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同步相量测量装置的应用进展

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： 接收器给出 1 pps GPS

1

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， 陆续安装于北美及世界许多国家的电网， PMU

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

2

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， 压、 流幅值等)，
电 电 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， 系统动态的状态就可以建立起来。 描述

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。

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