同步相量测量装置的发展（《能源专家》杂志第5期 — 2011年）
《能源专家》杂志第5期 - 2011年
作者：
- S.G. 波波夫，JSC “电力研究中心” “数字化变电站”试验场主任，技术科学副博士
- M.A. 巴拉宾，JSC “电力研究中心”分公司 – 西伯利亚电力科学研究所新技术处处长
- V.G. 纳罗夫良斯基，JSC “电网设计” 处长，技术科学博士
- A.B. 瓦加诺夫，JSC “电网设计” 高级研究员，物理数学副博士
- S.A. 佩列古多夫，JSC “联合技术中心’连续体'” 总经理
- A.S. 基里洛夫，JSC “联合技术中心’连续体'” 部门主任
- A.A. 库兹明，JSC “联合技术中心’连续体'” 项目经理
目前，基于同步相量测量的系统正处于积极发展阶段，国际上称为WAMS、WAMPAC，在俄罗斯国内称为SMPR（监控与管理系统）、主动自适应网络（AAN）。对此类系统兴趣的增长源于相关系统建设法规框架的变化——IEEE C37.118.1、IEEE C37.118.2、IEC 61850-90-5等标准。据这些标准的制定者称，新版本标准已纳入自IEEE C37.118第一版发布以来积累的全部国际经验。数字化变电站和主动自适应网络技术的积极发展，进一步推动了对此主题兴趣的增长。
系统作为一个整体的特性很大程度上取决于其底层设备（执行机构和测量仪器）的功能。在WAMPAC系统中，同步相量测量单元（国际上称为PMU）作为测量仪器。
需要注意的是，目前国内外市场上提供的同步相量测量单元尚无法解决新标准提出的一项关键任务——暂态过程测量。此外，现代化的同步相量测量单元应能集成到”数字化变电站”环境中，包括支持接收IEC 61850-9-2格式的数据。目前市场上尚无专门为数字化变电站设计的同步相量测量单元。
上述原因促使俄罗斯电网股份公司（JSC “FGC UES”）启动了新一代同步相量测量装置的研发工作。该项目联合了俄罗斯最大的科学中心：JSC “电力研究中心” 和 JSC “电网设计研究院”。此项工作的主要科学部分是计量算法的开发。这些算法在硬件和软件代码中的实现任务被委托给了 JSC “联合技术中心’连续体'”。
新一代同步相量测量单元与现有产品有何不同？
首先，在于其对新的IEEE C37.118系列标准要求的实现。与2005年批准的旧版本标准不同，新版本（预计明年通过）将不仅规范电力系统稳态下的测量精度，还规范暂态下的测量精度。此项功能的标准化将为基于同步相量测量单元测量数据实现的控制系统和紧急自动化系统的部署提供强大动力。
其次，在于其对数字化变电站协议的支持，特别是集成到过程总线（process bus）的能力。基于这一需求，同步相量测量单元实现了对IEC 61850-9-2协议（用于接收来自数字化互感器或现场转换器等设备的瞬时电流和电压切片流）和IEC 61850-8-1协议（用于设备配置以及发布测量结果和自诊断信息）的支持。
IEC 61850-9-2协议的特点是信息容量大（每秒12,800个瞬时值采样点），而IEC 61850-8-1协议的特点是根据ASN.1 BER规则对帧进行编码/解码的复杂性。因此，新一代同步相量测量单元必须在其通信子系统和计算核心方面具备卓越的性能。
值得注意的是，计量算法的开发过程具有很高的科学密集性，这与IEC 61850-9-2格式传输瞬时电流和电压样本的特性（固定的时间和幅度采样率）有关。这一特性尤其排除了使用锁相环（PLL）等成熟计量机制的可能性。同时，新版本的IEEE C37.118标准对测量精度和速度提出了更严格的要求，并规范了暂态过程中的测量。 新一代同步相量测量单元的硬件和软件部分在开发时考虑了电力自动化系统发展的最新趋势。具体而言，它提供了电源冗余（允许同时使用交流和直流电源）以及以太网通信接口冗余。该设备采用模块化设计，确保了设备配置的灵活性（可配备额外的数字输入/输出模块、各种规格的模拟输入模块）。尽管同步相量测量单元可以从过程总线运行，但它也确保了与传统电流和电压互感器配合工作的能力（提供1A和5A电流以及57.7V和100V电压的模拟输入接口）。设备中的模拟输入接口允许将其集成到配备传统电流和电压互感器的变电站中。基于设备对高计算性能的需求，为其开发了具有专用通信和计算模块的独特多处理器平台。系统组件之间的交互通过使用吞吐量高达3.2 Gbps的高速并行数据总线实现。
人机界面也得到了高度重视——该设备配备了一个触摸式彩色显示屏和一个内置的WEB服务器。 设备运行的另一个重要方面是其可靠性，这在很大程度上由其嵌入式软件决定。因此，在开发同步相量测量单元时，特别关注了设备性能（结果输出延迟受到新版IEEE C37.118标准的严格规范）。只有使用硬实时操作系统才能满足法规要求。使用此类操作系统的另一个好处是提高了设备的信息安全性——在该平台上无法启动第三方软件或运行任何恶意软件。除了执行其主要功能（以IEEE C37.118协议格式测量和传输同步相量测量数据）外，该设备还：
- 配备了通过IEC 61850-8-1、IEC 60870-5-104、FTP、HTTP、TELNET、SNMP等协议将其集成到信息系统中的工具；
- 计算额外的电气参数（除IEEE C37.118规定的电流/电压相量、频率和频率变化率外）——在每个额定电网频率周期内，分相以及三相总和的有功功率、无功功率、视在功率和功率因数，电流和电压的有效值。