位相測定ユニット

位相測定ユニット（PMU ）は、同期用の共通時間ソースを使用して、電力グリッド内の電気位相量（電圧や電流など）の大きさと位相角を推定するために使用されるデバイスです。時間同期は通常、GPSまたはIEEE 1588高精度時間プロトコルによって提供され、グリッド上の複数のリモートポイントの同期されたリアルタイム測定を可能にします。PMUは、波形からサンプルをすばやく連続してキャプチャし、角度測定と大きさ測定で構成される位相量を再構築することができます。結果として得られる測定値は、同期位相器と呼ばれます。これらの時間同期測定は重要です。グリッドの供給と需要が完全に一致していないと、周波数の不均衡によりグリッドにストレスが発生し、停電の原因となる可能性があるためです。^[1]

PMU は電力網の周波数測定にも使用できます。一般的な市販の PMU は、1 秒あたり最大 120 回の測定という非常に高い時間分解能で測定結果を報告できます。これにより、エンジニアは 2 秒または 4 秒ごとに 1 つの測定結果を生成する従来のSCADA測定では不可能な、グリッド内の動的イベントを分析できます。したがって、PMU は電力会社に強化された監視および制御機能を提供し、電力システムの将来において最も重要な測定デバイスの 1 つであると考えられています。^[2] PMU は専用デバイスにすることも、PMU 機能を保護リレーまたは他のデバイスに組み込むこともできます。^[3]

1893年、チャールズ・プロテウス・スタインメッツは交流電気の波形を簡略化した数学的記述に関する論文を発表しました。スタインメッツは自分の表現を「位相器」と呼びました。^{[4] 1988年にバージニア工科大学の}アルン・G・ファドケ博士とジェームズ・S・ソープ博士が位相器測定ユニット（PMU）を発明したことで、スタインメッツの位相器計算の手法は、全地球測位システムが提供する絶対時間基準に同期したリアルタイム位相器測定の計算へと発展しました。したがって、同期位相器測定を同期位相器と呼びます。PMUの初期のプロトタイプはバージニア工科大学で構築され、マクロダイン^[5]は1992年に最初のPMU（モデル1690）を構築しました。^[6]現在、それらは市販されています。

電力網上の分散型エネルギー リソースの増加に伴い、電力フローを正確に監視するための監視および制御システムの必要性が高まっています。これまで、電力は受動コンポーネントを通じて一方向に顧客に供給されてきましたが、現在では顧客が太陽光発電などの技術を使用して独自の電力を生成できるため、配電システムは双方向システムに変わりつつあります。この変化に伴い、––PMU や uPMU などの高度なセンサー技術を通じて、送電網と配電網を継続的に監視することが不可欠です。

簡単に言えば、電力会社が運営する公共の電力網は、もともと単一の供給源、つまり運営会社の発電機や発電所から電力を取り、顧客が電力を消費する電力網に供給するように設計されていました。現在、一部の顧客は発電装置（ソーラーパネル、風力タービンなど）を運用しており、コストを節約するため（または収入を得るために）電力を電力網に送り返しています。地域によっては、電力網への電力の送り返しはネットメータリングを通じて行われる場合があります。このプロセスのため、電圧と電流を測定して調整し、電力網に供給される電力が顧客機器が期待する品質と基準（周波数、位相同期、電圧などの指標で確認）であることを確認する必要があります。これが行われないと、Rob Landley が言うように、「人々の電球が破裂し始めます」。^[7]この測定機能がこれらのデバイスの機能です。

PMU は 50/60 Hz の AC 波形 (電圧と電流) を通常 1 サイクルあたり 48 サンプルの速度で測定できるため、1 サイクル未満の電圧または電流の変動を効果的に検出できます。ただし、周波数が 50/60 Hz 付近で振動しない場合は、PMU はこれらの波形を正確に再構築できません。PMU からの位相測定は、以下の構造に従うコサイン波から構成されます。^[8]

${\displaystyle A\cos(\omega t+\theta )}$

この関数の A はスカラー値で、通常は電圧または電流の大きさ (PMU 測定の場合) として記述されます。θ は定義された開始位置からの位相角オフセットで、ω は波形の角周波数(通常は 2π50 ラジアン/秒または 2π60 ラジアン/秒) です。ほとんどの場合、PMU は電圧の大きさと位相角のみを測定し、角周波数は定数であると想定します。この周波数は定数であると想定されるため、位相器測定では無視されます。PMU の測定は数学的なフィッティング問題であり、測定値は正弦曲線にフィッティングされます。^[8]したがって、波形が正弦波でない場合、PMU は正確にフィッティングできません。電圧低下または障害時のグリッドの動作など、波形が正弦波でなければ、位相器の表現は悪くなります。

PMU によって検出されたアナログ AC 波形は、各位相ごとにアナログ/デジタル コンバータによってデジタル化されます。位相ロック オシレータと全地球測位システム(GPS) リファレンス ソースを組み合わせることで、1 マイクロ秒の精度で必要な高速同期サンプリングが実現します。ただし、PMU は、すべての時刻ソース (GPS 以外のリファレンスも含む) を、すべて較正済みで同期して動作している限り、取り込むことができます。結果として得られるタイムスタンプ付き位相器は、最大 120 サンプル/秒の速度でローカルまたはリモートの受信機に送信できます。広い範囲で時刻同期された測定値を確認できることは、グリッド全体の動作を調べたり、グリッドのどの部分がさまざまな障害の影響を受けているかを判断するのに役立ちます。

歴史的に、許容誤差が約 1% の送電線監視に使用された PMU はごく少数でした。これらは、壊滅的な停電を防ぐために設置された、単に粗いデバイスでした。現在、マイクロ同期位相器技術の発明により、非常に高い精度で電力を監視できる配電網に、より多くの PMU を設置することが求められています。この高い精度により、システムの可視性が大幅に向上し、スマートで予防的な制御戦略を実装できるようになります。PMU はもはや変電所だけでなく、タップ切換変圧器、複雑な負荷、PV 発電バスなど、ネットワークの複数の場所で必要になります。^[9]

PMUは一般的に送電システムで使用されますが、配電システムにおけるマイクロPMUの有効性に関する新たな研究が行われています。送電システムの電圧は通常、配電システムよりも少なくとも1桁高くなります（配電は12kV以下で動作し、送電システムは12kV〜500kV）。つまり、測定精度を損なうことなく、送電システムの測定精度を低くすることができます。ただし、配電システムでは精度を向上させるためにより高い精度が必要であり、これがuPMUの利点です。uPMUは、ライン上の位相角測​​定の誤差を±1°から±0.05°に低減し、真の角度値をより適切に表します。^[10] PMUの前にある「マイクロ」という用語は、より正確な測定を意味します。

位相器は、電気に含まれる正弦波の振幅と位相角の両方を表す複素数です。任意の距離で同時に発生する位相器測定は、「同期位相器」と呼ばれます。「PMU」と「同期位相器」という用語は互換的に使用されるのが一般的ですが、実際には 2 つの異なる技術的意味を表します。同期位相器は計測値であり、PMU は計測デバイスです。一般的なアプリケーションでは、位相器測定ユニットは電力システム ネットワーク内の広範囲に分散した場所からサンプリングされ、グローバル ポジショニング システム(GPS) ラジオ クロックの共通時間ソースから同期されます。同期位相器テクノロジは、システム オペレータとプランナーが電気システムの状態を (多くのポイントにわたって) 計測し、電力品質を管理するためのツールを提供します。

PMU は、電力網の主要な交差地点 (重要な変電所) で電圧と電流を測定し、正確なタイムスタンプ付きの電圧および電流位相器を出力できます。これらの位相器は完全に同期されているため、2 つの量の同期比較をリアルタイムで行うことができます。これらの比較を使用して、周波数の変化、MW、MVAR、kVolts などのシステム状態を評価できます。^{[説明が必要]}監視ポイントは、さまざまな調査を通じて事前に選択され、システム (グリッド) の安定性の変化を示す非常に正確な位相角測定が行われます。位相器データは、Phasor Data Concentrator テクノロジを使用して、オンサイトまたは集中管理された場所で収集されます。その後、データは、ローカルの独立システム オペレーター (ISO) によって管理されている地域監視システムに送信されます。これらの ISO は、個々の PMU または最大 150 個の PMU からの位相データを監視します。この監視により、複数のエネルギー発電源 (原子力、石炭、風力など) からの電力フローを正確に制御できるようになります。

この技術は、既存の送電線を介した電力フローの増加を可能にすることで、電力供給の経済性を変える可能性があります。同期フェーザ データを使用すると、最悪のケースの制限ではなく、送電線の動的制限まで電力フローを許可できます。^{[説明が必要]} 同期フェーザ技術は、グリッド上の電気エネルギーの流れに対する集中型および選択的な制御を確立するための新しいプロセスの先駆けとなります。これらの制御は、大規模 (複数の州) および交差する変電所の個々の送電線セクションの両方に影響します。したがって、ISO を相互接続することで、複数の地域規模 (米国、カナダ、メキシコ) で送電線の混雑 (過負荷)、保護、および制御が改善されます。

フェーザ ネットワークは、電力システム全体に分散されたフェーザ測定ユニット (PMU)、情報を収集するフェーザ データ コンセントレータ (PDC)、および中央制御施設の監視制御およびデータ収集(SCADA) システムで構成されます。このようなネットワークは、広域測定システム (WAMS) で使用されています。最初のシステムは、2000 年にボンネビル電力管理局によって開始されました。^[11] 完全なネットワークでは、フェーザ データのサンプリング周波数内での高速データ転送が必要です。GPS タイム スタンプは、1マイクロ秒よりも優れた同期の理論的な精度を提供できます。「同期フェーザ測定を実行する各デバイスに必要な 1 マイクロ秒の時間標準を提供するには、クロックの精度が ± 500 ナノ秒である必要があります。」^[12] 60 Hz システムの場合、PMU はアプリケーションに応じて 1 秒あたり 10 ～ 30 件の同期レポートを送信する必要があります。PDC はデータを相関させ、PMU (12 ～ 60 台) を制御および監視します。^[13] 中央制御施設では、SCADAシステムがシステム内の すべての発電機と変電所のシステム全体のデータを2～10秒ごとに提示します。

PMUは多くの場合、電話回線を使用してPDCに接続し、SCADAまたは広域測定システム（WAMS）サーバーにデータを送信します。^[14]さらに、PMUはデータ転送（GPRS、UMTS ）にユビキタスモバイル（セルラー）ネットワークを 使用できるため、インフラストラクチャと展開のコストを節約できる可能性がありますが、データレポートの遅延が大きくなります。^{[15] [16]}ただし、導入されたデータ遅延により、このようなシステムはR＆D測定キャンペーンやほぼリアルタイムの監視 に適したものになり、リアルタイム保護システムでの使用が制限されます。

複数のベンダーのPMUを使用すると、不正確な測定値が出る可能性があります。あるテストでは、測定値が47マイクロ秒（60Hzの1度の差）も異なり、これは許容できない差異です。^[17] 中国はこの問題に対して、独自の仕様と標準に準拠した独自のPMUをすべて構築し、複数のベンダーによる競合、標準、プロトコル、またはパフォーマンス特性が発生しないようにしました。^[18]

一般的な 10 位相 PMU の設置は簡単なプロセスです。位相は 3 相電圧または 3 相電流のいずれかになります。したがって、各位相には 3 つの個別の電気接続 (各相に 1 つ) が必要です。通常、電気技師が変電所または発電所での PMU の設置と相互接続を設計します。変電所の担当者は、確立された耐震マウント要件に従って、変電所の床に機器ラックをボルトで固定します。次に、モデムやその他のサポート機器とともに PMU を機器ラックに取り付けます。また、メーカーの指示に従って、変電所の屋根に全地球測位衛星 (GPS) アンテナを設置します。変電所の担当者は、測定対象となるすべての変流器(CT) 二次回路に「シャント」も設置します。PMU には、通信回路接続 ( 4 線接続の場合はモデム、ネットワーク接続の場合はイーサネット)も必要です。 ^[9]

• ボンネビル電力管理局(BPA) は、広域監視システムに同期位相計を包括的に導入した最初の電力会社です。これは 2000 年のことで、現在ではいくつかの導入が進行中です。
• バージニア工科大学とテネシー大学が運営するFNETプロジェクトでは、約80台の低コストで高精度な周波数擾乱記録装置のネットワークを利用して、米国の電力網から同期位相データを収集しています。[1]
• ニューヨーク独立系統運用者は、2003年にオハイオ州で発生し、米国とカナダの両地域に影響を与えた壊滅的な停電への対応として、ニューヨーク州全体に48台のPMUを設置しました。^[19]
• 2006年、中国の6つの送電網向け広域監視システム（WAMS）には、主に500kVおよび330kVの変電所と発電所に300台のPMUが設置されていた。中国は2012年までに、すべての500kV変電所と300MW以上のすべての発電所にPMUを設置する計画である。2002年以来、中国は独自の国家規格に従って独自のPMUを構築してきた。あるタイプは、通常よりも高いサンプリングレートを持ち、発電所で発電機のローター角度を測定し、励磁電圧、励磁電流、バルブ位置、電力系統安定装置（PSS）の出力を報告するのに使用されている。すべてのPMUはプライベートネットワークを介して接続されており、サンプルは平均40ミリ秒以内に受信される。^[18]
• 北米同期位相器イニシアチブ (NASPI) は、以前は東部相互接続位相器プロジェクト (EIPP) として知られており、120 台を超える接続された位相器測定ユニットが、テネシー川流域開発公社(TVA) を中心とする「スーパー位相器データ コンセントレータ」システムにデータを収集しています。このデータ集中システムは現在、 openPDCと呼ばれるオープン ソース プロジェクトになっています。
• DOEはワシントン州立大学のGridStat [2]を含むいくつかの関連研究プロジェクトを後援している。
• ARPA-E は、カリフォルニア大学バークレー校で配電システム向けマイクロ同期位相器に関する関連研究プロジェクトを後援しています。
• 世界最大の広域監視システムはインドにあります。統合リアルタイム動的状態測定システム（URTDSM）は、351の変電所に設置された1,950のPMUで構成されており、29の州制御センター、5つの地域制御センター、2つの国立制御センターに同期位相器データを送信しています。^[20]

1. スマートグリッドのような電力システムの自動化
2. 電力システムを管理するための負荷制限や需要応答メカニズムなどの負荷制御技術。（つまり、リアルタイムで必要な場所に電力を誘導する）
3. 障害を早期に検出し、運用システムの分離を可能にし、停電を防止することで、電力網の信頼性を高めます。
4. システム劣化の原因を正確に分析し、自動的に修正することで電力品質を向上させます。
5. 状態推定による広域測定と制御^[21]、超広域スーパーグリッド、地域送電網、ローカル配電網など。
6. 位相測定技術と同期タイムスタンプは、信頼できるセンシングベースのような同期暗号化によるセキュリティの向上に使用できます。SCADAシステムとPMUデータ間のデータ検証によるサイバー攻撃の認識。^[22]
7. 配電状態の推定とモデル検証。数学的状態モデルに基づいて、負荷、配電線のインピーダンスを計算し、電圧の大きさとデルタ角度を検証する機能。
8. イベントの検出と分類。さまざまな種類の障害、タップの変更、スイッチング イベント、回路保護デバイスなどのイベント。機械学習と信号分類方法を使用して、これらの重要なイベントを識別するアルゴリズムを開発できます。
9. マイクログリッドアプリケーション：グリッドからの分離または切り離し場所の決定、負荷と発電のマッチング、メイングリッドとの再同期。^[23]

同期位相器のIEEE 1344規格は1995年に完成し、2001年に再確認されました。2005年に、完全な改訂版であるIEEE C37.118-2005に置き換えられ、電力システムにおけるPMUの使用に関する問題に対処しました。仕様では、測定の基準、測定値を定量化する方法、精度を検証するためのテストと認証の要件、リアルタイムデータ通信のデータ伝送フォーマットとプロトコルについて説明しています。^[14]この規格は包括的なものではなく、PMUが電力システムの動的アクティビティで検出できるすべての要素に対処しようとはしていませんでした。^[13] 2011年12月に新しいバージョンの規格がリリースされ、IEEE C37.118-2005規格が2つの部分に分割されました。C37.118-1は位相器の推定を扱い、C37.118-2は通信プロトコルを扱います。また、PMUの2つの分類、M（測定）とP（保護）も導入されました。Mクラスは、主に定常状態の測定のための、元の2005年規格の性能要件に近いものです。Pクラスは、一部の性能要件を緩和し、動的なシステムの動作を捉えることを目的としています。C37.118.1の修正版は2014年にリリースされました。IEEE C37.118.1a-2014は、達成不可能と考えられていたPMUの性能要件を修正しました。^[24]

PMU インターフェースで使用されるその他の標準:

• OPC-DA / OPC-HDA —現在XML を使用して Windows 以外のコンピューターで実行できるように一般化されているMicrosoft Windowsベースのインターフェイス プロトコルです。
• IEC 61850変電所自動化の規格
• BPA PDCStream — ボンネビル電力局（BPA）のPDCとユーザーインターフェースソフトウェアで使用されるIEEE 1344の変種。^[13]

• ユーティリティ周波数
• 電力システムの自動化
• 電力伝送
• スマートグリッド

• [3] シンプルで安価な広域周波数測定システム。
• [4] Linux用の無料のオープンソースPhasor Data Concentrator（iPDC）およびPMUシミュレータ。
• [5] ニューヨーク独立システムオペレーター
• [6] GPRS指向のアドホックWAMシステム