Modelling & Steady State Compliance Testing of an Improved Time Synchronized Phasor Measurement Unit Based on IEEE Standard C37.118.1

📄 arXiv: 2504.09883v1 📥 PDF

作者: Nisarg Trivedi

分类: eess.SP, eess.SY, physics.soc-ph

发布日期: 2025-04-14

期刊: IEEE India International Conference on Power Electronics (IICPE) 2018

DOI: 10.1109/IICPE.2018.8709617

💡 一句话要点

提出一种经济高效的PMU模型，基于IEEE C37.118.1标准进行稳态性能优化。

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 同步相量测量单元 PMU 广域测量系统 WAMS 递归离散傅里叶变换 IEEE C37.118.1 稳态性能 智能电网

📋 核心要点

  1. 商业PMU成本高昂，限制了其在研发和电网集成项目中的应用。
  2. 提出一种经济的PMU模型，基于递归DFT优化稳态性能，符合IEEE C37.118.1标准。
  3. 实验结果表明，该PMU模型在稳态下，对于标称和非标称频率输入，精度可达小数点后13位。

📝 摘要（中文）

同步相量技术是用于广域测量系统(WAMS)监控和控制的新兴技术。在基本的WAMS中，由于参考波形未彼此同步，因此在两个不同位置测量的两个相同相量在相角上存在差异。相量测量单元(PMU)根据从全球定位系统(GPS)卫星接收到的原子钟脉冲，相对于公共参考波测量输入相量，从而消除了由于测量节点位置遥远而导致的测量相角变化。这在快速故障检测、故障定位分析以及WAMS中精确的电流、电压、频率和相角测量中得到了广泛应用。商业上可用的PMU模型通常对于研发以及电网集成项目来说过于昂贵。本文提出了一种经济的PMU模型，该模型基于递归离散傅里叶变换(DFT)进行了优化，以实现精确的稳态性能，并根据IEEE标准C37.118.1的稳态合规规范提供了所提出的PMU模型的结果和详细分析。对于稳态下的标称和非标称频率输入，通过开发的PMU模型获得了精确到小数点后13位的结果。

🔬 方法详解

问题定义：现有商业PMU模型价格昂贵，阻碍了其在研究开发和电网集成项目中的广泛应用。需要一种经济高效的PMU模型，同时保证满足IEEE C37.118.1标准的稳态性能要求。

核心思路：利用递归离散傅里叶变换(DFT)算法，在保证精度的前提下，降低PMU模型的计算复杂度，从而降低硬件成本，实现经济高效的设计。

技术框架：该PMU模型主要包括以下几个阶段：数据采集、预处理、递归DFT计算、相量估计和稳态性能评估。数据采集负责获取电压或电流信号的采样数据。预处理阶段可能包括滤波等操作，以提高信号质量。递归DFT计算是核心，用于提取信号的频率、幅值和相位信息。相量估计阶段根据DFT结果计算相量。最后，根据IEEE C37.118.1标准评估PMU的稳态性能。

关键创新：该论文的关键创新在于将递归DFT应用于PMU设计，在保证稳态性能的前提下，显著降低了计算复杂度，从而降低了PMU的硬件成本。与传统的基于滑动窗口DFT的PMU相比，递归DFT避免了重复计算，提高了计算效率。

关键设计：递归DFT的具体实现细节，例如窗函数的选择、递归公式的推导、以及如何处理频率偏差等，是影响PMU性能的关键设计参数。此外，稳态性能评估的具体指标，如总向量误差(Total Vector Error, TVE)、频率误差(Frequency Error, FE)和变化率误差(Rate of Change of Frequency Error, ROCOFE)，也需要根据IEEE C37.118.1标准进行精确计算。

📊 实验亮点

该PMU模型在稳态下，对于标称和非标称频率输入，相量估计精度可达小数点后13位，满足IEEE C37.118.1标准的稳态性能要求。该结果表明，所提出的基于递归DFT的PMU模型在保证精度的前提下，具有良好的稳态性能。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于智能电网的广域测量系统(WAMS)，用于实时监测电网状态、快速故障检测和定位、以及提高电网的稳定性和可靠性。经济高效的PMU模型有助于降低WAMS的部署成本，促进其在电力行业的广泛应用。此外，该模型也可用于电力系统仿真和教学，为相关研究提供经济实用的工具。

📄 摘要（原文）

Synchrophasor technology is an emerging and developing technology for monitoring and control of wide area measurement systems (WAMS). In an elementary WAMS, two identical phasors measured at two different locations have difference in the phase angles measured since their reference waveforms are not synchronized with each other. Phasor measurement units (PMUs) measure input phasors with respect to a common reference wave based on the atomic clock pulses received from global positioning system (GPS) satellites, eliminating variation in the measured phase angles due to distant locations of the measurement nodes. This has found tremendous applications in quick fault detection, fault location analysis, accurate current, voltage, frequency and phase angle measurements in WAMS. Commercially available PMU models are often proven to be expensive for research and development as well as for grid integration projects. This research article proposes an economic PMU model optimized for accurate steadystate performance based on recursive discrete Fourier transform (DFT) and provides results and detailed analysis of the proposed PMU model as per the steady state compliance specifications of IEEE standard C37.118.1. Results accurate up to 13 digits after decimal point are obtained through the developed PMU model for both nominal and off-nominal frequency inputs in steady state.