浅谈同步、相量、测量单元PMU

知识点：相量数据集中器

一、同步

一言概之：中国这么大，电网这么大，西安到新疆都有时差，电网信号变化太快了，北京时间这一分钟，河里的水都流过万重山了。得给电网检测系统们带一块高质量的名表！基于高精度原子钟的卫星授时表。最好还是对我们最安全的“北斗牌”

电力系统要确保发电厂、变电站的电力设备运转同步进行，首先必须要确保设备内部时钟的一致性，电力系统的安全运行需要在很大范围内实现高精度的时间同步。动力系统整个电网的同步相位测量、功角测量、故障定位以及故障录波等技术均需要时间同步技术。安全可靠的高精度的时间同步技术是当代电网乃至未来智能电网正常运行的一项基本要求。

如何保持时间精度和远距离时钟的同步是一个古老的问题。星上时钟的精确同步是GPS的核心。为此，在GPS卫星和运控系统监控站上使用了原子钟。通过时间同步技术，GPS时间与协调世界时UTC可以同步到纳秒量级。GPS卫星把播发的导航电文“打上时间标记”，为精密时间和频率数据在全世界的传播提供同步原子钟网络，即GPS的授时服务。

GPS同步卫星每秒向地球发送1个同步信号,GPS接收器可以提供间隔为1 s的脉冲信号1PPS,其精确度不低于1μs,对于50 Hz的工频量而言,其相位误差不超过0.018,完全可以满足功角测量的要求。

我国电网每年都有因GPS授时不准而发生事故，给国家带来了巨大的经济损失。针对电力授时存在的安全隐患，北京某公司研发出“北斗电力全网时间同步管理系统”，结束了我国电力运行安全命系他国的历史，解决了电力系统时间同步应用中的三个难题，即提供可靠的时钟源、全网时间同步管理和远程实时监测维护。2008年12月19日，“北斗电力全网时间同步管理系统”在华东电网挂网运行。2009年9月，国家正式确立“天地互备，以北斗为主”的电力授时体系，国家电网公司和南方电网公司也都做出积极响应。“北斗时间”系统首次被顺利引入我国电网数字化变电站，结束了我国电力运行时间完全依赖美国GPS全球定位系统的历史，使得以往缺乏安全保障的“美国授时”变为“中国授时”。

有时电力系统中的不正常运行，可能就是因为设备之间时间同步达不到要求的原因所造成。

例如在电力系统中的广域实时监测系统，主要依靠GPS同步时钟的高精确度对广域实时监测系统提供精确的相角测量，然而由于GPS的授时可能会受外界环境影响发生卫星失锁现象，其稳定性和安全性存在一定的不可靠性，在1995年曾经出现20ms的时钟跳变，这将导致相角测量产生较大的误差从而引发电力系统的错误动作。又如故障录波器，可以自动地、准确地记录电力系统发生故障前后过程的各种电气量的变化情况，用于判断故障的位置、原因以及继电保护是否发生正确动作等，一旦故障录波器的时间同步精度达不到一定范围时，将对事故原因的分析造成一定不良影响。

二、相量

首先说到相量，很多人肯定和我一样困惑……因为在各种书上见过了“相量”“向量”和“矢量”……觉得都是一个东西吧，不同领域分的还挺开……

一般区分如下：

1、矢量又称向量(Vector)，最广义指线性空间中的元素。它的名称起源于物理学既有大小又有方向的物理量，通常绘画成箭号，因以为名。例如位移、速度、加速度、力、力矩、动量、冲量等，都是矢量。

2、相量：电工学中，用以表示正弦量大小和相位的矢量叫相量，也叫做向量。

当频率一定时，相量唯一的表征了正弦量。将同频率的正弦量相量画在同一个复平面中（极坐标系统），称为相量图。从相量图中可以方便的看出各个正弦量的大小及它们之间的相位关系，为了方便起见，相量图中一般省略极坐标轴而仅仅画出代表相量的矢量。
3、向量：就是根据物体的几何性质而确定的一种定位方法.主要通过线性相关和线性变换解释几何问题

这里PMU要测量的，就是第二个“相量”，英文文献中翻译为Phasor，a line used to represent a complex electrical quantity as a vector.

众所周知,电力系统中的电量(如电流、电压等)均为正弦量,正弦量的三要素分别为幅值、频率和初始相角。对于同频率的电量来讲,幅值和相角是关键因素,而长期以来电量的幅值可方便地测量,但相角测量却是一个未解的难题。由于相角无法直接测量,从而造成实时潮流计算需解非线性方程;调度员只能从模拟盘上的潮流,根据经验间接判断系统的稳定性;电力系统的紧急安全控制无法应用简单的相角条件来实现。

相量分析是交流电网的重要工具，可以预测电网中各节点相对角的趋势。相量的变化可精确地描述电力系统运行状态的变化，各母线电压相量是 实 际 电 网 运 行 的 状 态 变 量。

幅值可以用交流电压电流表测量，而相位的大小以变电站内 GPS 时间为参考点。同步测量以 GPS 信号作为采样过程的基准，通过对采样数据计算而得的相量称为同步相量。

如图 1，各个节点的相量之间存在着确定统一的相位关系，使异地信号可以在相同的时间坐标下比较。

两站相角差 δ 是指在同一个 GPS 信号下的两个母线电压正序相量的相角差，它是系统运行的重要状态变量之一。通过这个相角差，可以得知两个变电站之间潮流的方向与大小。

再用简图表示：

三、测量

PMU的基本原理为:滤波处理后的交流信号经A/D转换器量化，微处理器按照算法计算出相量。依照IEEE标准1344- 1995规定的形式将正序相量、时间标记等装配成报文，通过专用通道传送到远端的数据集中器。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。

当前世界上的交流电力系统一般都是ABC三相的，而电力系统的正序，负序，零序分量便是根据ABC三相的顺序来定的。

正序：A相领先B相120度，B相领先C相120度，C相领先A相120度。

所以难点在于：微处理器按照算法计算出相量。

目前比较常用的有两种：过零检测和递归傅里叶，各有优缺点。

过零检测法

过零点同步相角测量算法是一种比较直观的同步相角测量方法，只需要将被测工频信号的过零点时刻与某一时间标准相比较即可得出相角差。

目前市场上GPS- OEM接收模块的秒脉冲(1 pps)上升沿的精度误差在± 1μs之内，对于50 Hz的工频其相位误差在± 0.018°，在允许的相位误差范围之内。

国内目前RTU通信网络的速率比较低,传送一次数据需0.5～ 1.5 s，因此只要将正序电压过零点时刻与1 pps相比较，便能得到相对于协调世界时UTC(Coodinated Universal Time)绝对时间的各节点正序电压相角。

再以系统中的主力发电厂或中枢变电站作为参考站，各子站根据自身的相角和参考相角即可得到各子站相对于参考点的角度，该角度可用于子站的控制，如发电机的调速、切机等等。

过零点同步测量算法原理简单,硬件软件上较易实现，但该算法要求各个母线电压的过零点时刻是同步的，并且由于电压过零点的谐波影响和过零检测电路的不一致性也会造成测量误差。

过零点异步相角测量算法与过零点同步相角测量算法的基本原理相同,主要区别是过零点异步相角测量算法不需要数据的的同步采集,即在相角数据刷新时不需要各个母线的过零点时标同时到达调度中心,而是只要有过零点时标传送到调度中心就可以对此母线电压与参考母线电压计算相角差,实现电压相角的实时刷新。过零点异步相角测量算法适用于静态电力系统即系统频率是稳定不变的,它不要求数据同步、实时采样和处理,只要周期地去采集电压的过零点并为其打上精确的时间标签就可以得到精确的相角差,从而大大减小了数据的传输量,也不会对相角差的精确测度产生影响。传输信息量小、更新速度快,这是该算法的主要优点。

四、产品化

那阵看论文看网页，都说PMU设备很昂贵，大师兄不是做这个的，看了原理之后随口问了我一句，为什么很昂贵，贵在哪了，之后仔细查看一番，发现我不知道……

现在还是不知道……

自 2009 年华中电网有限公司印发《华中电网同步相量测量装置( PMU) 配置原则( 试行) 》通知后，国内各大网、省开始陆续应用 PMU 系统。目前，国内只有南瑞、北京四方、电科院等单位研发PMU 装置，之前由于成本过高，没有大规模采用。

相关推荐：

1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范