浅析PMU（同步相量测量装置）的重要性

李涛 中山供电局，广东 中山 528400

浅析PMU（同步相量测量装置）的重要性

李涛 中山供电局，广东 中山 528400

基于GPS的同步相量测量方面的研究和应用被称为当前电力系统的三项前沿课题之一，对电压相量的在线测量使得人们能实时地看到系统的运行状态，提高了电力系统的监控和保护的能力。同时，相量测量可望在电力系统的动态监控、状态估计、暂态稳定的预测及控制、继电保护和自适应失步保护等诸多方面发挥作用。世界上许多国家先后开展同步相量测量方面的研究，研制PMU 装置并在实际电力系统中安装应用。我国对基于GPS的电网电压相量监测系统的研究工作也取得了不少成绩，在电网电站中的安装PMU数量不在少数。

1 、PMU在电力系统中的应用现状

目前PMU（同步相量测量装置）已经在我局重要的枢纽站（如500kV桂山站、220kV宝山站等安装并通过验收、正式投入使用）。基于GPS 的母线电压相量测量方面的研究和应用被称为当前电力系统的三项前沿课题之一，在我局推行的母线电压相量的实时在线测量将会提高电力系统的监控和保护的能力。PMU（同步相量测量装置）是反映系统稳定性的最主要的状态量，母线电压包含幅值、频率和相位三个量。能实时测量到母线电压相量，调度员则可以通过计算机实时监视系统母线电压动态变化，这给安全调度提供了有力依据。

目前我局正在应用中的电力系统监测手段主要有侧重于记录电磁暂态过程的各种故障录波装置和侧重于监测系统稳态运行情况的SCADA系统，不同地点的监测系统间缺乏准确的共同时间标记，记录数据只是局部有效，难以用于对全系统动态行为的分析。

长期以来，电网由于缺乏精确有效的广域同步时钟，只能对母线电压的幅值和频率进行非同步测量，而对相角测量则显得力不从心，不能直接测量到相角，只能通过潮流和对一系列非线性方程组的求解计算。这种计算往往需要较长的时间，不能满足实时性要求，给电力系统的计算和控制带来了很多困难。因此，调度员只能根据潮流、依靠运行经验间接判断系统的稳定性，这给调度工作带来了相当大的难度和压力。全球定位系统（GPS）的出现，为进一步研究电力系统同步监测技术提供了一种新的手段，使电压相量的实时测量成为了可能。GPS向全世界免费提供定位和时间信息，这种信息全球都可接收，并且无时间和气候条件限制。当GPS接收机能同时接收到4颗卫星信号时，由GPS接收机发出的秒脉冲前沿的时间误差（相对于UTC）不超过1 μs，所以，GPS的精确授时很好地解决了相量测量的时间同步问题。对于额定频率为50Hz的电力系统而言，1μs的时间误差引起的电压相位变化仅为0.018°，满足我局对电网测量精度的需要。

2 、PMU在电力系统中的应用前景

基于GPS 的母线电压相量测量方面的研究和应用被称为当前电力系统的三项前沿课题之一，母线电压相量的实时在线测量将会提高电力系统的监控和保护的能力。世界各国电力公司都积极增加相量测量装置的数量，并开展多种PMU的应用研究。同步相量测量可望在电力系统的动态监控、状态估计、暂态稳定的预测及控制、继电保护和自适应失步保护等诸多方面发挥其作用。应用前景如图1所示，

图 1 PMU可能应用的领域

2.1 电网动态实时监控

随着PMU 在电力系统节点上的安装和通信技术的发展，直接观察系统的动态行为已经成为可能，广域测量系统（WAMS）将电力系统中的扰动数据以同步采样的方法采集下来，通过快速通信网送到调度中心的动态数据库中。这些数据可以经过图形化处理，以调度员能够理解的方式展现出电力系统的动态，同时与相同扰动的仿真模型相比较，用来评价模型的有效性，并及时改变其参数。当预测到系统将失去暂态稳定时，可以安装预定方案对系统采取紧急措施，以防止系统崩溃。

2.2 状态估计

传统的状态估计是解非线性方程求解电力系统状态量（主要是母线电压量），计算时间比较长，实时性差，难以在暂态过程中得到应用。若在系统所有节点安装PMU，则它对电压相量的状态估计是一个线性估计，可以提高状态估计的精度。

2.3 潮流计算

当PMU的精度足够高时，可以把PMU的测量结果直接作为系统的状态解，此时系统中参与状态估计的状态变量个数减少，把配置PMU 的电力系统的潮流计算看作具有多个平衡节点的电力系统的潮流计算。由于减少了所求节点的个数，雅可比矩阵的规模减小，从而在很大程度上提高了迭代潮流的计算速度。

2.4 输电线路故障定位

对于高压输电线路故障的快速、精确、可靠定位，国内外进行了广泛深入的研究，已经形成阻抗法、人工智能、阻抗行波解析等多种定位方法。其中，阻抗法由于受到故障过渡电阻等因素的影响，其测距误差较大；行波法存在硬件造价高等问题，实际应用还有待研究；而人工智能等模糊理论和方法具备不确定性，在训练样本选择、硬件等方面也有难度，尚不能投入实际应用；双端测距算法由于充分利用了故障信息，可以取得很高的测距精度。尤其是近年来，相量测量装置的研制和开发，为双端故障测距提供了新的工具，基于相量测量的双端测距新算法，可以显著提高测量精度。

2.5 发电机非线性励磁控制

电力系统中的发电机励磁控制属于非线性控制系统，励磁控制直接影响着系统运行状态和稳定性。非线性控制具有对大扰动控制效果好、并能较好地适应系统运行方式变化的特点。但是实现非线性励磁控制时必须要解耦控制，需要假定系统中某台机组为无穷大机组或取它作为参考，但真正实现起来存在很多问题，效果不是很理想。基于GPS 相量测量的电力系统非线性励磁控制的基本思想是在全系统建立一个以GPS同步时钟为基准的同步旋转参考系，使电力系统中所有的发电机都相对于这一参考系进行控制，用它来代替参考机。

2.6 其他应用

电力系统中的电压崩溃是困扰电力系统的另一个重要问题，电压相量中包含了决定电压稳定裕度的足够信息，用电压相量可以计算出电压崩溃近似指标。PMU还可以应用于FACTS 的控制方法，将实时相角送到FACTS 中，可以简化其控制算法。PMU还可以用于本地控制，如阻尼系统振荡的SVC控制等。

3 、结语

随着中山大电网的电力系统互联，要求控制系统和保护也越来越复杂，实时母线电压相量系统是这些控制和保护装置不可或缺的，所以对母线电压相量实时测量有极其重要的意义。

[1]韩英铎,王仲鸿,林孔兴,等.电力系统中的三项前沿课题.清华大学学报（自然科学版）,1997,37(7): 1～6

[2]傅周兴, 郭颖娜, 何文林. 基于GPS同步时钟的相量测量在电力系统中的应用

[3]胡绍谦，王晓茹.基于GPS技术的电力系统同步相量测量装置.电子工程师，2003，29（11）：21～23

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.22.044