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1 第 2 章广域同步相量测量技术同步相量技术能够利用GPS 信息同步地采样模拟电压、电流信号，可以得到电压和电流信号的幅值和相角，被认为是电力系统未来最重要的测量技术同步相量技术的特性： （1）它能够提供时间同步的次秒级采样数据，典型的每秒10，25 或 60个采样值 可用于电力系统广域实时动态监测、稳定监测、稳定裕度监测，同时也可以提高状态估计，实施广域控制与保护等功能2) 传统的 SCADA 系统是基于稳态潮流分析，因此无法观测系统的动态特性 而同步相量技术通过采集次秒级的同步相量数据能够观测电力系统的动态行为3）同步相量数据可以使得局部母线测量信息用于电网的广域动态显示，因此可以实现分布式传感和协调控制 ； （4）同步相量测量可以直接提供次秒级的相角信息这些相角数据传统上是通过状态估计得到的，一般每5 分钟更新一次 （5）同步测量信息能够提高事故后扰动分析能力为了实现同步相量测量，IEC 制定了 IEC 1344 1995 规约，而后进行了修正，并在2005 年形成 IEC C37.118-2005规约，该规约对非额定频率的信号进行了详细的定义系统必须要能够接收具有高精度、可靠的时钟信号。

目前，世界上共有四大卫星定位系统：美国 GPS 、欧洲伽利略GALILEO 、俄罗斯的格洛纳斯GLONASS 和我国的北斗卫星导航系统美国的全球定位系统（GPS）使用 21+3 颗高度约2.02 万千米的卫星组成卫星导航系统每颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11 小时 58 分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为 55 度卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP） 这就提供了在时间上连续的全球导航能力欧洲“伽利略”系统与GPS 相比，有较大的不同 “伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案该系统总共发射30 颗卫星，其中 27 颗卫星为工作卫星， 3 颗为候补卫星 卫星高度为24126公里， 位于 3 个倾角为56 度的轨道平面内该系统除了30 颗中高度圆轨道卫星外，还有 2 个地面控制中心， 可以为公路、 铁路、 空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为1 米的定位导航服务伽利略”系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时“伽利略”系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。

与美国的 GPS 相比， “伽利略”系统更先进，也更可靠美国GPS 向別国提供的卫星信号，只能发现地面大约10 米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1 米长的目标格洛纳斯”是俄语中“全球卫星导航系统”的缩写该系统标准配置为24 颗卫星，而18 颗卫星就能保证该系统为俄罗斯境内用户提供全部服务美制GPS 从卫星反馈到地面的GPS 信号很弱，如果对方采取多种干扰，都会使地面GPS 接收机无法正常工作而“格洛纳斯”系统的卫星具有更强的抗干扰能力该系统卫星分为“格洛纳斯”和“格洛纳斯”两种类型，后者使用寿命更长，可达年研制中的“格洛纳斯”卫星的在轨工作时间可长达10 年至 12 年北斗卫星导航系统空间段由颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为米授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息美国的全球定位系统（GPS）是一个接收型的定位系统，只转播信号，用户接收就可以做定位了，不受容量的限制北斗一号” 是双向的， 既有定位又有通信的系统，但是有容量限制中国计划2008年满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，逐步扩展为全球卫星导航系统。

传统的电力系统SCADA 系统，为了满足采集信息的全局可用性，采样调度校对时钟的方法不断向监控站发送对时命令，以使全网信息采集系统的时钟一致由于精度不够，因此计算出的相角信息无法做到实际监测和控制应用将同步相量测量技术应用到电力系统，为电力系统真正实现实时安全监控提供了必要的基础2 2.1同步向量技术2.1.1向量相量是用于表示正弦信号的具有幅值和相角的量设正弦信号表示为( )cos()mx tXt（21）其中，mX为正弦波形的幅值，为正弦信号的瞬时频率，为初始相角信号( )x t的相量表示为2jmXeX =（22）V0tV图 21. 相量表示对一个简单的RL 电路，其方程为( )cos()( )di tVtRi tLdt其解( )cos()i tIt，我们可以用指数形式复数表示电压和电流为jVVe，jIIe则相量方程为()jjVeRjL Ie电流相量解()jjIeVeRjL由上可知，相量有一下特点：相量表示的是正弦波形相量幅值与正弦波形的最大值相等，相角为时间0t时刻波形的相角；相量只表示单一频率分量；在相量解中已经没有时间变量，所有参数都为常数；在稳态研究中，用相量表示再理论上没有必要定义时间参考点；在电力系统中，相量技术可用于任何参数恒定、频率单一的问题研究。

如潮流计算和短路计算程序等 从理论上讲，我们只能应用相量技术研究稳态条件下的电力系统3 2.1.2同步向量定义同步相量在IEEE1344 1995 协议中给出了定义该定义只是考虑额定频率信号的相量，并没有考虑非额定频率的情况在修正的IEC C37.118-2005 协议，对于非额定频率进行了详细的描述对于信号( )x t的相量X(cossin)22jmmXXejriX = X + jX（23）其中，/2mX为信号的有效值；为信号在额定频率下的瞬时相角，信号的额定频率与UTC 同步正弦信号的相量表示与它的频率无关，因此，对于非额定频率信号的相量表示是相同的考虑以 时 间 间 隔 为 进 行 观 测 信 号00000, 2, 3,TTTnT， 可 以 获 得 对 应 的 信 号 相 量 表 示 为012X ,X ,X ,如果观测间隔0T与信号的周期相等1/Tf，或为信号周期的整数倍，则在每个观测点得到的为一恒定的相量对于非额定频率的信号来讲，0TnT，0,1,2,n，观测的相量有相同的幅值，但相量012X ,X ,X ,的相角将以速率002 ()ffT（001/fT）进行变化，如图32所示。

图 22 观测周期T 的正弦信号当信号的最大值发生在UTC 的 second rollover 时，相角定义为0；当信号穿越变正零点发生在 UTC 秒脉冲翻转时，相角定义为90，如图 23图 23 同步相量的表示惯例同步相量测量数据采用UTC 时间作为相应测量时刻的时间标志时标由三部分组成：世纪秒4 （SOC）计数、分数秒（fraction-of-second ）计数和时间状态值SOC 是一个 4 字节的二进制秒计数，起始于 1970 年 1 月 1 日午夜 00：00；为了保持与UTC 同步， 需加入或去掉闰秒（ leap second）进行协调同步相量测量同步UTC 时间的精度必须满足于IEC C37.118 标准 对于 50HZ 的正弦信号， 1s的时间误差对应着0.018相角误差；对于60Hz 的正弦信号， 1s的时间误差对应着0.022的相角误差 0.01 弧度或0.57的相角误差本身会导致1的 TVE（Total Vector Error） 对于 50HZ 的系统，这相当于31 s最大时间误差；对于60HZ 的系统，这相当于26s最大时间误差注：由于地球轨道并非圆形，其运行速度又随着地球与太阳的距离改变而出现变化，因此视太阳时欠缺均匀性。

视太阳日的长度同时亦受到地球自转轴相对轨道面的倾斜度所影响为着要纠正上述的不均匀性，天文学家计算地球非圆形轨迹与极轴倾斜对视太阳时的效应平太阳时就是指经修订后的视太阳时在格林尼治子午线上的平太阳时称为世界时(UT0) ，又叫格林尼治平时(GMT)UT1 与 UT2 是两种较 UT0 均匀的时标 随着较为精确的时钟面世，天文学家发现在不同地点量度的世界时出现差别这种差别是由于地轴摆动而引起的各地天文台详细测量了地轴摆动的影响后，制定了一种称为 UT1 的新时标将这种影响删除在时钟的精确度进一步改进后，又发现 UT1 具有周期性变化这种变化是由地球自转率的季节性变动引起的上述影响经修正后，得到一种更加均匀的时标称为 UT2一种称为协调世界时的折衷时标于1972 年面世为了确保协调世界时与世界时(UT1) 相差不会超过 0.9 秒，有需要时便会在协调世界时内加上正或负闰秒因此协调世界时与国际原子时(TAI)之间会出现若干整数秒的差别位于巴黎的国际地球自转事务中央局(IERS) 负责决定何时加入闰秒国际原子时 (TAI) ： 1967 年的第13 届国际度量衡会议上通过了一项决议，采纳以下定义代替秒的天文定义：一秒为铯-133 原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周所持续的时间。

国际原子时是根据以上秒的定义的一种国际参照时标，属国际单位制(SI) 国际原子时标是一种连续性时标，由1958 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒起，以日、时、分、秒计算原子时标的准确度为每日数纳秒，而世界时的准确度则只为数毫秒2.2同步测量数据采样系统相量测量单元是同步相量数据采集的核心元件，其原理框图如24 所示滤波器A/D锁相电路GPS接收器相量处理MODEM模拟量输入图 24 PMU 原理框图下面介绍几种常用的信号采样系统：1 定时间间隔的信号采样传统上，数字故障录波器一般以固定时间间隔进行采集信号数据（如，采样速率sf为每秒 10005 采样点）采样脉冲或是由内部时钟或是由外部时钟进行同步内部时钟一般是从数字采集装置的时钟源获得， 如图 25；而外部时钟通常接收GPS 的时钟信号作为绝对时钟参考信号，如图 26V，I信号滤波器A/D故障录波 /谐波分析采样间隔局部时钟sf图 25 局部时钟的定时间间隔的采样系统图 25 采样系统的优点是采样数据保留了电力系统的频率信息通过这些采样数据可以分析电力系统在扰动期间的频率的变化及频偏，但该采样系统不适合同步相量测量V，I信号滤波器A/D同步相量 /故障录波 /谐波分析时间同步GPSsf图 26 利用 GPS 的定时间间隔的同步相量采样系统图 26 数据采样系统的优点是能够进行计算同步相量。

2 倍频采样与具有自适应滤波器的定时间间隔的信号采样方法当电力系统在非额定频率运行时，采用倍频采样技术能够减小相量计算误差图27 为一个倍频数据采集系统，它可作为于数字继电保护的数据采集系统V,I 信号LPFA/DDBPF数据处理系统频率估计倍频syssfkfsysfsf图 27 倍频数据采样系统数据采集系统通过计算系统的运行频率sysf，然后，利用估计的sysf频率信息获得倍频sf作为信号采集系统的采样频率文献 1 提出了一种频率sysf估计的方法， 还有一些其它的频率估计算法见文献 2LPF 为硬件低通滤波器，DBPF 为数字带通滤波器6 倍频数据采集方法的优点是减少了相量计算中的误差，采样系统的残留误差只取决于频率估计器的误差（一般低于0.01） ；其缺点是计算相量不是参考绝对时间的同步测量相量图 28 是一个具有自适应滤波器的定时间间隔的信号采样系统该系统适合用于故障滤波器以及谐波分析等V,I 信号LPFA/D自适应DBPF数据处理系统频率估计采样间隔局部时钟录波器 /谐波分析sysfsf图 28 具有自适应滤波器的定时间间隔的信号采样数据采集系统估计出系统频率sysf，然后，利用该频率信息修正数字带通滤波器的滤波系数，该带通滤波器称为“自适应带通滤波器”。

该方法具有吸引力的是，由于不需要固定的采样频率，它减小了相量计算的误差，且相量幅值测量具有较大的频率范围缺点是不能够为电力系统中多个数据采集设备一个公共的参考时间，因此不适用于同步。