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
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(phasor measurement unit)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1 pps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1 PMU结构框图
图2 PMU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500 kV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500 kV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0～2 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。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。
(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，最显著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［6］。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［7］。
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。
2.3 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。
美国西部电力系统协调委员会(WSCC)在1994年启动了广域测量系统(Wide Area Measurement System-WAMS)计划，WSCC在LabView和Matlab的基础上编写了动态信息技术软件包作为信息管理系统的基本工具。文献［8］介绍了在法国实施的基于广域测量系统的主要针对暂态失稳的协调防卫计划。防卫系统由处理子系统和通信子系统构成。处理子系统采用协调集中式的结构，其决策中心实时处理并比较来自各区域的同步相角测量，一旦预测将要发生暂态失稳就实施必要的控制措施。通信子系统采用微波或卫星网络作为通信信道，从预测失稳到完成控制，这一系统可在1.07s以内完成。
文献［9］针对我国台湾省电力系统提出了一种基于广域相量测量的补救性控制方案。利用PMU监测各发电机和主要的超高压输电线，控制中心集中全系统的实时相角测量，由故障检测/定位系统精确地检测/定位故障，从而启动控制措施。
我国在黑龙江、湖南、广东等电网安装了部分PMU。文献［10］设计了我国湖南电网状态监测系统，该系统对电网重要节点的电压相量、发电机功角等运行变量进行实时测量和同步处理，在湖南省电力调度中心获得电网的广域测量。
3 结束语
以同步相量测量装置为基础的广域测量系统为电力系统提供了新的安全监控手段，已经或将在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获得实际应用。合理配置和充分利用同步相量信息，提出和实施广域电力系统运行与控制，特别是构筑新一代安全防卫系统，防止大停电事故的发生等都需要进一步研究。因此，应尽快开发满足上述要求的同步相量测量装置或系统。
4 参考文献 ［1］ A.G.Phadke.Synchronized Phasor Measurements in Power Systems［J］.IEEE Computer Applications in Power,1993,6(2):10～15.
［2］ R.O.Burnett et al.Synchronized Phasor Measurements of a Power System Event［J］.IEEE Trans.on Power Systems,1994,9(3):1643～1650.
［3］ J.F.Hauer.Validation of Phasor Calculations in the Macrodyne PMU for California-Oregon Transmission Project Tests of March 1993.IEEE Trans.on Power Delivery,1996,11(3):1224～1231.
［4］ 闵 勇.一次系统事故的同步相量测量结果
分析.电力系统自动化，1998，22(7)：10～13.
［5］ 刘玉田，林 飞.基于相量测量技术和模糊径向基
网络的暂态稳定性预测.
中国电机工程学报，2000，20(2)：19～23.
［6］ V.Centeno,et al.An Adaptive Out-of-Step Relay.IEEE Trans.on Power Delivery,1997,12(1):61～71.
［7］ 高厚磊，江世芳，贺家李.输电线路新型电流差动保护的
研究.中国电机工程学报，1999，19(8)：49～53.
［8］ O.Faucon and L.Dousset.Coordinated Defense Plan Protects Against Transient Instabilities［J］.IEEE Computer Applications in Power,1997,10(3):22～26.
［9］ Y.-J.Wang et al.A Remedial Control Scheme Protects Against Transient Instabilities Based on Phasor Measurement Units(PMUs)-A Case Study.IEEE Power Engineering Society Summer Meeting,July 2000,Seattle,USA,1191～1195.
［10］ 苗世洪.基于GPS的电网状态监测系统的设计与实现.电力系统自动化，2000，24(12)：52～54.
减小字体
增大字体