相量測量單元 (PMU)

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智慧電網是電力系統的先進版本，它利用現代技術提供可靠、高效和可持續的電力輸送系統。相量測量單元 (PMU) 是電網改造的關鍵組成部分，它提供即時監控和遠端控制設施。

閱讀本章，可以清楚地瞭解相量測量單元 (PMU) 及其工作原理。

什麼是相量測量單元？

相量測量單元 (PMU) 是一種用於智慧電網系統的裝置，它收集和區分來自電壓和電流感測器的電力系統訊號，並將它們轉換為相量。換句話說，PMU 是一種先進的監控裝置，可以測量和描述電力系統的每一個峰值和低谷。它使用GPS訊號同步相量的測量，並提供準確的即時資料。這就是為什麼PMU也被稱為同步相量。

根據電氣和電子工程師協會 (IEEE) 的定義，相量測量單元是一種可以從電力系統中的電壓和電流訊號估算同步相量、頻率和頻率變化率的裝置。

在智慧電網系統中，相量測量單元是廣域監測系統 (WAMS) 的基本組成部分。

在智慧電網中，PMU類似於ICU中提供患者時間心跳的的心率監測螢幕。眾所周知，SCADA系統能夠提供電網的“X光片”，但PMU比SCADA更先進，可以提供有關係統壓力、系統擾動等資訊。簡單來說，PMU提供了電力系統的廣域快照。

理解相量和同步相量

相量和同步相量是與相量測量單元相關的兩個關鍵術語，如下所述：

• 相量 - 相量是任何波形的數學表示。在電力系統中，相量用於確定波形表示中的任何差異或電力質量問題。
• 同步相量 - 同時進行的相量測量稱為同步相量。

相量測量單元的組成部分

相量測量單元的框圖表示如下所示：

相量測量單元由各種元件組成，這些元件協同工作，提供電力系統中相量的精確和時間同步測量。所有這些元件將在下面詳細解釋：

1. 模擬輸入單元

PMU的模擬輸入單元充當PMU內部電路和電網之間的介面。PMU的這個元件從電流和電壓變壓器的二次繞組收集電流和電壓訊號，並執行訊號調理以將這些訊號轉換為所需的格式。此過程包括放大、濾波等。

2. 抗混疊濾波器

抗混疊濾波器是PMU的另一個主要元件，它可以防止訊號數字化過程中的混疊效應和訊號失真。它在訊號數字化之前對模擬訊號進行帶限處理，以避免混疊。

抗混疊濾波器只是一個低通濾波器，它去除高於取樣率一半的高頻分量以防止混疊。它還確保所有模擬訊號都具有相同的相移和衰減。

3. 模數轉換器 (ADC)

PMU中提供ADC（模數轉換器）來執行輸入訊號的數字化，即它將來自抗混疊濾波器的模擬訊號轉換為數字訊號。通常，為此目的使用16位或更高位的ADC，以便可以捕獲訊號的精細細節。

4. GPS接收器

在相量測量單元中提供GPS接收器，用於精確測量的時間同步。它從GPS衛星接收時間訊號，其時間精度優於1微秒。GPS接收器產生的輸出訊號充當不同PMU之間測量同步的參考時鐘。

5. 鎖相振盪器

相量測量單元的這個元件負責確保訊號的數字化與GPS接收器提供的參考時鐘同步。

PMU的這個元件對於為所有其他元件提供穩定和準確的時間參考非常重要。它還產生穩定的時鐘，用於同步模數轉換中的取樣過程。

6. 相量微處理器

相量微處理器是一種數字裝置，它處理數字資料以計算電訊號的幅度、相角、頻率、頻率變化率等。

為此，相量微處理器利用演算法和訊號處理技術，如DFT（離散傅立葉變換）。

7. 調變解調器

它是一種通訊裝置，可在PMU和相量資料集中器之間建立快速通訊。它將相量微處理器的輸出傳輸到資料集中器，以便進一步處理和分析。

相量測量單元的工作原理

參考上述相量測量單元的框圖表示。我們可以透過將其分解為以下步驟來了解其工作原理：

• 訊號輸入 - 首先，PMU分別使用電壓和電流變壓器從電網捕獲輸入電壓和電流訊號。
• 濾波 - 在下一步中，它對訊號進行抗混疊濾波，以去除訊號中的高頻分量。
• 數字化 - 接下來，它使用高解析度模數轉換器將經過濾波的模擬訊號轉換為數字訊號。
• 同步 - 在此步驟中，訊號的數字化過程與從GPS接收器接收到的參考訊號同步。
• 資料通訊 - 在最後階段，PMU處理的資料被傳輸到資料集中器。

這些要點簡要解釋了典型相量測量單元的操作。

相量測量單元的優點

在智慧電網系統中使用相量測量單元具有以下優點：

• 相量測量單元能夠實現電網的即時監控和遠端控制。因此，它們在系統中實現了先進的保護方案，以提供穩定和彈性的電網。
• 相量測量單元提供有關電網狀況的詳細報告，使操作員能夠更有效地瞭解系統的行為。
• PMU持續監控電網引數，如電壓、電流、頻率、相角等等。這有助於電網操作員實施預測性保護方案，並降低停電的風險。
• 大多數相量測量單元支援可調取樣率，確保高解析度資料捕獲，這對於電網的動態分析非常重要。
• 透過提供精確的測量和電網效能的即時資料，PMU允許透過更好的控制和準確的決策來提高電網穩定性。
• 相量測量單元還透過提供即時和時間同步的資料來提高態勢感知能力。這有助於電網操作員快速檢測和響應故障。
• 眾所周知，PMU是廣域監測系統 (WAMS) 的重要組成部分。因此，它們提供了改進的電網視覺化，並有助於在廣闊的地理區域內進行更好的協調。

相量測量單元的應用

在智慧電網系統中，相量測量單元用於以下目的：

• 監控廣闊地理區域的電網
• 準確估計電網狀態
• 快速識別和隔離故障，以最大限度地減少電網損害
• 電網狀況的即時監控
• 精確測量電網引數並改進保護
• 更好地管理跨電網的電力流量等。

PMU實施中的挑戰

在智慧電網中實施相量測量單元 (PMU) 面臨以下主要挑戰：

• 確定電網中相量測量單元的最佳安裝位置。
• PMU與現有SCADA系統和電網整合中的相容性問題。
• PMU的工作依賴於通訊，而通訊可能會由於資料傳輸延遲而出現問題。
• PMU難以監測低頻振盪。
• 波形失真降低了PMU預測的準確性。
• PMU需要進行大量計算才能進行資料處理和分析。
• 需要開發強大的工具進行深入的事後分析等。

結論

相量測量單元 (PMU) 是智慧電網廣域監控系統不可或缺的一部分。它們用於智慧電網系統的事故後分析、電網穩定性監測、熱過載監測、遠端電力系統恢復、狀態估計以及電網的即時監測和控制。

在智慧電網中使用PMU可以提高穩定性、效率和可靠性。因此，相量測量單元或PMU是智慧電網和現代電力系統的重要組成部分。