学文网摘要：由于大量的PMU装置接入电力系统，对电力系统的运行和控制产生巨大影响。本文首先介绍PMU的原理和硬件装置，并介绍其在电力系统暂态稳定中的应用，在动态监测中应用和在状态估计中的应用。其中着重从原理和应用模型两方面介绍PMU在状态估计中的应用。
关键词：电力系统 PMU 状态估计
1 同步相量测量技术（PMU）概述
基于GPS技术的PMU系统在电力系统中主要用于数据测量，以提高电力系统状态估计的精度及进行相关的保护、监测和控制研究。PMU技术大概自1995年引入中国。最近几年，本国南北几大电网系统对于PMU技术的研究和应用持续跟进，部分电网结构已有PMU配置计划成功应用的案例。在实际监测活动中，经PMU测得的电压幅值和相角精确系数大大提高，可广泛应用在电力系统的状态估计、电力试验、动态监测、潮流计算、区域稳定控制、暂态稳定分析和预测、系统保护等专业领域。
2 PMU基本原理
PMU基本功能是通过GPS信号同步测量和分析电流、电压数据，提供相位、幅值和频率信息。通过从GPS系统中获取的高精度授时信号进行电流、电压的采样，然后通过采样数据确定相量，通过离散傅立叶变换求得基频分量，继而实现对电力系统各个节点数据的同步采集。在电力系统实际运行过程中，若将PMU同步安装在各个节点上，即可实时检测整个系统的运行情况。相量、相角、幅值应该同步测量，测量相角时可借助GPS的时间传递功能获取精确的时间，以规避时间误差。GPS接收器以秒为计时单位，可提供间隔为一秒的脉冲信号1PPS，通过GPS获取的时间信号可精确到1微妙。对于50Hz的工频量来说，其相位最大误差为0.018%，基本能满足功角测量的要求。
3 PMU在电力系统中的应用
PMU目前主要应用于电力系统的状态估计、动态监测和暂态稳定分析上。这一小节主要介绍PMU在动态监测和暂态稳定这后两个方向中的应用。在状态估计中的应用，将在下一章中着重介绍。
4 PMU在动态监测方面中的应用
按照动态监测的现实要求，应建立一套相对完善的动态监控系统，以便***实时了解电力系统的实际动态行为，同时基于系统提供的动态数据综合分析系统的稳定性。由此可见，供电网络动态稳定监控主要通过PMU的广域同步动态测量功能实现，这是PMU动态监测功能备受业界青睐的一个主打优势。关于此特点，业界根据同步相量测量技术精髓研究出线路参数计算方法，均是在已知线路两端同步电压和电流的情况下，经计算获得线路各序参数，或者特性阻抗、传播参数、单位长度电感及电容等。
WAMS系统由PMU子站和主站构成，而子站通过电力数据网把自己得到的数据信息传送到主站，籍此PMU主站根据传送来的信息完成一系列的计算控制。PMU子站测量采集到的模拟量和快关量，生成带时标的同步相量数据。而主站设在省调度中心。
原理分析：将PMU装设在电网系统中，对母线电压和线路电流进行三相交流采样，结合相量算法通过计算求得正负零序相量、功率和频率，对于发电厂还获得机组的内电势相量，继而参考GPS的时间信号为相量数据设定时标，同时并基于共同的接口协议打包处理这些测量数据，再将其传输至数据中心进行同步处理和储存；系统惯性中心角度，以及各母线、各机组的相对相角可在数据中心通过计算得出；最后，通过固定的应用程序实时评估所测得的数据信息，继而综合评价动态监视电网是否稳定可靠，或进行离线分析，为系统的优化运行提供数据，进一步与电网控制结合起来，能提高电网的安全稳定水平和传输能力。
5 PMU在暂态稳定分析上的应用
传统暂态稳定性分析广泛应用的是等面积法则，这种方法原理简单，计算速度快，但在实际应用中存在着一些问题和局限，如：等面积法则中的等效机械功率Pm需考虑功率输出侧发电机出力和该侧实际负荷的波动情况，而系统的运行情况复杂多变，具有一定的不确定性；另外，线路参数也存在着许多不确定因素等。PMU能够提供传输线两侧电压相角的同步采样值，从而为等面积法则的应用创造了有利的条件。而对于另外两种方法：数值积分法和模式识别法，相应的文献也提出运用PMU接入，实现了算法的高精度和时间节省。为暂态稳定分析带来了新的思路，也使基于PMU的暂态稳定控制成为研究的热点。
6 PMU在状态估计中的应用
电力系统状态估计是通过数据采集及监控系统（SCADA）得到的实时测量和伪测量数据以求解非线性方程组的迭代方法求得系统状态变量（母线电压的幅值和相角）的最佳估计值，通过对可疑数据的检测剔除违法数据，同时通过计算求得支路潮流。它有助于规避随机干扰造成的错误信息，以确保系统运行状态判定结果客观准确。PMU接入电力系统中，为状态估计带来一种新的思路。
7 PMU引入状态估计
PMU引入电力系统状态估计的中心思想是：在状态估计中引入常规的有功和无功潮流、相角量以及节点注入量测量数据，最大限度的发挥PMU的量测功能，以改进状态估计的性能。目前PMU在电力系统状态估计中的应用模型大体主要有三种模型，即线性估计模型，非纤细估计模型，线性估计模型和非线性估计结合模型。
8 线性估计模型
Phadke在《StateEstImationwithPhasorMeasure-
ments》疑问中推导出了全部电压相量和电流相量均可测的条件下，对电压相量的状态估计表达式进行计算。但由于目前PMU不可能大规模接入电力系统中，有必要考虑当PMU装置在电力系统部分点安装使得系统可测时的整个电网电压相量发状态估计值。
9 非线性估计模型
非线性状态估计模型即基于SCADA量测新增PMU量测功能，以达到改善状态估计性能的目的。由于量测采用非线性量测方程，因而状态估计方程必须迭代求解。当前，部分状态估计仅仅考虑了PMU量测量所包含的节点电压相量量测，而忽视了PMU量包含的另一项支路电流相量量测，以致状态估计结果有失客观。而目前电压幅值量测已在状态估计中成功应用，而电压相角量测则已成为状态估计中的关键点。
一般来讲，利用电压相量量测量可通过三种形式完成：①节点绝对相角的利用：布设PMU相角量测的参考节点，将另外的PMU节点相角量测和参考节点相角量测的相角差作为这个节点的电压相角量测。②节点相对相角的利用：PMU相角量测无需布设参考节点，只需计算PMU节点电压相角量测的差值，以此作为节点相对相角量测来应用。③节点相角的等效变换：即以其他量测形式替换节点电压相角量测方式。该方式不仅操作要求复杂，而且必须兼顾两种参考节点相互协调的问题，因此笔者不建议推广应用。
PMU量测值的加入可以提高量测冗余度和网络可观测性，改善状态估计精度。另外PMU量测的严格同步特性也有助于改善SCADA量测不同步对状态估计的影响。但也同时丧失PMU时间优势。
10 线性估计和非线性估计结合模型
线性与非线性估计模型均以消耗功率量测或PMU量测为前提进行量测，因而有学者大胆尝试将线性与非线性估计模型有机整合，以充分发挥两种模型的量测作用。具体来说，即先通过SCADA量测进行非线性估计，然后基于非线性估计结果以及PMU相量量测实现线性估计。这种混合型状态估计无需彻底改造原状态估计系统便能使PMU量测的线性特性最大限度的发挥，也就是相当于估计两次，因而需要大量的计算作为基础。相关文献有涉及此类问题。
11 结论
本文首先粗略介绍了PMU的原理和硬件组成，并引出PMU在电力系统中的三种应用：在电力系统状态估计中的应用，在暂态稳定中的应用和在动态监测方面的应用。但是由于篇幅有限对于后两种应用并未详细阐述，仅仅是大概介绍原理和应用理念。
对于PMU在电力系统状态估计中的应用，本文首先介绍传统状态估计的原理和一般推导公式。在此基础上，引入PMU，根据状态估计中对PMU量测值的使用不同分为三种应用模型：线性估计模型，非线性估计模型，线性估计和非线估计结合模型。以此介绍其应用思想。
总之，PMU的出现为电力系统的分析和控制提供了新的研究思路和进一步提高实时性的可能。但是PMU在电力系统中的应用不仅限于这三个方面，可能在其他方面的应用更具有研究价值，需广大科技工作者努力。
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