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同步相量测量装置的应用进展

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摘要：简要介绍了同步相量测量装置的技术原理，综述了在电力系统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方面的研究和应用。现场试验、运行以及应用研究的结果表明，基于同步相量测量装置的广域测量技术，为保证电力系统的安全稳定运行提供了新的方法和手段。

关键词：全球定位系统相量测量装置广域测量

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20世纪90年代初，借助于全球定位系统(GPS)提供的精确时间，同步相量测量装置PMU(phasormeasurementunit)研制成功后［1］，目前世界范围内已安装使用数百台PMU。现场试验、运行以及应用研究的结果表明：同步相量测量技术在电力系统状态估计与动态监视、稳定预测与控制、模型验证、继电保护、故障定位等方面获得了应用或有应用前景。本文综述了同步相量测量装置的原理及其应用。

1同步相量测量技术原理

PMU的典型结构如图1所示，其基本原理为：GPS接收器给出1pps信号，锁相振荡器将其划分成一定数量的脉冲用于采样，滤波处理后的交流信号经A/D转换器量化，微处理器按照递归离散傅立叶变换原理计算出相量。对三相相量，微处理器采用对称分量法计算出正序相量。依照IEEE标准1344—1995规定的形式将正序相量、时间标记等装配成报文，通过专用通道传送到远端的数据集中器。数据集中器收集来自各个PMU的信息，为全系统的监视、保护和控制提供数据。图2示出了PMU与数据集中器的通信，可以采用多种通信技术，如直接连线、无线电、微波、公共电话、蜂窝电话、数字无线等。因特网技术也可用于PMU数据通信，在通信和功能层应用TCP/IP规约，可灵活控制PMU。数字信号处理、同步通信是同步相量测量技术的关键。防混叠滤波器、A/D转换器等器件的性能直接影响测量的精度。

图1PMU结构框图

图2PMU与数据集中器的通信

2同步相量测量技术的研究与应用

2.1现场试验及运行

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500kV输电线上进行了一系列的开关试验［2］，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［3］等。试验中应用PMU记录的数据结果与试验结果相当吻合。

我国黑龙江省东部电网区域稳定控制系统中装设的基于GPS的相量测量装置，在1997年6月29日的一次故障中记录了3个不同地点的动态数据，包括各点之间的相位差信息［4］。我国南方电网骨干联络线天广500kV线路的功角振荡也已可在电网调度中心实时观测。

2.2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)［1］。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0～2Hz，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。文献［5］介绍了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。

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