淺析PMU（同步相量測量裝置）的重要性

李濤 中山供電局，廣東 中山 528400

淺析PMU（同步相量測量裝置）的重要性

李濤 中山供電局，廣東 中山 528400

基于GPS的同步相量測量方面的研究和應用被稱為當前電力系統的三項前沿課題之一，對電壓相量的在線測量使得人們能實時地看到系統的運行狀態，提高了電力系統的監控和保護的能力。同時，相量測量可望在電力系統的動態監控、狀態估計、暫態穩定的預測及控制、繼電保護和自適應失步保護等諸多方面發揮作用。世界上許多國家先后開展同步相量測量方面的研究，研制PMU 裝置并在實際電力系統中安裝應用。我國對基于GPS的電網電壓相量監測系統的研究工作也取得了不少成績，在電網電站中的安裝PMU數量不在少數。

1 、PMU在電力系統中的應用現狀

目前PMU（同步相量測量裝置）已經在我局重要的樞紐站（如500kV桂山站、220kV寶山站等安裝并通過驗收、正式投入使用）?；贕PS 的母線電壓相量測量方面的研究和應用被稱為當前電力系統的三項前沿課題之一，在我局推行的母線電壓相量的實時在線測量將會提高電力系統的監控和保護的能力。PMU（同步相量測量裝置）是反映系統穩定性的最主要的狀態量，母線電壓包含幅值、頻率和相位三個量。能實時測量到母線電壓相量，調度員則可以通過計算機實時監視系統母線電壓動態變化，這給安全調度提供了有力依據。

目前我局正在應用中的電力系統監測手段主要有側重于記錄電磁暫態過程的各種故障錄波裝置和側重于監測系統穩態運行情況的SCADA系統，不同地點的監測系統間缺乏準確的共同時間標記，記錄數據只是局部有效，難以用于對全系統動態行為的分析。

長期以來，電網由于缺乏精確有效的廣域同步時鐘，只能對母線電壓的幅值和頻率進行非同步測量，而對相角測量則顯得力不從心，不能直接測量到相角，只能通過潮流和對一系列非線性方程組的求解計算。這種計算往往需要較長的時間，不能滿足實時性要求，給電力系統的計算和控制帶來了很多困難。因此，調度員只能根據潮流、依靠運行經驗間接判斷系統的穩定性，這給調度工作帶來了相當大的難度和壓力。全球定位系統（GPS）的出現，為進一步研究電力系統同步監測技術提供了一種新的手段，使電壓相量的實時測量成為了可能。GPS向全世界免費提供定位和時間信息，這種信息全球都可接收，并且無時間和氣候條件限制。當GPS接收機能同時接收到4顆衛星信號時，由GPS接收機發出的秒脈沖前沿的時間誤差（相對于UTC）不超過1 μs，所以，GPS的精確授時很好地解決了相量測量的時間同步問題。對于額定頻率為50Hz的電力系統而言，1μs的時間誤差引起的電壓相位變化僅為0.018°，滿足我局對電網測量精度的需要。

2 、PMU在電力系統中的應用前景

基于GPS 的母線電壓相量測量方面的研究和應用被稱為當前電力系統的三項前沿課題之一，母線電壓相量的實時在線測量將會提高電力系統的監控和保護的能力。世界各國電力公司都積極增加相量測量裝置的數量，并開展多種PMU的應用研究。同步相量測量可望在電力系統的動態監控、狀態估計、暫態穩定的預測及控制、繼電保護和自適應失步保護等諸多方面發揮其作用。應用前景如圖1所示，

圖 1 PMU可能應用的領域

2.1 電網動態實時監控

隨著PMU 在電力系統節點上的安裝和通信技術的發展，直接觀察系統的動態行為已經成為可能，廣域測量系統（WAMS）將電力系統中的擾動數據以同步采樣的方法采集下來，通過快速通信網送到調度中心的動態數據庫中。這些數據可以經過圖形化處理，以調度員能夠理解的方式展現出電力系統的動態，同時與相同擾動的仿真模型相比較，用來評價模型的有效性，并及時改變其參數。當預測到系統將失去暫態穩定時，可以安裝預定方案對系統采取緊急措施，以防止系統崩潰。

2.2 狀態估計

傳統的狀態估計是解非線性方程求解電力系統狀態量（主要是母線電壓量），計算時間比較長，實時性差，難以在暫態過程中得到應用。若在系統所有節點安裝PMU，則它對電壓相量的狀態估計是一個線性估計，可以提高狀態估計的精度。

2.3 潮流計算

當PMU的精度足夠高時，可以把PMU的測量結果直接作為系統的狀態解，此時系統中參與狀態估計的狀態變量個數減少，把配置PMU 的電力系統的潮流計算看作具有多個平衡節點的電力系統的潮流計算。由于減少了所求節點的個數，雅可比矩陣的規模減小，從而在很大程度上提高了迭代潮流的計算速度。

2.4 輸電線路故障定位

對于高壓輸電線路故障的快速、精確、可靠定位，國內外進行了廣泛深入的研究，已經形成阻抗法、人工智能、阻抗行波解析等多種定位方法。其中，阻抗法由于受到故障過渡電阻等因素的影響，其測距誤差較大；行波法存在硬件造價高等問題，實際應用還有待研究；而人工智能等模糊理論和方法具備不確定性，在訓練樣本選擇、硬件等方面也有難度，尚不能投入實際應用；雙端測距算法由于充分利用了故障信息，可以取得很高的測距精度。尤其是近年來，相量測量裝置的研制和開發，為雙端故障測距提供了新的工具，基于相量測量的雙端測距新算法，可以顯著提高測量精度。

2.5 發電機非線性勵磁控制

電力系統中的發電機勵磁控制屬于非線性控制系統，勵磁控制直接影響著系統運行狀態和穩定性。非線性控制具有對大擾動控制效果好、并能較好地適應系統運行方式變化的特點。但是實現非線性勵磁控制時必須要解耦控制，需要假定系統中某臺機組為無窮大機組或取它作為參考，但真正實現起來存在很多問題，效果不是很理想?；贕PS 相量測量的電力系統非線性勵磁控制的基本思想是在全系統建立一個以GPS同步時鐘為基準的同步旋轉參考系，使電力系統中所有的發電機都相對于這一參考系進行控制，用它來代替參考機。

2.6 其他應用

電力系統中的電壓崩潰是困擾電力系統的另一個重要問題，電壓相量中包含了決定電壓穩定裕度的足夠信息，用電壓相量可以計算出電壓崩潰近似指標。PMU還可以應用于FACTS 的控制方法，將實時相角送到FACTS 中，可以簡化其控制算法。PMU還可以用于本地控制，如阻尼系統振蕩的SVC控制等。

3 、結語

隨著中山大電網的電力系統互聯，要求控制系統和保護也越來越復雜，實時母線電壓相量系統是這些控制和保護裝置不可或缺的，所以對母線電壓相量實時測量有極其重要的意義。

[1]韓英鐸,王仲鴻,林孔興,等.電力系統中的三項前沿課題.清華大學學報（自然科學版）,1997,37(7): 1～6

[2]傅周興, 郭穎娜, 何文林. 基于GPS同步時鐘的相量測量在電力系統中的應用

[3]胡紹謙，王曉茹.基于GPS技術的電力系統同步相量測量裝置.電子工程師，2003，29（11）：21～23

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.22.044