淺談同步相量測(cè)量裝置PMU

摘 要：隨著中國(guó)電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。電網(wǎng)廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）作為一種新型、有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過同步采集相量數(shù)據(jù)為電網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了新方向。同步相量測(cè)量裝置（PMU）是廣域測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元，其測(cè)量的精確性和實(shí)時(shí)性是直接影響到電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)視與分析、繼電保護(hù)等高級(jí)應(yīng)用的重要因素。本文介紹了同步相量測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)原理，以及相關(guān)的幾種同步方法、頻率跟蹤方法和同步相量測(cè)量算法，并對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)；廣域測(cè)量系統(tǒng)；同步相量測(cè)量裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.144

1 引言

電力是現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日常生活不可或缺的一種能源。自美國(guó)加拿大發(fā)生史上最嚴(yán)重的大停電，世界各地相繼曝出大規(guī)模停電事故，其給社會(huì)和居民生活造成難以估計(jì)的損失。同時(shí)，電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行愈發(fā)引起了各國(guó)的重視，對(duì)于電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的要求也隨之提高。廣域測(cè)量系統(tǒng)（WAMS）是一種新型的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況。相較于傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)，WAMS通過GPS統(tǒng)一授時(shí)，為電網(wǎng)內(nèi)不同測(cè)量點(diǎn)提供同步參考時(shí)標(biāo)并進(jìn)行相量數(shù)據(jù)的同步采集，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視[1，2]。

同步相量測(cè)量裝置PMU是WAMS的基本單元，是用于進(jìn)行同步相量的測(cè)量和輸出以及進(jìn)行動(dòng)態(tài)記錄的裝置，利用PMU可改善對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況的監(jiān)測(cè)性能和進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。PMU的核心特征包括基于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的同步相量測(cè)量、失去標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的守時(shí)能力、PMU與主站之間能夠?qū)崟r(shí)通信并遵循有關(guān)通信協(xié)議。

2 同步相量測(cè)量裝置的技術(shù)原理

PMU通過傳感器采集電力信號(hào)，經(jīng)濾波器濾除諧波干擾，GPS模塊產(chǎn)生秒脈沖（PPS，即每秒1個(gè)脈沖），和頻率跟蹤與測(cè)量環(huán)節(jié)合成異地同步采樣脈沖序列，AD轉(zhuǎn)換器接收到采用脈沖后觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換，在微處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理并定上時(shí)鐘標(biāo)刻，發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。

PMU測(cè)量信號(hào)的處理分別包括異地同步、頻率跟蹤測(cè)量和同步相量測(cè)量。異地同步方法有選取數(shù)據(jù)窗的起始、中間或末尾作為同步時(shí)標(biāo)三種。典型的頻率跟蹤測(cè)量方法主要有PLL硬件鎖相和軟件自適應(yīng)跟蹤等[3，4]。PLL硬件鎖相是通過外設(shè)進(jìn)行頻率跟蹤，CPU占用率較小，但可能存在1個(gè)PLL鎖相脈沖的最大相角誤差。 常用軟件頻率跟蹤有瞬時(shí)值法、能量算子法和數(shù)字微分法。

同步相量測(cè)量算法是PMU的核心，其算法的好壞決定了PMU的性能優(yōu)劣，目前主要方法有：過零點(diǎn)檢測(cè)法[5]、離散傅立葉變換法（DFT）[6] 、卡爾曼濾波法、小波變換法等。實(shí)際常采用過零檢測(cè)法和離散傅立葉變換法（DFT）。過零檢測(cè)指的是在交流系統(tǒng)中，當(dāng)波形從正半周向負(fù)半周轉(zhuǎn)換時(shí)，經(jīng)過零位時(shí)，系統(tǒng)作出的檢測(cè)。該方法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，硬件實(shí)施容易，成本較低，但易受諧波與模擬電路相移干擾，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)情況下測(cè)量結(jié)果較差，且無(wú)法測(cè)量幅值。離散傅里葉變換（DFT），是傅里葉變換在時(shí)域和頻域上都呈離散的形式，將信號(hào)的時(shí)域采樣變換為其DTFT的頻域采樣。為了減少計(jì)算量，提高效率，通常采用快速傅里葉（FFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓和電流的基波幅值的測(cè)量分析。該算法可以很好地抑制諧波，但在系統(tǒng)頻率偏移時(shí)存在頻譜泄露、柵欄效應(yīng)和動(dòng)態(tài)情況下的DFT平均化問題。

卡爾曼濾波法的基本思想是：以最小均方誤差為制約條件，對(duì)離散采樣序列進(jìn)行估計(jì)，求出前一時(shí)刻的狀態(tài)變量估計(jì)值，并利用該估計(jì)值和當(dāng)前采樣點(diǎn)計(jì)算更新狀態(tài)變量，再利用已更新的狀態(tài)變量反求出當(dāng)前采樣點(diǎn)時(shí)刻的估計(jì)值。這種軟件濾波的方法實(shí)時(shí)性較好，但其在相量相角測(cè)量存在較大誤差，且復(fù)雜的算法對(duì)硬件要求較高。

小波變換是一種新的變換分析方法，它繼承和發(fā)展了短時(shí)傅立葉變換局部化的思想，同時(shí)又克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點(diǎn)，能夠提供一個(gè)隨頻率改變的時(shí)間一頻率窗口。小波分析運(yùn)算繁復(fù)而影響了同步相量估計(jì)的速度，實(shí)時(shí)性不佳，此算法加重了CPU的負(fù)擔(dān)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了同步相量測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)原理，總結(jié)了相關(guān)的幾種同步方法、頻率跟蹤方法和同步相量測(cè)量算法，并對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。文中所提及的算法對(duì)同步相量測(cè)量都具有現(xiàn)實(shí)意義，但目前實(shí)際運(yùn)用于PMU上的方法主要為過零檢測(cè)法和傅里葉變換法，其中傅里葉變換法的使用更為廣泛，因此針對(duì)傅里葉算法的相量測(cè)量誤差改進(jìn)算法的研究正引起人們的極大興趣。而其他算法也還處于理論研究和仿真階段。隨著處理芯片、通訊網(wǎng)絡(luò)、A/D轉(zhuǎn)換器與存儲(chǔ)介質(zhì)的不斷更新?lián)Q代，且相應(yīng)硬件的價(jià)格將會(huì)不斷下降，PMU測(cè)量精度、計(jì)算速度與在電網(wǎng)的普及率也會(huì)持續(xù)提高。

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作者簡(jiǎn)介：唐曉艷（1991-），男，福建南平人，碩士研究生，助理工程師，高級(jí)自動(dòng)化運(yùn)維員，研究方向：電網(wǎng)監(jiān)測(cè)。