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(yīng)用被稱為當(dāng)前電力系統(tǒng)的三項(xiàng)前沿課題之一，對電壓相量的在線測量使得人們能實(shí)時(shí)地看到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高了電力系統(tǒng)的監(jiān)控和保護(hù)的能力。同時(shí)，相量測量可望在電力系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控、狀態(tài)估計(jì)、暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測及控制、繼電保護(hù)和自適應(yīng)失步保護(hù)等諸多方面發(fā)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(shí)際電力系統(tǒng)中安裝應(yīng)用。我國對基于GPS的電網(wǎng)電壓相量監(jiān)測系統(tǒng)的研究工作也取得了不少成績，在電網(wǎng)電站中的安裝PMU數(shù)量不在少數(shù)。

1 、PMU在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前PMU（同步相量測量裝置）已經(jīng)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(yàn)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(yīng)用被稱為當(dāng)前電力系統(tǒng)的三項(xiàng)前沿課題之一，在我局推行的母線電壓相量的實(shí)時(shí)在線測量將會提高電力系統(tǒng)的監(jiān)控和保護(hù)的能力。PMU（同步相量測量裝置）是反映系統(tǒng)穩(wěn)定性的最主要的狀態(tài)量，母線電壓包含幅值、頻率和相位三個量。能實(shí)時(shí)測量到母線電壓相量，調(diào)度員則可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)母線電壓動態(tài)變化，這給安全調(diào)度提供了有力依據(jù)。

目前我局正在應(yīng)用中的電力系統(tǒng)監(jiān)測手段主要有側(cè)重于記錄電磁暫態(tài)過程的各種故障錄波裝置和側(cè)重于監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的SCADA系統(tǒng)，不同地點(diǎn)的監(jiān)測系統(tǒng)間缺乏準(zhǔn)確的共同時(shí)間標(biāo)記，記錄數(shù)據(jù)只是局部有效，難以用于對全系統(tǒng)動態(tài)行為的分析。

長期以來，電網(wǎng)由于缺乏精確有效的廣域同步時(shí)鐘，只能對母線電壓的幅值和頻率進(jìn)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(jì)算。這種計(jì)算往往需要較長的時(shí)間，不能滿足實(shí)時(shí)性要求，給電力系統(tǒng)的計(jì)算和控制帶來了很多困難。因此，調(diào)度員只能根據(jù)潮流、依靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)間接判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這給調(diào)度工作帶來了相當(dāng)大的難度和壓力。全球定位系統(tǒng)（GPS）的出現(xiàn)，為進(jìn)一步研究電力系統(tǒng)同步監(jiān)測技術(shù)提供了一種新的手段，使電壓相量的實(shí)時(shí)測量成為了可能。GPS向全世界免費(fèi)提供定位和時(shí)間信息，這種信息全球都可接收，并且無時(shí)間和氣候條件限制。當(dāng)GPS接收機(jī)能同時(shí)接收到4顆衛(wèi)星信號時(shí)，由GPS接收機(jī)發(fā)出的秒脈沖前沿的時(shí)間誤差（相對于UTC）不超過1 μs，所以，GPS的精確授時(shí)很好地解決了相量測量的時(shí)間同步問題。對于額定頻率為50Hz的電力系統(tǒng)而言，1μs的時(shí)間誤差引起的電壓相位變化僅為0.018°，滿足我局對電網(wǎng)測量精度的需要。

2 、PMU在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

基于GPS 的母線電壓相量測量方面的研究和應(yīng)用被稱為當(dāng)前電力系統(tǒng)的三項(xiàng)前沿課題之一，母線電壓相量的實(shí)時(shí)在線測量將會提高電力系統(tǒng)的監(jiān)控和保護(hù)的能力。世界各國電力公司都積極增加相量測量裝置的數(shù)量，并開展多種PMU的應(yīng)用研究。同步相量測量可望在電力系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控、狀態(tài)估計(jì)、暫態(tài)穩(wěn)定的預(yù)測及控制、繼電保護(hù)和自適應(yīng)失步保護(hù)等諸多方面發(fā)揮其作用。應(yīng)用前景如圖1所示，

圖 1 PMU可能應(yīng)用的領(lǐng)域

2.1 電網(wǎng)動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控

隨著PMU 在電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上的安裝和通信技術(shù)的發(fā)展，直接觀察系統(tǒng)的動態(tài)行為已經(jīng)成為可能，廣域測量系統(tǒng)（WAMS）將電力系統(tǒng)中的擾動數(shù)據(jù)以同步采樣的方法采集下來，通過快速通信網(wǎng)送到調(diào)度中心的動態(tài)數(shù)據(jù)庫中。這些數(shù)據(jù)可以經(jīng)過圖形化處理，以調(diào)度員能夠理解的方式展現(xiàn)出電力系統(tǒng)的動態(tài)，同時(shí)與相同擾動的仿真模型相比較，用來評價(jià)模型的有效性，并及時(shí)改變其參數(shù)。當(dāng)預(yù)測到系統(tǒng)將失去暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)，可以安裝預(yù)定方案對系統(tǒng)采取緊急措施，以防止系統(tǒng)崩潰。

2.2 狀態(tài)估計(jì)

傳統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)是解非線性方程求解電力系統(tǒng)狀態(tài)量（主要是母線電壓量），計(jì)算時(shí)間比較長，實(shí)時(shí)性差，難以在暫態(tài)過程中得到應(yīng)用。若在系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)安裝PMU，則它對電壓相量的狀態(tài)估計(jì)是一個線性估計(jì)，可以提高狀態(tài)估計(jì)的精度。

2.3 潮流計(jì)算

當(dāng)PMU的精度足夠高時(shí)，可以把PMU的測量結(jié)果直接作為系統(tǒng)的狀態(tài)解，此時(shí)系統(tǒng)中參與狀態(tài)估計(jì)的狀態(tài)變量個數(shù)減少，把配置PMU 的電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算看作具有多個平衡節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算。由于減少了所求節(jié)點(diǎn)的個數(shù)，雅可比矩陣的規(guī)模減小，從而在很大程度上提高了迭代潮流的計(jì)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(nèi)外進(jìn)行了廣泛深入的研究，已經(jīng)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(jià)高等問題，實(shí)際應(yīng)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(xùn)練樣本選擇、硬件等方面也有難度，尚不能投入實(shí)際應(yīng)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(fā)，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(fā)電機(jī)非線性勵磁控制

電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)勵磁控制屬于非線性控制系統(tǒng)，勵磁控制直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)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(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的特點(diǎn)。但是實(shí)現(xiàn)非線性勵磁控制時(shí)必須要解耦控制，需要假定系統(tǒng)中某臺機(jī)組為無窮大機(jī)組或取它作為參考，但真正實(shí)現(xiàn)起來存在很多問題，效果不是很理想。基于GPS 相量測量的電力系統(tǒng)非線性勵磁控制的基本思想是在全系統(tǒng)建立一個以GPS同步時(shí)鐘為基準(zhǔn)的同步旋轉(zhuǎn)參考系，使電力系統(tǒng)中所有的發(fā)電機(jī)都相對于這一參考系進(jìn)行控制，用它來代替參考機(jī)。

2.6 其他應(yīng)用

電力系統(tǒng)中的電壓崩潰是困擾電力系統(tǒng)的另一個重要問題，電壓相量中包含了決定電壓穩(wěn)定裕度的足夠信息，用電壓相量可以計(jì)算出電壓崩潰近似指標(biāo)。PMU還可以應(yīng)用于FACTS 的控制方法，將實(shí)時(shí)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(tǒng)振蕩的SVC控制等。

3 、結(jié)語

隨著中山大電網(wǎng)的電力系統(tǒng)互聯(lián)，要求控制系統(tǒng)和保護(hù)也越來越復(fù)雜，實(shí)時(shí)母線電壓相量系統(tǒng)是這些控制和保護(hù)裝置不可或缺的，所以對母線電壓相量實(shí)時(shí)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(tǒng)中的三項(xiàng)前沿課題.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1997,37(7): 1～6

[2]傅周興, 郭穎娜, 何文林. 基于GPS同步時(shí)鐘的相量測量在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

[3]胡紹謙，王曉茹.基于GPS技術(shù)的電力系統(tǒng)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