现代电力系统结构日趋复杂,并且大机组、大电网、超高压远距离交直流混合输电、广泛应用新技术和市场化运营机制已经成为其主要特征。这些特征都表明现代电网的安全性存在新的挑战,电网的稳定监控将越来越重要。母线电压相量是反映系统稳定性的最主要的状态量,电压相量的实时测量可以为安全调度、稳定控制等提供有力依据。因此实时测量母线电压相量,将是电力系统稳定监视和控制的关键的基础性问题。本文的研究工作正是在这样的背景下展开的。论文首先介绍了基于GPS的同步相量测量的研究意义、国内外的研究进展情况以及PMU 在电力系统中的应用前景。接着,介绍了同步相量测量的信号过零检测法、定频采样和变频采样的离散傅立叶法(DFT)。进而,分析了信号过零检测法测量中存在的误差及改进方法和变频采样的软硬件实现方法以及测量误差。为了提高测量精度,还研究了双采样速率方法。由DFT 法自然引入计算量小的递推傅立叶算法,通过变换得到了一种改进型的递推离散傅立叶算法,基于该方法推导出了一种频率测量算法。论文详细分析了同步相量测量误差并给出了改进措施,包括衰减直流分量、频率偏移带来误差和时间同步与频率同步矛盾问题。研究了电力系统暂态过程对同步相量测量的影响。分析了电压互感器的特性对母线电压同步相量测量的影响。以三相金属性短路、单相接地短路和两相金属性短路为例对短路过程中母线电压的变化过程进行了仿真,阐明了短路故障时母线电压幅值和相位都有可能突变的结论。论文还介绍了一种识别相位突变的有效方法,并给出了一种相位突变时的相量测量方法。最后在上述理论研究基础上,设计了基于ARM 技术的高性能PMU 方案,该方案采用以太网作为数据交换手段。论文对所设计的同步相量测量单元软硬件实现作了详细阐述。