基于FFT算法的同步相量测量装置相角反向输出故障分析与对策

余侃胜，吴 颖，陈明亮，邹 进，谢国强，王志成，潘本仁

（1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司检修分公司，江西 南昌 330096；3.国网江西省电力有限公司，江西 南昌 330077）

0 引言

实时准确地监测电网信息，对系统的运行状态进行动态分析和控制是对现代电网的重要要求。同步相量测量装置（PMU）基本功能是利用GPS信号对电网中母线或节点电压（电流）同步测量，并进行分析计算，提供频率、相角和幅值信息，对电力系统的状态估计[1-2]、参数辨识[3-4]、暂态稳定控制[5]、电压监控等有重大意义。

目前，大部分发电厂PMU装置投运前均未开展投运前检测，检测发现部分装置存在相角反向输出问题，严重影响广域测量系统对区域电网的动态分析，不能及时正确处理动态扰动引起的电网稳定问题。

1 PMU子站系统结构

PMU子站测量系统由同步相量测量装置、PDC相量数据集中器及本地监控工作站等三部分硬件组成，并通过软件形成装置内部的数据流和各部分之间的数据流，如图1所示。

图1 同步相量测量系统硬件组成

2 故障现象

2017年4月25日20:08左右，通过PMU测试仪加量至某发电厂1号机组PMU装置中，发现PDC显示电压相角与PMU测试仪加量（标准参考量）的电压相角相差-179.9°，即相角反向输出，如表1所示。

表1 PMU加标准量测试故障期间的显示值与标准量

3 故障排查方法和原因分析

3.1 故障排查方法

PMU厂家技术人员认为，出现相角输出反向测试故障原因可能有：1）PMU测试仪和PMU装置来自不同授时装置；2）站内统一授时，不同被授时装置的延时引起授时偏差。分析以上两种可能性是不可能的，原因是：

1）现场检查发现PMU装置与PMU测试仪所接入的授时信号来自电厂全厂统一授时装置，所以排除该项原因；

2）测试时，PMU装置与PMU测试仪均采取接收光纤对时信号，装置通过精确计算光纤的延时时间，同步精度可达到60 ns。所以2台装置的延时误差最大值不超过0.00108°，远小于179.9°。所以排除该原因。

通过现场查看PMU装置说明书，提到理论相量取在相量计算时间窗的中点，而PMU测试仪按照标准中定义时间标的，即当计算相量值的时标是采用计算时间窗口的第一个采样点对应的协调世界时间。PMU装置说明书指出数据计算窗口宽度是10ms，并同步相量定义与工频余弦信号一致，即与协调世界时同步，如图2所示。

图2 标准工频余弦信号

那么相差应该是90°左右，而非180°左右，如图3所示。

图3 计算窗口时间宽度半个周波

3.2 故障原因分析及仿真

PMU装置在汇集所有采集单元数据后处理数据采用FFT算法，如果只采用间隔10 ms的数据，将不能准确算出该波形的幅值、谐波分量及相角。经过与该厂家研发技术人员沟通了解到，计算部分采用了补窗，即计算本次10 ms数据时结合了上次相邻的10 ms数据，组成20 ms数据窗口计算。

通过Labview波形仿真分析如图4所示，分析整个异常过程可以确定，此次测试故障是PMU装置计算窗口时标定义有误引起的，原因是该装置是在行标规范之前生产运行的，而测试仪是按照行标规范之后定义的，导致本次测试故障。

图4 不同时标定义时输出的相角仿真图

4 防范措施和建议

虽然此次测试异常是PMU装置计算窗口时间定义有误引起的，但此次测试异常故障也暴露出PMU装置规范生产、出厂验收、现场测试及生产运维人员技术水平等问题。针对此次故障分析，应采取以下防范措施：

1）提高技术人员关于PMU子站系统的专业知识和设备管理水平，及时发现问题及时处理；

2）规范PMU装置生产，统一定义时间标管理；

3）严格执行出厂验收及现场测试等环节，提前发现问题。

5 结论

本文介绍了一起PMU装置相角测试异常案例，验证了PMU测试仪同步相量正确定义，通过Labview仿真分析了基于FFT算法的PMU装置相角测试异常原因及其解决办法，给出了针对性防范措施和建议，希望对于今后处理和预防PMU装置相角测试异常故障提供参考。

[1]韩美玉，王艳松.基于粒子群算法的电力系统非线性谐波状态估计[J].电力系统保护与控制，2013，41（22）∶98-102.

[2]李虹，李卫国，熊浩清.WAMS中计及量测函数非线性项的电力系统自适应动态状态估计[J].电工技术学报，2010，25（5）∶155-161.

[3]孙昊，王茂海，齐霞.基于PMU实测数据的同步发电机参数在线辨识方法[J].电力系统保护与控制，2014，42（3）∶31-36.

[4]牛胜锁，梁志瑞，张建华，等.基于多时段同步测量信息的T接线路参数在线测量[J].电工技术学报，2012，43（1）∶238-244.

[5]黄弘扬，徐政，华文，等.基于广域测量系统的发电机强励控制方案[J].电力系统保护与控制，2013，41（6）∶49-56.