PMU同步相量测量系统简介
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幅值可以用交流电压电流表测量；而相位的大小取决于时 间参考点，同一个信号在不同的时间参考点下，其相角值是不 同的。所以，在进行系统相量测量时，必须有一个统一的时间 参考点 。
电力系统同步相量
电压：U1 相角：δ1
GPS卫星
电压：U2 相角：δ 2
HUB/MAU
NIC
%UTILIZATION
TAB
GD RE I F
的或其它主站的测量数据、事件标识录波文件、实时记录文件。 另外，还可以接收EMS等其它系统的数据。 ➢子站
配置相应的PMU单元
同步相量监测子站系统介绍
Байду номын сангаас
电源
1101 1121
MPC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1401
1101 1121
变送器插件
M PC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
MPC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1401
1101 1121
变送器插件
M PC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1522
开入
1522
开入
1522
开入
1522
开出
主控室
工控机
键盘
同轴电缆标志 光纤线标志 双绞线标志
GPS时钟信号
GPS卫星天线
电力系统同步相量测量典型配置
GPS卫星
电力系统同步相量测量典型配置 PMU系统图
PCS-996 电力系统同步相量测量系统简介
WAMS介绍
中国电力系统正在进行西电东送和全国联网，同时电力市 场化改革也在积极推进之中。在电力工业取得长足发展同时， 电力系统也面临严峻的考验。例如：电网潮流的不确定性加大, 互联电网稳定性水平有下降的可能, 联络线的输送功率限制了 更大规模的功率传送。因此，对电力系统信息采集和运行状态 的监视提出了更高的要求。目前采用的采集的稳态数据和局部 暂态数据已经不能胜任这种大范围的实时动态数据采集任务。
WAMS介绍
WAMS系统由调度端的主站和厂站端的子站PMU装置构成， 是电网动态安全检测预警系统的重要组成部分。电力系统相量 测量技术就是在高精度的时钟同步下，电网各厂站端的PMU实 时地测量电压和电流的相量，并实时地传送到调度端的WAMS 主站，经计算分析后提供电网的相量信息，解决现有系统不能 直接测量相角的缺陷；监测电网的实时动态特性，填补运行人 员不能监测系统动态过程的空白。
目前的电力系统通常都建立了用于测量和监视系统稳态运 行的EMS系统和测量电磁暂态过程的故障录波系统。
EMS系统侧重于监测系统稳态运行，测量周期通常是秒级， 而且不带时标，不同地点之间缺乏准确的共同时间标记。
WAMS介绍
继电保护及故障录波数据的采样频率都在几千HZ以上，带 有时标，但是只在发生故障时采集故障点附近的数据，记录数 据只是局部，并且待续时间短，通常在数秒之内，难以用于对 全系统动态行为的监视和分析。
1522
开入
1522
开入
1522
开入
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开出
电源
1101 1121
MPC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1401
1101 1121
变送器插件
M PC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1522
开入
1522
开入
1522
开入
1522
开出
#3,#4机组录波 功角测量单元
PCS-996B
100M以太网交换机 RCS9883
NR1502 NR1502 NR1525 NR1301 220V
DANGER
DANGER
DANGER
➢PCS-996A装置主要用于变电站、发电厂的母线、线路和主 变等电气量、开关量的采集和记录，并进行各电压、电流的幅 值、相角、及其线性组合功率等相关计算分析，同时将所测的 电压基波正序相量一次值、电流基波正序相量一次值、频率偏 差、频率变化率，实时传送到数据集中器从而上送主站。
GD GD GD GD T2 U3
HELP ALPHA
V0 W.X YZ SHIFT
PMU1
PMU2
➢ 利用GPS的秒脉冲作为统一的时间参考点，测得输电线两端的
电压相量为 U11,U22, 1 2
➢ 两地相角差δ实际上是指在同一时刻两个节点正序电压的相角 差，它是系统运行的重要状态变量之一。利用这个角度，可以得 知两端电力潮流的方向与大小；相角差的大小也反映了静稳裕度 的大小，它的周期变化就表明系统发生了功率振荡。
WAMS系统与现运行的EMS系统、继电保护及故障录波信 息系统在时间分辨率上具有明显差异，处理稳态数据的EMS系 统时间分辨率为秒级，处理暂态数据的继电保护及故障录波装 置时间分辨率为毫秒级，而WAMS系统主要采集、处理动态数 据，因此，时间分辨率亦介于以上两系统之间，约从十毫秒到 几百毫秒。因此，WAMS系统与EMS系统、继电保护及故障录 波信息系统在数据上具有互补性。
JA M7
KB N8
LC O9
ENRTUENR PRINT
4BMNbC/s
GD GD GD GD T2 U3
HELP ALPHA
V0 W.X YZ SHIFT
HUB/MAU
NIC
%UTILIZATION
TAB
GD RE I F
JA KB LC M7 N8 O9
ENRUTNER PRINT
4BMNbC/s
WAMS介绍
GPS、通信技术、DSP领域的进步，为实现电力系统动态 监 测 提 供 了 可 能 。 基 于 成 就 的 GPS 技 术 上 的 PMU 装 置 ， 正 是 WAMS系统的基础。
PMU 能以数千HZ速率采集电流、电压信息、通过计算获 得测点的频率、相位、功角等信息，并以每秒几十帧的频率向 主站发送。PMU通过GPS对时，能保证全网数据同步性，时标 信息与数据同时存储并发到主站。PMU可以连续记录长达半个 月的动态数据，而且可以触发记录暂态数据。电网内的变电站 和发电厂安装PMU后，能使调度人员实时监测到电网的动态过 程。
WAMS介绍
WAMS(Wide Area Measurement System ) 广域测量系统 连续 监视电网运行性能，异常的频率，低频振荡，扰动期间和扰动 后的动态特性。给调度人员提供高质量的信息和分析工具，探 测电网将要发生的紧急情况并降低电网事故。
PMU(Phasor Measurement Unit) 同步相量测量系统 用于电力 系统同步相量测量和输出以及动态过程的记录。PMU和GPS、 高速通信网络、子站和主站分析系统共同构成WAMS，实现了 区域以及跨区域大电网的动态过程监测和分析。
WAN
分析中心站 分析工作站 数据库服务器 数据集中器
LAN
WAN LAN 数据集中器 LAN
EMS系 统
SCAD
A 系统
分析中心站 分析工作站 数据库服务器 数据集中器
LAN
WAN LAN
EMS系 统
SCAD
A 系统
LAN
相量测量单元
实时动态监测系统的结构
➢ 动态监测系统主站 通过数据集中器管理和监测PMU的工作状态，接收来自子站
差）不大于50ms ➢ 装置实时监测数据的输出速率应可整定，有25、50、100次/秒的
可选输出速率 ✓ 装置实时记录数据的最高速率为100次/秒，并具有多种可选记录
速率 ✓ 当电力系统发生下列事件时装置能建立事件标识
a) 频率越限 b) 频率变化率越限 c) 相电压越限 d) 正序电压越限 e) 相电流越限 f) 正序电流越限 g) 线路功率低频振荡 h) 发电机功角越限。
相量一次值、频率偏差、频率变化率，发电机内电势等量，实 时传送到数据集中器从而上送主站。
PCS-996 系列同步相量测量装置硬件
➢ PCS－996A可以同时测量6条线路的交流电流、电压，采集56 路开关量信息。
#5，#6机组录波及 功角测量单元
PCS-996B
#3,#4机组控制室
#5,#6机组控制室
PMU分析主站
路由器 交换机
GPS单元 RCS-9785C
数据集中器
2回500KV线路相量 测量及录波单元 PCS-996A
100M以太网交换机 RCS9883
100M光交换机 RCS9881
光纤线标志
电源
1101 1121
✓ 对静态稳定监视来说，相角测量将为SCADA系统增加一个新的 数据状态量，加快潮流计算的速度。
发电机功角测量
✓ 功角是指发电机空载电势相量Eq与机端电压U 之间的夹角。同步 发电机并网运行后，其功角δ 是用来观察和判断该机组和电力系统并 列运行稳定性的一个很重要的状态量。正常状态发电机功角在30度左 右运行，当功角在90度时是极不稳定的状态，稍有波动过一点就不能 再同步了。
b) 能将所测的电压基波正序相量一次值、电流基波正序相量一次值、 频率、发电机内电势实时传送到多个主站。
PCS-996 相量测量装置功能(2)
实时记录功能：
a) 连续实时记录所测电压电流基波正序相量、三相电压基波相量、三相电 流基波相量、频率及开关状态信号；此外，安装在发电厂时能连续实时 记录发电机内电势。
PCS-996 系列同步相量测量装置硬件
PCS-996系列装置正面视图
运行 报警 同步 录波
区 号
确认 取 消
PCS-996A/B 同步相量测量装置
PCS-996 系列同步相量测量装置硬件
PCS-996A 装置后视图
NR1101C NR1101B NR1121A
NR1401
NR1401
NR1401
➢ 对相角的实时监测能使调度员及时采取措施，以维持系统的 稳定运行。犹如系统的“状态示波器”，为调度员对系统状态的 准确判断提供及时而有力的依据。
电力系统同步相量测量系统总体结构
GPS卫星
GPS卫星天线
电力系统动态安全分析工作站 LAN
WEB服务器 数据库服务器
网关
防火墙
前置机
EMS系统
SCADA 系统
PMU首先1988年配置在美国西部电网中。
同步相量测量的作用
✓ 相量的变化可精确地描述电力系统运行状态的变化。有功潮流基 本上是由母线间的电压相角差来决定的，各母线电压相量是实际 电网运行的状态变量。
✓ 相量分析是交流电网的重要工具，根据电压相量值可以确定系 统的能量函数，其提供的频率测量值可以预测电网中各节点相对 角的趋势，大大地提高判断系统运行稳定性的速度和精度。当系 统受到扰动时，相角测量系统可以为励磁、调速、电容器的接入 等提供反馈控制量，以便进行更有效的控制；当故障时，调度中 心可根据各个点实时相角，判断出那个机组可能失稳并采取相应 的对策，或者在当地根据实时相角进行控制，如切机、切负荷、 解列等，以防止事故的进一步扩大。
b) 当装置监测到电力系统发生扰动时，结合时标建立事件标识，并向主站 发送实时记录告警信息。
c) 记录的数据具有足够的安全性。直流电源中断不会丢失已记录的数据； 无法通过外部访问删除记录数据；无法人工删除和修改记录数据
d) 响应主站召唤向主站传送记录数据
PCS-996 相量测量装置性能（3）
➢ 装置实时监测数据按时间顺序逐次、均匀上送 ➢ 装置实时监测数据的输出时延（相量时标与数据输出时刻之时间
✓ 发电机功角的计算
一般测量发电机功角的方法有3种： ①利用发电厂或变电站测量的电压、电流和功率计算出功角； ②利用键相脉冲检测转子的位置； ③利用转速信号计算功角。
相量概念
正弦信号：
xt 2X sint
采用相量表示为：
X = Ｘ e jφ ＝X cosφ + jX sinφ
相量由两部分组成，即幅值X（有效值）和相位φ，用直角 坐标则表示为实部和虚部。所以相量测量就必须同时测量幅值 和相位。
PCS-996 相量测量装置功能(1)
PCS-996相量测量装置是用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态 记录的装置，其核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去 标准时钟信号的守时能力、与主站之间能实时通信并遵循有关通信协议。
实时监测功能：
a) 同步测量安装点的三相基波电压、三相基波电流、电压电流的基波 正序相量、频率和开关量信号， 安装在发电厂时具有测量发电机内 电势和发电机功角的功能。
PCS-996 系列同步相量测量装置硬件
PCS-996B 装置后视图
NR1101C NR1101B NR1121A
NR1401
NR1401
NR1415G NR1415G NR1416 NR1502 NR1525 NR1301 220V
DANGER
DANGER
➢PCS-996B装置主要用于发电厂机组的同步相量测量，除具备 PCS-996A所有的功能外还可采集、计算和记录发电机内电势、 功角、机组励磁电压、电流、转速、调频等4～20mA的信号量， 并输出4～20mA的信号量；可记录PSS、AVR、调频动作等开 关量。同时将所测的电压基波正序相量一次值、电流基波正序
电力系统同步相量
电压：U1 相角：δ1
GPS卫星
电压：U2 相角：δ 2
HUB/MAU
NIC
%UTILIZATION
TAB
GD RE I F
的或其它主站的测量数据、事件标识录波文件、实时记录文件。 另外，还可以接收EMS等其它系统的数据。 ➢子站
配置相应的PMU单元
同步相量监测子站系统介绍
Байду номын сангаас
电源
1101 1121
MPC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1401
1101 1121
变送器插件
M PC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
MPC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1401
1101 1121
变送器插件
M PC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1522
开入
1522
开入
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开入
1522
开出
主控室
工控机
键盘
同轴电缆标志 光纤线标志 双绞线标志
GPS时钟信号
GPS卫星天线
电力系统同步相量测量典型配置
GPS卫星
电力系统同步相量测量典型配置 PMU系统图
PCS-996 电力系统同步相量测量系统简介
WAMS介绍
中国电力系统正在进行西电东送和全国联网，同时电力市 场化改革也在积极推进之中。在电力工业取得长足发展同时， 电力系统也面临严峻的考验。例如：电网潮流的不确定性加大, 互联电网稳定性水平有下降的可能, 联络线的输送功率限制了 更大规模的功率传送。因此，对电力系统信息采集和运行状态 的监视提出了更高的要求。目前采用的采集的稳态数据和局部 暂态数据已经不能胜任这种大范围的实时动态数据采集任务。
WAMS介绍
WAMS系统由调度端的主站和厂站端的子站PMU装置构成， 是电网动态安全检测预警系统的重要组成部分。电力系统相量 测量技术就是在高精度的时钟同步下，电网各厂站端的PMU实 时地测量电压和电流的相量，并实时地传送到调度端的WAMS 主站，经计算分析后提供电网的相量信息，解决现有系统不能 直接测量相角的缺陷；监测电网的实时动态特性，填补运行人 员不能监测系统动态过程的空白。
目前的电力系统通常都建立了用于测量和监视系统稳态运 行的EMS系统和测量电磁暂态过程的故障录波系统。
EMS系统侧重于监测系统稳态运行，测量周期通常是秒级， 而且不带时标，不同地点之间缺乏准确的共同时间标记。
WAMS介绍
继电保护及故障录波数据的采样频率都在几千HZ以上，带 有时标，但是只在发生故障时采集故障点附近的数据，记录数 据只是局部，并且待续时间短，通常在数秒之内，难以用于对 全系统动态行为的监视和分析。
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开入
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电源
1101 1121
MPC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1401
1101 1121
变送器插件
M PC5200
DSP 插件
1401 变送器插件
1522
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1522
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开出
#3,#4机组录波 功角测量单元
PCS-996B
100M以太网交换机 RCS9883
NR1502 NR1502 NR1525 NR1301 220V
DANGER
DANGER
DANGER
➢PCS-996A装置主要用于变电站、发电厂的母线、线路和主 变等电气量、开关量的采集和记录，并进行各电压、电流的幅 值、相角、及其线性组合功率等相关计算分析，同时将所测的 电压基波正序相量一次值、电流基波正序相量一次值、频率偏 差、频率变化率，实时传送到数据集中器从而上送主站。
GD GD GD GD T2 U3
HELP ALPHA
V0 W.X YZ SHIFT
PMU1
PMU2
➢ 利用GPS的秒脉冲作为统一的时间参考点，测得输电线两端的
电压相量为 U11,U22, 1 2
➢ 两地相角差δ实际上是指在同一时刻两个节点正序电压的相角 差，它是系统运行的重要状态变量之一。利用这个角度，可以得 知两端电力潮流的方向与大小；相角差的大小也反映了静稳裕度 的大小，它的周期变化就表明系统发生了功率振荡。
WAMS系统与现运行的EMS系统、继电保护及故障录波信 息系统在时间分辨率上具有明显差异，处理稳态数据的EMS系 统时间分辨率为秒级，处理暂态数据的继电保护及故障录波装 置时间分辨率为毫秒级，而WAMS系统主要采集、处理动态数 据，因此，时间分辨率亦介于以上两系统之间，约从十毫秒到 几百毫秒。因此，WAMS系统与EMS系统、继电保护及故障录 波信息系统在数据上具有互补性。
JA M7
KB N8
LC O9
ENRTUENR PRINT
4BMNbC/s
GD GD GD GD T2 U3
HELP ALPHA
V0 W.X YZ SHIFT
HUB/MAU
NIC
%UTILIZATION
TAB
GD RE I F
JA KB LC M7 N8 O9
ENRUTNER PRINT
4BMNbC/s
WAMS介绍
GPS、通信技术、DSP领域的进步，为实现电力系统动态 监 测 提 供 了 可 能 。 基 于 成 就 的 GPS 技 术 上 的 PMU 装 置 ， 正 是 WAMS系统的基础。
PMU 能以数千HZ速率采集电流、电压信息、通过计算获 得测点的频率、相位、功角等信息，并以每秒几十帧的频率向 主站发送。PMU通过GPS对时，能保证全网数据同步性，时标 信息与数据同时存储并发到主站。PMU可以连续记录长达半个 月的动态数据，而且可以触发记录暂态数据。电网内的变电站 和发电厂安装PMU后，能使调度人员实时监测到电网的动态过 程。
WAMS介绍
WAMS(Wide Area Measurement System ) 广域测量系统 连续 监视电网运行性能，异常的频率，低频振荡，扰动期间和扰动 后的动态特性。给调度人员提供高质量的信息和分析工具，探 测电网将要发生的紧急情况并降低电网事故。
PMU(Phasor Measurement Unit) 同步相量测量系统 用于电力 系统同步相量测量和输出以及动态过程的记录。PMU和GPS、 高速通信网络、子站和主站分析系统共同构成WAMS，实现了 区域以及跨区域大电网的动态过程监测和分析。
WAN
分析中心站 分析工作站 数据库服务器 数据集中器
LAN
WAN LAN 数据集中器 LAN
EMS系 统
SCAD
A 系统
分析中心站 分析工作站 数据库服务器 数据集中器
LAN
WAN LAN
EMS系 统
SCAD
A 系统
LAN
相量测量单元
实时动态监测系统的结构
➢ 动态监测系统主站 通过数据集中器管理和监测PMU的工作状态，接收来自子站
差）不大于50ms ➢ 装置实时监测数据的输出速率应可整定，有25、50、100次/秒的
可选输出速率 ✓ 装置实时记录数据的最高速率为100次/秒，并具有多种可选记录
速率 ✓ 当电力系统发生下列事件时装置能建立事件标识
a) 频率越限 b) 频率变化率越限 c) 相电压越限 d) 正序电压越限 e) 相电流越限 f) 正序电流越限 g) 线路功率低频振荡 h) 发电机功角越限。
相量一次值、频率偏差、频率变化率，发电机内电势等量，实 时传送到数据集中器从而上送主站。
PCS-996 系列同步相量测量装置硬件
➢ PCS－996A可以同时测量6条线路的交流电流、电压，采集56 路开关量信息。
#5，#6机组录波及 功角测量单元
PCS-996B
#3,#4机组控制室
#5,#6机组控制室
PMU分析主站
路由器 交换机
GPS单元 RCS-9785C
数据集中器
2回500KV线路相量 测量及录波单元 PCS-996A
100M以太网交换机 RCS9883
100M光交换机 RCS9881
光纤线标志
电源
1101 1121
✓ 对静态稳定监视来说，相角测量将为SCADA系统增加一个新的 数据状态量，加快潮流计算的速度。
发电机功角测量
✓ 功角是指发电机空载电势相量Eq与机端电压U 之间的夹角。同步 发电机并网运行后，其功角δ 是用来观察和判断该机组和电力系统并 列运行稳定性的一个很重要的状态量。正常状态发电机功角在30度左 右运行，当功角在90度时是极不稳定的状态，稍有波动过一点就不能 再同步了。
b) 能将所测的电压基波正序相量一次值、电流基波正序相量一次值、 频率、发电机内电势实时传送到多个主站。
PCS-996 相量测量装置功能(2)
实时记录功能：
a) 连续实时记录所测电压电流基波正序相量、三相电压基波相量、三相电 流基波相量、频率及开关状态信号；此外，安装在发电厂时能连续实时 记录发电机内电势。
PCS-996 系列同步相量测量装置硬件
PCS-996系列装置正面视图
运行 报警 同步 录波
区 号
确认 取 消
PCS-996A/B 同步相量测量装置
PCS-996 系列同步相量测量装置硬件
PCS-996A 装置后视图
NR1101C NR1101B NR1121A
NR1401
NR1401
NR1401
➢ 对相角的实时监测能使调度员及时采取措施，以维持系统的 稳定运行。犹如系统的“状态示波器”，为调度员对系统状态的 准确判断提供及时而有力的依据。
电力系统同步相量测量系统总体结构
GPS卫星
GPS卫星天线
电力系统动态安全分析工作站 LAN
WEB服务器 数据库服务器
网关
防火墙
前置机
EMS系统
SCADA 系统
PMU首先1988年配置在美国西部电网中。
同步相量测量的作用
✓ 相量的变化可精确地描述电力系统运行状态的变化。有功潮流基 本上是由母线间的电压相角差来决定的，各母线电压相量是实际 电网运行的状态变量。
✓ 相量分析是交流电网的重要工具，根据电压相量值可以确定系 统的能量函数，其提供的频率测量值可以预测电网中各节点相对 角的趋势，大大地提高判断系统运行稳定性的速度和精度。当系 统受到扰动时，相角测量系统可以为励磁、调速、电容器的接入 等提供反馈控制量，以便进行更有效的控制；当故障时，调度中 心可根据各个点实时相角，判断出那个机组可能失稳并采取相应 的对策，或者在当地根据实时相角进行控制，如切机、切负荷、 解列等，以防止事故的进一步扩大。
b) 当装置监测到电力系统发生扰动时，结合时标建立事件标识，并向主站 发送实时记录告警信息。
c) 记录的数据具有足够的安全性。直流电源中断不会丢失已记录的数据； 无法通过外部访问删除记录数据；无法人工删除和修改记录数据
d) 响应主站召唤向主站传送记录数据
PCS-996 相量测量装置性能（3）
➢ 装置实时监测数据按时间顺序逐次、均匀上送 ➢ 装置实时监测数据的输出时延（相量时标与数据输出时刻之时间
✓ 发电机功角的计算
一般测量发电机功角的方法有3种： ①利用发电厂或变电站测量的电压、电流和功率计算出功角； ②利用键相脉冲检测转子的位置； ③利用转速信号计算功角。
相量概念
正弦信号：
xt 2X sint
采用相量表示为：
X = Ｘ e jφ ＝X cosφ + jX sinφ
相量由两部分组成，即幅值X（有效值）和相位φ，用直角 坐标则表示为实部和虚部。所以相量测量就必须同时测量幅值 和相位。
PCS-996 相量测量装置功能(1)
PCS-996相量测量装置是用于进行同步相量的测量和输出以及进行动态 记录的装置，其核心特征包括基于标准时钟信号的同步相量测量、失去 标准时钟信号的守时能力、与主站之间能实时通信并遵循有关通信协议。
实时监测功能：
a) 同步测量安装点的三相基波电压、三相基波电流、电压电流的基波 正序相量、频率和开关量信号， 安装在发电厂时具有测量发电机内 电势和发电机功角的功能。
PCS-996 系列同步相量测量装置硬件
PCS-996B 装置后视图
NR1101C NR1101B NR1121A
NR1401
NR1401
NR1415G NR1415G NR1416 NR1502 NR1525 NR1301 220V
DANGER
DANGER
➢PCS-996B装置主要用于发电厂机组的同步相量测量，除具备 PCS-996A所有的功能外还可采集、计算和记录发电机内电势、 功角、机组励磁电压、电流、转速、调频等4～20mA的信号量， 并输出4～20mA的信号量；可记录PSS、AVR、调频动作等开 关量。同时将所测的电压基波正序相量一次值、电流基波正序