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1.引言
同步相量技术由于克服了传统EMS/SCADA在数据实时性和同步性方面的缺陷，被认为是现代电力工业最重要的技术之一。在通信技术迅猛发展的推动下，同步相量技术不断改革传统的电力系统测量、分析和控制方法，在电力系统得到越来越广泛的应用，促进了电网广域测量/监测系统（WAMS）的形成和发展，并为进一步实现广域稳定控制奠定了坚实的基础。
传统的电力系统监测技术包括基于RTU的SCADA系统和故障录波仪,它们都有不同程度的局限性。WAMS可以在时空多维坐标下观察系统全局的机电动态全貌，弥补了现有SCADA系统和故障录波系统不足。是解决当前瞩目的热点问题的有效途径。
2.WAMS的基本原理
WAMS的基本原理可用图2-1来说明。在发电厂和变电站安装相量测量单元（PMU），它对母线电压和线路电流进行三相交流采样，采用相量算法计算正负零序相量、频率和功率，对于发电厂还得到机组的内电势相量，然后由GPS接收器提供的高精度时钟信号将测量结果打上时标，继而遵循共同的接口协议（如IEEE 1344标准）将带时标的相量数据打包并通过高速通信网络传送到数据中心，数据中心对各子站的相量进行同步处理和存储，并可计算系统惯性中心角度和各机组、母线的相对相角，进一步由相应的应用程序，对相量数据执行实时评估以动态监视电网的安全稳定性，或进行离线分析为系统的优化运行提供依据，进一步与控制结合起来，提高电网的安全稳定水平和传输能力。
WAMS的关键之处在于可以在时空坐标下观察系统全局的机电动态全貌，弥补了现有SCADA系统和故障录波系统不足，为现代大型电力系统的安全稳定监测与控制提供了新的有效途径，进而为解决我国电力系统当前瞩目的热点问题，如西电东输、交直流联网的稳定性、互联电网阻尼降低问题，找到新的突破口。
图2-1 WAMS的原理示意图
3.WAMS的体系结构
WAMS由PMU子站、调度中心站（主站）和国家电力数据通信网组成。
1.PMU子站：包括GPS、测量、监控和通信四个主要功能模块。GPS模块接收GPS授时信号，为测量和监控模块提供高精度时间信息；测量模块采集和处理模拟量和开关量信号，生成带时标的同步相量数据；监控模块对PMU子站各功能模块进行监视和管理；就地计算机提供交互式人机界面，便于运行和调试时修改有关配置参数；PMU子站经通信模块接入数据网，与主站进行通信。
2 主站：主站设在省调度中心，由一台通信前置机和一台服务器构成，它们通过CISCO 4003交换机扩展板与电力数据通信网相连；在调度台和运方办公室各设置一台应用工作站，前者主要用于系统动态安全的实时监控，后者实现在线和离线分析和管理功能。
3 国家电力数据通信网：WAMS的各PMU子站和主站通过电力数据网络互联。电力数据网络采用“ATM over 光纤”技术，骨干网带宽622Mb/s，接入带宽2Mb/s，并且支持端到端的虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN），能将各种IP业务在数据链路层进行有效隔离。
4.WAMS的系统功能
4.1PMU子站功能
(1)同步相量测量：对母线电压、电流等模拟量进行交流采样，采用改进的循环DFT算法计算对应的正负零序相量，进而计算频率（偏差）和功率等；采集数字量信号；安装在发电厂的PMU还提供两种内电势相量测量方法：其一是配置专门的内电势采集硬件装置，通过比较反映机组转子位置的脉冲信号和端电压相位的方法来测量内电势相量；其二是利用机端电压/电流值和机组参数，根据发电机数学模型推算出内电势相量。针对具体情况，可以选用其一或结合起来应用。
(2)扰动录波与重演：PMU具有记录瞬时采样数据的暂态录波和记录相量数据实时循环记录功能，支持自动和手动两种启动方式。自动录波功能启动后主动向中心站发送录波告警信息，并在录波完成后接受中心站召唤上传录波数据。
(3)数据通信：PMU子站的通信功能在《技术规范》要求的基础上有所扩展。除了能向中心站传送3类帧信息，即相量数据帧、头帧和配置帧外，还可以采用FTP方式上传录波数据。同时，能接受中心站下传的数据和命令。PMU通过以太网适配器接入电力数据网络，与其他PMU子站和中心站构成VPN；同时还提供联接站内其他数字系统的RS232（可转换为422/485）通信接口，按照IEC870-5/103规约交换信息。
(4)监视与管理：PMU子站具有在线自动检测功能，当装置中的任一部件工作异常时，能发出报警信号。提供状态监视界面，实时监控PMU的工作状况。具备相角监视功能，实时计算本地相角（或机组功角）与中心站下传的参考相角或惯性中心相角的相对值，显示矢量图，监视机组/线路的稳定储备裕度，并预测变化趋势，必要时进行报警。
(5)稳定分析与控制接口：安装在发电厂的PMU具备针对本厂的功角稳定分析与预测功能，通过P-Q图方式监视机组的安全稳定运行区域和进相深度，必要时进行报警。变电站的PMU能实时监视线路的功率稳定裕度和振荡特性。
4.2 中心站功能
WAMS中心站的功能包括“数据中心”、“实时监视与分析”、“离线分析”和“稳定控制”四大子系统；
(1)数据中心：由通信模块、实时数据库、数据中心管理模块、历史数据库及其管理系统以及Web服务器构成。通信模块负责WAMS系统中心站与各子站以及其他数字系统的数据通信；实时数据库在内存中以时间为断面保存数秒内（时间长度可定制）的实时相量数据；数据中心管理模块对数据中心的数据和程序进行综合管理、配置以及人机交互；历史数据库及其管理模块用以存放非实时数据和各种配置信息，并对其进行管理；Web服务器提供WAMS信息的Web方式发布和管理。
(2)调度工作站： 调度工作站设置在省调度室，主要完成WAMS的实时监测和分析功能，供调度员及时掌握时空坐标下的电网动态运行特性，弥补现有EMS/SCADA系统只能提供准动态监视的不足。主要包括系统图形界面、综合相量监视、稳定分析与预测等功能。
(3)分析工作站：分析工作站设置在运行方式处，主要完成WAMS的离线和事后分析工作，为系统运行方式的制定和校核提供依据。主要完成以下功能
1）读取历史数据库内保存的录波数据，借助多种图形手段，重现扰动过程，对曲线进行放大、缩小、裁减和对比运算，形成扰动报告。
2）将子站的暂态录波数据召唤到主站，并进行回放和分析。
3）利用频域分析工具，分析联络线功率、相对相角等的幅频特性，进而可以得到系统的主要振荡模式；从而对系统的阻尼控制器的设计提供建议。
4）包括谐波分析功能、负荷特性与机组参数的辨识等，将在二期及后续工程中开发。
5.结束语
同步相量技术将最新的测量、通信和信息处理技术结合起来，为现代电力系统的在线监测与稳定控制带来了新的手段，经过十多年的理论与应用研究，迄今为止，其关键的测量技术已基本解决，应用理论体系正逐步完善，初步的工程应用已经显示出其强大的活力。
同步相量技术由于克服了传统EMS/SCADA在数据实时性和同步性方面的缺陷，被认为是现代电力工业最重要的技术之一。在通信技术迅猛发展的推动下，同步相量技术不断改革传统的电力系统测量、分析和控制方法，在电力系统得到越来越广泛的应用，促进了电网广域测量/监测系统（WAMS）的形成和发展，并为进一步实现广域稳定控制奠定了坚实的基础。
传统的电力系统监测技术包括基于RTU的SCADA系统和故障录波仪,它们都有不同程度的局限性。WAMS可以在时空多维坐标下观察系统全局的机电动态全貌，弥补了现有SCADA系统和故障录波系统不足。是解决当前瞩目的热点问题的有效途径。
2.WAMS的基本原理
WAMS的基本原理可用图2-1来说明。在发电厂和变电站安装相量测量单元（PMU），它对母线电压和线路电流进行三相交流采样，采用相量算法计算正负零序相量、频率和功率，对于发电厂还得到机组的内电势相量，然后由GPS接收器提供的高精度时钟信号将测量结果打上时标，继而遵循共同的接口协议（如IEEE 1344标准）将带时标的相量数据打包并通过高速通信网络传送到数据中心，数据中心对各子站的相量进行同步处理和存储，并可计算系统惯性中心角度和各机组、母线的相对相角，进一步由相应的应用程序，对相量数据执行实时评估以动态监视电网的安全稳定性，或进行离线分析为系统的优化运行提供依据，进一步与控制结合起来，提高电网的安全稳定水平和传输能力。
WAMS的关键之处在于可以在时空坐标下观察系统全局的机电动态全貌，弥补了现有SCADA系统和故障录波系统不足，为现代大型电力系统的安全稳定监测与控制提供了新的有效途径，进而为解决我国电力系统当前瞩目的热点问题，如西电东输、交直流联网的稳定性、互联电网阻尼降低问题，找到新的突破口。
图2-1 WAMS的原理示意图
3.WAMS的体系结构
WAMS由PMU子站、调度中心站（主站）和国家电力数据通信网组成。
1.PMU子站：包括GPS、测量、监控和通信四个主要功能模块。GPS模块接收GPS授时信号，为测量和监控模块提供高精度时间信息；测量模块采集和处理模拟量和开关量信号，生成带时标的同步相量数据；监控模块对PMU子站各功能模块进行监视和管理；就地计算机提供交互式人机界面，便于运行和调试时修改有关配置参数；PMU子站经通信模块接入数据网，与主站进行通信。
2 主站：主站设在省调度中心，由一台通信前置机和一台服务器构成，它们通过CISCO 4003交换机扩展板与电力数据通信网相连；在调度台和运方办公室各设置一台应用工作站，前者主要用于系统动态安全的实时监控，后者实现在线和离线分析和管理功能。
3 国家电力数据通信网：WAMS的各PMU子站和主站通过电力数据网络互联。电力数据网络采用“ATM over 光纤”技术，骨干网带宽622Mb/s，接入带宽2Mb/s，并且支持端到端的虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN），能将各种IP业务在数据链路层进行有效隔离。
4.WAMS的系统功能
4.1PMU子站功能
(1)同步相量测量：对母线电压、电流等模拟量进行交流采样，采用改进的循环DFT算法计算对应的正负零序相量，进而计算频率（偏差）和功率等；采集数字量信号；安装在发电厂的PMU还提供两种内电势相量测量方法：其一是配置专门的内电势采集硬件装置，通过比较反映机组转子位置的脉冲信号和端电压相位的方法来测量内电势相量；其二是利用机端电压/电流值和机组参数，根据发电机数学模型推算出内电势相量。针对具体情况，可以选用其一或结合起来应用。
(2)扰动录波与重演：PMU具有记录瞬时采样数据的暂态录波和记录相量数据实时循环记录功能，支持自动和手动两种启动方式。自动录波功能启动后主动向中心站发送录波告警信息，并在录波完成后接受中心站召唤上传录波数据。
(3)数据通信：PMU子站的通信功能在《技术规范》要求的基础上有所扩展。除了能向中心站传送3类帧信息，即相量数据帧、头帧和配置帧外，还可以采用FTP方式上传录波数据。同时，能接受中心站下传的数据和命令。PMU通过以太网适配器接入电力数据网络，与其他PMU子站和中心站构成VPN；同时还提供联接站内其他数字系统的RS232（可转换为422/485）通信接口，按照IEC870-5/103规约交换信息。
(4)监视与管理：PMU子站具有在线自动检测功能，当装置中的任一部件工作异常时，能发出报警信号。提供状态监视界面，实时监控PMU的工作状况。具备相角监视功能，实时计算本地相角（或机组功角）与中心站下传的参考相角或惯性中心相角的相对值，显示矢量图，监视机组/线路的稳定储备裕度，并预测变化趋势，必要时进行报警。
(5)稳定分析与控制接口：安装在发电厂的PMU具备针对本厂的功角稳定分析与预测功能，通过P-Q图方式监视机组的安全稳定运行区域和进相深度，必要时进行报警。变电站的PMU能实时监视线路的功率稳定裕度和振荡特性。
4.2 中心站功能
WAMS中心站的功能包括“数据中心”、“实时监视与分析”、“离线分析”和“稳定控制”四大子系统；
(1)数据中心：由通信模块、实时数据库、数据中心管理模块、历史数据库及其管理系统以及Web服务器构成。通信模块负责WAMS系统中心站与各子站以及其他数字系统的数据通信；实时数据库在内存中以时间为断面保存数秒内（时间长度可定制）的实时相量数据；数据中心管理模块对数据中心的数据和程序进行综合管理、配置以及人机交互；历史数据库及其管理模块用以存放非实时数据和各种配置信息，并对其进行管理；Web服务器提供WAMS信息的Web方式发布和管理。
(2)调度工作站： 调度工作站设置在省调度室，主要完成WAMS的实时监测和分析功能，供调度员及时掌握时空坐标下的电网动态运行特性，弥补现有EMS/SCADA系统只能提供准动态监视的不足。主要包括系统图形界面、综合相量监视、稳定分析与预测等功能。
(3)分析工作站：分析工作站设置在运行方式处，主要完成WAMS的离线和事后分析工作，为系统运行方式的制定和校核提供依据。主要完成以下功能
1）读取历史数据库内保存的录波数据，借助多种图形手段，重现扰动过程，对曲线进行放大、缩小、裁减和对比运算，形成扰动报告。
2）将子站的暂态录波数据召唤到主站，并进行回放和分析。
3）利用频域分析工具，分析联络线功率、相对相角等的幅频特性，进而可以得到系统的主要振荡模式；从而对系统的阻尼控制器的设计提供建议。
4）包括谐波分析功能、负荷特性与机组参数的辨识等，将在二期及后续工程中开发。
5.结束语
同步相量技术将最新的测量、通信和信息处理技术结合起来，为现代电力系统的在线监测与稳定控制带来了新的手段，经过十多年的理论与应用研究，迄今为止，其关键的测量技术已基本解决，应用理论体系正逐步完善，初步的工程应用已经显示出其强大的活力。