基于PMU的廣域相量測(cè)量系統(tǒng)概述

【摘 要】本文首先介紹了PMU(Phasor Measurement Unit)的主要技術(shù)問題：同步數(shù)據(jù)采集和相量計(jì)算方法，初步分析影響相量測(cè)量單元準(zhǔn)確度的因素和解決方法，最后簡單介紹了PUM在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】PMU；WAMS；廣域相量測(cè)量；應(yīng)用技術(shù)

1、前 言

同步相量測(cè)量裝置PMU是1980年首次提出的。隨著GPS在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，PMU應(yīng)運(yùn)而生，而全球發(fā)生的幾次大電網(wǎng)事故推動(dòng)了PMU和基于PMU的WAMS(Wide Area Measurement System)同步相量測(cè)量技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用。工程技術(shù)人員可以根據(jù)PMU提供的精確相量數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)故障的一系列事件的先后順序，確定導(dǎo)致系統(tǒng)故障的原因和故障點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及研究結(jié)果表明：WAMW技術(shù)在電力系統(tǒng)穩(wěn)定預(yù)測(cè)與控制、狀態(tài)估計(jì)與動(dòng)態(tài)監(jiān)視、繼電保護(hù)、模型驗(yàn)證、故障定位等有著廣泛的應(yīng)用前景

2、PMU的主要技術(shù)問題

PMU要求同步對(duì)時(shí)誤差不超過1μs，相量幅度誤差小于0.2％，角度誤差不過0.2度，頻率測(cè)量為45－55Hz，誤差不超過0.005Hz，能連續(xù)記錄14天的數(shù)據(jù)，最快100Hz。GPS信號(hào)丟失時(shí)能自動(dòng)守時(shí)，GPS失鎖60分鐘，誤差不超過55μs，按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳送動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。PMU的主要技術(shù)問題包括同步采集和相量計(jì)算。

2.1同步采集

典型的PMU的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，基本原理為：鎖相振蕩器將GPS接收器給出1pps信號(hào)分成一系列脈沖用于采樣，交流信號(hào)經(jīng)過濾波處理后經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化，再經(jīng)過微處理器進(jìn)行離散傅立葉變換計(jì)算出相量。微處理器也可以采用對(duì)稱分量法計(jì)算出正序相量。PUM裝置按照一定的標(biāo)準(zhǔn)將時(shí)間標(biāo)記、正序相量等裝配成報(bào)文，傳送到遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)集中器。收集來自各個(gè)數(shù)據(jù)集中器的PMU信息，為全系統(tǒng)的保護(hù)、控制和監(jiān)視提供數(shù)據(jù)。

2.2相量計(jì)算

相量測(cè)量算法主要有離散傅立葉變換法(DFT)、過零檢測(cè)法等。

2.2.1 過零檢測(cè)法

過零檢測(cè)法只需將被測(cè)工頻信號(hào)的過零點(diǎn)時(shí)刻，與某一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相比較即可得出相角差，是比較直觀的一種同步相量測(cè)量方法。對(duì)于50Hz的工頻信號(hào)，子站和參考站的電壓相角差為若要在每一個(gè)周波內(nèi)都能進(jìn)行相位比較，提高相角測(cè)量的實(shí)時(shí)性，則需要以GPS的1PPS為基準(zhǔn)，由WAMS的CPU內(nèi)的精確晶振時(shí)鐘建立標(biāo)準(zhǔn)的50Hz信號(hào)，由CPU在電壓過零點(diǎn)時(shí)打上時(shí)間標(biāo)簽，再求出各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的50Hz信號(hào)的相角差。過零檢測(cè)法原理比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但其易受諧波、噪聲和非周期分量的影響，精度不高，實(shí)時(shí)性不好，需要與其他技術(shù)手段結(jié)合使用。

2.2.2 離散傅立葉變換法

DFT是在電力系統(tǒng)相量計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的算法之一。DFT有濾波功能，可以準(zhǔn)確地求出信號(hào)中的直流分量、基波分量和各次諧波分量，計(jì)算精度不受直流分量和諧波分量的影響。

N為每周波的采樣點(diǎn)數(shù)，X為相量的有效值 ，為采樣值。這種相量計(jì)算方法能消除整次諧波分量的影響，但是要求在相量計(jì)算之前，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，防止頻域混疊現(xiàn)象的發(fā)生。

DFT相量計(jì)算，要求采樣頻率為基波信號(hào)周期的整數(shù)倍。信號(hào)頻率與采樣頻率不同步時(shí)周期采樣信號(hào)的相位在始端和終端不連續(xù)，會(huì)出現(xiàn)頻率泄漏，進(jìn)而造成計(jì)算的誤差。定間隔采樣法和等角度采樣法能減小這種不利影響。

2.2.3數(shù)字微分法

數(shù)字微分法利用正弦量的特性，差分后可將信號(hào)頻率轉(zhuǎn)化為系數(shù)，經(jīng)過求商約去時(shí)域變量后得到相量計(jì)算式。數(shù)字微分法實(shí)質(zhì)上基于拉格朗日插值曲線擬合法和數(shù)字微分。數(shù)字微分法計(jì)算量小、精度高、耗時(shí)短，但該算法不具備抗干擾能力，使其應(yīng)用范圍有一定的限制。數(shù)字微分法通過選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)間隔，一定程度上能夠抑制諧波的干擾，但是對(duì)于隨機(jī)干擾和非周期分量卻難以獲得好的結(jié)果，仍然需要濾波處理。

2.3影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素

系統(tǒng)的頻率并非固定不變的，信號(hào)為非工頻信號(hào)時(shí)，使固定的采樣窗口與信號(hào)周期不一致，需要對(duì)非工頻信號(hào)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，否則對(duì)相量測(cè)量單元的準(zhǔn)確度造成一定的影響。系統(tǒng)中的諧波也會(huì)對(duì)PMU裝置測(cè)量的準(zhǔn)確度造成影響，當(dāng)相量計(jì)算方法采用DFT時(shí)可消除整數(shù)次諧波，起到一定的濾波作用。此外，暫態(tài)畸變也會(huì)影響PMU的相量測(cè)量的精度。

3、PMU在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1993年美國的工程技術(shù)人員研制出第一臺(tái)PMU裝置，標(biāo)志著同步相量測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)的實(shí)用化，使同步相量測(cè)量技術(shù)的推廣應(yīng)用上升到一個(gè)新的階段。隨著各大電力公司和科研機(jī)構(gòu)對(duì)PMU的應(yīng)用研究和工程實(shí)施的迅速開展，基于PUM的同步相量測(cè)量技術(shù)在電力系統(tǒng)保護(hù)、電力系統(tǒng)控制、電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方面將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)和記錄

3.1.1電力系統(tǒng)故障錄波

早期通信信道傳輸能力較低且價(jià)格昂貴，最初PMU幾乎唯一的應(yīng)用就是故障錄波，目前故障錄波仍然是PMU最基本的也是非常重要的一個(gè)應(yīng)用。它包括常規(guī)保護(hù)的故障錄波和擾動(dòng)情況下系統(tǒng)的行為錄波。

3.2系統(tǒng)低頻振蕩監(jiān)測(cè)、辨識(shí)與抑制

電力系統(tǒng)的低頻振蕩問題已成為制約電網(wǎng)傳輸能力和危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的最主要因素之一。基于PMU的WAMS能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行在線同步測(cè)量，能夠快速測(cè)量與發(fā)電機(jī)機(jī)電暫態(tài)密切相關(guān)的測(cè)量量，如發(fā)電機(jī)的功角、角速度、內(nèi)電勢(shì)和母線電壓等，并將信息及時(shí)地傳送到調(diào)度中心，為實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)在線分析低頻振蕩提供了信息平臺(tái)。WAMS根據(jù)辨識(shí)結(jié)果配置PSS參數(shù)，有效地抑制低頻振蕩。系統(tǒng)運(yùn)行人員從中獲知電網(wǎng)經(jīng)常發(fā)生的阻尼特性、振蕩的頻率及其相關(guān)機(jī)組，提前了解當(dāng)前電網(wǎng)存在的主要振蕩問題，調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)、合理安排運(yùn)行方式，并提前制定校正控制預(yù)案。

4、結(jié)語

基于PMU的廣域相量同步測(cè)量技術(shù)還是一種新生事物，在電力系統(tǒng)中必將有廣闊的發(fā)展前景，PMU/WAMS將會(huì)有更大的發(fā)展空間。智能調(diào)度是智能電網(wǎng)的中樞，廣域相量測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是保證電網(wǎng)安全的重要手段。智能控制是智能電網(wǎng)的重要的環(huán)節(jié)之一，基于PMU的WAMS系統(tǒng)是智能控制得到保證的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)中國堅(jiān)強(qiáng)型智能電網(wǎng)的宏偉目標(biāo)，WAMS將是其重要的組成部分。

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