作者:
M. Paolone - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
A. Borghetti - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
C.A. Nucci - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

圖1：同步相量估計：重構信號s1(t)和相位重定義

"我們使用LabVIEW對FPGA進行編程，實現了基于GPS時間基準的精確時間同步。LabVIEW Real-Time模塊也使我們能夠開發(fā)精確的同步相量估計算法。"

                                                                         - M. Paolone, UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

挑戰(zhàn):
創(chuàng)建高級相量測量單元 ( PMU )，以確定配電網絡的運行進度，并改進配電網絡為主動式智能電網。

解決方案:
開發(fā)基于NI CompactRIO硬件、NI LabVIEW和LabVIEW Real-Time模塊的高性能PMU。其中NI LabVIEW用于現場可編程門陣列 ( FPGA ) 級編程，以實現基于全球定位系統 ( GPS ) 時間基準的高精度時間同步，LabVIEW Real-Time模塊用于開發(fā)精確的同步相量估計算法。

由被動式向主動式的演變使配電網絡的運行程序發(fā)生了巨大的變化，尤其是在實時監(jiān)測網絡時。我們需要使用先進的智能監(jiān)測工具來快速可靠地估計這些網絡的實時狀態(tài)。這一領域最有前景的技術之一就是基于PMU的分布式監(jiān)測。

同步相量估計算法均基于離散傅立葉變換 ( DFT ) 應用于代表網絡節(jié)點電壓和/或分支電流波形的準穩(wěn)態(tài)信號。我們可以將這些基于DFT算法分成用于執(zhí)行遞歸和非遞歸更新的單周期DFT估計函數和小數周期DFT估計函數。我們創(chuàng)建了一個DFT算法，使我們可以在主動式配電網絡中使用PMU，而且即使存在失真信號波形和機電暫態(tài)（即頻變信號），也可在特定范圍內保持同步相量的測量精度。

與輸電網絡相比，主動式配電網絡的特性是線路長度較短和輸電量有限。使用總線電壓同步相量方法來判斷網絡狀態(tài)時，這兩個特性就使得總線電壓相量之間的相位差非常小（一般在幾十毫弧度或更低）。這些特性要求PMU設備具有遠低于IEEE C37.118規(guī)定限值的同步相量相位不確定度。配電網絡的失真電平遠高于輸電網絡。此外，即使與主輸電網絡隔離，主動式配電網絡也可以運行。因此進行隔離和重新連接操作時，PMU就為配電網運營提供很大的支持。但是由于額定網絡頻率偏差通常不可忽略，使用PMU來監(jiān)測機電暫態(tài)可能會導致對同步相量相位和頻率的估計不正確。

同步相量估計算法

基于DFT的傳統同步相量估計算法通常直接對以幾千赫茲采樣的信號進行DFT，再根據DFT輸出執(zhí)行同步相量測量。另一方面，我們的算法雖然仍基于DFT，但采用的是一個兩步驟方法，其中第一個步驟是對輸入信號進行DFT分析，第二個步驟是對與基頻信號對應的重構時域信號進行時域分析。第一步的獨特之處在于它采用本文提出的方法來識別基頻信號。該算法在高采樣頻率下（例如，100千赫）可提供準確的結果。下面簡要介紹一下同步相量估計算法。

同步相量估計算法包含以下三個步驟：
1. 在80 ms（即50 Hz四個周期）的時間窗口 (T) 內對三相電壓采樣，從UTC- GPS脈沖每秒（PPS）波前(通常為1或10 PPS)對應的時間開始。

2.將基頻信號重構為正弦信號，正弦信號的頻率為特定單一頻率窗口ΔF（也就是f₀±ΔF，其中f₀是指電網頻率的額定值）中某個值。我們使用LabVIEW Real-Time模塊和CompactRIO實時微控制器來實現這一步驟。

3.以重構的基頻信號波形為基準，估計同步相量的振幅、相位和頻率。我們使用LabVIEW Real-Time模塊和CompactRIO實時微控制器來實現這一步驟。

圖1總結了用上述過程所獲得的信號分析。其中虛點線表示用于估計同步相量的通用失真信號，連續(xù)實線表示時域重構的基頻信號，虛線表示PPS信號。

PMU原型

我們在配備了3百萬門FPGA的NI CompactRIO嵌入式實時微控制器上實現同步相量估計算法。我們使用NI9215 C系列模塊，以±10 V的動態(tài)信號輸入和100 kHz的采樣頻率對電壓波形進行采樣。 UTC-GPS時間幀由時間同步不確定度為100 ns的S.E.A GPSIB移動模塊提供。我們使用NI9401數字I / O模塊作為計數器來執(zhí)行PPS前上升沿（由GPS裝置提供）和數字化波形的第一個采樣之間的測量。

FPGA將PPS的數量發(fā)送給GPS設備，GPS設備生成PPS信號發(fā)送到NI9215和NI9401。這些連接觸發(fā)啟動PPS前沿（持續(xù)時間與觀測時窗T相對應）對應的波形采樣。同時，發(fā)送到NI 9401模塊的PPS前沿觸發(fā)FPGA計數器開始以FPGA時鐘頻率運行，對于系統所采用的硬件，FPGA時鐘頻率為40 MHz。該計數器在采樣波形的第一個采樣處停止運行，進行計算（參見圖1）。然后采樣數據以及GPS時間標記插入到DMA FIFO存儲器，并由實時微控制器進行檢索，以執(zhí)行同步相量估計算法。 PPS的數量對應于每秒同步相量估計的數量。

PMU實驗表征和結論

實驗表征以具有頻率恒定的頻譜分量的周期信號為基準。我們將NI PXI機箱連接至NI PXI任意波形發(fā)生器、NI PXI定時和同步模塊、NI PXI高精度數據采集模塊以及NI PXI高性能嵌入式控制器，生成一個基準信號。我們分析了兩種情況：單音信號（50赫茲）和失真信號。對于失真的信號，我們生成的基準信號的頻譜分量等于標準EN50160規(guī)定的限值。表1總結了PMU的不確定性，證明所開發(fā)的設備可兼容主動式配電網絡應用的要求。

以下是一個較為完整的實驗表征描述，表明了PMU原型的性能不會受到頻率不斷變化的信號的影響，頻率不斷變化的信號代表緩慢的機電暫態(tài)。

表1：以穩(wěn)態(tài)條件為基準，PMU原型的誤差分布平均值和標準方差：單音信號和失真信號