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广域测量系统在电力系统的发展与展望


2006年3月 第7卷第3期

电力
EIecIncaI

设备 Equ.pmm

MaL 2006 Vo|.7 NO.3

广域测量系统在电力系统的发展与展望
吴京涛1,谢小荣2,王立鼎1,胡
炯1,张 涛1
(1.北京四方继保自动化股份有限公司,北京市100

085;2.清华大学,北京市100084) 摘要:文章介绍了我国电力系统广域测量系统(WAMs)的发展过程,以及对近2年在国内建设的包括国调中心、东北网 调、华北网调和南方网调等在内的一批新型广域测量系统进行了介绍。并对2005—2010年我国的wAMS建设进行了展 望,提出应在数据共享、模型修正和动态控制等方面进行深入发展。 关键词:广域测量系统;相量测量装置;电网动态安全监测 中图分类号:TM711

广域测量系统(wide

Area

Me髂urement System,

年前后国内研究重点是如何利用wAMS实现电力系 统动态过程监控。 1997年,PMu测量系统在黑龙江省电网投入试 验运行,标志我国已经初步具备了自主研发wAMS 的能力¨J。1998年前后,中国电力科学研究院引进台 湾欧华公司ADx3000监录装置,在华东和南方电网 建设了我国早期的具有WAMs部分特征的电网动态 过程监测和记录系统。虽然受当时条件的限制,

wAMS)是以同步相量测量技术为基础,以电力系统 动态过程监测、分析和控制为目标的实时监控系统。 wAMs具有异地高精度同步相量测量、高速通信和快 速反应等技术特点,它非常适合大跨度电网,尤其是 我国互联电网的动态过程实时监控。

国外wAMs技术的研究和开发可追溯到1990年
以前,1995年前美国已经有工业化的相量测量装置 (PMu),2000年提出wAMs概念¨.2 J。2003年 “8.14”美国大停电事故推进了wAMS的建设,并促 进wAMs应用研究成果向工业领域转化。 2000年以前,我国主要进行相量测量技术的研 究和PMu试验装置的开发;2000年以后,我国研制出 满足工业环境要求的PMu和数据集中系统(主站), 多个网调和省调纷纷建成了wAMs。wAMs技术应用 的研究也成为当前国内各大院校和研究机构的热点。 本文结合作者的研究和工程实践,重点回顾了我 国最近3年来在wAMS方面的建设情况,并对我国 WAMS未来5年的发展进行了展望。


AD碣000系统采用了Modem传输方式,通信协议不
满足IEEE 1344,它仍然对我国电力系统认识wAMs 技术发挥了积极作用。


WAMS标准化
我国从开始阶段就特别重视wAMS的标准化工

作,这利于未来多个供应商的不同PMU/wAMs可以 方便互联。在国家电力调度通信中心的领导下,北京 四方继保自动化股份有限公司、中国电科院、华北电 力设计院和国内各大区电网公司共同参与,2003年3 月颁布了《电力系统实时动态监测(控制)系统技术 规范》(试行版)(以下简称《规范》)。《规范》以 IEEE c37.118为基础,根据我国实际情况补充完成。 其通信协议与IEEE C37.118完全一致,使国外的 PMu也可以接入我国主站系统。《规范》还补充了 wAMs子站和主站的通信流程和方式。此后,华北、 国调中心和东北电网wAMs的工程实践证明《规范》 有效保证了国内外厂家PMu的数据共享。 2004年10月,《规范》完成第一次修订,各大电 网公司参与热情显著提高。此次修订进一步明确了 相角和发电机内电势的概念,它使各PMu设备不仅 在通信协议上方便互联,在数据内容和物理意义上也 保持一致,对进一步制定PMu的检测标准具有重要 指导意义。《规范》明确要求相量测量装置优先接入 测量TA回路,以电网动态过程监测为主,暂态过程 记录为辅,把相量测量装置和故障录波器严格区分 开。由于国内已经建成若干wAMs主站,《规范》补

2000年以前WMS技术的研发
1993年左右,wAMs技术传人我国。全球卫星定
Positioning

位系统(Global

System,GPS)的定时功能成

为电力系统同步测量的廉价、可靠和高精度时钟源。 1994年,清华大学在国家自然科学基金的支持 下开展了wAMs技术的系统化研究旧.4 J。华北电力 大学、中国电力科学院、东北电力学院和西安交通大 学等也相继开展了wAMS技术研究。1995年前后, 国内研究重点是同步相量测量算法及其实现方式。 相量测量算法需完成在非工频周期、三相不对称和谐 波影响下得到误差不超过0.1度的测量结果,继电保 护领域广泛采用的过零点检测方式被证明不能满足 相量测量的要求。国内外学者提出多种基于DFr算 法的误差补偿方案,其中瞬时频率概念对重新认识电 力系统的周期交变信号模型提供了重要帮助。1998

万   方数据

新成果与技术应用

吴京涛等:广域测量系统在电力系统的发展与展望

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充规定了wAMs主站数据交换的协议和内容,对构 建全国wAMS联合动态监测系统提供了参考。

系统与国外在建的wAMS相比呈现出以下几个新的技 术特点:①PMu子站采用电力数据网或2M专线向主站 上送数据。子站上送速度通常为50次/8,最高达到100

3国内WAMS工程的新实践
2000年以前,华东、南方和福建等电网均安装了 ADx3000系统用于相角测量和记录,其他同步相量 测量工程还带有明显的科研性质,不具备大规模推广 应用的条件。 2000年以后,美国首先提出了wAMs的概念,其 充分强调了PMu联网的必要性,wAMs从早期以动 态数据记录和离线分析为主转变为实时动态监测、分 析和控制。2003年,美国“8.14”大停电为我国敲响 了警钟,电力系统的安全问题得到中央和各级电力部 门的高度重视。wAMs因其与EMs等传统测量和控 制手段的技术比较优势,倍受各大电网公司的关注, 几乎与美国东部电网相量测量工程同步,我国也相继 实施了若干wAMs项目,它们加速了我国wAMs技 术的工业转化,并掀起了新一轮wAMS应用研究的 热潮。 2002年,北京四方继保自动化股份有限公司和 清华大学合作致力于wAMS产品的开发工作。这种 产学研紧密结合的方式,充分发挥了双方的优势,当 年即推出css一200电力系统动态安全监测第一代产 品。2002年底,css一200首先在江苏电网wAMs一 期工程中投入使用M J。 2003年后,国调、华北、东北和南方电网等均建 设了各自的广域测量系统,并都采用了css一200的 解决方案。2004年,华东电网广域测量、分析和保护
(Wide
Area

次/s。②PⅫ子站具备同时向多个主站发送数据的功
能。③PMu子站具备连续无条件记录功能,不受启动条 件限制,保证距离扰动较远的子站也可记录数据,可得到

完整的扰动记录波形。④安装在电厂的PMU子站均具
备发电机内电势测量功能,有的还直接测量转子键相脉

冲信号、励磁电压和励磁电流信号。⑤舢子站多为分
lIlsl7 J。

布式、装置化的测量系统。⑥wA懈主站可向应用工作
站发送实时同步数据,总延迟不超过100 ⑦wAMs主站系统均采用类似EMS的体系结构,以

uNⅨ操作系统为主。⑧主站和子站之间多采用《规范》
协议,保证系统可方便扩展。


PMU布点的原则

P姗布点问题不是孤立的,必须以wAMS的应用
目的为出发点。国内wAMs以监测电网动态过程为主, 所以mⅢ应优先放在与电网稳定关系密切的发电厂和 变电站。PMu尚不具备替代RTU的条件,因此不宜在 电网中各厂站全面安放。此外,wAMs应以省网为最小 单位,地区级调度没有必要考虑组建独立wAMs。 不同的电网,其关心的稳定问题不同,PMu布点 的原则也会发生变化。通常布点原则可概括为:①重 要的500 kV变电站,包括大电源送端出口变电站、枢 纽变电站、负荷中心变电站和网间联络线两侧的变电 站。②重要的发电厂,通常机组容量在300 Mw以 上,包括位于电网边缘地区和负荷中心的重要发电 厂。③与电网稳定密切相关的重要的220 kV变电站。 根据上述布点原则,有经验的系统分析和运行人 员可以初步确定可能的PMu布点位置,如果有条件 可辅助动态特征值分析确定各布点的灵敏度。通常, 人为确定的正确率在90%以上。 除上述布点原则外,国内外也有提出以状态估计为

Measurement Analysis Pmtection,WAMAP)

计划也把wAMs建设纳入其中,并采用了电科院 PAC一2000和南瑞系统的sMu一1相量测量装置。 2004年,河南省调与河海大学合作开发了wAMS系 统,主要布置在河南省内的发电厂。2002~2004年我 国建设投运的标准wAMS项目见表1。
表1 2002~2004年我国建设投运的标准WAMS 变电站PMU子站数量/个发电厂PMu子站数量/个

目标的,即保证系统可观测性的PMU布点方法,目前国
内对用完全基于PMu的状态估计方案尚没有实际需求。


wAMs主站

WAMS数据共享
由于我国电网实行分级调度——省调只管理省内

挖0 kV及以下电网,网调仅管理500 kV电网,同一省网

内的发电厂分别由省调和网调管理,造成省调自建的

wAMS只能观察到省网内的2加kV以下电网,大区电网
wAⅣIS仅能观察到本区网内的500 kV骨干网架。我国 各大区电网互联后,大区电网除关心区内运行情况外还 应关心区域边界对侧、甚至相邻区域重要电源的运行情 况,省网缺乏省内500 kV骨干网架的动态信息,也不利 于全面分析省内电网的动态过程。因此省调、网调和国 调的WAMS应对重要数据实现共享。wAMs数据实时

4新WAMS的技术特点
2002年后,我国建设的新wAMS与此前的AI)x3000

万   方数据

电力设备

第7卷第3期

共享,可充分发挥广域测量的技术特点。wAMs监测的 区域电网越广阔,WAMS技术的优势越突出。 数据共享方式有2种:①一个PMu子站同时向 多个wAMs主站发送数据,适合已经具备直送通道 条件的子站向省调、网调主站上送数据,例如华北电 网wAMs主站与国调wAMs主站共用河北邯东变电 站PMu子站的数据;②wAMs主站之问交换数据,适 合不具备通道条件的子站向外区、外省电网传送数 据,例如云南省调wAMs需通过南方网调的wAMs 得到广东负荷中心PMu的参考相量。

记录了2次试验的全部过程,见图2。为分析我国大 区互联电网动态过程提供了第一手资料,也是我国首 次得到如此大范围的同步相量扰动数据。2004年7 月30日,广东省切负荷7l万kw和2004年10月6 日云南与南方电网解列事件,广东省wAMs及时记 录了系统频率变化的全过程,见图3、图4。

7典型记录曲线
目前投运的系统多次记录到系统中典型的扰动, 对分析仿真计算模型的正确性具有重要作用。例如, 2004年10月28日江苏省过江线故障后伴随的稳控 装置动作切机过程是我国第一次在省网级多点记录 到的故障后动态过程,见图1。2004年3月25目东 北大扰动试验中,在合南线进行了2次人工三相短路 试验,这是国际上少有的在500 kV实际系统上进行 人工三相短路试验,东北、华北和国调的wAMs同时
图2 2004年3月25日东北大扰动试验

图3

20(】4年7月30日广东损失负荷
7l

Mw频率变化过程

图4

2004年lO月6日云南电网与南方 电网解列频率变化过程



2005—2010年WAMS应用展望
2005年以后我国的wAMs技术将逐渐走向成

熟,新的应用也将不断涌现。概括起来,应注意做好 以下几项工作:
(b)发电机内电势相对斗山变电站母线电压 (含机端升压变压器30。相移) 图l 2003年10月28日江苏安控动作切机

(1)建立全国wAMS互联系统。实现国调一 东北一华北一西北一华中一华东wAMs数据共享, 实现南网调一广东一广西一贵州一云南wAMs数据

万   方数据

新成果与技术应用

吴京涛等:广域测量系统在电力系统的发展与展望

49

共享。

[5]wu J T,K帆g W C,H肌Y
control
8ystem

D,et

al,Dyn蛐ic啪血t耐Ilg锄d
phasor me翳uremem
IEEE in

(2)落实基于wAMs数据修正仿真计算模型。
建立wAMs电网事故分析的管理制度,使仿真计算

bllsed

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power

heilon西iaIlg

e鹕tem

system,Proceedin挚of

PES

模型校核与修正工作制度化。
(3)落实wAMs测量结果提供给调度员。用 最简单赢观的方式辅助调度员决策,让调度员真
[6]

Winter MeetiIlg 2000,J孤.23~27,2000,SiIIgapoIe. 罗建裕,王小英,鲁庭瑞,等,基于广域测量技术的电网实时动 态监测系统应用.电力系统自动化,2003,27(24):78—80. [7]胡志祥,谢小荣,肖晋宇,等.广域测量系统的延迟分析及其测 试.电力系统自动化,2004,28(15):39—43. [8]

正从wAMS中获得好处。
(4)建立PMU的质量检测体系。包括相量测 量的精度检测,角度和频率,静态和动态,通信协 议标准化检测,实时数据传输协议,相量测量的时

肖晋宇.基于PMu/wAMs的互联电网广域阻尼控制研究[博
士学位论文].北京:清华大学电机工程与应用电子技术系,
20(14.

效性检测,数据处理时间和相量存储功能检测等。
(5)在有条件的地区电网实现基于WAMS的 广域动态稳定控制"J。

收稿日期:2006-09一07 作者简介: 吴京涛(1970‘),男,博士,从事电力系统广域测量系统、

9参考文献
[1]
Phake A G.

synchmnized phasor me够u糟ments
on

in iIl

p删旧r

8ystems

安全稳定控制系统的研究与开发工作; 谢小荣(1975一),男,博士,主要研究方向为电力系统分析 与控制、同步相量技术和FAClS技术;

[J].ⅢEE Tr舭s 6(2):10~15. [2]
DisturbaIlce

computer Applications

Power,1993,

Monit础ng

work

G∞up.wscc

pl觚for dynaIIlic

pe面咖柚ce蛐d disturbance m砌toring,20(Io.
[3] 丁仁杰.电力系统同步相量动态测量技术的研究与实现[博士 学位论文].北京:清华大学电机工程与应用电子技术系。1995. [4] 吴京涛.基于PMU的电力系统动态监测系统软件包的框架研 究[博士学位论文].北京:清华大学电机工程与应用电子技术 系,2001.

王立鼎(1974一),男,硕士,工程师,从事电力系统广域测 量系统主站系统的开发工作。

(责任编辑赵杨)

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?综合信息?

由上自仪公司总工程师许大庆主持的国家

合浙大中控、四联集团等13家国内主要仪器仪
表厂商共同完成。验收会议上,公司总工程师许

863计划重点课题——基于EPA标准的现场变送
器研究与开发项目,通过了国家科技部863计划 集成制造系统技术主题组织在杭州召开的EPA 课题验收会的验收。该课题以该公司为依托,联

大庆和技术中心课题组长包伟华代表课题组作
了该课题的工作报告和技术报告。

万   方数据

广域测量系统在电力系统的发展与展望
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 吴京涛, 谢小荣, 王立鼎, 胡炯, 张涛, WU Jing-tao, XIE Xiao-rong, WANG Liding, HU Jiong, ZHANG Tao 吴京涛,王立鼎,胡炯,张涛,WU Jing-tao,WANG Li-ding,HU Jiong,ZHANG Tao(北京四方继保 自动化股份有限公司,北京市,100085), 谢小荣,XIE Xiao-rong(清华大学,北京市,100084) 电力设备 ELECTRICAL EQUIPMENT 2006,7(3) 4次

参考文献(8条) 1.Phake A G Synchronized phasor measurements in power systems 1993(02) 2.Disturbance Monitoring Work Group WSCC plan for dynamic performance and disturbance monitoring 2000 3.丁仁杰 电力系统同步相量动态测量技术的研究与实现[学位论文] 1995 4.吴京涛 基于PMU的电力系统动态监测系统软件包的框架研究 2001 5.Wu J T.Kong W C.Han Y D Dynamic monitoring and control system based on synchronized phasor measurement in heilongjiang eastern power system 2000 6.罗建裕.王小英.鲁庭瑞 基于广域测量技术的电网实时动态监测系统应用[期刊论文]-电力系统自动化 2003(24) 7.胡志祥.谢小荣.肖晋宇 广域测量系统的延迟分析及其测试[期刊论文]-电力系统自动化 2004(15) 8.肖晋宇 基于PMU/WAMS的互联电网广域阻尼控制研究 2004

相似文献(10条) 1.期刊论文 王彬彬.程刚.WANG Bin-bin.CHENG Gang 广域测量系统中的同步相量测量装置 -九江学院学报 2009,28(3)
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广域测量系统(WAMS)的高级应用功能高度依赖于相量测量装置(PMU)的动态数据质量.迄今为止,各厂家的PMu产品只是在实验室内进行过离线检验,而 在实际运行环境中的精度并没有严格地经过检验.因为许多现场环境中的实际信号难以在实验室中复现,因此有必要在WAMS主站开发相量测量算法,对 PMU自身记录的采样教据(暂态录波数据)进行分析计算,计算结果应与同时段该PMU上传的动态数据进行比较,从而判断PMU动态数据质量的好坏.最后以华 北电网广域测量系统的实测数据为例,论证了PMU动态性能在线监测的必要性与可行性.

3.学位论文 季坤 广域测量系统(WAMS)中同步相量测量装置及其通讯方式的研究 2005
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4.期刊论文 周泽昕.张道农.张晓莉.王兆家.周济.徐石明.ZHOU Ze-xin.ZHANG Dao-nong.ZHANG Xiao-li.WANG Zhao-jia.ZHOU Ji.XU Shi-ming 《电力系统同步相量测量装置检测规范》的编制 -电网技术2008,32(5)
介绍了关于广域测量系统系列标准中的<电力系统同步相量测量装置检测规范>的编写背景及编写意义,结合我国电力系统现状,分析了编写同步相量 测量装置检测规范的迫切性.阐述了该检测规范的框架结构,对规范的主要内容,如功能检验、性能试验、抗电磁干扰试验等,进行了介绍.

5.期刊论文 丁军策.蔡泽祥.王克英.DING Jun-ce.CAI Ze-xiang.WANG Ke-ying 基于广域测量系统的状态估计研究 综述 -电力系统自动化2006,30(7)
广域测量系统(WAMS)的逐步发展给电力系统在线分析方法提供了一个新思路.针对WAMS测量精度高、具有同步相量测量功能以及数据传输快等特点 ,分别从引入高精度节点电压相量量测的状态估计算法、引入高精度支路电流相量量测的算法、引入全部WAMS量测的算法以及其他与WAMS状态估计相关的 问题等4个方面,介绍了目前引入WAMS量测的各种状态估计算法;并详细分析了各种算法的优缺点和适用范围,从工程应用出发研究其可行性,对部分算法给 出了改进措施.讨论了WAMS的不良数据检测与辨识问题、相量测量装置(PMU)的最优配置问题以及基于PMU的动态状态估计和谐波状态估计等与WAMS状态估 计相关的其他问题.

6.学位论文 王英涛 广域测量系统及其应用 2003
随着中国三峡工程及全国互联网等工程的持续进行,中国电网规模越来越大,运行方式越来越复杂,如何加强中国大电网的可靠性成为备受关注的问题 .广域测量技术是近年来电力系统前沿技术中最活跃的领域之一.该技术是基于同步相量测量技术,在现代高速的通信网络的支持下,对地域广阔的电力系 统运行状态进行监测和分析,为电力系统实时控制和运行服务的系统.广域测量系统构成电力系统动态信息平台,当前对电力系统动态过程监测,加强互联 网的可靠性有着重要的意义;另外,广域测量系统对电力系统控制、保护、规划、分析等领域也有着深远的影响.目前广域测量系统在中国进入实质性研发 、应用阶段,该文是在中国电力科学研究院开发广域测量系统及其相量测量装置的背景下完成的,作者参与了广域测量系统的调研,相量测量装置的规范制 定、软件设计及编程、调试等工作,论文是在这些工作基础上完成的.该文内容主要如下:1)介绍广域测量系统的发展背景,分析广域测量系统在电力系统 中的作用、地位;介绍广域测量系统的体系结构及应用情况.2)分析同步相量测量的原理,比较目前的同步相量测量、及频率的算法,并根据对频率偏移对 相量测量的影响,提出基于傅立叶转换的同步相量精确算法.3)根据IEEE 1344-1995(R2001)《电力系统同步相量标准》、电力系统实时动态监测(控制)系 统技术规范(试行)》,制定同步相量测量装置的技术规范.4)介绍以QNX实时操作系统为平台的PMU软件设计原理、及框架设计,介绍基于实时操作系统的网 络通信方法.5)根据调研,对广域测量系统在电力系统中的应用进行综述,对其应用前景做了简要分析,并提出WAMS的发展规划.

7.期刊论文 王茂海.谢开.徐正山.WANG Mao-hai.XIE Kai.XU Zheng-shan 广域测量系统的数据记录密度探讨 -继 电器2008,36(4)
国家电网公司对广域测量系统(WAMS)的定位是:"主要采集处理电力系统动态数据".根据这一定位,时广域测量系统的数据记录密度进行了探讨.提出 ,随着串联补偿装置及直流输电的广泛应用,广域测量系统的数据记录密度应具备对次同步振荡过程进行监测分析的能力.同时,结合信号处理知识提出,要 实现对次同步振荡动态过程的正确监测分析,动态数据的记录密度应达到100帧/秒以上.利用托克托电厂6#机做扭振试验时华北电网广域测量系统的实际 记录数据,进行了不同数据记录密度下的频谱分析,分析结果充分论证了本文的观点.

8.会议论文 徐石明.丁孝华.徐晨亮.张厚才 同步相量测量装置的设计及应用 2004
针对目前国内WAMS系统的推广及应用,着重介绍了相量测量装置(PMU)的设计、应用功能、现场应用、数据传输等内容.

9.学位论文 许勇 QNX嵌入式实时操作系统在电力系统相量测量装置中的应用 2004
近些年来,在工业控制领域中由于对装置的可靠性和实时性的要求越来越高,实时操作系统得到了越来越广泛的应用。本文详细介绍了以QNX嵌入式 实时操作系统为运行平台的电力系统相量测量装置(以下简称PMU)的软件设计原理和实现方法。 随着全国联网、西电东送、南北互供工程的实施,我国电网规模越来越大,运行方式也越来越复杂,如何提高我国大电网的运行可靠性成为备受关 注的问题。广域测量技术是近年来电力系统前沿技术中最活跃的领域之一,该技术是基于同步相量测量技术,在现代高速的通信网络的支持下,对地域 广阔的电力系统运行状态进行监测和分析。PMU是电力系统广域测量系统中的核心部件,它负责实时、同步地采集电力系统各监测点的数据,并将数据高 速传送到主站。 目前广域测量系统在我国即将进入大面积推广应用阶段,国内很多科研院所及单位都在积极地投入人力、物力进行广域测量技术的研究及系统的开 发工作。本文是在中国电力科学研究院开发广域测量系统及其相量测量装置的背景下完成的,笔者作为开发者之一参与了新一代电力系统相量测量装置 PAC一2000的开发、调试工作,论文是在这些工作的基础上完成的。 本文内容主要如下: 1)介绍广域测量系统的发展背景,构成及在电力系统中的应用。 2)介绍QNX嵌入式实时操作系统的特点。 3)阐述基于QNX的PMU软件设计原理及具体的实现方法。

10.期刊论文 张梓奇.苏健祥 广域测量系统在电力系统中的应用 -现代商贸工业2007,19(1)
广域测量技术是近年来电力系统前沿技术中最活跃的领域之一.论述了广域测量系统(Wide-Area MeasurementSystem,WAMS)在电力系统稳态分析、全 网动态过程记录和暂态稳定预测及控制、电压和频率稳定监视及控制、低频振荡分析及抑制、全局反馈控制等方面的应用,对其应用前景做了简要分析 ,并提出WAMS的发展规划.

引证文献(4条) 1.管秀鹏.孙元章.程林 基于综合广域信息的负荷参数辨识方法[期刊论文]-电力自动化设备 2009(1) 2.王成山.柴华.谢小荣.韩英铎 综合负荷模型动静负荷比例的在线辨识[期刊论文]-电力系统及其自动化学报 2008(3) 3.张爽 基于PMU的广域电网相量测量系统概述[期刊论文]-广东电力 2007(12) 4.刘炳旭.赵建国.高厚磊 Windows环境下相量测量系统性能分析[期刊论文]-电力自动化设备 2007(4)

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