PMU在電力系統中的應用

摘要：由于大量的PMU裝置接入電力系統，對電力系統的運行和控制產生巨大影響。本文首先介紹PMU的原理和硬件裝置，并介紹其在電力系統暫態穩定中的應用，在動態監測中應用和在狀態估計中的應用。其中著重從原理和應用模型兩方面介紹PMU在狀態估計中的應用。

關鍵詞：電力系統 PMU 狀態估計

1 同步相量測量技術（PMU）概述

基于GPS技術的PMU系統在電力系統中主要用于數據測量，以提高電力系統狀態估計的精度及進行相關的保護、監測和控制研究。PMU技術大概自1995年引入中國。最近幾年，本國南北幾大電網系統對于PMU技術的研究和應用持續跟進，部分電網結構已有PMU配置計劃成功應用的案例。在實際監測活動中，經PMU測得的電壓幅值和相角精確系數大大提高，可廣泛應用在電力系統的狀態估計、電力試驗、動態監測、潮流計算、區域穩定控制、暫態穩定分析和預測、系統保護等專業領域。

2 PMU基本原理

PMU基本功能是通過GPS信號同步測量和分析電流、電壓數據，提供相位、幅值和頻率信息。通過從GPS系統中獲取的高精度授時信號進行電流、電壓的采樣，然后通過采樣數據確定相量，通過離散傅立葉變換求得基頻分量，繼而實現對電力系統各個節點數據的同步采集。在電力系統實際運行過程中，若將PMU同步安裝在各個節點上，即可實時檢測整個系統的運行情況。相量、相角、幅值應該同步測量，測量相角時可借助GPS的時間傳遞功能獲取精確的時間，以規避時間誤差。GPS接收器以秒為計時單位，可提供間隔為一秒的脈沖信號1PPS，通過GPS獲取的時間信號可精確到1微妙。對于50Hz的工頻量來說，其相位最大誤差為0.018%，基本能滿足功角測量的要求。

3 PMU在電力系統中的應用

PMU目前主要應用于電力系統的狀態估計、動態監測和暫態穩定分析上。這一小節主要介紹PMU在動態監測和暫態穩定這后兩個方向中的應用。在狀態估計中的應用，將在下一章中著重介紹。

4 PMU在動態監測方面中的應用

按照動態監測的現實要求，應建立一套相對完善的動態監控系統，以便在線實時了解電力系統的實際動態行為，同時基于系統提供的動態數據綜合分析系統的穩定性。由此可見，供電網絡動態穩定監控主要通過PMU的廣域同步動態測量功能實現，這是PMU動態監測功能備受業界青睞的一個主打優勢。關于此特點，業界根據同步相量測量技術精髓研究出線路參數計算方法，均是在已知線路兩端同步電壓和電流的情況下，經計算獲得線路各序參數，或者特性阻抗、傳播參數、單位長度電感及電容等。

WAMS系統由PMU子站和主站構成，而子站通過電力數據網把自己得到的數據信息傳送到主站，籍此PMU主站根據傳送來的信息完成一系列的計算控制。PMU子站測量采集到的模擬量和快關量，生成帶時標的同步相量數據。而主站設在省調度中心。

原理分析：將PMU裝設在電網系統中，對母線電壓和線路電流進行三相交流采樣，結合相量算法通過計算求得正負零序相量、功率和頻率，對于發電廠還獲得機組的內電勢相量，繼而參考GPS的時間信號為相量數據設定時標，同時并基于共同的接口協議打包處理這些測量數據，再將其傳輸至數據中心進行同步處理和儲存；系統慣性中心角度，以及各母線、各機組的相對相角可在數據中心通過計算得出；最后，通過固定的應用程序實時評估所測得的數據信息，繼而綜合評價動態監視電網是否穩定可靠，或進行離線分析，為系統的優化運行提供數據，進一步與電網控制結合起來，能提高電網的安全穩定水平和傳輸能力。

5 PMU在暫態穩定分析上的應用

傳統暫態穩定性分析廣泛應用的是等面積法則，這種方法原理簡單，計算速度快，但在實際應用中存在著一些問題和局限，如：等面積法則中的等效機械功率Pm需考慮功率輸出側發電機出力和該側實際負荷的波動情況，而系統的運行情況復雜多變，具有一定的不確定性；另外，線路參數也存在著許多不確定因素等。PMU能夠提供傳輸線兩側電壓相角的同步采樣值，從而為等面積法則的應用創造了有利的條件。而對于另外兩種方法：數值積分法和模式識別法，相應的文獻也提出運用PMU接入，實現了算法的高精度和時間節省。為暫態穩定分析帶來了新的思路，也使基于PMU的暫態穩定控制成為研究的熱點。

6 PMU在狀態估計中的應用

電力系統狀態估計是通過數據采集及監控系統（SCADA）得到的實時測量和偽測量數據以求解非線性方程組的迭代方法求得系統狀態變量（母線電壓的幅值和相角）的最佳估計值，通過對可疑數據的檢測剔除違法數據，同時通過計算求得支路潮流。它有助于規避隨機干擾造成的錯誤信息，以確保系統運行狀態判定結果客觀準確。PMU接入電力系統中，為狀態估計帶來一種新的思路。

7 PMU引入狀態估計

PMU引入電力系統狀態估計的中心思想是：在狀態估計中引入常規的有功和無功潮流、相角量以及節點注入量測量數據，最大限度的發揮PMU的量測功能，以改進狀態估計的性能。目前PMU在電力系統狀態估計中的應用模型大體主要有三種模型，即線性估計模型，非纖細估計模型，線性估計模型和非線性估計結合模型。

8 線性估計模型

Phadke在《StateEstImationwithPhasorMeasure-

ments》疑問中推導出了全部電壓相量和電流相量均可測的條件下，對電壓相量的狀態估計表達式進行計算。但由于目前PMU不可能大規模接入電力系統中，有必要考慮當PMU裝置在電力系統部分點安裝使得系統可測時的整個電網電壓相量發狀態估計值。

9 非線性估計模型

非線性狀態估計模型即基于SCADA量測新增PMU量測功能，以達到改善狀態估計性能的目的。由于量測采用非線性量測方程，因而狀態估計方程必須迭代求解。當前，部分狀態估計僅僅考慮了PMU量測量所包含的節點電壓相量量測，而忽視了PMU量包含的另一項支路電流相量量測，以致狀態估計結果有失客觀。而目前電壓幅值量測已在狀態估計中成功應用，而電壓相角量測則已成為狀態估計中的關鍵點。

一般來講，利用電壓相量量測量可通過三種形式完成：①節點絕對相角的利用：布設PMU相角量測的參考節點，將另外的PMU節點相角量測和參考節點相角量測的相角差作為這個節點的電壓相角量測。②節點相對相角的利用：PMU相角量測無需布設參考節點，只需計算PMU節點電壓相角量測的差值，以此作為節點相對相角量測來應用。③節點相角的等效變換：即以其他量測形式替換節點電壓相角量測方式。該方式不僅操作要求復雜，而且必須兼顧兩種參考節點相互協調的問題，因此筆者不建議推廣應用。

PMU量測值的加入可以提高量測冗余度和網絡可觀測性，改善狀態估計精度。另外PMU量測的嚴格同步特性也有助于改善SCADA量測不同步對狀態估計的影響。但也同時喪失PMU時間優勢。

10 線性估計和非線性估計結合模型

線性與非線性估計模型均以消耗功率量測或PMU量測為前提進行量測，因而有學者大膽嘗試將線性與非線性估計模型有機整合，以充分發揮兩種模型的量測作用。具體來說，即先通過SCADA量測進行非線性估計，然后基于非線性估計結果以及PMU相量量測實現線性估計。這種混合型狀態估計無需徹底改造原狀態估計系統便能使PMU量測的線性特性最大限度的發揮，也就是相當于估計兩次，因而需要大量的計算作為基礎。相關文獻有涉及此類問題。

11 結論

本文首先粗略介紹了PMU的原理和硬件組成，并引出PMU在電力系統中的三種應用：在電力系統狀態估計中的應用，在暫態穩定中的應用和在動態監測方面的應用。但是由于篇幅有限對于后兩種應用并未詳細闡述，僅僅是大概介紹原理和應用理念。

對于PMU在電力系統狀態估計中的應用，本文首先介紹傳統狀態估計的原理和一般推導公式。在此基礎上，引入PMU，根據狀態估計中對PMU量測值的使用不同分為三種應用模型：線性估計模型，非線性估計模型，線性估計和非線估計結合模型。以此介紹其應用思想。

總之，PMU的出現為電力系統的分析和控制提供了新的研究思路和進一步提高實時性的可能。但是PMU在電力系統中的應用不僅限于這三個方面，可能在其他方面的應用更具有研究價值，需廣大科技工作者努力。

參考文獻：

[1]于爾鏗.電力系統狀態估計[M].北京：水利電力出版社，1985.

[2]譚學清，李光熹，熊曼麗.直角坐標形式混合法狀態估計[J].電力系統自動化，1997，21（12）.

[3]盧志強，郝玉山，康慶平等.電力系統實時相角監控系統研究[J].電力系統自動化，1997，21（9）.

[4]盧志剛，許世范等.部分電壓和電流相量可測量時電壓相量的狀態估計[J].電力系統自動化，2000（24）.