電力系統同步相量測量裝置（PMU）應用及分析

納少華 馬彩虹 銀川供電局 750001

電力系統同步相量測量裝置（PMU）應用及分析

納少華 馬彩虹 銀川供電局 750001

基于全球定位系統GPS的相量測量單元（PMU）能將實時同步相量信息送至調度中心，使全網動態監測成為可能。本文首先介紹了PMU（同步相量測量裝置）的原理、功能，接著明確了基于PMU的應用和分析，最后，給出了PMU與主站網絡通信的數據流程。

PMU 同步相量；相量測量；電力系統

1 引言

隨著電網的快速發展和電力市場進程的推進，電力系統運行的復雜程度日益增大，對電力系統的穩定性要求越來越高。目前建立用于測量和監視電力系統穩態運行的SCADA系統，側重于監測系統穩態運行情況，測量周期是秒級，且不同地點之間缺乏準確的共同時間標記。廣域測量系統(Wide Area Measurement System,簡稱 WAMS)能夠實時地反映全網系統的動態變化，作為電網動態實時監測的新技術和重要手段，對電網的安全穩定運行起到了重要的作用。而基于成熟的GPS技術、通信技術、DSP技術上的PMU裝置，其具備高穩定性和可靠性、高精度、強大的計算處理、存儲和通訊能力、良好的人機界面和開放性,正是WAMS系統的基礎，為實現電力系統動態監測提供了可能。

PMU全稱為Phasor Measurement Unit,意為同步相量測量裝置。PMU能以數千赫茲速率采集電流、電壓等信息，通過計算獲得測點的功率、相位、功角等信息，并以每秒幾十幀的頻率向WAMS主站發送。PMU通過GPS對時，能夠保證全網數據同步性，數據與時標信息同時存儲在本地并發送到主站。電網內的變電站和發電廠安裝PMU后，就能夠使調度人員實時監視到全網的動態過程。

2 PMU的基本原理及結構

PMU的基本原理為:GPS接收器給出1pps信號，鎖相振蕩器將其劃分成一定數量的脈沖用于采樣，濾波處理后的交流信號經數模(A/D)轉換器量化，微處理器按照遞歸離散傅立葉變換原理計算出相量。對三相相量，微處理器采用對稱分量法計算出正序相量。依照IEEE標準1344-1995規定的格式將正序相量、時間標記等裝配成報文，通過專用通道傳送到遠端的主站數據集中器。PMU的典型結構如圖1所示。

圖1 PMU典型結構框圖

圖2 PMU與主站數據集中器的通信

圖3 變電站相量測量、數據傳送示意圖

主站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。圖2示出了PMU與主站數據集中器的通信，可以采用多種通信技術，如直接連線、無線電、微波、公共電話、蜂窩電話、數字無線、專用網絡等。目前，運用較多的PMU子站之間與WAMS主站的通信方式有兩種：（1）電力數據網方式子站的以太網口直接與電力數據網交換機連接并接入到通信前置機；（2）2M專線方式：子站的以太網口經過協議轉換器轉換，接入到通信前置機。PMU設備在網絡傳輸層應用了TCP/IP協議，在應用層采用了IEEE std 1344規約，可使主站靈活配置并控制PMU子站。在PMU設備體系結構中，數字信號處理、同步通信是同步相量測量技術的關鍵，而防混疊濾波器，A/D轉換器等器件的性能也將直接影響測量的精度。

3 PMU應用及分析

3.1 PMU實現的功能

3.1.1 同步相量測量

（1）測量變電站線路三相基波電壓、三相基波電流、序量值、開關量等的實時數據及實時時標；

（2）測量發電機機端三相基波電壓、三相基波電流、序量值、開關量、發電機功角、發電機內電勢的實時數據及實時時標；

（3）測量勵磁系統、AGC系統等的直流模擬量等。

3.1.2 同步相量數據傳輸

裝置根據IEEE std 1344規約將同步相量數據傳輸到主站，傳輸的通道根據實際情況而定，如：10/1OOMHZ以太網、RS232、2M口等，通信鏈路協議為TCP/IP。

3.1.3 數據整定及就地顯示

（1）裝置的參數當地整定；

（2）裝置的測量數據可以在計算機界面上以相量列表、主接線圖相量矢量表計、相量矢量圖、連續相量變化圖、模擬量波形圖、模擬量值、開關量狀態等方式顯示。

3.1.4 擾動數據記錄

（1）具備暫態錄波功能。用于記錄瞬時采樣的數據，輸出格式符合ANSI/IEEEC37.111-199(COMTRADE)的要求；

（2）具有全域啟動命令的發送和接收，以記錄特定的系統擾動數據；

（3）可以以IEC60870-5-103或FTP的方式和主站交換定值及故障數據。

3.1.5 當地通信接口

圖4 發電機相量測量示意圖

圖5 發電廠相量數據傳送示意圖

圖6 PMU和主站通信連接示意圖

裝置提供通信接口用于和勵磁系統、AGC系統、電廠監控系統進行數據交換。

3.1.6 數據存儲

存儲暫態錄波數據；存儲實時同步相量數據。

3.2 PMU的應用

3.2.1 變電站

圖3表示了變電站相量測量、數據傳送示意圖。變電站同步相量測量一般只對電源側線路進行測量。根據測量線路數量的要求，配置一定數量的測量裝置；全站配置一個數據管理單元，用于多臺PMU數據的整合及轉發，轉發的方向考慮有省調、國調、網調。同時考慮當地應有一臺計算機用于簡單地顯示、操作；全站配置一個GPS，用于多個測量裝置的時間同步；裝置與裝置之間、裝置與GPS之間、通信單元與主站之間均采用光纖通信。

3.2.2 發電廠

發電廠測量不同于變電站測量。其不但要完成線路量測量，而且要完成發電機測量且這是關鍵。圖4是一個發電機測量的示意圖。其測量的輸入不僅包括機端電流/電壓，而且還包括發電機的轉軸脈沖信號(鑒相信號或轉速信號)，以及其他的4～20mA直流控制信號。其主要完成發電機功角及發電機內電勢相量的測量。

圖5表示了發電廠PMU的配置通信示意圖。線路測量同變電站測量方式，發電機測量已在上面描述。一個電廠配置一臺線路測量裝置；一個發電機配置一臺發電機測量裝置；全廠配置一個數據管理單元，用于多臺PMU數據的整合及轉發，轉發的方向考慮有省調、國調、網調。同時考慮當地應有一臺計算機用于簡單地顯示、操作；全站配置一個GPS，用于多個測量裝置的時間同步；裝置與裝置之間、裝置與GPS之間、通信單元與主站之間均采用光纖通信。

4 PMU的通信

4.1 PMU與主站通信

目前PMU和主站的通信方式均采用高速廣域網技術，圖6表示了在發電廠/變電站內的通信連接示意圖。由圖6可見，一般站內均設有遠動通信通道，其和主站的通信媒介為光纖，因此具有較寬的通信帶寬。遠動通信通道的接入一般為2M接口，因此對于PMU本身，必須考慮將10/100M以太網信號轉換成2M接口以便接入遠動通信通道。在接入時，如果PMU和遠動通信通道的距離較短，則可以直接用雙絞線；如果較長則必須用光纖(相應地增加光電轉換器)。

4.2 PMU網絡通信流程

在描述網絡通信流程之前，首先需要明確以下幾個概念。

配置幀(CFG)為PMU和實時數據提供信息及參數的配置信息，為機器可讀的二進制文件。CFG1由PMU產生，是系統配置文件，包括PMU可以容納的所有可能輸入量；CFG2由主站產生，是數據配置文件，指出數據幀的目前配置狀況。

數據流管道是指子站和主站之間，或者PMU裝置和數據集中器之間實時同步數據的傳輸通道。其數據傳輸方向是單向的，為子站到主站，或者PMU裝置到數據集中器。

管理管道是指子站和主站之間，或者PMU裝置和數據集中器之間管理命令、記錄數據和配置信息等的傳輸通道，其數據傳輸方向是雙向的。

數據流管道和管理管道的通信協議采用TCP協議，子站作為管理通道的服務器端、數據流管道的客戶端；主站作為管理管道的客戶端、數據流管道的服務端。當系統啟動或重建時，數據流管道和管理管道均未建立。

4.2.1 主站通信啟動過程

（1）建立管理管道。主站向子站提出建立管理管道的申請；子站接受申請，建立與子站之間的管理管道；通過管理管道與子站傳輸控制命令、CFG1、CFG2配置幀；主站宜具有CFG1，CFG2配置幀的校驗機制。

（2）建立數據流管道。等待子站建立數據流管道的申請，建立與子站之間的數據流管道，通過數據流管道接收子站的實時監測數據。

4.2.2 子站通信啟動過程

首先建立管理管道。等待主站建立管理管道的申請；接受主站建立管理管道的申請后，建立與主站之間的管理管道；通過管理管道，接收和發送管理命令和CFG1,CFG2配置幀。管理管道CFG1和CFG2的傳送方式為：CFG1文件由子站產生，并應主站的召喚傳送給主站；CFG2文件由主站根據CFG1文件產生，并主動下發給子站，子站根據接收的CFG2文件發送實時監測數據。然后建立數據流管道，向主站提出建立數據流管道的申請，建立數據流管道；通過管理管道接收主站的“開啟實時數據”命令后開始實時數據傳輸。

當出現數據流管道故障斷開或管理管道故障斷開的現象時，數據流管道和管理管道則需要重建，將斷開主站和對應子站的數據流管道和管理管道，并重新建立通信過程。

當管理管道和數據流管道均正常時，一切通信傳輸均保持正常。此時，通過數據流管道，子站按設定頻率向主站發送實時監測數據，主站不發送任何命令；通過數據流管道，主站接收子站上送的實時監測數據，校驗錯誤后丟棄該數據幀；主站定時通過管理管道發送“心跳”信號，子站接收后，發送“心跳”信號給主站。

5 結語

目前PMU的研究及應用處于初始階段，還有部分的采樣、計算方法有待于研究，對于技術規范、功能要求、現場應用、現場安裝還有待于研究、完善和統一。隨著我國電網聯網工作的深入，利用PMU采集的數據來進行穩定判斷電網模型校核及其他功能以及最終的實時穩定控制的研究將更進一步地展開，因而對PMU的安裝、PMU的數據采集、PMU的運行可靠性等將提出更高的要求。

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