相量測量裝置（PMU）孫元章、程林清華大學電機系電力系統研究所二OO三年十一月內容電力系統分析與控制的需求本地相位測量的實例GPS原理介紹相量測量裝置PMU原理相量測量裝置開發相量測量效果潮流計算的目標依賴于給定的系統結構和參數，計算導納矩陣Y=G+jB每個節點有4個變量，已知2n個變量，需要求解2n個聯立非線性方程組P、Q、U、四個變量中，是相對量，無法通過常規本地測量裝置獲得暫態穩定分析的目標根據故障前狀態、給定系統結構和參數、給定故障、給定控制措施，獲得發電機的功角搖擺曲線優點可以考慮電力系統中的任何復雜模型可以考慮電力系統中的任何控制作用采用并行計算可達到實時的要求缺點計算結果嚴重依賴于電力系統模型和參數對于發展型故障無法實現連續實時控制是否可以直接測量相位或功角？相量測量的基本原理相角測量可以采用過零檢測法、快速傅立葉變換法(ＦＦＴ)和離散傅立葉變換法等過零檢測法的原理是由ＣＰＵ對過零點電壓打上時間標簽，并求出其相對于標準50Ｈｚ信號的角度本地相位測量實例（一）功率、功率因素的測量本地相位測量實例（二）發電機并網同期裝置并網條件：頻率電壓幅值電壓相位差相量測量的關鍵因素相量測量的關鍵是需要進行同步測量而同步測量的基礎是獲得足夠精度的統一時間基準對于50Ｈｚ的工頻量來講,1ｍｓ的非同步誤差將帶來18°的相位誤差提高相位測量精度的方法同步采樣：同時觸發多個A/D轉換器采樣保持：外部通過阻容電路保持信號在一段時間內不衰減，順序采樣高速采樣：高速CPU和高速A/D配合軟件校正：估算相鄰通道采樣延時異地相位測量？直接采用電信號進行比較優點：原理簡單、實現方便缺點：信號衰減、信號延時用途：近距離各種可能的對時工具優點：遠距離相位測量缺點：受對時精度影響可能的方案：模擬微波1ms；光纖0.5ms；數字微波0.07ms；GPS0.0005msGPS系統介紹GPS的全稱為導航衛星定時測距全球定位系統(NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem)GPS是美國國防部操縱的全球定位衛星系統，用以提供精確定位信息該系統提供了全球范圍內易獲取精度為1us的定時脈沖導航星全球定位系統是衛星無線電導航定位系統的一種20世紀70年代初，美軍繼“子午儀”衛星導航系統之后，開始進行新一代衛星無線電導航系統GPS的研制其間經歷了四個階段：方案論證階段(1973～1979年)工程研制試驗階段(1980～1985年)試運行階段(1986～1990年)完善與應用階段(1991～1995年)

GPS系統組成GPS系統包括三大部分：空間部分、地面控制部分、用戶設備部分GPS的空間部分由24顆衛星組成，在地球的任意處至少可以看到5顆衛星。這些衛星均布于6條軌道,每條軌道布置4顆衛星。在24顆衛星中有3顆備份星,每隔一條軌道布置1顆。衛星的軌道高度20100km,軌道周期11h58min,軌道傾角55°,軌道面間經度間隔60°地面控制部分包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。對GPS衛星進行跟蹤、測軌、遙測、遙控、GPS信息接收處理、軌道修正和電文更新等用戶設備就是GPS接收機。接收機根據自己的時鐘和接收到的導航電文計算出接收機（天線）所在位置和GPS系統的時間

GPS授時的原理在GPS系統中,用戶至GPS衛星的距離可以通過測量偽碼自衛星到用戶的傳輸延時來確定考慮到用戶時鐘相對于GPS衛星時鐘總是存在一定的偏差(該偏差包含在傳輸延時之中),因此這一偏差未被修正時的測量距離稱為偽距GPS授時的優點全球全天候連續工作，用戶數量不限精度高。粗捕獲碼(C/A碼)定時精度為100ns，精密偽隨機碼(P碼)定時精度更高，但只對美國及其盟國開放GPS采用了擴頻和偽碼技術，抗干擾能力強可靠性高，信號易于獲得GPS系統的局限性及對策GPS是冷戰時期的產物，受美國國防部控制，為美國的全球政治軍事戰略服務俄羅斯推出Glonass系統歐盟今年啟動伽利略(Galileo)系統我國“北斗導航試驗衛星”發射成功現在已經有一些接收機可以同時接收GPS和Glonass系統的信號

2003年10月30日在北京舉行第六次中國━歐盟領導人會晤，雙方簽署了《伽利略衛星導航合作協定》，中國決定加入“伽利略計劃”，即歐盟15國在今年啟動的伽利略導航衛星系統計劃。“伽利略計劃”是歐盟與歐洲航天局共同開發的，旨在與美國全球定位系統（GPS）競爭的一套全球衛星定位系統，包括30顆衛星和地面設施，總預算估計超過30億歐元。伽利略計劃的目標是到2010年在全球擁有18億用戶，到2020年擁有36億用戶。GPS系統的局限性及對策美國對GPS工作衛星的民用信號施加了諸如選擇性干擾（SA技術）之類的干擾措施，降低了GPS的精度差分GPS可以在很大程度上克服干擾措施對精度的影響。（差分導航指某一用戶設備通過數據傳輸線路相對于另一坐標已知的用戶設備的導航）隨著冷戰的結束，美國為了促進GPS民用，將逐步減少干擾措施美國的各種干擾政策主要針對定位導航功能實施的，對定時精度基本沒有影響

參考系的選擇在暫態過程中，各發電機的轉速是不一樣的，多機電力系統任意的兩臺機失步就意味著系統失去穩定。一般來說有三種參考系：同步旋轉軸系遠方某臺機為參考慣性中心在相量測量和功角比較計算中，采用同步旋轉軸系作為參考系GPS時鐘的作用要將各地的電壓信號統一到相同坐標軸上就必須做到以下兩點：這些信號的采樣是同步完成的各地功角信號是相對于相同的同步旋轉軸系對應的GPS作用：將全網的時鐘進行統一，保證分散于各地傳送到服務器上進行比較的是同一時刻的信號

提供了一個全網統一的同步旋轉坐標軸，保證這些測出的功角是基于相同的坐標軸

功角測量原理功角測量需要測發電機電勢E與母線電壓Uj之間的相角差相對功角計算原理如果忽略暫態過程中電力系統不同節點之間頻率的微小差異，以上公式在穩態和暫態條件下均成立

相量測量裝置整體設計

GPS模塊

數據采集模塊

計算模塊通訊模塊

控制模塊

系統軟件程序

誤差和時延分析

裝置整體結構圖

測量裝置外觀

GPS接收板結構圖

GPS模塊GPS信號板和天線的實物圖GPS同步時鐘信號板原理圖

GPS的1PPS和10KHz信號數據采集模塊采集卡特點標準32位PCI總線

12位的數據精度

高速ADS774芯片

三種觸發模式

數字輸入、輸出通道同步采樣流程注冊板卡初始化板卡置控制電平為低設置采樣模式置控制電平為高進入循環采樣同步采樣的時序圖計算原理

通訊模塊

服務器/工作站結構，避免了分布式結構中多次通信引起的延時；

采用多網絡設計，數據采集、緊急控制命令、分析計算數據共享分別占用不同的通信網絡，避免了網絡阻塞引起的延時。

控制模塊

裝置軟件A/D采集卡程序負責完成電壓電流的采樣，并將采樣的數值折算到實際系統的對應值。

計算程序負責完成電壓電流相量、有功、無功、發電機功角的計算工作。

GPS時鐘處理程序負責發送和接收GPS報文，提取GPS時間，作為系統定時標記；并以這個標記來標識每一批采樣獲得的數據。

上傳通訊程序是負責將帶有時間標簽的數據發送到上位機。

誤差和時延分析