PMU的原理應用及發展前景

朱曉衛 王莉斌

摘要：本文簡要介紹了相量測量裝置（PMU）的基本原理、主要功能和在電網中的典型配置，以及PMU在電網互聯化、調度系統一體化背景下的發展前景。隨著調度主站對電網實時動態監測系統功能的完善以及電網大數據應用的發展，PMU作為電網動態監測數據的來源，將在今后電網監測系統中發揮越來越重要的作用。

關鍵詞：電力系統；PMU；動態數據；監測系統

中圖分類號：TM7文獻標識碼： A

0 引言

為了加強電力系統調度中心對電網動態監測與分析的能力，需要在重要的變電站和發電廠安裝相量測量裝置（Phasor Measurement Unit, PMU），來構建電力系統實時動態監測系統，并通過調度中心實現對電力系統動態過程的監測和分析。PMU是電力系統實時動態監測系統的基本組成部分，它以數千赫茲速率采集電流、電壓等相量信息，然后通過計算獲得測點的頻率、功率、發電機功角等信息，并以每秒幾十幀的速率向調度主站的廣域測量系統（Wide-Area Measurement System, WAMS）主站發送測量數據，使調度能實時監測到電網的動態過程。

1 基本原理

1.1 PMU基于時標的采樣

PMU的同步采樣以1PPS秒脈沖為基準，相量角度由1PPS脈沖決定。電壓、電流等相量的表達式可以寫為，當v(t)的最大值出現在秒脈沖時，相量的角度為0度（如圖1），當v(t)正向過零點與秒脈沖同步時，相量的角度為-90度（如圖2）。

圖1V(t)最大值出現在秒脈沖

圖2V(t)正向過零點出現在秒脈沖

當相量幅值不變時，相量的相位與信號的頻率應符合如下關系：

即相量的頻率等于50Hz時，相量的角度不變，當相量的頻率大于50Hz時，相量的角度逐漸增大，當相量的頻率小于50Hz時，相量的角度逐漸減小。

1.2 PMU數據處理基本原理

PMU測量單元的硬件原理圖如圖3所示，來自PT/CT二次側的電壓、電流信號經過互感器后，經過濾波變成滿足采樣定理的交流信號，然后在同步信號基準下進行模數轉換，給計算出的相量打上時標，最后經過處理器處理后在當地監測系統中顯示，同時通過通訊模塊完成數據上送。相量的算法是通過離散傅立葉變換法提取波形的基波分量，然后計算出相位得到。

圖3PMU硬件原理圖

1.3 PMU系統組成結構

PMU系統主要由相量測量單元、數據集中單元、輔助分析單元及相關通訊附件組成，典型結構如圖4所示。相量測量裝置單元主要進行信號的采樣，并將采樣后的數據送到數據集中單元和輔助分析單元；數據集中單元將數據進行封裝打包和存儲，并最后轉發給調度主站；輔助分析單元通過監控軟件顯示采樣值和相關裝置工作狀態。PMU系統與主站通訊在網絡傳輸層采用了TCP/IP協議，在應用層采用了IEEE std l344規約。

圖4PMU系統典型結構圖

2 主要功能

PMU相量測量裝置具備實時監測、 數據存儲和實時通信三大功能，且三者互相配合，互不影響。

2.1實時監測功能

2.1.1相量測量單元的采樣

相量測量單元以100幀/秒的采樣速率實時測量線路的三相電壓、三相電流、開關量等信號，以及機組的機端電壓、機端電流、直流量、開關量和鑒相脈沖等信號。

2.1.2相量測量單元的計算

相量測量單元根據所測信號進行計算處理，得到線路的頻率、有功、無功，以及機組的內電勢、轉速等電氣量，并可根據變比等參數進行一次值/二次值的轉換。

2.2 數據存儲功能

2.2.1動態文件存儲

數據集中單元收到相量測量單元的采樣數據后，實時地將該動態數據以dyn格式的文件進行存儲，每分鐘存儲一個文件，每個文件為6000幀。數據集中單元最少可以存儲14天的動態文件。

2.2.2暫態文件存儲

相量測量單元可以根據需要設置故障錄波定值，當采樣過程中采樣值出現異常情況（如突變、越限等）時，相量測量單元會自動觸發錄波功能，按照故障錄波的方式對故障前和故障后的數據進行采樣，并按照COMTARDE格式存儲故障文件。

2.3 實時通信

數據集中器將所收到的數據實時發送到主站，支持接受多個主站的同時召喚命令，并以時間作為優先級順序建立通道，傳送部分或全部測量通道的實時監測數據。PMU的實時數據的輸出速率能夠根據主站要求進行選擇，具有25幀/秒、50幀/秒、100幀/秒等多種可選速率。PMU的實時監測數據的輸出時延(相量時標與通信出口數據輸出時刻之時間差)不大于30 ms。

3 典型配置

由于我國地域的廣闊性以及電網覆蓋的復雜性，使得電網的每個站點不可能都配置一套PMU供調度實時動態監測，并且作為調度主站的運行人員，在監控和分析整個電網的動態運行狀況時，也不可能做到對每個廠站面面俱到，因此PMU系統一般只需要監控電網主干網上重要的樞紐站或電壓等級較高的廠站。

因此，在配置PMU廠站時，應考慮以下幾點：①保全性，即能夠反映系統關鍵節點的信息及主干網的動態信息，且不會丟失數據；②經濟性，即PMU的數量最少，花費相應的代價也就越??；③兼容性，可以與多種算法配合使用，彼此之間不會發生沖突；④繼承性，即在配置PMU時應考慮電網的發展趨勢，如逐漸與SCADA系統的融合等。

一般情況下，需要配置PMU的站點有電網架構中關鍵的發電廠、所有500 kV電壓等級及以上等級的變電站（西北地區為330kV及以上電壓等級）、部分起到重要聯絡作用的220 kV變電站以及風電場、光伏電站等新能源廠站。

4 發展前景

4.1 與其他系統的比較

目前調度主站端的系統主要有WAMS系統、SCADA系統和故障錄波系統。SCADA系統主要采集RTU上送的穩態數據，故障錄波系統主要采集由故障錄波裝置或保護裝置提供的故障前后幾秒內的暫態波形。這兩種監測方法都存在一定的不足，SCADA系統側重于監測系統穩態運行情況，測量周期通常是秒級,而且 SCADA 數據不帶時標,不同地點之間缺乏準確的共同時間標記，其慢速刷新的穩態數據對于電網系統的動態狀態預測、低頻振蕩、故障分析等工作幾乎不能提供任何幫助；故障錄波數據的采樣頻率一般都在幾千赫茲以上,并帶有時標信息,但是只在發生故障時采集故障點附近的數據,記錄數據只是局部有效,并且持續時間較短,通常在數秒以內,難以用于對全系統動態行為的監視和分析。而PMU作為WAMS系統的重要組成部分，對電網的動態數據進行實時的采樣，既彌補了SCADA系統采樣速率低、時標無法對齊的缺陷，又具備故障錄波裝置的錄波功能，可以說是對前兩個系統的有力補充。

4.2 PMU的發展前景

隨著我國經濟的高速發展，電網系統也在進一步地加大融合，逐漸朝著大電網的方向發展，這意味著電網各個節點不穩定因素的可能性增大和數據處理交換的愈加頻繁，這就對電網的實時動態監測、故障預警和大數據分析處理等高級應用提出了更高的要求。目前各級網省調主站新加的D5000調度系統就是將SCADA系統和WAMS系統的功能融合集成在一起，這不僅減少了主站運行人員的工作量，同時也使得兩個系統的數據可以互相交換利用，為各種高級功能應用奠定了良好的基礎。

隨著電子信息技術的發展，電子設備正逐步走向多功能化和集成化，在廠站端也很有可能進行設備的整合，以減少維護設備的數量和運行人員的工作量。比如PMU裝置和測控裝置的功能融合，從而在子站端將動態數據和穩態數據結合在一起，加上PMU自身的暫態數據記錄功能，形成三合一的多功能裝置也不是沒有可能。

5 結論

PMU作為電網動態監測系統的基礎，能夠加強對電力系統動態安全穩定的監控，提高調度機構準確把握系統運行狀態的能力，并有助于研究大電網的動態過程，為制訂電力系統控制策略和設計、運行、規劃方案提供依據。在未來的電網發展中，PMU也將扮演舉足輕重的角色。

參考文獻

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[4].張道農，王兆家，等.電力系統實時動態監測系統技術規范.

作者簡介：

朱曉衛（1988-），男，大學本科，助理工程師，主要研究PMU、故障錄波器等在電網系統中的應用。

王莉斌（1979-），男，大學本科，助理工程師，主要從事電力系統綜合自動化方面的研究和工程管理工作。