Синхрофазори в сучасних енергосистемах: визначення, вимірювання та архітектура WAMS

Abstract

UA: З розвитком сучасних енергетичних систем постає нагальна потреба в підвищенні точності вимірювання електричних параметрів і керування електромережами. Одним із ключових інструментів цього процесу стали синхрофазори PMU (Phasor Measurement Unit), що забезпечують синхронізовані в реальному часі вимірювання фазових кутів, амплітуд і частот сигналів. У статті розглядаються основні проблеми, пов’язані з неоднозначністю визначення синхрофазора, впливом гармонік, шумів і похибок синхронізації, а також розроблено аналітичний підхід до формалізації вимірювань на основі перетворення Гільберта. Обґрунтовано визначення амплітуди, фази та частоти електричних сигналів у нестаціонарних умовах, розкрито архітектуру систем широкозонного вимірювання WAMS (Wide Area Measurement Systems), до складу яких входять PMU, концентратори PDC (Phasor Data Concentrator), канали передачі даних і центральні системи керування. Наведено принципи побудови багаторівневих WAMS, включно із Super PDC, що дають змогу агрегувати дані з різних регіонів і забезпечують онлайн-моделювання та моніторинг електромереж у реальному часі. Показано роль GPS-синхронізації у забезпеченні єдиного часу вимірювань, а також наведено приклади практичного застосування WAMS для запобігання аварійним ситуаціям, синхронізації генераторів, адаптивного захисту й виявлення аномалій. Запропонована методика забезпечує високу точність та уніфікацію вимірювань, підвищення ефективності моніторингу й керування енергосистемами, а також адаптацію до викликів, пов’язаних з інтеграцією відновлюваних джерел енергії та переходом до інтелектуальних електричних мереж (Smart Grids). /// EN: With the advancement of modern power systems, there is an urgent need to improve the accuracy of electrical parameter measurements and power grid control. One of the key tools in this process is the synchrophasor PMU (Phasor Measurement Unit), which enables real-time synchronized measurements of phase angles, amplitudes, and signal frequencies. This paper examines major challenges associated with the ambiguous definition of synchrophasors, the influence of harmonics, noise, and synchronization errors, and proposes an analytical approach based on the Hilbert transform for accurate signal formalization. Particular attention is given to the mathematical substantiation of amplitude, phase, and frequency determination under non-stationary conditions. In addition, the paper details the architecture of Wide Area Measurement Systems (WAMS), which consist of PMUs, Phasor Data Concentrators (PDCs), communication networks, and centralized control systems. It outlines the principles of building multilevel WAMS, including Super PDCs, which aggregate data from multiple regions and enable real-time grid modeling and monitoring. The role of GPS synchronization in providing unified measurement timestamps is discussed, along with practical examples of WAMS applications such as preventing emergencies, generator synchronization, adaptive protection, and anomaly detection. The proposed methodology ensures high accuracy and consistency in measurements, enhances power system monitoring and control efficiency, and supports adaptation to challenges associated with renewable energy integration and the transition to Smart Grids.