浅谈同步相量测量装置PMU

摘 要：随着中国电力系统的快速发展，对电网动态安全监测提出了更高的要求。电网广域测量系统（WAMS）作为一种新型、有效的监测系统，通过同步采集相量数据为电网监测技术提供了新方向。同步相量测量装置（PMU）是广域测量系统的基础单元，其测量的精确性和实时性是直接影响到电力系统动态监视与分析、继电保护等高级应用的重要因素。本文介绍了同步相量测量装置的结构原理，以及相关的几种同步方法、频率跟踪方法和同步相量测量算法，并对其各自的优缺点进行分析。

关键词：电网动态安全监测；广域测量系统；同步相量测量装置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.144

1 引言

电力是现代社会经济发展和日常生活不可或缺的一种能源。自美国加拿大发生史上最严重的大停电，世界各地相继曝出大规模停电事故，其给社会和居民生活造成难以估计的损失。同时，电网的安全可靠运行愈发引起了各国的重视，对于电网安全监测技术的要求也随之提高。广域测量系统（WAMS）是一种新型的电网监控系统，主要用于监测电力系统动态运行情况。相较于传统的SCADA系统，WAMS通过GPS统一授时，为电网内不同测量点提供同步参考时标并进行相量数据的同步采集，从而实现电网运行动态监视[1，2]。

同步相量测量装置PMU是WAMS的基本单元，是用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态记录的装置，利用PMU可改善对系统稳态情况的监测性能和进行状态估计。PMU的核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去标准时钟的守时能力、PMU与主站之间能够实时通信并遵循有关通信协议。

2 同步相量测量装置的技术原理

PMU通过传感器采集电力信号，经滤波器滤除谐波干扰，GPS模块产生秒脉冲（PPS，即每秒1个脉冲），和频率跟踪与测量环节合成异地同步采样脉冲序列，AD转换器接收到采用脉冲后触发模数转换，在微处理器中进行数据计算处理并定上时钟标刻，发送至数据中心。

PMU测量信号的处理分别包括异地同步、频率跟踪测量和同步相量测量。异地同步方法有选取数据窗的起始、中间或末尾作为同步时标三种。典型的频率跟踪测量方法主要有PLL硬件锁相和软件自适应跟踪等[3，4]。PLL硬件锁相是通过外设进行频率跟踪，CPU占用率较小，但可能存在1个PLL锁相脉冲的最大相角误差。 常用软件频率跟踪有瞬时值法、能量算子法和数字微分法。

同步相量测量算法是PMU的核心，其算法的好坏决定了PMU的性能优劣，目前主要方法有：过零点检测法[5]、离散傅立叶变换法（DFT）[6] 、卡尔曼滤波法、小波变换法等。实际常采用过零检测法和离散傅立叶变换法（DFT）。过零检测指的是在交流系统中，当波形从正半周向负半周转换时，经过零位时，系统作出的检测。该方法原理简单，计算速度快，硬件实施容易，成本较低，但易受谐波与模拟电路相移干扰，在系统动态情况下测量结果较差，且无法测量幅值。离散傅里叶变换（DFT），是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其DTFT的频域采样。为了减少计算量，提高效率，通常采用快速傅里叶（FFT）来实现对电网电压和电流的基波幅值的测量分析。该算法可以很好地抑制谐波，但在系统频率偏移时存在频谱泄露、栅栏效应和动态情况下的DFT平均化问题。

卡尔曼滤波法的基本思想是：以最小均方误差为制约条件，对离散采样序列进行估计，求出前一时刻的状态变量估计值，并利用该估计值和当前采样点计算更新状态变量，再利用已更新的状态变量反求出当前采样点时刻的估计值。这种软件滤波的方法实时性较好，但其在相量相角测量存在较大误差，且复杂的算法对硬件要求较高。

小波变换是一种新的变换分析方法，它继承和发展了短时傅立叶变换局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够提供一个随频率改变的时间一频率窗口。小波分析运算繁复而影响了同步相量估计的速度，实时性不佳，此算法加重了CPU的负担。

3 结语

本文介绍了同步相量测量装置的结构原理，总结了相关的几种同步方法、频率跟踪方法和同步相量测量算法，并对其各自的优缺点进行分析。文中所提及的算法对同步相量测量都具有现实意义，但目前实际运用于PMU上的方法主要为过零检测法和傅里叶变换法，其中傅里叶变换法的使用更为广泛，因此针对傅里叶算法的相量测量误差改进算法的研究正引起人们的极大兴趣。而其他算法也还处于理论研究和仿真阶段。随着处理芯片、通讯网络、A/D转换器与存储介质的不断更新换代，且相应硬件的价格将会不断下降，PMU测量精度、计算速度与在电网的普及率也会持续提高。

参考文献：

[1]薛禹胜，徐伟，万秋兰.关于广域测量系统及广域控制保护系统的评述[J].电力系统自动化，2007，31（15）：1-5.

[2]韩英铎，王仲鸿，林孔兴等.电力系统中的三项前沿课题—柔性输电技术，智能控制，基于GPS的动态安全分析与监测系统[J].清华大学学报（自然科学版），1997，37（07）：1-6.

[3]楊贵玉，江道灼，邱家驹.相角测量装置的同步测量精度问题[J]. 电力系统自动化，2003，27（14）：57-61.

[4]江道灼，孙伟华，陈素素.电网相量实时同步测量的一种新方法[J].电力系统自动化，2003，27（15）：40-44.

[5]王少荣，程时杰，李刚等.WAMS关键技术及其在湖南电力系统中的应用[J].高电压技术，2007，33（10）：151-156.

[6]易立强.同步相量测量算法研究及实现[D].湖南大学，2007.

作者简介：唐晓艳（1991-），男，福建南平人，硕士研究生，助理工程师，高级自动化运维员，研究方向：电网监测。