电网作为最复杂的电力系统在过去的半个世纪内缓慢地进行着演变。为了使电网更好地稳步运行并提高系统的可靠性与效率,由同步相量测量装置(PMU)构建的广域测量系统(WAMS)为电力系统的稳定运行与实时监测开辟了新的发展方向。在GPS统一授时下,PMU对电力系统中各节点的母线电压、线路电流进行同步采样,并给各状态值打上时标,从而对电网各监测点的状态进行同步监测,保障电网稳定可靠运行。首先介绍了广域测量系统和同步相量测量的基本原理和国内外研究现状,分析并指出了现有PMU的不足。针对所提出的不足,主要作了以下几个方面的研究：(1)鉴于传统的离散傅里叶变换相角测量算法在精度和实时性方面效果不佳,本文分析了在非同步采样下DFT算法的相角误差,推导出相角误差与频率偏移率和采样初相角的函数关系,并提出一种基于偏π/4直角坐标系的相角测量算法。该算法利用坐标系中坐标轴的正交特性以及四相平衡关系,对动态相角误差进行了较好的修正,并且在MATLAB中进行相关仿真校验。(2)考虑到GPS秒脉冲失效时无法提供同步时钟,采用数字锁相技术,并利用电子设计自动化技术设计了PMU守时钟。当GPS稳定工作时,守时钟对所输入的秒脉冲进行跟踪；但当GPS信号出现问题时,守时钟切换到替代模式,提供一定偏差限度内的替代秒脉冲。(3)针对原有的信息模型无法详细地描述PMU,深入分析了原有的PMU模型,和IEC 61850-90-5标准的具体内容,对PMU模型进行了改进,并对该标准的通信服务结构中的各个模块功能进行了详细地解释。从而进一步提高PMU的互操作性,对工程实践具有很好的参考借鉴意义。最后介绍了基于TMS320F28335处理器的PMU装置的软硬件设计。详细阐述了信号采集、滤波、限幅等进行调理的模块,AD转换模块,同步时钟模块以及数据处理模块的设计,以及信号模数转换、同步信号采集、相量运算等相关算法流程设计。