相量测量单元 (PMU)

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智能电网是电力系统的先进版本，它利用现代技术提供可靠、高效和可持续的电力输送系统。相量测量单元 (PMU) 是电网改造的关键组成部分，它提供实时监控和远程控制设施。

阅读本章，可以清楚地了解相量测量单元 (PMU) 及其工作原理。

什么是相量测量单元？

相量测量单元 (PMU) 是一种用于智能电网系统的设备，它收集和区分来自电压和电流传感器的电力系统信号，并将它们转换为相量。换句话说，PMU 是一种先进的监控设备，可以测量和描述电力系统的每一个峰值和低谷。它使用GPS信号同步相量的测量，并提供准确的实时数据。这就是为什么PMU也被称为同步相量。

根据电气和电子工程师协会 (IEEE) 的定义，相量测量单元是一种可以从电力系统中的电压和电流信号估算同步相量、频率和频率变化率的设备。

在智能电网系统中，相量测量单元是广域监测系统 (WAMS) 的基本组成部分。

在智能电网中，PMU类似于ICU中提供患者时间心跳的的心率监测屏幕。众所周知，SCADA系统能够提供电网的“X光片”，但PMU比SCADA更先进，可以提供有关系统压力、系统扰动等信息。简单来说，PMU提供了电力系统的广域快照。

理解相量和同步相量

相量和同步相量是与相量测量单元相关的两个关键术语，如下所述：

• 相量 - 相量是任何波形的数学表示。在电力系统中，相量用于确定波形表示中的任何差异或电力质量问题。
• 同步相量 - 同时进行的相量测量称为同步相量。

相量测量单元的组成部分

相量测量单元的框图表示如下所示：

相量测量单元由各种组件组成，这些组件协同工作，提供电力系统中相量的精确和时间同步测量。所有这些组件将在下面详细解释：

1. 模拟输入单元

PMU的模拟输入单元充当PMU内部电路和电网之间的接口。PMU的这个组件从电流和电压变压器的二次绕组收集电流和电压信号，并执行信号调理以将这些信号转换为所需的格式。此过程包括放大、滤波等。

2. 抗混叠滤波器

抗混叠滤波器是PMU的另一个主要组件，它可以防止信号数字化过程中的混叠效应和信号失真。它在信号数字化之前对模拟信号进行带限处理，以避免混叠。

抗混叠滤波器只是一个低通滤波器，它去除高于采样率一半的高频分量以防止混叠。它还确保所有模拟信号都具有相同的相移和衰减。

3. 模数转换器 (ADC)

PMU中提供ADC（模数转换器）来执行输入信号的数字化，即它将来自抗混叠滤波器的模拟信号转换为数字信号。通常，为此目的使用16位或更高位的ADC，以便可以捕获信号的精细细节。

4. GPS接收器

在相量测量单元中提供GPS接收器，用于精确测量的时间同步。它从GPS卫星接收时间信号，其时间精度优于1微秒。GPS接收器产生的输出信号充当不同PMU之间测量同步的参考时钟。

5. 锁相振荡器

相量测量单元的这个组件负责确保信号的数字化与GPS接收器提供的参考时钟同步。

PMU的这个组件对于为所有其他组件提供稳定和准确的时间参考非常重要。它还产生稳定的时钟，用于同步模数转换中的采样过程。

6. 相量微处理器

相量微处理器是一种数字设备，它处理数字数据以计算电信号的幅度、相角、频率、频率变化率等。

为此，相量微处理器利用算法和信号处理技术，如DFT（离散傅里叶变换）。

7. 调制解调器

它是一种通信设备，可在PMU和相量数据集中器之间建立快速通信。它将相量微处理器的输出传输到数据集中器，以便进一步处理和分析。

相量测量单元的工作原理

参考上述相量测量单元的框图表示。我们可以通过将其分解为以下步骤来了解其工作原理：

• 信号输入 - 首先，PMU分别使用电压和电流变压器从电网捕获输入电压和电流信号。
• 滤波 - 在下一步中，它对信号进行抗混叠滤波，以去除信号中的高频分量。
• 数字化 - 接下来，它使用高分辨率模数转换器将经过滤波的模拟信号转换为数字信号。
• 同步 - 在此步骤中，信号的数字化过程与从GPS接收器接收到的参考信号同步。
• 数据通信 - 在最后阶段，PMU处理的数据被传输到数据集中器。

这些要点简要解释了典型相量测量单元的操作。

相量测量单元的优点

在智能电网系统中使用相量测量单元具有以下优点：

• 相量测量单元能够实现电网的实时监控和远程控制。因此，它们在系统中实现了先进的保护方案，以提供稳定和弹性的电网。
• 相量测量单元提供有关电网状况的详细报告，使操作员能够更有效地了解系统的行为。
• PMU持续监控电网参数，如电压、电流、频率、相角等等。这有助于电网操作员实施预测性保护方案，并降低停电的风险。
• 大多数相量测量单元支持可调采样率，确保高分辨率数据捕获，这对于电网的动态分析非常重要。
• 通过提供精确的测量和电网性能的实时数据，PMU允许通过更好的控制和准确的决策来提高电网稳定性。
• 相量测量单元还通过提供实时和时间同步的数据来提高态势感知能力。这有助于电网操作员快速检测和响应故障。
• 众所周知，PMU是广域监测系统 (WAMS) 的重要组成部分。因此，它们提供了改进的电网可视化，并有助于在广阔的地理区域内进行更好的协调。

相量测量单元的应用

在智能电网系统中，相量测量单元用于以下目的：

• 监控广阔地理区域的电网
• 准确估计电网状态
• 快速识别和隔离故障，以最大限度地减少电网损害
• 电网状况的实时监控
• 精确测量电网参数并改进保护
• 更好地管理跨电网的电力流量等。

PMU实施中的挑战

在智能电网中实施相量测量单元 (PMU) 面临以下主要挑战：

• 确定电网中相量测量单元的最佳安装位置。
• PMU与现有SCADA系统和电网集成中的兼容性问题。
• PMU的工作依赖于通信，而通信可能会由于数据传输延迟而出现问题。
• PMU难以监测低频振荡。
• 波形失真降低了PMU预测的准确性。
• PMU需要进行大量计算才能进行数据处理和分析。
• 需要开发强大的工具进行深入的事后分析等。

结论

相量测量单元 (PMU) 是智能电网广域监控系统不可或缺的一部分。它们用于智能电网系统的事故后分析、电网稳定性监测、热过载监测、远程电力系统恢复、状态估计以及电网的实时监测和控制。

在智能电网中使用PMU可以提高稳定性、效率和可靠性。因此，相量测量单元或PMU是智能电网和现代电力系统的重要组成部分。