0引
言
随着电网规模的日益扩大，远距离输电和大
型电力系统的联网输电已经成为现代电力系统的重要发展趋势。在故障情况下对电网进行有效的
控制、防止突发停电等事故的发生，是目前较重要而紧迫的研究课题[1-2]。因此，同步向量测量技术应运而生。利用同步向量测量（Phasor Measure⁃ment Unit ，PMU ）装置实时测量相角能够即时、有效地展示电力系统的运行状态，继而可提高对电网系统的维护和监管能力，对于电力系统具有重 参数未知环境下PMU 装置相角差
颜红得，毕小熊
（云南电网有限责任公司玉溪供电局，云南玉溪653100）
摘
要
PMU 装置相角量测的准确性将直接影响相角差校准的有效性，且在参数未知环境下，相角量
测的误差将有所增大。为此，文中设计一种面向参数未知环境的PMU 装置相角差校准方法。根据PMU 装置的内部结构建立测量装置ms 级的内守时钟，结合互感器、采样保持器和比较器获得相位，并计算相量，再根据相位和相量获得相角值与周期同步时标的偏移量，通过对偏移量进行修正实现对PMU 装置相角差的校准。实验结果表明，文中设计的PMU 装置相角差校准方法得到的相角质量更
高，且相位测量精度权重更集中，说明该校准方法更适合应用在实际的工程项目中。关键词误差；PMU 装置；相角差；校准；同步时标偏移
中图分类号
TM712
文献标识码
A
文章编号
1009-2552（2021）01-0131-05
DOI
10.13274/jki.hdzj.2021.01.023
Design of phase angle difference calibration method of PMU device in unknown environment YAN Hong -de ，BI Xiao -xiong
（Yuxi Power Supply Bureau ，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Yuxi 653100，Yunnan Province ，China ）Abstract ：The accuracy of phase Angle measurement in PMU device will directly affect the effectiveness of phase Angle difference calibration ，and the error of phase Angle measurement will increase in the environ⁃ment of unknown parameters.Therefore ，a PMU device phase Angle difference calibration method is de⁃signed for unknown parameter environment.According to the internal structure of the PMU device ，the s -lev⁃el internal clock of the measuring device is set up ，the phase is obtained by combining the transformer ，the sampling holder and the comparator ，and the phasor is calculated.Then ，the phase Angle value is obtained according to the phase and phasor ，and the offset of the phase Angle of the PMU device is corrected to realize the calibration of the phase Angle difference of the PMU device.The experimental results show that the PMU device
phase Angle difference calibration method designed in this study has higher phase Angle quality ，and the phase measurement precision weight is more concentrated ，indicating that this method is more suitable for practical engineering projects.Key words ：error ；PMU device ；phase angle difference ；calibration ；synchronous time scale offset
作者简介：颜红得（1992-），男，学士，工程师，研究方向为电力系统自动化、继电保护。
渣油加氢2021年第1期
应用技术APPLIED TECHNOLOGY -
-131
要意义[3-4]。
然而，若PMU 装置存在较大的相角差，将严重影响PMU 装置的实际性能。且存在扰动时，若相角误差逐渐增加，严重时会导致PMU 装置失灵。因此需要使用校准方法处理其相角差[5]。对此，本研究设计了一种面向参数未知环境的PMU 装置相角差校准方法。1校准方法设计
1.1
建立测量装置内守时钟
在分析PMU 装置的实际结构及其应用的通信技术的基础上行，在装置内建立内守时钟。PMU 装置一般基本结构如图1所示。
装置输入路径中包括模拟量和脉冲量，其中脉冲量为转速脉冲的分频信号[6-7]。模拟量经过有效值变换后得到能够反映电量有效值大小的直流电压，利用A/D 转换器将直流信号转换为数字量，再由测量CPU 读取转换结果，通过双口RAM 传给通信CPU 。利用通信CPU 计算相角，在装置中通信模块接收GPS 的串行时间信息和秒脉冲同步信息[8]。
基于上述内容，在装置中建立整个测量过程中需要的实时时钟，实时时钟的精确性与测量精度相关[9]。由GPS 接收器提供精确同步时钟系统，通过输出串行信号标定秒脉冲下降沿时刻的时间，测量模块的CPU 接收脉冲信号，建立起统一的m s 级的实时时钟[10]。借用电力系统中单片机的外接晶体构成振荡器，晶振的频率精度与晶振的工作频率以及标称频率间的偏差相关，频率精度的偏差会给相角测量引入累积误差。针对这种情况，使用石英晶体作为外接晶体，其相对频率精
度在10-3~10-6之间时对定时器的影响可以直接忽略。
在上述晶振频率下，通信CPU 与测量CPU 利用单片机内部时钟定时器和秒脉冲建立m s 级时钟，并
且利用GPS 提供的秒脉冲信号，每秒一次同步测量CPU 和通信CPU 的m s 级时钟，消除装置中的累积误差[11]。通过上述过程，实现PMU 装置中建立一个m s 级的同步内守时钟的目的。1.2
测量PMU 相位
根据PMU 装置的内部结构，在参数未知环境下，以电压信号为输入信息，设定信号输入电压互感器一次端，通过比较器连接装置内部核心芯片的一路输入，比较器输出端与核心芯片的另一路输入相连接，互感器的二次端与采样保持器的输入端相连接，采样保持器第一级的输出端与比较器相连接[12]。假设计数值为n ，计数器频率为f ，则延时周期T 0为：
T 0=
n f
（1）
网眼面料
在此基础上，利用示波器对信号的相位差实施检测，再随机采集一路输入信号，通过引入相位误差获得其测量相位。测量流程如图2所示。
通过上述过程获得PMU 装置相位，基于求得的相位对相角进行校准处理。1.3
校准PMU 装置相角差
由于PMU 装置内部建立了同步内守时钟，因此可实现“频率同步”与“时间同步”，则PMU 装置
图1PMU 装置结构示意图
检测CT 有效值
转换PT 检测
测量CPU 测量CPU
AD
双口RAM
检测
显示RS485
通信CPU
GPS 接收机
双口RAM
被测信号
电压互感器
采样保持器第一
级跟随器输出端比较器
比较器
示波器
图2PMU 装置相位测量流程
参数未知环境下PMU 装置相角差校准方法设计——颜红得等
--132
可通过频率自适应对被测相量实施等间隔、不间断采样，然后根据时标同步方法截取DET数据窗，从而实现对相量的测算[13]。PMU装置相角差引起时标偏移，时标偏移与采样周期相关，在校准相角差过程中，通过修正装置的时标偏移实现相角差的校准。同步时标偏移示意图如图3所示。
分析图3可知，其中的脉冲序列为自适应等间隔的连续序列，对被测相量的DFT计算结果进行必要的相角同步偏移校准即可实现PMU装置相角差校准。
一般情况下，在出现“周期同步时标”中断以及中断后的第一个“A/D转换结束”时，微处理器将记录这两个中断时刻的内部定时器时钟脉冲计数值[14-15]。因此，在利用PMU装置修正偏移量时，需结合定时器的计数值进行修正。
假设w1代表“周期同步时标”中断时的计数值，w2代表“A/D转换结束”中断时的计数值，则时标同步偏移量的时钟脉冲计数值为：
w=w2-w1（2）
假设T s代表被测信号的基波周期；R代表每个周期的采样点数量；T c代表采样周期（T c为T s与R的比值）；周期同步时标脉冲后，被测信号正过零点，此时定时器计数周期是主频周期的四倍，计数脉冲周期为2×10-2m s，则相角值与周期同步时标间的偏移量如下：
α=0.02×360
T
c ×w（3）
假设修正后的被测相量相角值为：
δ=α'-α（4）
式中，α'表示被测相量的计算相角值。在此基础
上，读取定时器计数值的计数脉冲误差，从而得到
校准后的相量相角同步误差如下：
σ=7.2×δT c(°)（5）
由上述过程可知，这种校准方法是线性的，因
此同样适用于任意点同步方式情况下被测相量相
角同步偏移量的校准，且具有较高的精度。
对于中点时标同步方式，紧跟“周期同步时
标”中断后的第一个A/D采样数据为整个数据窗
的中点，与上述计算过程相同，其相位偏差为：
α
z=
w
w1×
360
R（6）
式中，R表示采样点数，通过上述公式得到“周期
同步时刻”位置的相位。对于末点时标同步方式，
其相位偏差与中点相同，在进行位置时刻的相位
的求解时，若大于2p，将结果再减去2p，使其处于
0~2p之间。
通过对不同采样点的相位测量，获得同步相
位，进而实现相角差的校准，还能实现同步周期的
自由选择。因此在上述过程中，将同步时标脉冲
开始时刻作为数据窗的开始时刻，直到采满固定
点数为止。以实现10ms同步周期为例，同步周期
可选示意图如图4所示。
通过同步周期的自由选择，保证PMU装置在
参数未知的环境下实现相角差的高水平校准。
2仿真实验研究
为证明本研究设计的参数未知环境下PMU
装置相角差校准方法的有效性与实用性，设计如
下实验加以验证。
同步时刻计数值
采样时刻计数值
同步时标脉冲序列
周期同步时标间隔
采样计算相位
实际修正相位
同步时标相位偏差
……
自适应等间隔采样脉冲序列
图3同步时标偏移示意图
图4同步周期可选示意图
同步时标脉冲同步时标脉冲
10ms同步
周期
周期数据
窗1
周期数据
窗2
…………
参数未知环境下PMU装置相角差校准方法设计——颜红得等
-
-133
2.1
实验数据准备
以某省某一分钟时段内的全网相角数据作为
实验对象，统计其中相角质量不合格的子站编号与时间段，具体统计结果如表1所示。
基于以上数据，分析相角差的相位测量精度，获得相位误差的权重分布，结合两种指标，本文方法与传统的线路两端PMU 相角差校准方法和利用故障录波数据修正PMU 电压相角差误差方法进行比较。2.2
相角质量评价结果及分析
相角质量评价主要依据两个不同量测点的相
角与频率特征，通过与各子站相角做差，分别出指标合格时间段的开始时间和截止时间、指标不合格时间段的开始时间和截止时间，在上述时间段内判断相角是否存在错误，以此衡量相角质量。基于表1中的各项实验数据，选择子站20在一分钟内的相角数据，修正前的相角曲线如图5所示。
以相角修正为-180°为目标，使用不同的
PMU 校准方法修正后的相角曲线如图6所示。其
中，方法1为线路两端PMU 相角差校准方法，方法2为利用故障录波数据修正PMU 电压相角差
误差方法。
观察图6结果可知，图中显示三种方法的相角修正开始时间相同，均为13.64s ，在校正开始之前，相角曲线在180°和-180°之间突变，在此阶段，
智慧社区管理系统子站号2
1015202732开始时间43.22
6.07~
7.0816.660.01~59.990.01~59.9955.28-55.55截止时间43.27
6.15~
7.1016.680.01~59.990.07~59.9955.30~55.84表1相角质量不合格的子站编号和时间段
图5相角数据检测结果
2001000
-100-200led柔性霓虹灯
相角/°
21.84
21.94
22.0422.1422.24
时间/s
（a ）方法1校准后的相角曲线
2001000-100-200
相角/°
13.44
13.54
13.6413.7413.84
时间/s
（b ）方法2校准后的相角曲线
2001000-100
-
200
13.44
13.54
13.6413.7413.84
相角/°
时间/s
2001000-100-200
13.44
13.5413.6413.7413.84
相角/°
（c ）本文方法校准后的相角曲线图6
不同校准方法校准后的相角曲线
参数未知环境下PMU 装置相角差校准方法设计——颜红得等
-
-134
相角出现了明显的突变错误。开始修正后，图6（a）中显示，在13.64s~13.80s之间出现了两次负方向的突变，并没校正到-180°，在13.80s后才校正到-180°；图6（b）中显示，在13.64s~13.77s之间，存在两次正方向的突变错误，在13.77s之后，相角校正成功；图6（c）中显示，在13.64s之后，相角成功校正到-180°，且在实验时间内未发生突变错
误。
综上所述，经本文提出的PMU相角差校准方法校准后的相角质量更高。在此基础上，考虑实验的可靠性，对不同的校准方法进行相位测量精度权重分析，然后结合两组实验结果进行综合分析。
2.3相位测量精度权重分布实验研究
在采用频率为10kHz、频移为±1Hz的条件下，使用不同的校准方法分析PMU装置相角差的相位测量精度，获得相位误差的权重分布。线路两端PMU相角差校准方法的实验结果如表2所示。
采用利用故障录波数据修正PMU电压相角差误差方法的实验结果如表3所示。
本文方法的相位误差权重分布结果如表4所示。
对比观察表2-4结果可以看出，三种方法中概率分布最明显的是本文方法。虽然在三种方法中，都是滤波因素概率分布最高，但是线路两端PMU相角差校准方法和利用故障录波数据修正PMU电压相角差误差方法的滤波因素概率分布分别为58.38%和69.41%，本文方法的滤波因素概率分布为92.31%。本文方法的滤波因素概率分布更高，说明本文方法中相对误差的权重集中在滤波因素中，其它因素误差影响弱，基本可以忽略，在实际校准中只需避免滤波影响即可保证校准方法的真实可靠。
3结束语
本文针对参数未知的环境，设计了一种PMU 装置相角校准方法。考虑一般装置的内部结构，通过自由选择的同步周期实现高精度、稳定的相角差校准，并通过对比实验结果证明了该方法的有效性，该方法比传统的校准方法能更好地控制系统误差，有效避免在存在扰动时增加PMU装置误差。
参考文献：
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测点间电压相角差的方法[J].电网技术，2017，41（9）：2996-3003.
影响因素滤波互感器测量误差采样保持PCB 相量算法相位误差（°）
-0.3183
0.1012
0.0103
-0.0054
0.0000
0.0100
概率分布（%）
58.38
6.54
0.67
0.35
<0.01
0.65
表2线路两端PMU相角差校准方法的实验结果
影响因素滤波互感器测量误差采样保持PCB 相量算法相位误差（°）
-0.5024
0.0969
0.0096
-0.0049
0.0000
0.0100
概率分布（%）
69.41
5.65
0.56
0.28
静态管理
<0.01
0.58
表3利用故障录波数据修正PMU电压相角差误差方法
实验结果
影响因素
滤波
互感器
测量误差
采样保持
PCB
相量算法
相位误差（°）
-1.9832
0.0516
0.0023
-
0.0014
0.0000
0.0100
概率分布（%）
92.31
2.40
0.11
0.065
<0.01
0.47
表4本文方法实验结果
（下转第141页）参数未知环境下PMU装置相角差校准方法设计——颜红得等
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