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向量测量技术

所谓相量测量通常是指就地和远方各相电压电流测量值的傅利叶变换量􀀁 这里讲的电压、电流值的测量包括幅值以及以系统中某相量为基准的相位角的测量和通讯。这是一个用途十分广泛, 发展十分迅速的新领域􀀁例如在自适应保护系统中, 采用同期采样的相量测量技术可以构成端线路（如接线和多接线）的新型纵差保护；在联络线中可以根据相量测量得到的两种等值发电机转子角度之差及其变化率实现真正意义上的失步预测保护, 从而正确地决定联络线是否需要解列正，正确的采取稳定措施。当预测到失步可能发生时还可以根据各子系统频率的变化, 分别采取增减负荷或发电量等有利于系统稳定的措施. 显然, 这些都是系统稳定运行所希望的。众所周知 在符号法中相量是用来表示一个稳定的正弦量的。但在离散信号处理技术中通常用引域中的离散量的离散傅利叶变换值作为相量，即：
（1）
上式中N为是一个正弦周期中总的采样数为第k个采样值，x成为相量，故（1）式也是相量的定义式。采用该式的优点是信号中含有其他频率分量时，x正确地反应了基波分量。当基波频率偏离额定值时会产生误差。但有趣的是，正是这种误差可用来决定输入频率的正确值。经过式（1）的变换， 相量中不在包含的频率。在计算机的实时计算中，为了节省计算时间，不难由式（1）利用已有结果用下式进行递
推计算：

在被采样的模拟频率中可能会包括某些谐波分量，通常可把这些分量作为噪声来处理。由于噪声的存在, 相量会有不确定性, 可以证明， 由于噪声造成的相量的不确定性与数据窗长度N成反比, 即计算中采用的数据越多则相量的不确定性越小。通过对三相电压，电流进行相量测量，由测量值和各序分量的公式计算出正序，负序和零序的相量：

式中分别代表a，b，c三相的相量值。通常采用各序分量的相量值比采用各相的量值能更准确有效地反映系统的运行工况。 一般而言，系统中有若干电压电流量需要测量而且需按式（1）转换成相量, 如果要求这些量在足够准确的同一时刻进行采样则要有共同的时间基准。这点在满足工程要求的范围内在同一发电厂或变电站内是不难实现的，即只要将共同的采样时钟脉冲送到各个采样点即可。但是要在相距甚远的发电厂、变电所中得到时间基准公共的相量， 则因在相距较远的两地获得同一时间基准的困难，就不是一件轻而易举的事了。多年来，人们已经认识到相量测量的重要意义。认识到对不同地点的母线之间的相位角进行测量的必要性, 但在解决公共时钟的间题上都不尽人意。直到近二.三年才从原则上找到了同步时钟采样基准的理想手段, 这就是采用全球卫星定位系统。采样这一手段可以使得地球上任意位置的测量系统获得同步的时钟脉冲。经过定位软件校正后, 误差在1微秒以内，1微秒对应的50 赫兹频率下的电气角度仅0.018度, 完全可以满足继电保护.控制.故障定位的技术要求。

同步相量测量结果分析:

结论是所测相位的最大误差与信号频率有关, 频率越接近其额定值, 最大误差就越小。

前言：

基于GPS技术的相量测量技术已经进人实用化阶段, 带有GPS信号接收功能的相量测量单元（PMU）将成为现代电力系统的重要测量设备。与常规的事故记录装置相比, 其测量结果可以提供更为丰富的系统动态信息, 国际上已有多次应用􀀁PMU技术进行重要的系统试验或作为事故记录装置的报道

　线路同步相量测量

线路的相量采集主要测量相对于绝对时间的相量角度及幅值, 并通过其计算系统功率潮流等信息。
在SMU - 1 同步相量测量装置中, 采用SMU -1GPS 时钟同步单元发生的1PPS 及同步信号进行信号采集。如下图所示的交流量:

图1　相量采集示意图
SMU- 1 装置, 每秒以10kHz 速度进行采样。采样数据采用全波FFT 进行计算, 以1PPS 上升沿为每秒开始, 记录在上升沿前20ms 的相量数据。在每秒中, 按规定桢数产生报文数据。全波FFT 计算中,在频率变化下, SMU - 1 装置首先通过软件精确计算出系统频率, 在得到频率后 采用特殊的变窗口算法调整计算的窗口, 选取完整周波数据计算, 从而可精确计算出系统的相量。
对于线路、母线的U、I , 通过FFT 计算后装置将给出(1) 幅值、谐波、相角; (2)频率; (3) 正序量、负序量、零序量;(4) 有功、无功、功率因素

在计算出以上相量后, 可根据系统要求设定扰动判据, 在达到启动条件下, 按照国标要求, 分时段记录系统扰动数据, 存贮于装置内部FLASH 中, 直至被数据集中器收集。每桢的数据上送后, 系统将在其数据帧打上精确GPS 时钟标签及当前系统状态。在数据集中器中, 根据主站需要选择转发的相量数据及发送时间间隔进行发送。

五 引言:

现代电力系统的主要特征是大电厂、大机组、高电压、大电网, 运行技术复杂、管理水平要求高。严重的扰动可能会引起大面积停电, 甚至全网崩溃, 造成灾难性的后果。大电网事故从开始发生到电网崩溃, 一般在几分钟甚至几秒钟即告结束。这就给电网安全稳定运行提出了新的挑战[ 1] 。
目前应用的电力系统监测手段主要有侧重于记录电磁暂态过程的各种故障录波仪和侧重于系统稳态运行情况的监视控制与数据采集( SCADA)系统。前者记录数据冗余, 记录时间较短, 不同记录仪之间缺乏通信、使得对于系统整体动态特性分析困难; 后者数据刷新间隔较长, 只能用于分析系统的稳态特性。两者具有一个共同的不足 即不同地点之间缺乏准确的共同时间标记, 记录数据只是局部有效, 难以用于对全系统动态行为的分析。
信息处理和通信技术的迅猛发展推动了电力工业应用技术的进步, 尤其是20世纪90年代兴起基于GPS的同步相量测量技术, 为大电网向着大面积实时监测和控制方向的发展提供了先进的信息技术保证, 也是当今各国争相研究开发的新兴科技领域之一[ 2- 3] 。GPS系统可以实时和全天候地为全球任一位置的接收机提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息, 其时间误差小于1 us, 对于50H z的工频信号其相位误差不超过0. 018。与传统运动终端装置RTU ( RemoteTerm-ina lU nit)测量所不同的是, 各PMU 应用GPS时钟在时间上保持同步, 而且可以测量相角。目前, 基于GPS的PMU 装置的研制不少, 但欧美国家的大多数装置只是测量电气相角而非功角。我国研制的部分PMU 装置能够直接测量发电机功角。

同步相量测量单元的基本原理结构
基于GPS定位系统的PMU 原理结构如图1所示。GPS接收器的同步卫星每秒向地球发送1个同步信号(其时间的精确度在1 us以下), 然后

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。

4 同步相量测量技术在电力系统中的应用与研究
目前, 同步相量测量技术在电力系统中的应用与研究已涉及到暂态稳定预测与控制、状态估计与动态监视、输电和发电模型的验证、构建广域测量系统等领域。
4.1 暂态稳定预测与控制

将同步相量测量技术应用于大电网的稳定性控制已经得到了广泛关注。我国国家电力调度中心在2002年制定的《电力系统实时动态监测系统技术规范》(试行)中提出: 同步相量技术应用的近期目标是对电力系统的动态过程进行监测和分析, 逐步实现与能量管理系统( EMS)及安全自动控制系统的联接, 远期目标是电力系统的动态过程进行控制。
文献[ 4]提出了基于同步相量响应的广域暂态稳定性控制的概念, 讨论了系统实现所涉及的关键技术, 包括功角测量、暂态稳定性判别和控制决策、响应时间、通信方式可靠性设计等, 进而论证了同步相量技术应用于电力系统暂态稳定性控制的可行性和优越性。同步相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]根据实时采集的各发电机转子角速度及电磁功率, 利用泰勒级数展开得到的多项式来近似表达发电机转子角度及电磁功率 预测扰动结束后系统运动轨迹和基于暂态能量的轨迹分析法来评估系统的暂态稳定性。该方法基于实测数据进行暂稳预测, 无需网络结构及参数等先验知识, 可以适用于不同运行方式和各种不同类型程度的扰动, 能准确反映系统真实运动情况。

4.2 状态估计与动态监视
状态估计是当代电力系统能量管理系统( EMS)的重要组成部分, 尤其在电力市场环境中
发挥更重要的作用。EMS 的其他高级应用软件如安全约束调度、电压稳定性分析和暂态定性分析等均依赖于状态估计的结果。而目前在电力系统运行的状态估计软件, 都是基于潮流的非线性状态估计。这种非线性迭代求解计算整个电网电压相量的时间比较长, 而且因电力系统的量测是通过远动装置传送到调度中心的, 由于远动装置的误差和在传送过程中各个环节的误差, 使得这些数据存在不同程度的误差, 随之使得估计结果的精度也难以得到保证。
基于GPS的相角测量装置的出现, 使得节点的电压相角可以直接测量, 将相角量测量引入状态估计, 改变了状态估计的初始条件。文献[ 6]提出了基于PMU 的状态估计模型。该模型在等效电流量测变换状态估计模型的基础上引入旋转变换, 不需对电压的相角和幅值及有功和无功的量测权重作出任何假设, 即可实现对法方程的实、虚部严格解耦。同时, 该模型可以充分利用PMU量测信息, 其中包括支路电流相量量测, 以提高量测冗余度。
随着电力系统的发展, 区域电网互联, 形成更大的系统。各区域电网相对独立, 且有各自相对独立的调度中心。为适应这种分区管理模式, 文献[ 7]提出状态估计应采用分布式并行算法。该算法在动态估计扩展K alm an滤波算法的基础上,结合搭接式分布并行算法, 提出了一种基于相量测量单元( PMU )的分布式电力系统动态状态估计新算法。该算法利用少量PMU 测点, 真正实现各子系统的并行计算, 避免了原算法进行串行等待的过程。并结合量测数据预处理、对雅可比矩阵加权等方法, 加快了计算速度, 提高了数值精度和稳定性

4.3 输电和发电模型的验证

由于同步相量测量装置能够形成实时同步的电力网络运行图, 因而该装置的另一个重要应用就是对电力系统的模型参数进行验证。众所周知, 电力系统分析的一个重要方法就是计算机仿真。计算机仿真首先要对系统建模, 虽然随着计算机软硬件能力的增强, 可以用越来越精确的模型描述发电机、变压器、线路等电力系统元件, 但还是作了种种的假设与简化, 使得仿真算法的模型与系统实际元件有这样或那样的差别。由于研究不同的问题, 需要不同精度的模型。因此, 这种模型与实际元件之间的差别有时是可以忽略的,而有时是不能够忽略的。在同步测量技术发展之前, 无法获得电力的网络各点随时间变化的同步曲线, 因而计算机对于电力网络的模型及其仿真结果的现场验证是无法准确进行的。以GPS 时钟信号作为同步测量信号的同步相量测量装置为计算机模型验证提供了良好的现场条件[ 8 ] 。

4.4 构建基于同步相量测量技术的广域测量系统
随着电网的发展和电力市场的推进, 电力系统运行的复杂程度日益增大, 构建基于同步相量测量技术的广域测量系统(W ide A rea MeasurementSystem, 简称WAMS ), 实现对电网的动态实时监测, 具有十分重要的意义。广域相量测量系统主要是由位于厂站端的相
量测量单元PMU、作为基础的高速数据通信网络和电网运行状态定位(时间和空间) 的全球卫星通信系统GPS等几部分组成。文献[ 9]提出的多层WAMS的结构简图如图2所示。

图2 多层广域测量系统结构简图

在这个结构中, 共有三层。最底层是由安放到不同厂站的带有附加保护功能的PMU 组成; 中间一层是由各地保护中心组成, 各保护中心直接同各自相连的PMU 相联系; 最顶层就是系统保护中心, 其作用就是协调处理各保护中心的数据。该结构借助于高速通信网络将测得的相量数据进行汇总, 从而为实现全局型的稳定性控制系统创造了条件。
1994 年, 美国西部电力系统协调委员会(WSCC) 启动了广域测量系统计划, W SCC 在
LabV iew 和M atlab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。目前, 采用基于相量测量的广域保护系统的国家有美国、西班牙、法国、加拿大等[ 10] 。到目前为止, 我国已在东北、华北、华东等区域电网和国家电力调度通信中心以及南方电网构筑了不同规模的基于PMU 的广域测量系统。文献[ 11]介绍了我国华东电网广域测量系统, 该系统能连续监视华东电网运行性能, 包括异常的频率、低频振荡、扰动期间和扰动后的动态特性等。
同步相量测量技术在电力系统中应用的展望
从现有系统的运行来看, 同步相量技术给电力系统的监测、分析和控制提供了新的手段。在电力系统中有着广泛的应用前景[ 12- 13] 。以下是同步相量技术的发展趋势。
a. PMU 与常规RTU 相结合, 改造现有的EMS /SCADA 系统, 使调度中心的EMS 系统功能从稳态向动态转变, 将使大电力系统的全局稳定和恢复控制成为可能, 实现电网实时安全经济调度。
b. 构筑跨区电网综合动态信息平台, 供互联电网分析、监测和实时动态控制使用。
c. 开发高级的测量与监视工具, 对全系统进行动态安全分析( Dynam ic Stability Ana lyze,DSA )、稳定预警及预决策。包括在线扰动识别、振荡监视、事故重演与仿真校核、暂态功角稳定监测、电压动态过程监测与报警、灵活交流输电系统( FACTS)的控制器动作监视、系统动态模型与参数辨识、保护协调管理等。
d. 基于PMU 的WAMS的实时闭环控制。基于动态信息平台对电力系统进行动态稳定监测和分析, 形成在线预决策安全稳定控制策略, 如与常规电网安全自动装置相结合, 则能构建大系统协调稳定控制, 实现大区互联电网的在线实时安全稳定控制。包括协调全系统控制器的动作、优化切机、切负荷、协调振荡解列措施等。

55555 结束语
同步相量测量装置的出现为电力系统提供了新的安全监控手段。在介绍了同步相量测量的基本原理结构的基础上, 综述了同步相量测量装置在电力系统暂态稳定预测与控制、状态估计与动态监视、输电和发电模型的验证、构建广域测量系统等方面的应用与研究。合理配置和充分利用同步相量信息, 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方面, 同步相量测量装置必将发挥巨大作用。

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引言：
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[ 1] 。PMU 是一种新型的高精度测量装置, 能利用GPS 的高精度授时信号, 实现对广域电力系统各节点数据的同步采集, 如节点电压的幅值、相角和支路电流, 然后由高速通信网络将数据传送到调度中心。实现对整个系统运行状态的实时监控。随着我国电力系统发展和大区电网互联, 电网的安全稳定控制越来越重要。为配合全国联网, 进一步加强电力调度中心对电力系统的动态稳定监测和分析能力, 需要在重要的变电站和发电厂安装PMU 装置, 以构建电力系统实时动态监测系统, 并通过分析中心站实现对电力系统动态过程的监测和分析。PMU 系统使得电力系统动态可观测, 弥补了现有监测手段如SCADA 系统和故障录波系统的不足。该系统将成为电力系统调度中心的动态实时数据平台的主要数据源之一, 为制订电力系统控制策略和设计、运行、规划方案提供依据。

2 同步相量测量技术及其应用领域

基于GPS 定位系统的PMU 原理框图如图1 所示。其基本原理为: 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。

Pmu原理图

参考资料：[ 1] 􀀁 A. G. Phadke. Synchronized Phasor Measur ements inPower Systems [ J] . IEEE Computer Applications inPower, 1993, 6( 2) : 10- 15

电力系统电压电流相量的快速同步测量算法研究

引言
电力系统电压电流相量的同步测量技术已经得到了快速发展， 并在电力系统的监测和继电保护中得到越来越多应用［1-4］。但目前的相位和频率测量主要基于傅氏级数和信号过零检测原理， 响应时间通常为一个信号周期［4］， 计算速度较慢。同时， 常规傅氏算法要求全周期采样， 在系统频率变化较快时易产生较大误差； 过零检测方法则受直流分量影响严重。因此， 研究计及直流分量且能适应系统频率变化的相量快速同步测量算法具有实际意义。本文研究基于已知信号模型的相量快速同步测量算法。这种算法在文献［4］ 和文献［5］ 中已经提到， 但未展开讨论。本文在前人研究的基础上， 进一步展开研究， 试图将算法实用化。虽然这种算法计算量较大， 但得益于目前微处理器的迅速发展， 计算量本身已经不再成为瓶颈。同时， 针对算法特点进行若干技术处理， 如采用适当的查表策略， 所研究的算法满足实际应用要求。

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