淺談同步相量測量裝置PMU

摘 要：隨著中國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，對電網(wǎng)動態(tài)安全監(jiān)測提出了更高的要求。電網(wǎng)廣域測量系統(tǒng)（WAMS）作為一種新型、有效的監(jiān)測系統(tǒng)，通過同步采集相量數(shù)據(jù)為電網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)提供了新方向。同步相量測量裝置（PMU）是廣域測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，其測量的精確性和實時性是直接影響到電力系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)視與分析、繼電保護(hù)等高級應(yīng)用的重要因素。本文介紹了同步相量測量裝置的結(jié)構(gòu)原理，以及相關(guān)的幾種同步方法、頻率跟蹤方法和同步相量測量算法，并對其各自的優(yōu)缺點進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)動態(tài)安全監(jiān)測；廣域測量系統(tǒng)；同步相量測量裝置

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

1 引言

電力是現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日常生活不可或缺的一種能源。自美國加拿大發(fā)生史上最嚴(yán)重的大停電，世界各地相繼曝出大規(guī)模停電事故，其給社會和居民生活造成難以估計的損失。同時，電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行愈發(fā)引起了各國的重視，對于電網(wǎng)安全監(jiān)測技術(shù)的要求也隨之提高。廣域測量系統(tǒng)（WAMS）是一種新型的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測電力系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行情況。相較于傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)，WAMS通過GPS統(tǒng)一授時，為電網(wǎng)內(nèi)不同測量點提供同步參考時標(biāo)并進(jìn)行相量數(shù)據(jù)的同步采集，從而實現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行動態(tài)監(jiān)視[1，2]。

同步相量測量裝置PMU是WAMS的基本單元，是用于進(jìn)行同步相量的測量和輸出以及進(jìn)行動態(tài)記錄的裝置，利用PMU可改善對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況的監(jiān)測性能和進(jìn)行狀態(tài)估計。PMU的核心特征包括基于標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號的同步相量測量、失去標(biāo)準(zhǔn)時鐘的守時能力、PMU與主站之間能夠?qū)崟r通信并遵循有關(guān)通信協(xié)議。

2 同步相量測量裝置的技術(shù)原理

PMU通過傳感器采集電力信號，經(jīng)濾波器濾除諧波干擾，GPS模塊產(chǎn)生秒脈沖（PPS，即每秒1個脈沖），和頻率跟蹤與測量環(huán)節(jié)合成異地同步采樣脈沖序列，AD轉(zhuǎn)換器接收到采用脈沖后觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換，在微處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)計算處理并定上時鐘標(biāo)刻，發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。

PMU測量信號的處理分別包括異地同步、頻率跟蹤測量和同步相量測量。異地同步方法有選取數(shù)據(jù)窗的起始、中間或末尾作為同步時標(biāo)三種。典型的頻率跟蹤測量方法主要有PLL硬件鎖相和軟件自適應(yīng)跟蹤等[3，4]。PLL硬件鎖相是通過外設(shè)進(jìn)行頻率跟蹤，CPU占用率較小，但可能存在1個PLL鎖相脈沖的最大相角誤差。 常用軟件頻率跟蹤有瞬時值法、能量算子法和數(shù)字微分法。

同步相量測量算法是PMU的核心，其算法的好壞決定了PMU的性能優(yōu)劣，目前主要方法有：過零點檢測法[5]、離散傅立葉變換法（DFT）[6] 、卡爾曼濾波法、小波變換法等。實際常采用過零檢測法和離散傅立葉變換法（DFT）。過零檢測指的是在交流系統(tǒng)中，當(dāng)波形從正半周向負(fù)半周轉(zhuǎn)換時，經(jīng)過零位時，系統(tǒng)作出的檢測。該方法原理簡單，計算速度快，硬件實施容易，成本較低，但易受諧波與模擬電路相移干擾，在系統(tǒng)動態(tài)情況下測量結(jié)果較差，且無法測量幅值。離散傅里葉變換（DFT），是傅里葉變換在時域和頻域上都呈離散的形式，將信號的時域采樣變換為其DTFT的頻域采樣。為了減少計算量，提高效率，通常采用快速傅里葉（FFT）來實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓和電流的基波幅值的測量分析。該算法可以很好地抑制諧波，但在系統(tǒng)頻率偏移時存在頻譜泄露、柵欄效應(yīng)和動態(tài)情況下的DFT平均化問題。

卡爾曼濾波法的基本思想是：以最小均方誤差為制約條件，對離散采樣序列進(jìn)行估計，求出前一時刻的狀態(tài)變量估計值，并利用該估計值和當(dāng)前采樣點計算更新狀態(tài)變量，再利用已更新的狀態(tài)變量反求出當(dāng)前采樣點時刻的估計值。這種軟件濾波的方法實時性較好，但其在相量相角測量存在較大誤差，且復(fù)雜的算法對硬件要求較高。

小波變換是一種新的變換分析方法，它繼承和發(fā)展了短時傅立葉變換局部化的思想，同時又克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點，能夠提供一個隨頻率改變的時間一頻率窗口。小波分析運(yùn)算繁復(fù)而影響了同步相量估計的速度，實時性不佳，此算法加重了CPU的負(fù)擔(dān)。

3 結(jié)語

本文介紹了同步相量測量裝置的結(jié)構(gòu)原理，總結(jié)了相關(guān)的幾種同步方法、頻率跟蹤方法和同步相量測量算法，并對其各自的優(yōu)缺點進(jìn)行分析。文中所提及的算法對同步相量測量都具有現(xiàn)實意義，但目前實際運(yùn)用于PMU上的方法主要為過零檢測法和傅里葉變換法，其中傅里葉變換法的使用更為廣泛，因此針對傅里葉算法的相量測量誤差改進(jìn)算法的研究正引起人們的極大興趣。而其他算法也還處于理論研究和仿真階段。隨著處理芯片、通訊網(wǎng)絡(luò)、A/D轉(zhuǎn)換器與存儲介質(zhì)的不斷更新?lián)Q代，且相應(yīng)硬件的價格將會不斷下降，PMU測量精度、計算速度與在電網(wǎng)的普及率也會持續(xù)提高。

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作者簡介：唐曉艷（1991-），男，福建南平人，碩士研究生，助理工程師，高級自動化運(yùn)維員，研究方向：電網(wǎng)監(jiān)測。