电力系统同步相量测量装置（PMU）应用及分析

纳少华 马彩虹 银川供电局 750001

电力系统同步相量测量装置（PMU）应用及分析

纳少华 马彩虹 银川供电局 750001

基于全球定位系统GPS的相量测量单元（PMU）能将实时同步相量信息送至调度中心，使全网动态监测成为可能。本文首先介绍了PMU（同步相量测量装置）的原理、功能，接着明确了基于PMU的应用和分析，最后，给出了PMU与主站网络通信的数据流程。

PMU 同步相量；相量测量；电力系统

1 引言

随着电网的快速发展和电力市场进程的推进，电力系统运行的复杂程度日益增大，对电力系统的稳定性要求越来越高。目前建立用于测量和监视电力系统稳态运行的SCADA系统，侧重于监测系统稳态运行情况，测量周期是秒级，且不同地点之间缺乏准确的共同时间标记。广域测量系统(Wide Area Measurement System,简称 WAMS)能够实时地反映全网系统的动态变化，作为电网动态实时监测的新技术和重要手段，对电网的安全稳定运行起到了重要的作用。而基于成熟的GPS技术、通信技术、DSP技术上的PMU装置，其具备高稳定性和可靠性、高精度、强大的计算处理、存储和通讯能力、良好的人机界面和开放性,正是WAMS系统的基础，为实现电力系统动态监测提供了可能。

PMU全称为Phasor Measurement Unit,意为同步相量测量装置。PMU能以数千赫兹速率采集电流、电压等信息，通过计算获得测点的功率、相位、功角等信息，并以每秒几十帧的频率向WAMS主站发送。PMU通过GPS对时，能够保证全网数据同步性，数据与时标信息同时存储在本地并发送到主站。电网内的变电站和发电厂安装PMU后，就能够使调度人员实时监视到全网的动态过程。

2 PMU的基本原理及结构

PMU的基本原理为:GPS接收器给出1pps信号，锁相振荡器将其划分成一定数量的脉冲用于采样，滤波处理后的交流信号经数模(A/D)转换器量化，微处理器按照递归离散傅立叶变换原理计算出相量。对三相相量，微处理器采用对称分量法计算出正序相量。依照IEEE标准1344-1995规定的格式将正序相量、时间标记等装配成报文，通过专用通道传送到远端的主站数据集中器。PMU的典型结构如图1所示。

图1 PMU典型结构框图

图2 PMU与主站数据集中器的通信

图3 变电站相量测量、数据传送示意图

主站数据集中器收集来自各个PMU的信息，为全系统的监视、保护和控制提供数据。图2示出了PMU与主站数据集中器的通信，可以采用多种通信技术，如直接连线、无线电、微波、公共电话、蜂窝电话、数字无线、专用网络等。目前，运用较多的PMU子站之间与WAMS主站的通信方式有两种：（1）电力数据网方式子站的以太网口直接与电力数据网交换机连接并接入到通信前置机；（2）2M专线方式：子站的以太网口经过协议转换器转换，接入到通信前置机。PMU设备在网络传输层应用了TCP/IP协议，在应用层采用了IEEE std 1344规约，可使主站灵活配置并控制PMU子站。在PMU设备体系结构中，数字信号处理、同步通信是同步相量测量技术的关键，而防混叠滤波器，A/D转换器等器件的性能也将直接影响测量的精度。

3 PMU应用及分析

3.1 PMU实现的功能

3.1.1 同步相量测量

（1）测量变电站线路三相基波电压、三相基波电流、序量值、开关量等的实时数据及实时时标；

（2）测量发电机机端三相基波电压、三相基波电流、序量值、开关量、发电机功角、发电机内电势的实时数据及实时时标；

（3）测量励磁系统、AGC系统等的直流模拟量等。

3.1.2 同步相量数据传输

装置根据IEEE std 1344规约将同步相量数据传输到主站，传输的通道根据实际情况而定，如：10/1OOMHZ以太网、RS232、2M口等，通信链路协议为TCP/IP。

3.1.3 数据整定及就地显示

（1）装置的参数当地整定；

（2）装置的测量数据可以在计算机界面上以相量列表、主接线图相量矢量表计、相量矢量图、连续相量变化图、模拟量波形图、模拟量值、开关量状态等方式显示。

3.1.4 扰动数据记录

（1）具备暂态录波功能。用于记录瞬时采样的数据，输出格式符合ANSI/IEEEC37.111-199(COMTRADE)的要求；

（2）具有全域启动命令的发送和接收，以记录特定的系统扰动数据；

（3）可以以IEC60870-5-103或FTP的方式和主站交换定值及故障数据。

3.1.5 当地通信接口

图4 发电机相量测量示意图

图5 发电厂相量数据传送示意图

图6 PMU和主站通信连接示意图

装置提供通信接口用于和励磁系统、AGC系统、电厂监控系统进行数据交换。

3.1.6 数据存储

存储暂态录波数据；存储实时同步相量数据。

3.2 PMU的应用

3.2.1 变电站

图3表示了变电站相量测量、数据传送示意图。变电站同步相量测量一般只对电源侧线路进行测量。根据测量线路数量的要求，配置一定数量的测量装置；全站配置一个数据管理单元，用于多台PMU数据的整合及转发，转发的方向考虑有省调、国调、网调。同时考虑当地应有一台计算机用于简单地显示、操作；全站配置一个GPS，用于多个测量装置的时间同步；装置与装置之间、装置与GPS之间、通信单元与主站之间均采用光纤通信。

3.2.2 发电厂

发电厂测量不同于变电站测量。其不但要完成线路量测量，而且要完成发电机测量且这是关键。图4是一个发电机测量的示意图。其测量的输入不仅包括机端电流/电压，而且还包括发电机的转轴脉冲信号(鉴相信号或转速信号)，以及其他的4～20mA直流控制信号。其主要完成发电机功角及发电机内电势相量的测量。

图5表示了发电厂PMU的配置通信示意图。线路测量同变电站测量方式，发电机测量已在上面描述。一个电厂配置一台线路测量装置；一个发电机配置一台发电机测量装置；全厂配置一个数据管理单元，用于多台PMU数据的整合及转发，转发的方向考虑有省调、国调、网调。同时考虑当地应有一台计算机用于简单地显示、操作；全站配置一个GPS，用于多个测量装置的时间同步；装置与装置之间、装置与GPS之间、通信单元与主站之间均采用光纤通信。

4 PMU的通信

4.1 PMU与主站通信

目前PMU和主站的通信方式均采用高速广域网技术，图6表示了在发电厂/变电站内的通信连接示意图。由图6可见，一般站内均设有远动通信通道，其和主站的通信媒介为光纤，因此具有较宽的通信带宽。远动通信通道的接入一般为2M接口，因此对于PMU本身，必须考虑将10/100M以太网信号转换成2M接口以便接入远动通信通道。在接入时，如果PMU和远动通信通道的距离较短，则可以直接用双绞线；如果较长则必须用光纤(相应地增加光电转换器)。

4.2 PMU网络通信流程

在描述网络通信流程之前，首先需要明确以下几个概念。

配置帧(CFG)为PMU和实时数据提供信息及参数的配置信息，为机器可读的二进制文件。CFG1由PMU产生，是系统配置文件，包括PMU可以容纳的所有可能输入量；CFG2由主站产生，是数据配置文件，指出数据帧的目前配置状况。

数据流管道是指子站和主站之间，或者PMU装置和数据集中器之间实时同步数据的传输通道。其数据传输方向是单向的，为子站到主站，或者PMU装置到数据集中器。

管理管道是指子站和主站之间，或者PMU装置和数据集中器之间管理命令、记录数据和配置信息等的传输通道，其数据传输方向是双向的。

数据流管道和管理管道的通信协议采用TCP协议，子站作为管理通道的服务器端、数据流管道的客户端；主站作为管理管道的客户端、数据流管道的服务端。当系统启动或重建时，数据流管道和管理管道均未建立。

4.2.1 主站通信启动过程

（1）建立管理管道。主站向子站提出建立管理管道的申请；子站接受申请，建立与子站之间的管理管道；通过管理管道与子站传输控制命令、CFG1、CFG2配置帧；主站宜具有CFG1，CFG2配置帧的校验机制。

（2）建立数据流管道。等待子站建立数据流管道的申请，建立与子站之间的数据流管道，通过数据流管道接收子站的实时监测数据。

4.2.2 子站通信启动过程

首先建立管理管道。等待主站建立管理管道的申请；接受主站建立管理管道的申请后，建立与主站之间的管理管道；通过管理管道，接收和发送管理命令和CFG1,CFG2配置帧。管理管道CFG1和CFG2的传送方式为：CFG1文件由子站产生，并应主站的召唤传送给主站；CFG2文件由主站根据CFG1文件产生，并主动下发给子站，子站根据接收的CFG2文件发送实时监测数据。然后建立数据流管道，向主站提出建立数据流管道的申请，建立数据流管道；通过管理管道接收主站的“开启实时数据”命令后开始实时数据传输。

当出现数据流管道故障断开或管理管道故障断开的现象时，数据流管道和管理管道则需要重建，将断开主站和对应子站的数据流管道和管理管道，并重新建立通信过程。

当管理管道和数据流管道均正常时，一切通信传输均保持正常。此时，通过数据流管道，子站按设定频率向主站发送实时监测数据，主站不发送任何命令；通过数据流管道，主站接收子站上送的实时监测数据，校验错误后丢弃该数据帧；主站定时通过管理管道发送“心跳”信号，子站接收后，发送“心跳”信号给主站。

5 结语

目前PMU的研究及应用处于初始阶段，还有部分的采样、计算方法有待于研究，对于技术规范、功能要求、现场应用、现场安装还有待于研究、完善和统一。随着我国电网联网工作的深入，利用PMU采集的数据来进行稳定判断电网模型校核及其他功能以及最终的实时稳定控制的研究将更进一步地展开，因而对PMU的安装、PMU的数据采集、PMU的运行可靠性等将提出更高的要求。

[1]于尔铿.电力系统状态估计[M].北京：水利电力出版社.1985

[2]丁剑，白晓民，王文平，等.电力系统中基于PMU同步数据的应用研究综述[J].继电器.2006，34(6)：78-84

[3]吴京涛，谢小荣，王立鼎，等.广域测量系统在电力系统的发展与展望[J].电力设备.2006，7(3)：26-29

[4]IEEE 1344.1995 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S]

[5]IEEE 1344.2005 IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S]

[6]卢志刚，郝玉山，庚庆平，等.电力系统相角测量和应用[J].电力系统自动化.1997，21(4)：41-44

[7]Centeno V，Phadke A G，and Edris A.Adaptive Out-of-step Relay With Phasor Measurement Developments in Power System Protection[C].Sixth International Conference on Conf，Publ No.434

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.045