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精確的同步相量估計算法。"

                                                                         - M. Paolone, UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

挑戰:
創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生了巨大的變化，尤其是在實時監測網絡時。我們需要使用先進的智能監測工具來快速可靠地估計這些網絡的實時狀態。這一領域最有前景的技術之一就是基于PMU的分布式監測。

同步相量估計算法均基于離散傅立葉變換 ( DFT ) 應用于代表網絡節點電壓和/或分支電流波形的準穩態信號。我們可以將這些基于DFT算法分成用于執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（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來監測機電暫態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的數量發送給GPS設備，GPS設備生成PPS信號發送到NI9215和NI9401。這些連接觸發啟動PPS前沿（持續時間與觀測時窗T相對應）對應的波形采樣。同時，發送到NI 9401模塊的PPS前沿觸發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規定的限值。表1總結了PMU的不確定性，證明所開發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。

表1：以穩態條件為基準，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