法配合使用，彼此之间不会发生冲突；④继承性，即在配置PMU时应考虑电网的发展趋势，如逐渐与SCADA系统的融合等。

一般情况下，需要配置PMU的站点有电网架构中关键的发电厂、所有500 kV电压等级及以上等级的变电站（西北地区为330kV及以上电压等级）、部分起到重要联络作用的220 kV变电站以及风电场、光伏电站等新能源厂站。

4 发展前景

4.1 与其他系统的比较

目前调度主站端的系统主要有WAMS系统、SCADA系统和故障录波系统。SCADA系统主要采集RTU上送的稳态数据，故障录波系统主要采集由故障录波装置或保护装置提供的故障前后几秒内的暂态波形。这两种监测方法都存在一定的不足，SCADA系统侧重于监测系统稳态运行情况，测量周期通常是秒级,而且 SCADA 数据不带时标,不同地点之间缺乏准确的共同时间标记，其慢速刷新的稳态数据对于电网系统的动态状态预测、低频振荡、故障分析等工作几乎不能提供任何帮助；故障录波数据的采样频率一般都在几千赫兹以上,并带有时标信息,但是只在发生故障时采集故障点附近的数据,记录数据只是局部有效,并且持续时间较短,通常在数秒以内,难以用于对全系统动态行为的监视和分析。而PMU作为WAMS系统的重要组成部分，对电网的动态数据进行实时的采样，既弥补了SCADA系统采样速率低、时标无法对齐的缺陷，又具备故障录波装置的录波功能，可以说是对前两个系统的有力补充。

4.2 PMU的发展前景

随着我国经济的高速发展，电网系统也在进一步地加大融合，逐渐朝着大电网的方向发展，这意味着电网各个节点不稳定因素的可能性增大和数据处理交换的愈加频繁，这就对电网的实时动态监测、故障预警和大数据分析处理等高级应用提出了更高的要求。目前各级网省调主站新加的D5000调度系统就是将SCADA系统和WAMS系统的功能融合集成在一起，这不仅减少了主站运行人员的工作量，同时也使得两个系统的数据可以互相交换利用，为各种高级功能应用奠定了良好的基础。

随着电子信息技术的发展，电子设备正逐步走向多功能化和集成化，在厂站端也很有可能进行设备的整合，以减少维护设备的数量和运行人员的工作量。比如PMU装置和测控装置的功能融合，从而在子站端将动态数据和稳态数据结合在一起，加上PMU自身的暂态数据记录功能，形成三合一的多功能装置也不是没有可能。

5 结论

PMU作为电网动态监测系统的基础，能够加强对电力系统动态安全稳定的监控，提高调度机构准确把握系统运行状态的能力，并有助于研究大电网的动态过程，为制订电力系统控制策略和设计、运行、规划方案提供依据。在未来的电网发展中，PMU也将扮演举足轻重的角色。

参考文献

[1].孙鹏武，翟桂湘，张 力. PMU在西北电网自动化系统中的接入.专题论坛.2007年第7期

[2].杨毅，束洪春.电力系统PMU工程实用化配置方法研究.云南水力发电.2007年第3期

[3].杨明海，王成山.电力系统PMU优化配置方法综述.电力系统及其自动化学报.2007年第2期

[4].张道农，王兆家，等.电力系统实时动态监测系统技术规范.

作者简介：

朱晓卫（1988-），男，大学本科，助理工程师，主要研究PMU、故障录波器等在电网系统中的应用。

王莉斌（1979-），男，大学本科，助理工程师，主要从事电力系统综合自动化方面的研究和工程管理工作。