直接測量發電機功角和內角的方法
2023-07-20 10:58:26 1
專利名稱：直接測量發電機功角和內角的方法
技術領域：
本發明公開了一種採用轉軸鍵相信號和機端電壓相量直接測量發電機功角和內電勢相角的方法，主要應用於廣域測量系統(WAMS)的同步相量測量裝置中，屬於電力系統及其自動化領域。
背景技術：
近年來，美國、歐洲、俄羅斯相繼發生大面積停電事故，對國民經濟和社會安定造成嚴重影響。為了確保區域電網安全穩定運行，國內外大電網、研究機構、跨國公司均加強對電網動態穩定監控技術的研究，相繼在樞紐變電站和大型發電廠安裝相量測量裝置(PMU)，加快廣域測量系統(WAMS)的應用，實施電網動態穩定監控。
發電機功角和內電勢相角的檢測方法一直是國際電機領域尚未突破的技術難點，國際電工委員會(IEC)也未形成國際標準。2005年中國大連IEEE亞太地區輸變電技術交流會議專題研討表明，國際上技術發達的國家和跨國公司生產的相量測量裝置(PMU)大都不具備檢測發電機功角和內電勢相角的功能。我國電力行業標準《電力系統實時動態監測系統技術規範》已正式提出測量發電機功角和內電勢相量的要求，高速和準確測量發電機功角和內電勢相角是電網動態穩定監測系統PMU的關鍵測量技術，涉及檢測機組電氣同步相量、轉軸空間位置、機組內電勢相角和初相角的高科技方法，需要綜合應用當今國際先進技術，包括全球衛星時鐘同步技術、電氣同步相量測量技術、發電機空載狀態和轉軸位置檢測技術，才能對高速運轉的發電機功角和內電勢相角實現動態和暫態的精確測量。
正在研究和試驗的發電機功角和內電勢相角測量方法從原理上分為兩大類，一類為間接測量法，另一類為直接測量法。間接測量法其一，測量發電機轉速和機端電流及電壓相量，通過對機組轉速求積分的方式計算轉軸位置變化，以等效電路模型的積分常數為內電勢初相角，進而計算發電機功角和內電勢相角；間接測量法其二，僅測量機端電流及電壓相量(純電氣測量法)，採用派克方程建立發電機實用測量動態模型，輔以暫態功角修正公式，計算機組空載內電勢相量和發電機功角。由於機組勵磁曲線的非線性，製造廠提供的機組直軸和交軸同步電抗參數存在偏差，電網擾動時電機暫態過渡過程導致計算誤差，使間接測量法的計算結果存在較大誤差且不穩定，在電網或發電機暫態擾動和故障的情況下，發電機功角和內電勢相角的測量精度往往無法保證。
通常情況下，PMU裝置在規定的時間斷面(如10ms/20ms/40ms等)測量並計算出每個電氣量的幅值和角度。發電廠的PMU裝置除了要測量升壓站的各條輸電線路的同步電氣相量外，還要測量發電機組機端同步電氣相量，包括1)機端A相電壓同步相量Ua/ua；2)機端B相電壓同步相量Ub/ub；3)機端C相電壓同步相量Uc/uc；4)機端正序電壓同步相量U1/u1；5)機端A相電流同步相量Ia/ia；6)機端B相電流同步相量Ib/ib；7)機端C相電流同步相量Ic/ic；8)機端正序電流同步相量I1/i1；9)內電勢同步相量ε/ε；
10)發電機功角δ。
PMU裝置對機端三相電壓和電流進行高速等間隔採樣，運用富立葉變換公式計算機端電壓和電流的效值及相角，而發電機內電勢ε/ε和功角δ則無法直接測量獲得。目前，大多採用間接測量方法，根據上述測定的機端電氣相量和機組轉速，先以下列公式計算發電機功角δ和機組空載內電勢初相角，然後計算機組內電勢的絕對相角。
發電機內電勢矢量表示為Eq＝(U+Xq*I*Sinφ)+j(Xq*I*Cosφ+(Xd-Xq)*Id)……………………(1)其中發電機直軸電流為Id＝I*Sin(δ+φ) ……………………………………(2)發電機交軸電流為Id＝I*Cos(δ+φ) …………………………………(3)因此，發電機功角為=arctg(Xq*I*CosU+Xq*I*Sin)---(4)]]>然後，根據下式計算發電機內電勢的絕對相角ε＝u1+δ…………………………………………(5)此種間接測量機組功角和內電勢相角的方法，由於機組勵磁曲線的非線性，製造廠提供的機組直軸和交軸同步電抗參數存在偏差，電網擾動時電機暫態過渡過程導致計算誤差，使間接測量法的計算結果存在較大誤差且不穩定，在電網或發電機暫態擾動和故障的情況下，發電機功角和內電勢相角的測量精度往往無法保證。
發明內容
本發明提供一種直接測量法，利用大型發電機組都裝備的用於檢測機組轉軸動態平衡的轉軸鍵相脈衝信號(每一轉產生一個脈衝信號)，通過自動跟蹤和瞬間識別機組空載狀態(機組轉速和機端電壓達到額定值及機端電流突變的時刻)，直接測定機組內電勢初相角，通過測量轉軸鍵相脈衝與機端正序電壓的相角差，扣除內電勢初相角後獲得發電機功角。
該方法的步驟是1)在發電機空載時測得頻率f0、時間t10、t20、機端正序電壓相角u10，則機端正序電壓的絕對相角u10＝2*π*f0*t10；機組轉軸位置脈衝的絕對相角p0＝2*π*f0*t20；電機空載時的內電勢初相角為α＝u10-p0＝2*π*f0*(t10-t20)；其中t10為機端電壓過零時間，t20為轉軸位置信號鍵相肪衝或轉速脈衝信號脈衝上升沿時間；2)在發電機正常運行時測得頻率f、時間t1、t2、機端正序電壓相角u1，則發電機功角為δ＝u1-ε＝u1-p-α＝2*f*π*(t1-t2)-α；發電機內電勢絕對相角ε＝u1-δ；其中t1為為機端電壓過零時間，t2為轉軸位置信號鍵相肪衝或轉速脈衝信號脈衝上升沿時間。
發電機內電勢初相角的測量，也可以在發電機功率輸出處於穩定狀態時，按公式=arctg(Xq*I*CosU+Xq*I*Sin)]]>計算發電機功角δ，按公式ε＝u1+δ計算發電機內電勢角度ε；根據ε的值鎖定機組轉速脈衝信號串中的某些周期定位脈衝，此時，被鎖定的轉速脈衝其作用等同於轉軸鍵相脈衝，因而，一旦鎖定機組轉速脈衝作為轉軸鍵相脈衝，發電機內電勢的初相角α也被確定。
同時檢測轉軸鍵相信號和機組轉速信號，以轉軸鍵相信號直接測量法與以機組轉速信號測量法獲得的發電機功角和內電勢相角作比較，用公式=arctg(Xq*I*CosU+Xq*I*Sin)]]>校驗發電機同步電抗參數的偏差。
本發明的優點是，發電機功角δ和內電勢絕對相角ε的直接測量方法與機端電流的大小無關，與時間的起始點無關，更與發電機的直軸和交軸同步電抗參數無關，不必對機組轉速求積分，也不受電網或機組擾動暫態過程的影響。
直接測量法充分利用已裝備和可提供的機組轉軸鍵相脈衝信號和機端正序電壓相量，充分發揮PMU裝置高速信號採樣和同步相量測定的特性，適應電網穩態和暫時態下機組功角和內電勢相角的快速和精確測量，不必增加機組轉軸位置檢測裝置，便於推廣應用。
附圖是本發明的原理示意圖。
具體實施例方式
如附圖所示U1為機端正序電壓，t軸為時間軸，以秒脈衝1PPS上升沿為0點；P為機組轉軸位置信號即鍵相脈衝信號(機組轉軸每一轉產生一個脈衝信號)或轉速脈衝信號(機組轉軸每一轉產生60個脈衝信號)。
在任何一個周期內可以測得如下量U1過零點時間為t1，則測得絕對角度u1＝2*π*f*t1 ………………(6)鍵相脈衝脈衝上升沿時間為t2，則測得絕對角度
p＝2*π*f*t2 ………………(7)一般地，t2對應的機組轉軸位置與機組內電勢ε之間有一個固定的機械角度α，α數值的大小不受發電機運行狀態的改變而改變，除非轉軸位置傳感器的機械位置發生變化。因此ε＝p+α………………………………………………………(8)這裡α為機組轉軸位置的初相角。在發電機理想空載狀態下，由於負載電流為0，根據公式(4)有ε＝u1………………………………………………………(9)因此，發電機的內電勢相量ε/ε和發電機功角δ的測量步驟如下1)在發電機空載時下測得頻率f0、時間t10、t20、機端正序電壓相角u10，則機端正序電壓的絕對相角為u10＝2*π*f0*t10…………………………(10)機組轉軸位置脈衝的絕對相角為p0＝2*π*f0*t20…………………(11)根據公式(8)和(9)給出發電機空載時的內電勢初相角α＝u10-p0＝2*π*f0*(t10-t20)……………………(12)2)在發電機正常運行時測得頻率f、時間t1、t2、機端正序電壓相角u1，則根據公式(5)和(8)可得發電機功角為δ＝u1-ε＝u1-p-α＝2*f*π*(t1-t2)-α……………(13)發電機內電勢絕對相角為ε＝u1-δ…………………………………………(14)由此可見，上述直接測量方法表明發電機功角δ和內電勢絕對相角ε與機端電流的大小無關，與時間的起始點無關，更與發電機的直軸和交軸同步電抗參數無關，不必對機組轉速求積分。
利用GPS衛星時鐘信號接受裝置，在廣闊的區域內的各廠站獲得完全同步和相當精確的的時鐘基準，其時間誤差不大於1us。
利用高速採樣測量裝置，對發電機機端電壓、機端電流進行高速交流採樣數字測量，並由GPS衛星時鐘標定採樣數據時段窗的同步時標t(n)，同時根據該時段窗的採樣數據，運用快速富利葉變換計算出機端正序電壓的相量U1/u1和機端電壓頻率f，掃查機端交流電壓U1過零點時間t1，並對轉軸鍵相脈衝信號的上升沿進行高精度時間測定t2。
自動跟蹤和瞬間識別機組空載狀態時刻(機組轉速和機端電壓達到額定值及機端電流突變的時刻)，記錄轉軸鍵相脈衝信號的上升沿時標t20、機端正序電壓過零點時標t10、機端電壓頻率f0，同時根據該時段窗的採樣數據，運用快速富利葉變換計算出機端正序電壓的相量U1/u1。根據公式(12)α＝u10-p0＝2*π*f0*(t10-t20)，計算出發電機內電勢初相角α，並作為後續計算的固定參數保存。因此，當發電機檢修或其它因素導致轉軸傳感器的機械位置調整或發生偏移，採用該方法能實現發電機每次啟動時自動檢測內電勢初相角α，而不需要人工幹預。
當發電機進入正常運行狀態，按照規定的時間間隔，測量轉軸鍵相脈衝信號的上升沿時標t2、機端正序電壓過零點時標t1、機端電壓頻率f，同時根據該時段窗的採樣數據，運用快速富利葉變換計算機端正序電壓相量U1/u1。計算發電機功角δ＝u1-ε＝u1-p-α＝2*f*π*(t1-t2)-α和計算發電機內電勢絕對相角ε＝u1-δ。
採用機組轉速信號的實施步驟利用GPS衛星時鐘信號接受裝置，在廣闊的區域內的各廠站獲得完全同步和相當精確的的時鐘基準，其時間誤差不大於1us。當發電機功率輸出處於穩定狀態時，按公式
=arctg(Xq*I*CosU+Xq*I*Sin)]]>計算發電機功角δ，按公式ε＝u1+δ計算發電機內電勢角度ε；根據ε的值鎖定機組轉速脈衝信號串中的某些周期定位脈衝，此時該脈衝的作用等同於轉軸鍵相脈衝，此時，被鎖定的轉速脈衝其作用等同於轉軸鍵相脈衝，因而，一旦鎖定機組轉速脈衝作為轉軸鍵相脈衝，發電機內電勢的初相角α也被確定。
當發電機進入正常運行狀態，按照規定的時間間隔，測量機組轉速脈衝被鎖定成轉軸鍵相脈衝信號的上升沿時標t2、機端正序電壓過零點時標t1、機端電壓頻率f，同時根據該時段窗的採樣數據，運用快速富利葉變換計算出機端正序電壓相量U1/u1。計算發電機功角δ＝u1-ε＝u1-p-α＝2*f*π*(t1-t2)-α和計算發電機內電勢絕對相角ε＝u1-δ。
轉軸鍵相信號和機組轉速信號雙重測量，校驗法電抗參數的偏差轉軸鍵相信號和機組轉速信號雙重測量校驗法用於校驗機組同步電抗參數和測量結果，同時檢測轉軸鍵相信號和機組轉速信號，以轉軸鍵相信號直接測量法與以機組轉速信號見解測量法獲得的發電機功角和內電勢相角作比較，用相關公式=arctg(Xq*I*CosU+Xq*I*Sin)]]>校驗發電機同步電抗參數的偏差，機組穩定態時可作為發電機功角和內電勢相角測量數據的互為校對或備用，提高發電機功角和內電勢相角測量的準確性和可靠性。
權利要求
1.一種直接測量發電機功角和內電勢相角的方法，其特徵是該方法的步驟是1)在發電機空載時測得頻率f0、時間t10、t20、機端正序電壓相角u10，則機端正序電壓的絕對相角u10＝2*π*f0*t10；機組轉軸位置脈衝的絕對相p0＝2*πf0*t20；電機空載時的內電勢初相角為α＝u10-p0＝2*π*f0*(t10-t20)；其中t10為機端電壓過零時間，t20為轉軸位置信號鍵相肪衝或轉速脈衝信號脈衝上升沿時間；2)在發電機正常運行時測得頻率f、時間t1、t2、機端正序電壓相角u1，則發電機功角δ＝u1-ε＝u1-p-α＝2*f*π*(t1-t2)-α；發電機內電勢絕對相角ε＝u1-δ；其中t1為為機端電壓過零時間，t2為轉軸位置信號鍵相肪衝或轉速脈衝信號脈衝上升沿時間。
2.按權利要求1所述的直接測量發電機功角和內電勢相角的方法，其特徵是發電機內電勢初相角的測量，也可以在發電機功率輸出處於穩定狀態時，按公式=arctg(Xq*I*CosU+Xq*I*Sin)]]>計算發電機功角δ，按公式ε＝u1+δ計算發電機內電勢角度ε；根據ε的值鎖定機組轉速脈衝信號串中的某些周期定位脈衝，此時，被鎖定的轉速脈衝其作用等同於轉軸鍵相脈衝，因而，一旦鎖定機組轉速脈衝作為轉軸鍵相脈衝，發電機內電勢的初相角α也被確定。
3.按權利要求1、2、3所述的直接測量發電機功角和內電勢相角的方法，其特徵是同時檢測轉軸鍵相信號和機組轉速信號，以轉軸鍵相信號直接測量法與以機組轉速信號測量法獲得的發電機功角和內電勢相角作比較，用公式=arctg(Xq*I*CosU+Xq*I*Sin)]]>校驗發電機同步電抗參數的偏差。
全文摘要
本發明公開了一種採用轉軸鍵相信號和機端電壓相量直接測量發電機功角和內電勢相角的方法；在發電機空載時測得頻率f0、機端電壓過零時間t10、轉軸鍵相脈衝信號上升沿時標t20和機端正序電壓相角φ
文檔編號G01R31/34GK1786729SQ20051011040
公開日2006年6月14日 申請日期2005年11月16日 優先權日2005年11月16日
發明者張啟平, 徐石明, 張勇, 潘勇偉 申請人:華東電網有限公司, 上海南瑞實業有限公司, 上海華東電力信息工程技術有限公司