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同步相量测量技术及其在状态估计中的应用研究

一、引言

（一）研究背景与意义

随着全球能源格局的深刻变革以及科技的飞速发展，电力系统正经历着前所未有的转型。分布式能源，如光伏、风电等，凭借其清洁、可持续的特性，在能源结构中的占比日益提升；同时，柔性负荷，以电动汽车为典型代表，大规模接入配电网，为电力供应带来了新的灵活性，但也给电网的运行与管理带来了诸多挑战。

分布式能源的间歇性和波动性，使其发电功率难以精准预测。例如，光伏发电受光照强度、天气变化影响显著，风电则依赖风速、风向，这些自然因素的瞬息万变，导致分布式能源接入后，配电网的功率平衡时刻处于动态变化之中。当云层快速移动遮挡阳光，光伏发电功率可能瞬间大幅下降；强风骤起或停歇时，风电功率也会急剧波动。而电动汽车充电行为具有随机性，充电时间和充电功率难以统一协调，大量电动汽车在同一时段集中充电，会导致配电网局部负荷骤增，对电网的稳定运行构成威胁。

面对这些挑战，传统监测手段显得力不从心。传统的监控与数据采集系统（SCADA）采样频率低，通常几分钟甚至更长时间采集一次数据，难以捕捉电力系统快速变化的动态特性。在分布式能源功率快速波动或柔性负荷瞬间变化时，SCADA系统采集的数据存在严重的时间滞后，无法及时反映电网的真实运行状态。而且不同地点的测量数据缺乏精确的时间同步，在分析全系统动态行为时，无法准确关联各节点的运行数据，导致分析结果存在偏差。故障录波器虽能记录故障前后的暂态波形，但数据量大，存储成本高，难以全天候保存，且不同录波器之间缺乏统一的时间标记，记录数据仅具有局部有效性，无法为全系统的动态分析提供全面支持。

同步相量测量技术应运而生，成为破解这些难题的关键技术手段。该技术的核心设备相量测量单元（PMU），基于全球定位系统（GPS）或北斗卫星导航系统（BDS）等高精度授时技术，实现了对电力系统各节点电压、电流相量的同步测量，具备高精度、高采样频率和时间同步性强等显著优势。PMU的计时误差小于0.5微秒，实时传送速率可高达100次/秒，频率测量误差不大于0.01Hz，相角测量误差极限为0.5°，幅值测量误差极限不大于1%，能够实时、精准地捕捉电力系统的动态变化。

在状态估计方面，同步相量测量技术为其提供了实时、精准的量测数据，极大地提升了状态估计的精度和可靠性。传统状态估计依赖非同步测量数据，经过复杂的迭代计算求解系统状态，过程耗时较长，且精度易受数据误差和模型简化的影响。而PMU提供的同步相量数据，包含了电压、电流的幅值和相位信息，直接反映了电力系统各节点的电气状态，使状态估计能够更准确地描述电网的实时运行情况，为调度决策提供可靠依据。通过实时监测电网各节点的相量数据，能够及时发现潜在的电网异常和安全隐患，提前采取措施进行预防和处理，保障电网的安全稳定运行。

在提升电网稳定性方面，同步相量测量技术实时监测电网的动态稳定指标，如功角、频率等。当系统出现扰动时，能够快速准确地捕捉到这些指标的变化，为稳定控制提供及时有效的数据支持。基于PMU数据的稳定控制系统可以迅速响应，采取切机、切负荷、调整发电机出力等控制措施，有效抑制系统振荡，防止电网失稳，提高电网的抗干扰能力和运行可靠性。在新能源接入场景中，通过实时监测新能源发电的功率波动和电能质量，能够协调新能源与传统能源的配合，优化电力调度策略，保障电力系统的稳定运行。

同步相量测量技术对提升电网运行效率也具有重要意义。通过为电网调度提供准确的实时数据，使调度人员能够根据电网实际运行情况，优化电力潮流分布，合理安排发电计划和负荷分配，减少电网损耗，提高能源利用效率。在智能电网建设中，该技术作为实现全面感知、实时分析和智能决策的重要支撑，为电网自愈控制、分布式能源协同控制等高级应用提供实时、准确的运行数据，助力智能电网实现更高水平的安全稳定运行和智能化管理，推动电力系统向高效、智能、绿色的方向发展。

二、同步相量测量技术原理与关键技术

（一）同步相量测量技术基本原理

同步相量测量技术是电力系统监测领域的关键技术，其核心技术架构依托全球定位系统（GPS）或北斗卫星的纳秒级同步时钟。在实际运行中，相量测量单元（PMU）肩负着关键使命。它对电网节点的电压、电流信号展开高速采样，采样频率通常在100次/秒以上，能够精准捕捉到电力信号的细微变化。

以一个典型的110kV变电站为例，PMU安装于变电站的关键节点，对进线和出线的电压、电流信号进行实时采样。通过高速采样，PMU可以获取到电力信号在不同时刻的瞬时值，这些瞬时值包含了丰富的电力系统运行信息。在某一时刻，线路电流出现了短暂的波动，PMU能够快速捕捉到这一变化，并将其记录下来。

随后，PMU运用快速傅里叶变换（FFT）或卡尔曼滤波算法