（控制理论与控制工程专业论文）基于gps相角测量装置站端监测管理系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着现代电力系统的发展，电力系统的暂态过程越来越引起重视。电压相量 是电力系统的一个重要参数，其中发电机的功角状况更是电力系统运行的主要变 量，是监视整个电网及其电气设备稳定运行的主要判据。而为了将相量测量系统 子站测量到的实时数据传送到主站，以供分析、监测等功能，主站与子站之间的 通信就显得尤为重要，子站站端测量管理软件的主要功能就是实现相量狈0 量单元 ( p m u ) 至主站间的实时数据传递。 论文首先介绍了发电机功角测量的原理及方法，提出了一种利用转速信号实 时测量功角的方法，将其作为软件数据处理的理论基础。该方法克服了传统方法 精度不高，工程实施难等缺点，具有较高的理论和实用价值。 论文接着对子站监测管理系统做了需求分析及总体设计，重点对其网络通信 方式及通信规约作了设计。考虑到软件的通用性及可扩展性，对软件各功能的设 计采用模块化、结构化、标准化设计，便于系统规模、功能的扩充与其他系统的 互联。 论文最后详细阐述了监测管理系统多线程的具体实现，并开发了一种基于消 息队列的线程通信机制。对此消息传递机制的速度进行的测试表明此方法可以满 足子站实时软件的要求。 关键字：p m u 功角多线程消息缓冲队列 论文类型：应用研究 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r np o w e rs y s t e m s ，t h et r a n s i e n t s t a b i l i t yp r o b l e m b e c o m e sm o r ea n dm o l es e r i o u s l y v o l t a g ep h a s o ri st h ei m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h e p o w e rs y s t e m e s p e c i a l l y , t h eg e n e r a t o rp h a s o r w h i c h i st h ek e yc r i t e r i o no f m o n i t o r i n gt h es t e a d yo p e r a t i o no fw h o l ep o w e rl i n ea n di t se l e c t r i c a le q u i p m e n t ，i s t h ee s s e n t i a lp a r a m e t e ro fp o w e rl i n eo p e r a t i o n t h em a j o rf u n c t i o no ft h es u b s t a t i o n o fm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts o f t w a r ei st od e a lw i t ht h ed a t a ，w h i c ha r ec o l l e c t e d b yp m u ，a n dt of i g u r eo u tt h ep h a s o r s t h e ns e n db o t ht h ed a t aa n dt h ep h a s o r st o m a i ns t a t i o nt ob ea n a l y s e da n dm o n i t o r e db ym a i ns t a t i o n f i r s t ，t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fm e a s u r e m e n to fg e n e r a t o rp h a s o ri si n t r o d u c e d ，a n d an e wm e t h o df o rm e a s u r i n gt h ep o s i t i o no ft h er o t o ra n dt h er e a l t i m er o t o ra n g l eo f t h es y n c l - a o n o u sg e n e r a t o ru s i n gg p sa n dt a c h o m e t e ri sp r e s e n t e dit h i sp a p e r ，w h i c h c a nb ee a s i l yr e a l i z e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c ew i t hh i g ha c c u r a c y m 0 豫o v e lt h ed e m a n da n a l y s i sa n di n t e g r a t e dd e s i g ni sm a d ef o rs u b s t a t i o n m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts o f t w a r e t h ec o m m u n i c a t i o ni se s p e c i a l l yd e s i g n e da n d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c a li si n t r o d u c e d w h a t sm o r e ，h o wt om a k et h ef u n c t i o no fs o f t w a r et r u ei sr e p r e s e n t e ds p e c i a l l ya n da c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do no sm e s s a g eq u e u em e c h n i c sb e t w e e n t h r e a d si sg i v e n m a k eu s eo ft h et e c h n o l o g yas i m p l i f i e dr e a l - t i m ef i r ec o n t r o l s o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e d t e s ts h o wt h es y s t e m1 r l ns m o o t h l ya n dr e l i a b l y a n d t h ec o m m u n i c a t i o ns p e e di sn o td e g r a d e d k e y w o r d s ：p m u ；p h a s o r ；m u l t i t h r e a d s ；m e s s a g eq u e u e t h e s i st y p e ：a p p l i e dr e s e a r c h 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 硷二! 避协咿；月谚日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 丞：塑厶一萨弓月桫日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 随着电网装机容量的增大及全国电网互联步伐的加快，电网的稳定监视和 控制越来越重要，以s c a d a e m s 及有关的应用软件( 如状态估计和静态安全 分析等) 为代表的调度监控系统实质上是在潮流水平上的电力系统稳态行为监 控系统，对于电力系统的安全稳定运行尤其是暂态稳定是不够的。众所周知， 相角( 包括发电机的功角和母线电压相角) 是反映系统稳定性的最主要的状态 量，如果它能够被实时测量，一方面调度员能通过计算机实时监视系统母线电 压和发电机的功角变化，及时发出调度命令；另一方面自动调节装置能够根据 相角的变化控制发电机的功角，自动安全装置可采取紧急控制措施，如切机、 甩负荷、解列等，使系统受到的损害最小。这样，相角这个状态变量不仅能用 于调度中心的集中监视和控制，而且能用于分散的就地监视和控制，以解决系 统的稳定问题。因此实时精确测量发电机的功角和母线电压相量，将是电力系 统稳定监视和控制的关键基础。 相角的实时测量使得人们能实时地看到系统的状态，并且能提高电力系统 的监控和保护的能力，因此各国电力公司都在研究对策，积极增加相角测量装 置( p m u ) 的数量，并针对p m u 开展多种试验研究【l 】o 电力系统相角测量的原理和方法的研究涉及到测量方法、同步时钟、通讯、 控制理论和电网等领域的知识。由于相角涉及到电力系统的监视、控制和保护 等诸多领域，而实时相角的测量，将推动电力系统的监视、控制和保护等新方 法和新理论的发展，为电力系统的稳定控制和保护开辟了一个新的领域。一方 面进行集中相角的监视和稳定控制理论方面的研究，即将电压相角信息上送到 调度中心，由调度中心对相角信息进行处理后，进行相角的监视：和在已知相 角信息的条件下，应用相角信息进行暂态稳定的分析和控制。另一方面是基于 相角测量装置的试验研究，通过相角测量装置记录相角信息，对系统的动态行 为进行研究。 河海大学硕士学位论文 1 2 电力系统相角测量系统的应用现状1 2 q 6 l 1 2 1 国外的研究现状 在美国，i e e e 在电力系统继电保护和控制委员会下，设立了一个专门委 员会t i - - 7 ，由a g p h a d k e 任主席，研究同步相角测量、通讯接口的规则、推 荐的标准和可能的应用等 2 】a 美国的电力科学研究协会( e p r i ) 正在协调“美 国西部电力系统协调委员会监控用相角实时测量”项目，自9 3 年他们组织了北 美整个西部有关电力公司，计划装设许多相角测量装置，进行多种试验以研究 电力系统在各种故障条件下的动态行为，并研究相角数据的实时传递和处理等。 至9 5 年在乔治亚、佛罗里达、田纳西、纽约、邦纳维尔电管局( b p a ) 、加里 佛尼亚、安大略、太平洋公司等，安装了数量不等的p m u ，少则2 台，多则十 台。 法国电力公司制定了一个通过测量电压相角防止系统失步的计划，就是通 过安装在超高压网络节点上的p m u 测量电压相角，通过通信线路把数据传送 到主机，主机根据这些不同点的相位情况，在故障时确定系统如何解裂和切负 荷，以避免事故的进一步扩大【3 】。到9 5 年法国的东南部安装了更多的p m u 。 美国b p a 在约翰迪和马林两个变电站配备了由a ( 2 p h a d k e 博士开发的p m u 钔， 测量数据通过微波以1 2 次秒在4 8 0 0 b s 的信道上送到b p a 实验中心，整个系 统运行得一直非常好。 到目前为至，应用p m u 在电力系统做了很多试验研究【5 l ，如在乔治亚电力 公司进行的线路的开断试验、励磁以及电力系统的模型校验、在 c a l i f o r n i a - o r e g o nt r a n s s m i o np r o j e c t 的5 0 0 k v 线路的短路试验、在德克萨斯的 切机试验和甩负荷试验、发电机失磁试验等。通过p m u 做的这些试验，使人 们首次看到了系统的动态行为，认识到了以往所没有的现象和规律。 利用相角测量以观测事故后的系统动态行为，并校核电力仿真中用的暂态 和动态模型是非常重要的，因为，现在所用模型从来还没有现场校验过：只有 同步技术才使得这个想法得于实现。如：1 9 9 2 年7 月2 5 2 6 日，5 0 0k v 线路 开断实验，6 台p m u 分别安装于乔治亚州( g p c ) 的s c h e r e r 和v o g t l e 电厂、 佛罗里达州( f p l ) 的d u r a l 、m a r t i n 和a n d y t o w n 电厂、田纳西州( t v a ) 的 s e q u o y a h 电厂。潮流从t v a 到g p c3 1 6 0 m w ( 另一条5 0 0 k v 线路3 5 2 0 m w ) 、 2 问海大学硕士学位论文 再到f p l 。测量并录波正序电压和正序电流，计算正序功率。仿真模型都用最 复杂的，如发电机用f 、系统不简化，共3 3 0 i 母线、6 5 2 台发电机。p m u 每 秒3 0 点( 每2 周波1 点) ，录事前1 分钟、事后1 2 分钟。对比结果，前2 秒还 可以，之后，仿真输出的阻尼明显比实际系统差，误差也较大。这是第一次得 到模型的校核结果。 1 9 9 3 年3 月底，在c a l i f o r n i a - o r e g o nt r a n s s m i o np r o j e c t 的5 0 0 k v 线路上 进行了线路串联电容和保护装置的试验，在试验中人为制造了1 1 次短路故障， 用p m u 记录了大量的试验数据，根据不同地点的短路事故( 四组电容) ，对各 个谐振频率进行了分析。 又如：在t e x a s 的c o m m a n c h e1 in u c l e a rp l a n t 发电厂做了一个切机试验， 切机后失去约1 1 0 0 m w 功率，5 0 m s 后又掉了4 0 m w 负荷，四个不同地点的p m u 分别记录了频率的变化情况。从记录结果看，四个不同地点的频率变化规律大 体相同，频率都降低了约o 2 h z ，约4 s 后频率开始上升。然而频率的变化又各 不相同，最远的一点比最近点频率下降的时间延迟了近0 5 秒，频率的变化 呈振荡形式，这可能使根据频率减负荷的对策导致失误。 这次试验还被佛罗里达电力公司和乔治亚电力公司的联络线上的p m u 记 录下了联络线上功率和相角的摆动情况，功率摆幅3 0 0 m w ，而网络上的其它 录波装置都没有动作。另外个例子是佛罗里达电力公司有一台4 0 0 m w 发电 机失磁后被切除，导致佛罗里达电力公司和乔治亚电力公司的联络线上有近 7 0 0 m w 的功率振荡，正常时联络线上的功率为1 2 0 0 m w ，p m u 记录了这一事 件，而网络上的其它录波器也都没有动作。除了用相角测量装置进行试验外， 基于相角测量的理论和应用研究也在进行中。 1 2 2 国内的研究现状 国内在相角测量方面处于起步研究阶段，天津大学、电科院、清华大学和 西安交通大学等都已开展这方面的研究工作i “。 到且前为至，应用p m u 在电力系统做了很多试验研究，文献【7 】介绍了一 种利用转速表测量发电机转予位置和实时功角的方法，该方法在工程上易于实 现具有较高的测量精度。该方法采用了g p s 提供的时钟信号作为测量中的时 间基准，可以被用于基于g p s 的全网相角测量中。 河海大学坝士学位论文 文献【8 】提出了两种直接测量功角的方法：传送波形的测量方法和利用同步 时钟的测量方法，并对两种测量方法精度和误差进行了分析。前者对通道的质 量要求很高，要求调制解调器和传输通道在传送过程中不发生波形失真。另外 接收端必须对对方传送过来的波形进行时延和相移补偿。如果利用两个精度高 的同步时钟即可避免上述问题。 文献【9 】归纳了由同步正序电压空间矢量族出发，网络的状态估计只需解线 性代数方程，系统的动态状态估计便可方便地实现。 文献 i 0 1 提出了基于同步相量测量单元的预测型振荡解列方法。振荡中心 两侧母线电压的相角差反映了功角差，利用该相角差的变化速度及符号，可以 判定是同步振荡还是异步振荡以及滑差的情况，并实现预测鳃列功能。 文献【1 1 】提出一种基于模糊神经网络实时预测系统暂态稳定性的方案。但 它采用p m u 在故障切除后8 个周波内的测量结果作为输入，输入数为发电机 的6 倍，当系统规模较大时，训练过程非常困难。 文献【1 2 】提出了利用节点的实时信息：电压相量、电流等和来自系统的准 实时信息，将整个系统等值，导出了电压稳定实用判据。 9 5 年，电科院在引进台湾的相角测量装置硬件基础上，自己开发应用软件， 并首先在广东天广线上安装了两台相角测量装置，用于监视联络线相角的摆动 【1 3 】。 9 6 年，清华大学用相角测量装置在动模进行了实验研究，并在黑龙江实现 了相角测量和相邻点间相角观1 1 4 , 1 5 j 。 华北电力大学以郝玉山博士为首的课题组，自9 4 年就开始对相角测量进行 研究；9 5 年研制出了基于g p s 的相角测量装置，于9 6 年2 月通过专家评审， 并获得一致好评；他们还建立了整套关于相角测量、数据传送方面的理论和 方法，并申请了国内和国际专利。目前他们正在与河北省电力公司合作，进入 到了实验和实施阶段【1 6 1 。 相量量测技术基本的理论基础早在十几年前就开始研究，当时受限于硬件 及成本的考虑仅局部应用在实时控制、保护及稳定度预测等方面。由于近年 来微处理机及通信技术发展迅速，成本相对下降使整体系统监控与保护成为可 能。 河海大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 本文对原有的站端监测管理系统重新进行了需求分析，并作了概要设计及 详细设计，并在此基础上将原有软件进行了改进。 软件主要有以下几个功能： ( 1 ) 接受并分析p m u 上传的数据； ( 2 ) 计算实时功角； ( 3 ) 本地数据存储； ( 4 ) 发电机端口电压电流的相量以及功角显示； ( 5 ) 与中调通信，将采集的数据实时上传： 论文给出了站端测量管理系统的整体设计思路，分析了系统各部分的功能， 并且详细分析了数据通信的应用，按照c s 结构和t c p i p 协议模型，研究了实 施数据通信的网络平台技术；阐述了应用p m u 数据实时传输的通信协议和以 太网技术实现p m u 数据的远程传输：提出了p m u 数据就地处理的基本方法并 予以工程实现。 第一章论述了相角测量装置的研究和应用背景，在国内外的使用状况，及 其测量管理软件的设计思想并指出耳前软件的不足及开发思路。 第二章介绍了发电机功角实时测量的原理及方法，并提出利用转速信号实 时测量功角的方法并将其作为系统中数据处理的理论基础。高精度功角的实时 测量对实现电网动态监控具有重要意义。 第三章对系统进行需求分析及总体设计，重点对其网络通信方式及通信规 约进行了设计。考虑到软件的通用性及可扩展性，对软件各功能的设计采用模 块化、结构化、标准化设计，便于系统规模、功能的扩充和与其他系统的互联。 第四章介绍了相角测量装置系统软件用多线程实现的具体实现，详细介绍 了软件的各个线程功能，包括参数设置、数据接收处理与发送、数据库管理及 图形显示等，并开发了一种在w i n d o w s 操作系统已有消息机制的基础上用缓冲 块实现的缓冲消息队列通信机制，并对其线程切换速度进行了测试。 第五章为总结与展望，对软件功能的改进提出了进一步的设想。 2 1 引言 河海大学硕士学位论文 第二章功角与相量测量原理 p m u 的关键在于相角和功角的测量，至于有效值等量的测量则与传统装置 无异。这里的相角是指母线电压或线路电流相对于系统参考轴之间的夹角，某 台发电机的功角6i 是指该机q 轴与系统参考轴之间的夹角。目前，欧美国家 安装的绝大部分p m u 实际上只能测量相角，国内部分电网安装的a p m u 能够 测量功角。 相角测量原理可分为两大类：一类是采用过零检测法；另一类是富里叶变 换法。过零检测法的原理是：利用g p s 提供的秒脉冲信号，对测量装置中的本 机晶振信号进行同步。在c p u 内，对过零点打上时间标签，并求出其相对于标 准5 0 h z 信号的角度。采用g p s 技术构成全网统一时钟后，借助于通讯手段， 还可得到不同地点交流量之间的相角差。由于g p s 提供的统一时间精度误差可 以达n - + m s ，理论上同步参考相量的相角精度误差为o 0 1 8 。，即使考虑了各种 测量误差后，相角测量精度实际上也可以控制在r 范围内。在硬件上，过零检 测法中a d 转换器必须有较高的分辨率。过零检测法的实质是每周波采样一次， 所以数据采集周期为o 0 2 秒。富里叶变换法的测量精度优于过零检测法，但它 需要的数据采样点远远多于后者，且还要经过一系列的运算才能得到最终结果， 在耗费c p u 资源的同时，还将影响c p u 的反应时间。所以，对于实时性要求 较高的情况可考虑选用过零检测法，对于实时性要求不高的情况则可考虑选用 富里叶变换法。安大略电力局、太平洋公司使用过零检测相角测量装置：而 a g p h a d k e 博士开发的相角测量装置是后一类，法国电力公司开发的相角测量 装置也是后一类1 3 】。 2 2 功角测量方法【2 0 l 发电机的功角测量方法分两种：1 间接测量；2 直接测量； 2 2 1 间接测量法拉” 间接测量法就是通过测量发电机出口的电气量，按照同步发电机的方程计算 6 得出功角。 河海大学硕士学位论文 1 解析方法o ” 解析法就是利用发电机及输电系统的各种参数之间的相互关系，画出等值电 路图，经过矢量分析、解析计算可得出发电机组与系统间的功角变化情况。由于 等值电路中流过的是间一电流，电路各部的阻抗、电压、功角之间就有确定的关 系，各参数之间完全可进行换算，进行解析计算得到0 。要注意的是：计算中采 用标幺值计算。该方法在系统稳定运行的情况下，能比较准确地测量功角，但在 系统发生振荡时此方法的误差较大。 2 传统的计算方法 传统的做法是若已知电抗x d ( 隐极机) 或j 汤( 凸极机) ，在测取电压、 电流及功率计算出功角。对隐极机根据电机原理，忽略阻尼绕组和定子电阻可知 对于凸极机由于交轴电抗不等，因此必须先借助一虚构电势 te o j ( x d x q ) i a 确定交轴，从而得到如图2 1 所示的相鲞图。 图2 1 发电机相量图 图中：0 为功率因数角，0 = e u e ；x q 交轴的同步电抗。由图中不难推出 = t a n - 1 us i i n o 矿+ x 0 ( 2 2 ) 寺 一q 以 蛆 6 河海大学硕士学位论文 式( 2 2 ) 中，【，j 和臼可以实时测出，由6 = 留一口可得出发电机功角6 。 相位计法相位计法是在被测试电机的电枢槽1 3 安装几匝细导线作为d 轴位置 的测量绕组，其极距应与该电机原有绕组一样；或在被测试电机的轴上安装一 台极数相同的，其d 轴与主机重合的微型同步电机，以便获得空载电势e 0 的信 号。将被测试电机的端电压u 经过移相器和空载电势e n 信号一起送到相位计。 当被测试电机空载运行时、调节移相器、使相位计的指示为零，被测试电机带 负载后相位计的读数即为功角。这种方法实现难度大，因为电机改造绝非易事。 3 擞字式功角测量仪 数字式功角测量仪是在被测试电机的轴上装一个投射式或反射式的光电圆 盘，盘上均匀分布的孔数或黑白相间的标记块数与被试电机的极对数相等。当圆 盘随同步电机同步速旋转一周时，光电二极管产生代表e 0 的矩形脉冲。由带可 调电阻的r c 移相器给初始零相位的设定提供移相之用，即当被试电机为空载时 ( 日；0 ) ，调节机端电压u 的相位使之与勖同相，当被试电机带负载时，输出 的脉冲宽度折算成的角度即代表被测试发电机功角的大小w 。但该方法并不适于 实时监视。因为测量功角要求一个空载过程，以便取得实际测量时的岛相量角 度，在实际应用中，特别是在实时检测系统中，这是不现实的。该方法在稳态过 程具有良好的测量精度，测量误差小于1 。，而在暂态过程中，采用暂态电抗或 次暂态电抗计算出来的功角有一定的误差。 间接法受发电机数学模型和参数误差的影响较大，如果采用的是稳态方程则 显然只能用于稳态情况。 2 2 2 直接测量法1 1 2 ，2 1 ，2 2 】 另外一种是直接测量法，即直接测量发电机的转速或大轴位置，从而确定 发电机的功角。 1 闪光灯法 闪光灯法就是在被测试同步机的轴上装一金属圆盘，在圆盘上画上与被测试 电机的极对数相同的标记。当电机运行时，用闪光灯照射圆盘，闪光灯的电源来 河海大学颂士学位论文 自被测试电机的端电压，并将闪光灯置于同步档，这时闪光灯的闪光频率与被测 试电机的转速同步，看上去圆盘上的标记的位置静止不动。在金属盘的圆周外围 安装一个静止的圆弧形刻度盘，先确定被测试电机空载时标记的位置。当被测试 电机带负载后，再观察标记位置相对空载时所偏移的电角度，这就是被测试同步 电机的功角大小。这种方法比较直观，但当被测试电机的极对数较多时测量精度 不高。 2 相位计法 相位计法是在被测试电机的电枢槽口安装几匝细导线作为d 轴位置的测曩 绕组，其极距应与该电机原有绕组一样；或在被测试电机的轴上安装一台极数相 同的，其d 轴与主机重合的微型同步电机，以便获得空载电势e 0 的信号。将被 测试电机的端电压u 经过移相器和空载电势目) 信号一起送到相位计。当被测试 电机空载运行时、调节移相器、使相位计的指示为零，被测试电机带负载后相位 计的读数即为功角。这种方法实现难度大，因为电机改造绝非易事。 3 数字式功角测量仪 数字式功角测量仪是在被测试电机的轴上装一个投射式或反射式的光电圆 盘，盘上均匀分布的孔数或黑白相问的标记块数与被试电机的极对数相等。当圆 盘随同步电机同步速旋转一周时，光电二极管产生代表上0 的矩形脉冲。由带可 调电阻的r c 移相器给初始零相位的设定提供移相之用，即当被试电机为空载时 ( 6 0 ) ，调节机端电压u 的相位使之与0 同相，当被试电机带负载时，输出 的脉冲宽度折算成的角度即代表被测试发电机功角的大小m 。但该方法并不适于 实时监视。因为测量功角要求一个空载过程，以便取得实际测量时的至1 口相量角 度，在实际应用中，特别是在实时检测系统中，这是不现实的。 4 磁阻位置传感器法1 2 2 1 磁阻位置传感器法是通过磁阻位黄传感器来测量电机转轴的位移获得发电 机空载电势e q 矢量。利用电机转轴装有的6 0 磁齿齿轮，由磁阻位置传感器产生 的信号频率为5 0 6 0 = 3 0 0 0 i - i z ，当转速为额定转速时，将信号整形后经6 0 分频器 即可获得所需要的方波信号。首先进行一次空载过程，以获取方波信号与从电压 间海大学硕士学位论文 测得到的方波信号相位之差，调整磁阻传感器的安装位置，直到上述偏差为零。 带负载后，所得差值即为功角。 文献 1 2 1 提出了两种直接测量功角的方法：传送波形的测量方法和利用同步 时钟的测量方法，并对两种测量方法精度和误差进行了分析。 若要直接测量臼角，首先要测量e q 的位置，但在通常情况下e q 是无法测 量的。通过同步电机转速装置来测量转子的位置，并通过转子与e 口之间的相位 关系测得功角。经典的测量方法是利用位置传感器检测转子的位置，但是在工程 应用中，无论采用何种形式的位置传感器都普遍有以下2 个缺陷： ( 1 ) 装置必须安装在发电机组上，只有在停机停产，如设备大修等特殊条件下 才能进行工程施工和调试，应用难度大； ( 2 ) 检测精度低、误差大，有的甚至超过5 。； 应该说，直接测量法比间接测量法测量精度要高，但实施起来要困难。大 部分采用直接法的功角测量都需要停机安装，而且需要空载启动，实旋起来就 更加困难，如何获得q 轴位置是难点。 2 3 利用发电机转速信号测量功角n 埘捌 本文采用一种利用发电机转速信号测量功角的方法，采用过零测量原理， 功角定义为发电机内电势和发电机出口电压之间的相角，那么发电机内电势过 零点和发电机出口电压过零点之间的相位差即为功角。相位是无法直接测量， 只有通过测量两个过零点之间的时间差。由于发电机的机械惯性常数较大，可 以认为在一个周波内发电机的角速度是不变的，所以功角即为两个过零点的时 间差乘以加速度，这样功角的测量转化为过零点时刻的测量，并采用g p s 进行 对时，在每一个过零时刻打上时标，即可通过计算得出功角，具体的测量原理 如下。 以单机对无穷大系统为例，如图2 2 所示。对于隐极或凸极同步发电机， 都可以写出如下方程： e e4 u + p + 拶q ) ， ( 卜3 ) 1 0 河海大学硕七学位论文 式中，u 、j 为发电机端口的电压和电流相量，r 、x q 为定子绕组的电阻和 交轴电抗。可以画出向量示意图如图2 3 所示， q 轴 图2 2 单机无穷大系统图2 3 电压方程矢量图 e q 所在位置即为鼋轴位置。功角6 是发电机目轴与系统参考轴( - - 般取无穷 大母线电压u ) 之间的夹焦a 对于多机电力系统，每台发电机的功角晚是该 机q 轴与系统参考轴( 比如系统中某枢纽节点电压) 之间的夹角，由于该发电 机端口电压相角与系统参考轴之闻的夹角晚通过潮流计算可以获得，所以只要 能够确定出该发电机g 轴与其端口电压之间的夹角，加上国即可获得6 i 。因 此，下面讨论的功角特指发电机q 轴与其端口电压之间的夹角。 ( 1 ) 发电机内电势( 乓) 相位测量 - 八 v 7 i n。 r t 1 图2 4 电压电流相位测量原理图 发电机内电势在定子a 相绕组上的投影为一个正弦波，其波形如图2 4 ， 当发电机内电势过零时，触发产生一个触发脉冲，其上升延对应于发电机内电 河海大学硕士学位论文 势的过零点，并在上升延打上时标( t 1 ) ，以此来标定发电机内电势的相位。 但是发电机内电势是不能直接测量的，没办法直接测量发电机内电势的过 零点，根据电机理论可知，当q 轴转到与a 相绕组轴线重合的时候，发电机内 电势达到过零点，所以发电机内电势的过零点与转予的机械位置之间的相位差 是固定不变的，所以检测发电机内电势的过零点可以转化为转子位置的测量。 ( 2 ) 发电机转子位置的测量 d n t o 图2 5 转子位置测量原理图 发电机转子位置可以通过检测发电机的间相信号来测量，间相信号是在转 子的轴上开了一个槽，并有一个传感器的探头对准转子大轴，当转子上的槽转 到与传感器的探头对齐的时候，传感器触发产生一个脉冲如图2 5 所示，在脉 冲的上升延打上时标( t 。) ，即可确定发电机的转子位置，由于开槽时位置是随 机的，所以槽的相位与窜轴的相位相差角度，测量时必须进行修正。 ( 3 1 发电机出口电压、电流相位测量 u a i 八 。 ；v 7 n。 r t 2 图2 6 电压电流相位测量原理图 发电机出口电压、电流相位测量，原理图如图2 6 ，其测量原理与发电机 1 2 河海大学硕士学位论文 内电势的相位测量原理基本相同，只是发电机出口的电压、电流是可以直接测 量的。 ( 4 ) 功角测量原理图 e u l n t f ) 门 f l b 图2 7 功角测量原理图 由于测量各个状态量是打上的时标都来自g p s 同步时钟，所以可以将各个 状态变量的相位画到同一坐标上，如图2 7 所示，由图2 7 可以得出功角6 的 计算公式，公式为： 6 6 1 一o m n f 2 一w s t o 一9 m ( 2 q ) 2 3 。1q 轴与键相槽之间夹角0 。的确定 在稳态情况下，根据测量得到的发电机端口的电压相量、电流相量以及已知 的发电机有关参数，则可以按照公式( 2 3 ) 来计算e 。在计算出e ，后，进一步 可得e 。与u 的相位差，即发电机的稳态功角6 。： 小咏。剖面1 鬻 式中，符号心表示取有关相量的实部，而符号i m 表示取有关相量的虚部。 如果a 相电压的过零时刻为t z ，由图2 7 知电势e q 的过零时刻t - 为 f 1 ，f 2 一鱼( 2 - - 6 ) 嘶 将t 与键相槽的脉冲时刻t 。相比较，便可得到键相槽与发电机q 轴之间的 机械夹角0 。： 河海大学硕士学位论文 o m = o ) r t 2 w s t o 一6 0 2 3 2 新方法的测量精度与特点 在确定发电机q 轴与键相槽之间的机械夹角0 m 时，因6 0 与发电机参数r 及 有关，参数误差对以的精度有一定影响，但由于6 = 国一o m ，故6 0 ) 曲 线整体提高或降低同样的误差，对动态变化无影响。0 误差的另一个来源是发 电机出口端电压相量和电流相量的测量误差。但是，在动模实验试验中，电压相 量和电流相量的角度测量误差小于0 5 度，幅度误差小于0 1 。所以，应用上述 方法测量发电机功角的误差是能够满足工程要求的。 运用本方法测量转子位置和发电机功角，具有以下优点：( 1 ) 不需要专门 设置测量探头，尤其避免了在发电机内部安装探测组件，降低了方法的工程施工 难度：( 2 ) 不需要停机，不需要在发电机每次大修或因意外事故停机后对初始功 角进行校正；( 3 ) 测量设备可以在发电机运行过程中的的任意时刻进行起动，在 对系统进行调校的过程中不会对正常的生产带来影响。 2 3 3 转速表信号的应用 在现代电力系统中，无论是汽轮发电机组还是水轮发电机组，还装有测速装 置转速表。该装置的构成是：在发电机的轴上安装有一个六十个齿的齿轮， 这六十个齿大小完全一样，均匀分布在圆盘上。转速表的测量电路负责检测齿轮 所发出的脉冲，每六十个脉冲代表转予旋转一周。 有的机组没有键相信号，或者键相信号不具备引出条件，此时可以利用转速 脉冲代替键相脉冲。即在六十个脉冲中，任选一个齿的脉冲，例如第，1 个齿的脉 冲作为特殊脉冲，则以后的所有第6 0 k + n 个脉冲都是这个特殊齿的脉冲。 在程序中，将第n 个齿的脉冲作为键相脉冲看待，就可以将上述的发电机功角测 量方法应用于没有键相槽但具有转速表的所有发电机中。 2 3 4g p s 时钟信号的引入 g p s 是由美国国防部在1 9 7 3 年研究制造的全球卫星定位系统，能进行准 确的全球定位和广播授时，具有授时精度高、不受任何地理条件限制的优点， 是一个非常理想的电力系统同步时钟。目前，g p s 系统已被广泛地用于全网的 1 4 河海大学硕士学位论文 相角测量、系统故障定位、故障录波和继电保护等领域。 基于g p s 的精确时钟系统，其秒脉冲的误差在1 微秒以内，对于5 0 h z 的 工频信号而言，其相位误差不超过0 0 1 8 ”。用g p s 时钟提供的p p s 信号，对 测量装置中的时钟进行同步，消除了测量装置中的时钟累计误差，并使每台装 置中的时钟误差不大于1 岱，因此由时钟导致的测量误差完全可以被忽略不计。 在功角实时测量系统中，以g p s 系统所提供的时钟信号作为时间基准，有两个 优点：( 1 ) 消除了因时间误差而导致的测量误差；( 2 ) 就地测量得到的功角信 息，将被打上全网统一的时间标签，通过专用、高效的信道上传到位于调度中 心的电网稳定控制系统的数据库中，从而实现对全网稳定状态进行实时计算和 自动控制的功能。 2 4 本章小结： 本章介绍了相角功角测量原理，通过发电机空载电势与端电压之间的关系， 空载电势与发电机转予之间的关系，用安装在发电机转子上的转速表输出的脉 冲确定发电机转子任一时刻的位置，并通过转子与空载电势之间的关系来测量 功角。并从工程应用角度提出了功角测量的抗干扰方法及g p s 信号的引入。此 外阐述了新测量方法的优点：避免了在发电机内部安装探测元件，降低了方法 的工程施工难度；不需要在发电机每次大修或意外事故停机后对初始功角进行 校正；测量设备可以在发电机运行过程中的任意时刻启动，对系统调校的过程 中不会对正常生产带来任何影响。 问坶大学硕士学位论文 第三章站端监测管理系统总体设计 电压相量是电力系统的个重要参数，其中发电机的母线电压相量和功角 状况更是电力系统运行的主要变量，是监视整个电网及其电气设备稳定运行的 主要判据，也是实施各类控制的重要依据。随着通信技术的发展，尤其是全球 定位系统( g p s ) 的出现为电力系统提供了统一的时钟标准，使相量的同步测 量成为可能。而为了将相量测量系统子站测量到的实时数据传送到主站，以供 分析、监测等功能，主站与子站之间的通信就显得尤为重要，站端测量管理软 件的主要功能就是实现相量测量单元至主站问的实时数据传递。 3 1 站端监测管理系统设计策略 1 、统一规划与近期实施相结合 基于g p s 相角测量装置站端测量管理系统首先是监测各厂站发电机运行和 采取应急措施的独立的监控系统，同时也是与河南省电力公司合作的“利用g p s 高精度时钟进行发电机功角测量的可视化安全稳定监视和控制系统”的子系统之 一， 因此在系统设计中既要考虑厂站的实际情况，又要考虑与省级调度中心远 程监控系统互连的基本要求。 2 、实用性与先进性相结合 系统设计强调实用性与先进性相结合，要求采用先进、可靠、成熟的计算 机技术、网络通信技术及硬件设备，使系统既先进又实用。从管理操作方面考 虑，采用的先进技术和可靠的硬件设备要适合电力系统安全监控的特点，操作 维护简单方便，同时要考虑系统便于升级、扩展、互连及安全可靠， 3 、硬件选择与软件设计相结合 硬件设备的先进性和可靠性是确保系统长期可靠、安全稳定运行的基础， 而软件的可靠性、稳定性、可扩展性优劣是实现系统预期功能，满足电力系统 监测实时监测的重要保障，因此系统在设计上应采用可靠、先进的软件及标准 的协议并合理选择软件运行环境。 3 2 系统需求分析 p m u 装置的上层软件起到了十分重要的作用。长远看来，可以实现的功能 十分丰富。当前的e m s 的不足之处在于主要采集稳态数据，不能动态的观察 1 6 河海大学硕士学位论文 系统，对电力系统的动态监视及控制缺乏支持。故障信息系统可以提供实时的 故障信息，但还不能够观测到整个系统的动态过程。 发电机功角测量的可视化安全稳定监视和控制系统总体是面向电网故障、 动态过程的实时监控系统，可以提供完整的实时动态数据，实现对电力系统的 稳定实时监测与控制，并改善电力系统的动态分析精度，充分利用现有电网的 输送能力，改善运行水平。长远看来，该系统首先是相量s c a d a 的建立，其 次是在线监视、数据分析的完善，在完善的监视系统的基础上，提供系统的稳 定控制。 其中子系统的基本思想是：各厂站端( 子站) 利用高速、高精度p m u 装 置( 下位机) ，将各厂站带有g p s 同步时标的实时数据( 如电压、电流、相角、 转子转速、频率等) 在线实时地发送到子站p c 主机( 上位机) ，由上位机监测 管理软件进行必要的就地处理，然后一方面通过高速广域网将数据传送到省调 端( 主站) 中央服务器；另一方面提供直观的监测界面，以便现场调度人员能 实时地观测到发电机组的运行状态，当机组运行失稳或故障时采取紧急措施； 同时管理软件具有本地数据实时记录和访问数据库的功能，从电力系统仿真实 验精确度检验和电力系统负荷建模的角度看需要电力系统数据的长期记录，为 系统稳定性分析以及事故分析提供更加翔实的资料。记录的数据可以分时段存 储，并且能够根据时间、线路、站点等信息进行检索。可以分为长期记录和短 期记录，到一定周期( 一天、一月) 系统自动更新记录或者将以前的记录以其 他媒介导出备日后检索。 3 2 1 系统内外关系 站端监铡管理系统肩负着厂站发电机运行期间各类信息的采集、管理、传 输等数据处理任务。一个完整的相角测量子系统包括g p s 接收装置、相量测量 单元( p m u ) 、上位机、通信系统。相量测量单元完成采集发电机端口的电压、 电流( 含幅值和相角) ，发电机励磁电压，以及机组的转速信号，并通过g p s 信号对测量时间严格同步，采集的数据上传至上位机。由上位机监测软件对数 据进行预处理后实时地将数据传送至调度中心。系统示意图如图3 1 。 河海大学硕士学位论文 图3 1 相角测量系统示意图 3 2 2 系统功能要求： 从上面的需求分析可以看出，软件系统是一种实时数据管理信息系统 ( p t - m i s ) ，需要将反映生产实时状态的数据及时处理成管理者需要的实时信 息并发送至中调。总的来说由以下几个部分构成。 1 对p m u 装置送来的实时数据的接收。 2 将p m u 装置上传的数据进行归整，计算出实时的功角及有功、无功功率。 3 将整理计算后的数据实时地显示在图形界面上。 4 建立实时数据库和历史数据库，将处理过的数据入库便于日后的查询与分析。 5 接受调度中心发的控制命令并根据命令将子站的电压电流及功角整理后按一 定的格式发送至调度中心。 3 3 系统的总体设计： 本系统的设计原则为“可靠、先进、实用”，并确保系统长期、可靠、安全、 稳定运行。其总体技术要求满足： ( t ) 可靠性与先进性。 ( 2 ) 可扩展性。系统设备和软件均采用模块化、结构化、标准化，充分考虑采用 河海大学硕士学位论文 设备升级换代，便于系统规模、功能的扩充和其它系统的互联。 ( 3 ) 易操作性、可维护性。系统操作要简单，维护管理要方便。 3 3 1 系统总体组成 站端测量管理软件由人机接口、数据分析处理以及网络接口三个部分组成， 其中人机接口主要包括参数设置模块以及图形界面模块等。数据分析处理目的 是将p m u 装置上传的数据进行归整，实时计算出功角及有功、无功功率，一 方面送至图形界面实时显示，另一方面存入本地数据库便于日后的查询与分析。 网络通信分两种任务，一是与p m u 的数据通信，负责接收p m u 装置送来的实 时数据；一是与调度中心的数据通信，负责接受调度中心发的控制命令并根据 命令将子站的电压电流及功角整理过后按一定的格式发送至调度中心。数据库 模块主要实现数据的实时存储以及查询等功能。 3 3 2 系统安全 1 、系统具有保证操作安全的措旌 对软件运行期间的参数设置功能要求操作人员提供正确口令，保证软件运 行的正确与安全。另外系统具有较强的容错性能，从而保证软件