電網同步相量測量單元PMU

下面從三個方面來說一說淺顯的同步相量測量單元PMU：也就是同步、相量、測量三個方面。

一、同步

一言概之：中國這麼大，電網這麼大，西安到新疆都有時差，電網信號變化太快了，北京時間這一分鐘，河裡的水都流過萬重山了。得給電網檢測系統們帶一塊高質量的名表！基於高精度原子鐘的衛星授時表。最好還是對我們最安全的「北鬥牌」

電力系統要確保發電廠、變電站的電力設備運轉同步進行，首先必須要確保設備內部時鐘的一致性，電力系統的安全運行需要在很大範圍內實現高精度的時間同步。動力系統整個電網的同步相位測量、功角測量、故障定位以及故障錄波等技術均需要時間同步技術。安全可靠的高精度的時間同步技術是當代電網乃至未來智能電網正常運行的一項基本要求。

如何保持時間精度和遠距離時鐘的同步是一個古老的問題。星上時鐘的精確同步是GPS的核心。為此，在GPS衛星和運控系統監控站上使用了原子鐘。通過時間同步技術，GPS時間與協調世界時UTC可以同步到納秒量級。GPS衛星把播發的導航電文「打上時間標記」，為精密時間和頻率數據在全世界的傳播提供同步原子鐘網路，即GPS的授時服務。

GPS同步衛星每秒向地球發送1個同步信號,GPS接收器可以提供間隔為1 s的脈衝信號1PPS,其精確度不低於1μs,對於50 Hz的工頻量而言,其相位誤差不超過0.018,完全可以滿足功角測量的要求。

我國電網每年都有因GPS授時不準而發生事故，給國家帶來了巨大的經濟損失。針對電力授時存在的安全隱患，北京某公司研發出「北斗電力全網時間同步管理系統」，結束了我國電力運行安全命系他國的歷史，解決了電力系統時間同步應用中的三個難題，即提供可靠的時鐘源、全網時間同步管理和遠程實時監測維護。2008年12月19日，「北斗電力全網時間同步管理系統」在華東電網掛網運行。2009年9月，國家正式確立「天地互備，以北斗為主」的電力授時體系，國家電網公司和南方電網公司也都做出積極響應。「北斗時間」系統首次被順利引入我國電網數字化變電站，結束了我國電力運行時間完全依賴美國GPS全球定位系統的歷史，使得以往缺乏安全保障的「美國授時」變為「中國授時」。

有時電力系統中的不正常運行，可能就是因為設備之間時間同步達不到要求的原因所造成。

例如在電力系統中的廣域實時監測系統，主要依靠GPS同步時鐘的高精確度對廣域實時監測系統提供精確的相角測量，然而由於GPS的授時可能會受外界環境影響發生衛星失鎖現象，其穩定性和安全性存在一定的不可靠性，在1995年曾經出現20ms的時鐘跳變，這將導致相角測量產生較大的誤差從而引發電力系統的錯誤動作。又如故障錄波器，可以自動地、準確地記錄電力系統發生故障前後過程的各種電氣量的變化情況，用於判斷故障的位置、原因以及繼電保護是否發生正確動作等，一旦故障錄波器的時間同步精度達不到一定範圍時，將對事故原因的分析造成一定不良影響。

二、相量

首先說到相量，很多人肯定和我一樣困惑……因為在各種書上見過了「相量」「向量」和「矢量」……覺得都是一個東西吧，不同領域分的還挺開……

一般區分如下：

1、矢量又稱向量(Vector)，最廣義指線性空間中的元素。它的名稱起源於物理學既有大小又有方向的物理量，通常繪畫成箭號，因以為名。例如位移、速度、加速度、力、力矩、動量、衝量等，都是矢量。

2、相量：電工學中，用以表示正弦量大小和相位的矢量叫相量，也叫做向量。

當頻率一定時，相量唯一的表徵了正弦量。將同頻率的正弦量相量畫在同一個複平面中（極坐標系統），稱為相量圖。從相量圖中可以方便的看出各個正弦量的大小及它們之間的相位關係，為了方便起見，相量圖中一般省略極坐標軸而僅僅畫出代表相量的矢量。

這裡PMU要測量的，就是第二個「相量」，英文文獻中翻譯為Phasor，a line used to represent a complex electrical quantity as a vector.

眾所周知,電力系統中的電量(如電流、電壓等)均為正弦量,正弦量的三要素分別為幅值、頻率和初始相角。對於同頻率的電量來講,幅值和相角是關鍵因素,而長期以來電量的幅值可方便地測量,但相角測量卻是一個未解的難題。由於相角無法直接測量,從而造成實時潮流計算需解非線性方程;調度員只能從模擬盤上的潮流,根據經驗間接判斷系統的穩定性;電力系統的緊急安全控制無法應用簡單的相角條件來實現。

相量分析是交流電網的重要工具，可以預測電網中各節點相對角的趨勢。相量的變化可精確地描述電力系統運行狀態的變化，各母線電壓相量是 實 際 電 網 運 行 的 狀 態 變 量。

幅值可以用交流電壓電流表測量，而相位的大小以變電站內 GPS 時間為參考點。同步測量以 GPS 信號作為採樣過程的基準，通過對採樣數據計算而得的相量稱為同步相量。

如圖 1，各個節點的相量之間存在著確定統一的相位關係，使異地信號可以在相同的時間坐標下比較。

兩站相角差 δ 是指在同一個 GPS 信號下的兩個母線電壓正序相量的相角差，它是系統運行的重要狀態變數之一。通過這個相角差，可以得知兩個變電站之間潮流的方向與大小。

再用簡圖表示：

三、測量

PMU的基本原理為:濾波處理後的交流信號經A/D轉換器量化，微處理器按照演算法計算出相量。依照IEEE標準1344- 1995規定的形式將正序相量、時間標記等裝配成報文，通過專用通道傳送到遠端的數據集中器。數據集中器收集來自各個PMU的信息，為全系統的監視、保護和控制提供數據。

當前世界上的交流電力系統一般都是ABC三相的，而電力系統的正序，負序，零序分量便是根據ABC三相的順序來定的。

正序：A相領先B相120度，B相領先C相120度，C相領先A相120度。

所以難點在於：微處理器按照演算法計算出相量。

目前比較常用的有兩種：過零檢測和遞歸傅里葉，各有優缺點。

過零檢測法

過零點同步相角測量演算法是一種比較直觀的同步相角測量方法，只需要將被測工頻信號的過零點時刻與某一時間標準相比較即可得出相角差。

目前市場上GPS- OEM接收模塊的秒脈衝(1 pps)上升沿的精度誤差在± 1μs之內，對於50 Hz的工頻其相位誤差在± 0.018°，在允許的相位誤差範圍之內。

國內目前RTU通信網路的速率比較低,傳送一次數據需0.5～ 1.5 s，因此只要將正序電壓過零點時刻與1 pps相比較，便能得到相對於協調世界時UTC(Coodinated Universal Time)絕對時間的各節點正序電壓相角。

再以系統中的主力發電廠或中樞變電站作為參考站，各子站根據自身的相角和參考相角即可得到各子站相對於參考點的角度，該角度可用於子站的控制，如發電機的調速、切機等等。

過零點同步測量演算法原理簡單,硬體軟體上較易實現，但該演算法要求各個母線電壓的過零點時刻是同步的，並且由於電壓過零點的諧波影響和過零檢測電路的不一致性也會造成測量誤差。

過零點非同步相角測量演算法與過零點同步相角測量演算法的基本原理相同,主要區別是過零點非同步相角測量演算法不需要數據的的同步採集,即在相角數據刷新時不需要各個母線的過零點時標同時到達調度中心,而是只要有過零點時標傳送到調度中心就可以對此母線電壓與參考母線電壓計算相角差,實現電壓相角的實時刷新。過零點非同步相角測量演算法適用於靜態電力系統即系統頻率是穩定不變的,它不要求數據同步、實時採樣和處理,只要周期地去採集電壓的過零點並為其打上精確的時間標籤就可以得到精確的相角差,從而大大減小了數據的傳輸量,也不會對相角差的精確測度產生影響。傳輸信息量小、更新速度快,這是該演算法的主要優點。

四、產品化

那陣看論文看網頁，都說PMU設備很昂貴，大師兄不是做這個的，看了原理之後隨口問了我一句，為什麼很昂貴，貴在哪了，之後仔細查看一番，發現我不知道……

現在還是不知道……

自 2009 年華中電網有限公司印發《華中電網同步相量測量裝置( PMU) 配置原則( 試行) 》通知後，國內各大網、省開始陸續應用 PMU 系統。目前，國內只有南瑞、北京四方、電科院等單位研發PMU 裝置，之前由於成本過高，沒有大規模採用。

比如南瑞的SMU-2型：

參考文獻：

1、《GPS 時 是怎麼回事》 作者：劉天雄

2、《同步相量測量系統及其在長洲水電廠中的應用 》 作者：黃紅梅

3、《同步相量測量裝置在 500 k V 遠東變電站的應用與分析》作者：奚丕奇，吳苗鳳

4、《電壓相角測量演算法研究及其應用》 作者：段俊東,　戚新紅,　喬麗娜

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