朱曉衛(wèi) 王莉斌

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了相量測(cè)量裝置（PMU）的基本原理、主要功能和在電網(wǎng)中的典型配置，以及PMU在電網(wǎng)互聯(lián)化、調(diào)度系統(tǒng)一體化背景下的發(fā)展前景。隨著調(diào)度主站對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能的完善以及電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展，PMU作為電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來(lái)源，將在今后電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；PMU；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

0 引言

為了加強(qiáng)電力系統(tǒng)調(diào)度中心對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析的能力，需要在重要的變電站和發(fā)電廠安裝相量測(cè)量裝置（Phasor Measurement Unit, PMU），來(lái)構(gòu)建電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和分析。PMU是電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成部分，它以數(shù)千赫茲速率采集電流、電壓等相量信息，然后通過(guò)計(jì)算獲得測(cè)點(diǎn)的頻率、功率、發(fā)電機(jī)功角等信息，并以每秒幾十幀的速率向調(diào)度主站的廣域測(cè)量系統(tǒng)（Wide-Area Measurement System, WAMS）主站發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，使調(diào)度能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

1 基本原理

1.1 PMU基于時(shí)標(biāo)的采樣

PMU的同步采樣以1PPS秒脈沖為基準(zhǔn)，相量角度由1PPS脈沖決定。電壓、電流等相量的表達(dá)式可以寫(xiě)為，當(dāng)v(t)的最大值出現(xiàn)在秒脈沖時(shí)，相量的角度為0度（如圖1），當(dāng)v(t)正向過(guò)零點(diǎn)與秒脈沖同步時(shí)，相量的角度為-90度（如圖2）。

圖1V(t)最大值出現(xiàn)在秒脈沖

圖2V(t)正向過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)在秒脈沖

當(dāng)相量幅值不變時(shí)，相量的相位與信號(hào)的頻率應(yīng)符合如下關(guān)系：

即相量的頻率等于50Hz時(shí)，相量的角度不變，當(dāng)相量的頻率大于50Hz時(shí)，相量的角度逐漸增大，當(dāng)相量的頻率小于50Hz時(shí)，相量的角度逐漸減小。

1.2 PMU數(shù)據(jù)處理基本原理

PMU測(cè)量單元的硬件原理圖如圖3所示，來(lái)自PT/CT二次側(cè)的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器后，經(jīng)過(guò)濾波變成滿足采樣定理的交流信號(hào)，然后在同步信號(hào)基準(zhǔn)下進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，給計(jì)算出的相量打上時(shí)標(biāo)，最后經(jīng)過(guò)處理器處理后在當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)系統(tǒng)中顯示，同時(shí)通過(guò)通訊模塊完成數(shù)據(jù)上送。相量的算法是通過(guò)離散傅立葉變換法提取波形的基波分量，然后計(jì)算出相位得到。

圖3PMU硬件原理圖

1.3 PMU系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

PMU系統(tǒng)主要由相量測(cè)量單元、數(shù)據(jù)集中單元、輔助分析單元及相關(guān)通訊附件組成，典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。相量測(cè)量裝置單元主要進(jìn)行信號(hào)的采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)集中單元和輔助分析單元；數(shù)據(jù)集中單元將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包和存儲(chǔ)，并最后轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度主站；輔助分析單元通過(guò)監(jiān)控軟件顯示采樣值和相關(guān)裝置工作狀態(tài)。PMU系統(tǒng)與主站通訊在網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用了TCP/IP協(xié)議，在應(yīng)用層采用了IEEE std l344規(guī)約。

圖4PMU系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

2 主要功能

PMU相量測(cè)量裝置具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)通信三大功能，且三者互相配合，互不影響。

2.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

2.1.1相量測(cè)量單元的采樣

相量測(cè)量單元以100幀/秒的采樣速率實(shí)時(shí)測(cè)量線路的三相電壓、三相電流、開(kāi)關(guān)量等信號(hào)，以及機(jī)組的機(jī)端電壓、機(jī)端電流、直流量、開(kāi)關(guān)量和鑒相脈沖等信號(hào)。

2.1.2相量測(cè)量單元的計(jì)算

相量測(cè)量單元根據(jù)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，得到線路的頻率、有功、無(wú)功，以及機(jī)組的內(nèi)電勢(shì)、轉(zhuǎn)速等電氣量，并可根據(jù)變比等參數(shù)進(jìn)行一次值/二次值的轉(zhuǎn)換。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

2.2.1動(dòng)態(tài)文件存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)集中單元收到相量測(cè)量單元的采樣數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)地將該動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以dyn格式的文件進(jìn)行存儲(chǔ)，每分鐘存儲(chǔ)一個(gè)文件，每個(gè)文件為6000幀。數(shù)據(jù)集中單元最少可以存儲(chǔ)14天的動(dòng)態(tài)文件。

2.2.2暫態(tài)文件存儲(chǔ)

相量測(cè)量單元可以根據(jù)需要設(shè)置故障錄波定值，當(dāng)采樣過(guò)程中采樣值出現(xiàn)異常情況（如突變、越限等）時(shí)，相量測(cè)量單元會(huì)自動(dòng)觸發(fā)錄波功能，按照故障錄波的方式對(duì)故障前和故障后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并按照COMTARDE格式存儲(chǔ)故障文件。

2.3 實(shí)時(shí)通信

數(shù)據(jù)集中器將所收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到主站，支持接受多個(gè)主站的同時(shí)召喚命令，并以時(shí)間作為優(yōu)先級(jí)順序建立通道，傳送部分或全部測(cè)量通道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。PMU的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸出速率能夠根據(jù)主站要求進(jìn)行選擇，具有25幀/秒、50幀/秒、100幀/秒等多種可選速率。PMU的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輸出時(shí)延(相量時(shí)標(biāo)與通信出口數(shù)據(jù)輸出時(shí)刻之時(shí)間差)不大于30 ms。

3 典型配置

由于我國(guó)地域的廣闊性以及電網(wǎng)覆蓋的復(fù)雜性，使得電網(wǎng)的每個(gè)站點(diǎn)不可能都配置一套PMU供調(diào)度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并且作為調(diào)度主站的運(yùn)行人員，在監(jiān)控和分析整個(gè)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況時(shí)，也不可能做到對(duì)每個(gè)廠站面面俱到，因此PMU系統(tǒng)一般只需要監(jiān)控電網(wǎng)主干網(wǎng)上重要的樞紐站或電壓等級(jí)較高的廠站。

因此，在配置PMU廠站時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①保全性，即能夠反映系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的信息及主干網(wǎng)的動(dòng)態(tài)信息，且不會(huì)丟失數(shù)據(jù)；②經(jīng)濟(jì)性，即PMU的數(shù)量最少，花費(fèi)相應(yīng)的代價(jià)也就越??；③兼容性，可以與多種算法配合使用，彼此之間不會(huì)發(fā)生沖突；④繼承性，即在配置PMU時(shí)應(yīng)考慮電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，如逐漸與SCADA系統(tǒng)的融合等。

一般情況下，需要配置PMU的站點(diǎn)有電網(wǎng)架構(gòu)中關(guān)鍵的發(fā)電廠、所有500 kV電壓等級(jí)及以上等級(jí)的變電站（西北地區(qū)為330kV及以上電壓等級(jí)）、部分起到重要聯(lián)絡(luò)作用的220 kV變電站以及風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站等新能源廠站。

4 發(fā)展前景

4.1 與其他系統(tǒng)的比較

目前調(diào)度主站端的系統(tǒng)主要有WAMS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)和故障錄波系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)主要采集RTU上送的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，故障錄波系統(tǒng)主要采集由故障錄波裝置或保護(hù)裝置提供的故障前后幾秒內(nèi)的暫態(tài)波形。這兩種監(jiān)測(cè)方法都存在一定的不足，SCADA系統(tǒng)側(cè)重于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況，測(cè)量周期通常是秒級(jí),而且 SCADA 數(shù)據(jù)不帶時(shí)標(biāo),不同地點(diǎn)之間缺乏準(zhǔn)確的共同時(shí)間標(biāo)記，其慢速刷新的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)預(yù)測(cè)、低頻振蕩、故障分析等工作幾乎不能提供任何幫助；故障錄波數(shù)據(jù)的采樣頻率一般都在幾千赫茲以上,并帶有時(shí)標(biāo)信息,但是只在發(fā)生故障時(shí)采集故障點(diǎn)附近的數(shù)據(jù),記錄數(shù)據(jù)只是局部有效,并且持續(xù)時(shí)間較短,通常在數(shù)秒以內(nèi),難以用于對(duì)全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的監(jiān)視和分析。而PMU作為WAMS系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采樣，既彌補(bǔ)了SCADA系統(tǒng)采樣速率低、時(shí)標(biāo)無(wú)法對(duì)齊的缺陷，又具備故障錄波裝置的錄波功能，可以說(shuō)是對(duì)前兩個(gè)系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。

4.2 PMU的發(fā)展前景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)也在進(jìn)一步地加大融合，逐漸朝著大電網(wǎng)的方向發(fā)展，這意味著電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定因素的可能性增大和數(shù)據(jù)處理交換的愈加頻繁，這就對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警和大數(shù)據(jù)分析處理等高級(jí)應(yīng)用提出了更高的要求。目前各級(jí)網(wǎng)省調(diào)主站新加的D5000調(diào)度系統(tǒng)就是將SCADA系統(tǒng)和WAMS系統(tǒng)的功能融合集成在一起，這不僅減少了主站運(yùn)行人員的工作量，同時(shí)也使得兩個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以互相交換利用，為各種高級(jí)功能應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備正逐步走向多功能化和集成化，在廠站端也很有可能進(jìn)行設(shè)備的整合，以減少維護(hù)設(shè)備的數(shù)量和運(yùn)行人員的工作量。比如PMU裝置和測(cè)控裝置的功能融合，從而在子站端將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，加上PMU自身的暫態(tài)數(shù)據(jù)記錄功能，形成三合一的多功能裝置也不是沒(méi)有可能。

5 結(jié)論

PMU作為電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能夠加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全穩(wěn)定的監(jiān)控，提高調(diào)度機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確把握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的能力，并有助于研究大電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為制訂電力系統(tǒng)控制策略和設(shè)計(jì)、運(yùn)行、規(guī)劃方案提供依據(jù)。在未來(lái)的電網(wǎng)發(fā)展中，PMU也將扮演舉足輕重的角色。

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作者簡(jiǎn)介：

朱曉衛(wèi)（1988-），男，大學(xué)本科，助理工程師，主要研究PMU、故障錄波器等在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

王莉斌（1979-），男，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化方面的研究和工程管理工作。