自适应直接测量发电机功角技术研究及应用

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1、潘秀伟，赵宗强，徐石明，丁孝华，毕晓亮，王洪青：自适应直接测量发电机功角技术研究及应用 自适应直接测量发电机功角技术研究及应用 华东电力信息工程技术有限公司潘勇伟赵宗强国电自动化研究院徐石明丁孝华 华东电力调度交易中一队毕晓亮华东电力试验研究院 王洪青 近年来，美国、欧洲、俄罗斯相继发生大面积停电事故，对国民经济和社会安定造成严重影响。为了 确保区域电网安全稳定运行，国内外大电网、研究机构、跨国公司纷纷加强对电网动态稳定监控技术的研 究，相继在枢纽变电站和大型发电厂安装相量测量装置( P M U ) ，综合采用G P S 卫星时钟同步、交流信号 高速采样、数字信号处理、光纤数据传输、电力调度数

2、据网络等前卫技术，加快广域测量系统( W i d eA r e a M e a s u r e m e n tS y s t e m ，W A M S ) 的建设，促进电网实时动态监测系统的应用，主要用于监视和分析电网频 率、功角、电压的动态安全稳定。 发电机功角是发电机转子内电势与定子端电压或电网参考点母线电压正序相量之间的夹角，是表征 电力系统安全稳定运行的重要状态变量之一，是电网扰动、振荡和失稳轨迹的重要记录数据，可校核E M S 系统在线状态估计和静态安全分析的计算结果，可实时检测发电机失步、进相运行稳定和系统振荡等。 发电机内电势功角的动态实时检测方法一直是国际电机领域尚未突破的技术

3、难点，国际电工委员会 ( I E C ) 、电气和电子工程师协会( I E E E ) 还未形成国际标准，技术发达跨国公司生产的P M U 大都不具备测 量发电机内电势功角的功能。我国电力行业标准电力系统实时动态监测系统技术规范已提出测量发 电机内电势功角的要求，高速和准确测量发电机内电势功角是P M U 的关键测量技术，涉及检测同步电气 相量、转轴空间位置、机组空载状态、机组内电势功角和初相角等方法及误差控制技术。 目前，实用的发电机内电势功角测量方法主要有： 纯电气计算法( 国内发明专利) 。基于发电机的数学模型和稳态相量图的解析法，通过P M U 测量发 电机机端电压、电流相量，利用发电

4、机交、直轴同步电抗参数，用派克方程模型描述同步发电机的动态过 程，建立传递函数的测量动态模型，计算发电机实时功角占( ) ，根据摇摆方程计算角频率偏差及平均电磁 r r 功率：P e ：。孺弱书南面P e f 计算远离次暂态程度的系数： U | ( ) = ：lU T ( ) 一U 。( 一i A T ) l ( M U ，d ) ， 7 = l | ：I ( ) ；r a i n ( 1 ，志1e - 船。啦o ) 为弥补暂态变化时同步电抗参数失准，得到修正后的机组内电势功角： 艿7 ( ) = ( 一T ) + 瓯西T ，艿( ) = 肪( ) o + ( 1 一| ：I ) 艿7 ( )

5、 。 这是一种纯电气测量加动态计算方法，避开对机组转轴位置的直接检测，易于工程实施，适用于机组 小扰动下的功角测量，但在三相短路故障的暂态过程中，机组参数的变化使计算误差难于估计。 转速积分法( 国内发明专利) 。通过P M U 测量发电机机端电压、电流相量和采集机组转速脉冲，采用 等效发电机数学模型和交、直轴同步电抗参数，在机端A 相电压正向过零时刻，计算发电机空载电势和稳 态实时功角，推算空载电势的初始位置相位角8 1 ，作为积分常数，对机组转速求积分计算任意时刻的转子 r 1 位置，算出发电机功角：艿( ) 一I 埘1 ( t ) d t + 日l 一妒( ) 。 J 该方法需要消除转速

6、脉冲的累计误差，主要受发电机等效计算模型和同步电抗参数在不同负荷下的 误差影响，且难以获得稳定的积分常数。 转子位置测量法。通过在发电机转轴上装设机械位置测点或转轴位置齿轮，在发电机定子周围安装 光电或电磁式转轴位置感应器，P M U 直接采集转轴位置感应信号和机端电压相角，通过一定变换来实现 机组内电势功角测量。先后有闪光灯法、相位计发、磁阻传感器或光电探测法等，都涉及对发电机内部转 子和定子安装传感探测装置的改造，安装精度和抗震动措施的工艺复杂，要求发电机停机大修施工。工程 - 4 9 霉幕鼍孥磊粟差霎 2 0 0 6 年学术年会论文集( 远动技术专委会) 投资和实施难度较大，现有大机组中

7、少有实际应用。 键相脉冲直接法( 国内发明专利) 。本文介绍一种基于发电机转轴键相脉冲的“自适应直接测量发电 机内电势功角的技术”。键相脉冲是发电机每旋转到固定位置就输出一个一定幅度的脉冲信号，主要用 于监测转子轴震动和调整转动平衡等，大型机组都配置此信号用于机组检修后的检测试验。P M U 在 G P S 卫星时钟同步下，直接测量发电机转轴键相脉冲信号沿与机端相线电压过零点的正序相量的相角 差，并采集机端电流、频率和转速作为判具条件，自动捕捉 和条件识别机组启动时刻的空载状态后，直接测定发电机 空载内电势初相角作为计算常数口，在机组转入正常运行 后，P M U 直接测量发电机内电势功角。该技

8、术的实现不受 发电机等效计算模型和同步电抗参数误差的影响，适用于 电网扰动和暂态过程的功角测量，具有直接采样、抗干扰处 理、快速测定、准确度高、实现简便等特点，并将机组转速信 号转化为键相信号的校验和后备信号，提高功角测量的可 靠性，已在华东电网等投人工程实用和技术推广。P M U 采 集上述信号的原理见图l 。 1 直接和自适应测量功角的原理 1 1 直接测量功角的原理 图1自适应直接测量发电机功角接人信号示意图 利用键相脉冲直接测量发电机功角的原理示意如下图所示。发电机内电势是发电机转子旋转切割 磁力线而产生的内部电动势，目前无法通过直接的电气测量方法获取，但内电势的产生机理表明其角度 与

9、发电机转子位置存在着对应关系。通过测量发电机转子位置获取内电势角度，从而直接测得发电 机的功角。 机端电压“ 其基本测量原理如下：在任何一个周期内测得己，。过零点时间。( 为保 证测量精度，该时间点通过快速A D 采样，并在过零附近插值求取) ，脉冲 P 上升沿时间。，该周期对应的频率，则： 艿= 驴矗驴。= 9 。1 一伽一a = 2 A ( t l t 2 ) 一d 发电机内电势相角为： 体= 9 。l 一艿= 2 = f t z 一艿 一5 0 一 ( I O ) ( 1 1 ) 潘勇伟，赵宗强，徐石明，丁孝华，毕晓亮，王洪青：自适应直接测量发电机功角技术研究及应用 公式( 1 0 )

10、、( 1 1 ) 表明，发电机初相角占和功角妒。的直接测量法与机端电压、电流的大小无关，与时间 的起始点无关，与发电机的直轴和交轴同步电抗参数无关，因此，其测量精度不受发电机等效计算模型和 同步电抗参数的误差等影响。 1 2自适应测量功角的方式 根据公式( 1 0 ) 、( 1 1 ) 可知，在发电机正常运行期间，初相角艿作为直接测量发电机功角的常数，尽管其 初相角和功角的测量方法完全相同，但是，初相角的测定仅在发电机进入并网前空载状态的一瞬间，不能 及时捕捉和准确测定，只有等到下一次机组启动时重新测定，并在此间长期影响发电机功角测量的正确性。 发电机由于大轴检修、运行振动等原因，会使机组转轴

11、位置或键相脉冲传感器位置发生一定的变化， 引起初相角艿的变化，如不及时重新测定，其测量功角将有较大的误差。 无论发电机运行状况如何改变，机组并网何时进行，该技术无须技术人员的现场操作，由P M U 不断 检测发电机的运行状况，瞬时捕捉发电机“等待并网的空载状态”，对发电机初相角艿作自动测定、误差处 理、数值修正、参数存储，并与前若干次测定的初相角作比较。 1 3 自适应各种脉冲信号的能力 为提高检测键相脉冲信号的抗干扰性能，该技术采用转速信号作为键相信号的短时后备( 如数1 0s 之内) 。正常运行时，P M U 利用键相信号锁定一个转速脉冲作为特征脉冲( 起始脉冲) ，当发现键相信号 受到干

12、扰时，可利用转速特征脉冲修正受于扰的键相信号。因转速信号脉冲随时可能失步，因此，这一措 施不适合于长期的后备。 由于各机组鉴相脉冲和转速信号不尽一致，出现有源和无源、宽脉冲和窄脉冲、单极性和双极性及非 零位等之分，要求P M U 对各种形态的脉冲信号具有适应的接口和处理能力。 2 直接和自适应测量功角在P M U 中的实现 2 1P M U 直接测量功角的信号采集方式( 图3 ) 图3 中，P M U 采用嵌入式计算机系统设计，采用双C P U 结构，利 用高精度G P S 信号的分频信号1 0k H z 对电流、电压进行高速等间隔 采样，同时对脉冲信号的上升沿进行1 0 0n s 以内的高精

13、度计时。 2 2P M U 直接测量功角的关键过程 ( 1 ) 瞬时捕捉机组并网前的空载状态，检测如下条件满足后，立即 进入初相角测定程序：机端电压幅值U 。达到并网条件；机端电压频率 厂达到额定条件；机组转速达到额定条件；机端电流_ 小于空载判别 条件。多条件判断可避免对机组空载状态的识别错误。 兰抖| 电压IlG P S 秒脉冲ll 键相信号 二三相电流lI 信号1 P P SIl 转速信号 C P U + D S P 系统 以太嗣通信 图3 信号接人方式 ( 2 ) 自动测定初相角。当捕捉到可测初相角状态时，立即锁定当前周波的测量数据。并且：记录并计 算出U 1 过零点时间t 。；记录键

14、相脉冲P 上升沿时间t ：。；根据公式( 7 ) 计算出初相角口，并存储在P M U 的 存储器中，还可供当地显示和数据校对。 ( 3 ) 实时测量发电机内电势功角。当发电机处于正常运行状态后，在采样的任何一个时间窗口内锁 定当前周波的测量数据。并且：记录并计算出【，。过零点时间t 。；记录脉冲P 上升沿时间t 。；根据公式( 7 ) 计算出吼和艿；P M U 通过通信网络向调度主站发送发电机哪电势功角数据。 2 3 直接测量功角的误差控制 本方法测量误差只与P M U 时间同步的精度、键相脉冲和机端电压信号的传输延迟及干扰、机端电压 采样过零点的时间分别率有关。为此，采取如下误差控制技术：

15、( 1 ) P M U 采用独立和内置式G P S 卫星时钟接收装置，减少时钟同步秒脉冲信号1 P P S 的传输延迟； P M U 配置高精度的内部守时时钟，免受G P S 信号瞬间干扰的失步影响，信号采样的同步时间误差能限 制在1 5p s 内。 ： ( 2 ) P M U 采用网络通信的分布式结构，使机组采集单元的安装位置靠近发电机，缩短键相脉冲和机 端电压信号的传输距离。 ( 3 ) P M U 对机端交流电压的采样频率达到1 0k H z ，对电压过零点的时间分辨率才1 0 0 弘s ，必须采用 一5 】一 圭霉幂耄孥磊棠差叁2 0 0 6 年学术年会论文集( 远动技术专委会) 数字

16、滤波和函数插值技术，提高电压采样的抗干扰能力和过零点时间分辨率。 ( 4 ) P M U 对脉冲信号作数字滤波、鉴宽和鉴幅等抗干扰的数字信号处理，适应双极性、高幅度的抗干 扰脉冲信号输入等。 3 试验方法和测试结果 3 1 实验室试验方法 ( 1 ) 被测信号源：稳定的交流电压信号源、G P S 卫星时钟输出1 P P S 秒脉冲信号、模拟的键相脉冲( 可 调节与交流电压信号间的相角) 。 ( 2 ) 试验方法：用高速数字录波器对被测信号源进行录波，P M U 对被测信号源进行功角模拟测量。 模拟改变发电机的运行状态，如反复地起停机组、改变键相信号传感器位置、增减交流电压与键相脉冲的 相角。 ( 3 ) 分析结果：高速数字录波器和P M U 测量的角度差平均在0 2 度以内；该方法能自动测量并修正 初相角。 3 2 现场测定机组初相角的试验 本试验在现场对上海外高桥二电厂9 0 0M W 进口机组、太仓浏河电厂6 0 0M W 国产机组、秦山核电 二厂6 2