发电机内电势相角与功角的测量方法及应用.pdf

第 2 6卷第 2期 2 0 1 1 年 6月 电 力 科 学 与 技 术 学 报 J OURNAL OF EL ECTRI C P OW ER S CI ENCE AND TECHNOLOGY V0 1 2 6 No 2 J u n 2 0 1 1 发 电机 内电势相角与功角的测量方法及应用 周 捷 张道农 于跃海 吴京涛 周 济 毕天姝 熊 敏 1 国电南瑞科技股份有 限公 司 江苏 南京2 1 0 0 6 1 2 华北 电力设计 院工程有 限公 司 北京1 0 0 1 2 0 3 国网电力科学研究院 江苏 南京2 1 0 0 0 3 4 北京 四方继保 自动化股 份有限公司 北京1 0 0 0 8 5 5 国家 电力调度通信 中心 北京1 0 0 0 3 1 6 华北电力 大学 新 能源 电力 系统国家重点实验室 北京1 0 2 2 0 6 7 中国电力科学研究 院 北京 1 0 0 0 8 5 摘 要 传统的发电机内电势与功角通过实时测量发电机端电压电流以及发电机直轴电抗 x 和交轴电抗 x 计 算得到 由于发电机在不 同运行状态下 X X 发生变化 产生计 算误差 为此 提 出一 种转子 位置 测量 法 利 用发 电机组的键相脉冲信号和机端电压来测量发电机内电势相角与功角 该方法不受发电机等效计算模型和同步电抗 参数误差 的影响 具有较高 的精度 适用 于电网扰动和暂态过程 的实 时功角测量 关 键 词 发电机 内电势相角与功角 发电机键相信号 相量测量 中图分类号 T M7 3 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 9 1 4 0 2 0 1 1 0 2 0 0 4 9 0 5 M e a s u r e me n t a nd e n g i ne e r i ng a p pl i c a t i o n f o r i nt e r na l v o l t a g e a ng l e a n d po we r a ng l e o f g e n e r a t o r s Z HOU J i e Z HANG Da o n o n g YU Yu e h a i WU J i n g t a o Z HOU j i B I Ti a n s h u XI ONG Mi n g 1 NA RI Te c h n o l o g y D e v e l o p me n t C o L t d Na n j i n g 2 1 0 0 6 1 C h i n a 2 No r t h C h i n a P o we r E n g i n e e r i n g C o L t d B e i j i n g 1 0 0 1 2 0 Ch i n a 3 S t a t e Gr i d E l e c t r i c P o we r R e s e a r c h I n s t i t u t e Na n j i n g 2 1 0 0 6 1 C h i n a 4 B e ij i n g S i f a n g Au t o ma t i o n C o L t d B e ij i n g 1 0 0 0 8 5 C h i n a 5 Na t i o n a l P o we r D i s p a t c h C o mmu n i c a t i o n s C e n t e r B e i j i n g 1 0 0 0 3 1 C h i n a 6 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r Al t e r n a t e El e c t r i c a l P o we r S y s t e m w i t h Re n e wa b l e En e r g y S o u r c e s No r t h C h i n a E l e c t r i c P o we r Un i v e r s i t y B e ij i n g 1 0 2 2 0 6 C h i n a 7 C h i n a E l e c t r i c P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e B e i j i n g 1 0 0 0 8 5 Ch i n a Ab s t r a c t I n t r a d i t i o n a l e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s t h e i n t e r n a l v o l t a g e a n d p o we r a n g l e o f g e n e r a t o r s a r e o f t e n me a s u r e d b y t h e e l e c t r i c a l c a l c u l a t i o n me t h o d I n t h e me t h o d t h e i n t e r n a l v o l t a g e a n d p o we r a n g l e o f g e n e r a t o r s a r e c a l c u l a t e d b y d i r e c t a x i s r e a c t a n c e Xa q u a d r a t u r e a x i s r e a c t a n c e X口 t e r mi n a l v o l t a g e a n d c u r r e n t wh i c h me a s u r e d r e a l t i me Th i s c a l c u l a t i o n me t h o d ma y r e s u i t i n d e v i a t i o n b e c a u s e t h e v a l u e o f Xd a n d X ma y b e c h a n g e d wh e n t h e g e n e r a t o r r u n n i n g i n d i f f e r e n t s t a t u s Th i s p a p e r p r o p o s e s fl k i n d o f r o t o r p o s i t i o n me a s u r e me n t me t h o d Th e i n t e r n a l v o l t a g e a n d p o we r a n g l e o f g e n e r a t o r s a r e c a l c u l a t e d b y u s i n g g e n e r a t o r p h a s e k e y i n g s i g n a l a n d 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 2 0 通讯作者 周捷 1 9 6 9 一 男 博 士 教授级高级工程师 主要从事 P MU装 置 变 电站 自动化 配 电 自动化 保护测 控装置 的技术开 发和 管理 E ma i l z h o u j l e s g e p r i s g c c c o rn c n 5 0 电 力 科 学 与 技 术 学 报 t e r m i n a l v o l t a g e s Thi s me t h od i s i n de pe nde nt o f g e ne r a t o r e q ui v a l e n t c a l c ul a t i v e m o d e l s a nd t h e v a l u e o f s y n c h r o n o u s r e a c t a n c e I t h a s h i g h a c c u r a c y a n d s u i t a b l e f o r r e a l t i me p o we r a n g l e me a s u r e me n t wh e n p o we r g r i d i s i n a d i s t u r b i n g o r t r a n s i e n t p r o c e s s i n g Ke y wo r d s g e n e r a t o r i n t e r n a l v o l t a g e a n d p o we r a n g l e g e n e r a t o r p h a s e k e y i n g s i g n a l PMU 发电机功角是反映电力系统稳定性的重要状态 变量之一 它是电网扰动 振荡和失稳轨迹的重要记 录数据 1 目前 现场实用的发 电机内电势功角测 量方法主要有 纯 电气计算法 5 通过实 时测量 到的发 电机端电压 电流以及发 电机的直轴 电抗 X 和交轴电抗X 来计算发电机实时内电势和功角 由 于发电机在不同运行状态下 的 X X 电抗参数会 变化 该计算方法有一定 的误差 转 子位置测量 法 8 利用发电机组 的键相脉冲信号和机端电压 来测量发 电机 内电势相角及其 功角 转子位置测量 法不受发电机等效计算模型和同步电抗参数误差的 影响 具有较高的精度 适用于电网扰动和暂态过程 的实时功角测量 因此 如果现场条件允许 相量测 量装置 P MU 宜直接采集转 子位 置来测量发 电机 内电势相角及其功角 在实际工程应用 中 笔者利用键相脉冲信号获 取发电机转子位置的机械位置 根据发 电机的运行 状态 自动校核机械位置的误差初始角 从而获取发 电机内电势角度 提出在水轮机组上直接测量功角 的方法 同时为保证 P MU 功角测量 的可靠性 对脉 冲进行冗余配置 引入发电机组的转速脉冲备用 在 多个电厂的 P MU工程 中 应用该方法对发电机组 进行功角测量 运行结果表明 该方法具有很高的测 量精度 且实现方法简便 可推广应用于 P MU 的实 际应 用 中 1 转子位置测量法 的基本原理 利用转子位置测量法 需要输入到 P MU 的信 号有发电机键相脉冲信号 发 电机机端三相 电压和 电流信号 键相脉冲信 号是发 电机组转子轴上的键 相槽与安装在外面的键相传感器所产生的周期性脉 冲信号 P MU将键相脉冲信号与标准时间信号进行 比 较 得到发电机转子位置角 a 当发电机处于启动空 载状态时 发电机输出功率为 0 其功角也为 0 在这 一 时刻 机端 电压正序相角与发 电机内电势相角 口 相等 此时 可以计算 出 a与 的夹角 y 只与发 电 机转子上键相槽 的位置有关 机组运行时恒定不变 机组检修后会改变 发电机并网运行后 a 一 一 减去机端电压正序相角即得到发电机 的功角 如 图 1 所 示 y 发 电机转子位置 势 机端正 序 电压 图 l 发 电机 转子位 置 内电势相 角与功 角向量 图 Fi g ur e 1 Ve c t or o f r ot o r p os i t i on i nt e r na l v ol t ag e a n g l e a n d p o we r a n g l e f o r g e n e r a t o r s 发 电机 同步相量测量单元 发电机同步相量测量单元除了测量机端电压电 流 励磁电压 电流 4 2 0 mA直流量 外 还需要接 入键相脉冲信号用 以测量发电机功角 基本硬件结构如 图 2所示 GP S模块将精度在 1 S 之内的 l P P S脉冲信号 和标 准时间信号送 入 C P U单元和 A D转换器 作为数据采集和相量 计算的标准时间源 由 P T C T耦合过来的三相 电 压电流经过 滤波整形 A D同步采样后送到 C P U 进行离散 F o u r i e r 计算 求 出同步相量 图 2中的信 号频率跟踪电路用于测量系统 的工频 消除频谱泄 漏 以实现算法的同步采样 P MU测量单元内部还 设有大容量 的移动 S ATA硬盘用以保存故障录波 的 C o mt r a d e 文件 并预 留了遥控开 出接 口用 于未 来可能的闭环控制 第 2 6 卷第 2期 周捷 等 发 电机 内电势相角与功角的测量方法及应用 51 图 2 同步相量测量单元 的硬件 结构框 图 F i g u r e 2 Ha r d wa r e s t r u c t u r e d i a g r a m o f PM U 3 键相脉冲接入 P MU 的技术要求 3 1 汽轮 机 组键相 脉 冲 当火电厂的汽轮机正常发 电时 键相脉 冲额定 频率为 5 0 Hz 即 1脉 冲 转 信号类 型为 电压信 号 电压范围宜控制在 一2 5 2 5 V 之间 信号峰 峰值应大于 3 V 供 P MU 使用 的键相脉冲信号 与现场其他设备 使用 的键相脉冲信号之间宜进行 电气隔离 提供给 P MU 的键相脉 冲信号标 准接 口为 2芯 信号 正端 和信号参考地 原始键相脉冲信号由安装在汽轮机机头处的键 相传感器输出 通常在汽轮机机头处 的延长轴上开 有一个键相槽 键相传感器安装时将传感器探头对 准键相槽所在位置 每当键相槽到达探头之前时 传 感器就会输出一个脉冲 供 P MU使用的键相信号可 由发电机 T S I 系统 输 出 此时 TS I 系统接入键相传感器输出的原始键 相信号 并在内部进行信号隔离转换 将一路信号转 换为多路输 出 不仅 能满足 TS I 设 备 自身的需求 也能为外部设备提供相互隔离的多路键相信号 选 取其 中一路接入 P MU 即可 推荐采用此种方案 如果 T S I 系统不能满足上述要求 也 可在汽轮 机机头处加装专用 的键相传感器 由传感器直接输 出脉冲信号给 P MU 要求在发电机的转轴上 开一个键相脉冲槽 在 转轴外部放置一键相脉冲传感器 如 图 3所示 图 3 中 A的数值视脉冲传感器而定 如对于常用 的键相 脉冲传感器 P R 9 3 7 6 测量间隙 A 1 5 mm 3 2 多极对数水轮机组键相脉冲 对于水轮机组 由于极对数多 转速慢 需要在 水轮机的转轴上装设 与极对数相 同数 目的齿 盘 如 图 4所示 水轮机组键相脉冲传感器一般采用接近开关作 为水轮机组的键相传感器 图 4中传感器探头和键 相凸块的测量距离 A为 8 1 0 m1 2 2 较为合适 凸块 表面与转轴表面的距离 B大于 1 0 mm 图 3 汽轮机键相脉 冲测量示意 Fi g u r e 3 Di a g r a m o f s t e a m t u r b i n e p h a s e k e y i n g m e a s u r e me n t 5 图 4水轮 机键相脉 冲测量 示意 Fi g u r e 4 Di a g r a m o f wa t e r t u r b i n e p h a s e k e y i n g me a s u r e m e n t 4 转子位置测量法的工程应用 4 1 发电机初始相角 理论上 发电机的转 子位 置信号应与 内电势角 度相同 但实际上 由于机械开槽或传感器安装等原 因 内电势与位置信号间会有一个较大的机械误差 角 初相角 a 同时 发 电机由于大轴检修等原因 会 使机组转轴位置或键相脉冲传感器位置也会发生一 定的变化 引起 a的变化 如不及时重新测定 其测 量功角将有较大的误差 在图 3中 当发电机处于并网前空载状态 空载 5 2 电 力 科 学 与 技 术 学 报 内电势与机端 电压相同 0 一 0 测量此时键相信号 与机端电压之间的角度差 a 0 一0 一e 在发电机 进入正常运行期间 初 相角 作为直接测量发 电机 功角的常数 发电机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 并在此期间长期影 响发电机功角测量 的正确性 故 P MU需要不 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 a 作 自动测定和误差处 理 以便无论发电机运行状况如何改变 机 组并 网 何 时进行 都不需要技术人员现场操作 4 2 发 电机 状态 的 自动监 测 在利用 P MU测 量功角时 发 电机组共 有 3种 状态需要判断 机组检修状态 机组并网前的空载状 态 和机 组并 网运 行状态 1 机组检修状态 该状态主要用于通知 P MU做好初相角检测的 准备工作 其主要判据 机端三相 电压幅值 U小 于电压归零整定值 U 机端三相电流幅值 J 小 于负载归零整定值 j 发 电机转速 S小于转速 整定值 N一 发 电机励磁电压 电流小于整定值 D 当 P MU检测到发 电机满足判据后完成初相 角检测的初始化 2 空 载状 态 该状态主要用 于初相角 的测量 主要判据 机端正序电压幅值 达到整定值 机端电压频 率 厂在整定范围内 厂 厂 f 机组转速 S 达 到整定条件 S S S 机端电流 J 小于空载 判别条件电流 J a 多条件判 断可避免对机组 空载状态 的识别错 误 在 P MU 捕捉到可测初相角状态时 立即锁定当 前周波的 测量 数据 计 算 出初 相角 a 并存 储 在 P MU 的存储器中 3 并网运行状态 在该状态下 P MU装置根据机端 电压 机端 电 流 键相脉冲信号及时钟信号 实时测量发电机功角 及 内电势 通过通信 网络 向调 度主站发送 发电机功 角数据 4 3水轮机组脉冲测量方法 如图 4所示 水轮机组通常具有较多的极对数 其转子轴旋转一周对应 多个 电气周期 若其齿盘均 匀开取且与极对数对应 则可 以利用传感器获取的 信号来直接测量功角 在图 4中 当齿轮从 1 转 到 2时 对应电气角度 从 0到 3 6 0 则可以把每个脉 冲当作键相信号 按照 键相信号的测量方法直接测量 与常规的键相信号不 同的是 由于齿盘的机械 误差 不可能做到完全均匀 需要 P MU计算 出多个 初相角 在发电机空载状态下 记录与极对数相对应 的周期数中的脉冲与机端 电压相差 L a 劬 a J 作为补偿的初相角 转子位置法的功角测试结果 笔者所描述的发电机组功角直接测量方法应用 于南瑞 S MU一2 G型 同步相量测量装置中 在现场 对发 电机组 进行启 动 试 验 1 mi n记 录下 的发 电 机 空载 启机过程和平稳运行的发电机 功角数据分 别 如 图 5 7 所 示 0 O 9 5 0 1 7 8 0 2 6 1 一 0 3 4 4 m 4 2 7 墨 0 5 1 0 o 5 9 3 0 6 7 6 0 7 5 9 6 3 7 7 6 2 8 0 6 1 8 2 6 0 8 5 5 9 8 7 8 9 0 5 6 9 5 5 5 9 8 第 2 6卷第 2期 周捷 等 发 电机 内电势相角 与功角 的测量方法及应用 53 3 3 4 5 l 3 3 3 o 6 3 3 1 61 3 3 0l 5 3 2 8 7 0 墨 3 2 7 2 4 3 2 5 7 9 3 2 43 4 3 2 28 8 3 2 1 4 3 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 时间 s 图 7发 电 机 平 稳 运 行 时的 1 mi n功 角 数 据 Ma x 3 3 3 0 6 Mi n 3 2 1 4 3 F i g u r e 7 P o we r a n g l e d a t a wi t h i n o n e m i n u t e u n d e r g e n e r a t o r s t a b l e o p e r a t i o n Ma x 3 3 3 0 6 Mi n 3 2 1 4 3 通过现场测试的发电机功角数据表 明 直接测 量功角的方法具有较好 的测量精 度和动态 响应 时 间 其测量误差在 0 5 以内 满足实际工程的需求 6 结语 利用转子位置直接测量发电机功角方法 目前已 应用 于国 内的多个 WAMS工程中 并进行 了大量 的试验 结果表明 该测量方法实现方式简单 易于 工程化 测量精度高 响应 时间短 下一步的工作方 向是需要进一步规范键相脉冲传感器的安装方式和 电气输 出的接 口方式 提高键相脉冲的输 出精度和 抗干扰能力 使之标准化 为电力系统稳定分析控制 提供准确可靠 的发电机功角直测数据 参考文献 1 3严 登俊 鞠平 基于 G P S时钟信号 的发 电机 功角实 时测 量方法 J 电力系统自动化 2 0 0 2 2 6 8 3 8 4 0 YAN De n g j u n J U Pi n g Re a l t i me p o we r a n g l e me a s u r e me n t o f a s y n c h r o n o u s g e n e r a t o r b a s e d o n GP S c l o c k s i g n a l a n d t a c h o me t e r J Au t o ma t i o n o f E l e c t r i c P o we r S y s t e m 2 0 0 2 2 6 8 3 8 4 0 2 3李刚 王少荣 夏涛 电力系统广域动态检测中的功角直 接测量技术口 电力系统 自动化 2 0 0 5 2 9 3 4 5 5 0 LI Ga n g W ANG S h a o r o n g XI A Ta o Di r e c t me a s u r e me n t o f p o we r a n g l e s i n p o we r s y s t e m d y n a mi c s u p e r v i s o r y J Au t o ma t i o n o f E l e c t r i c P o w e r S y s t e m 2 0 0 5 2 9 3 4 5 5 0 3 赵新红 夏春燕 孙明字 等 基于 GP S的高精度功角实 时测量 系统 J 南京师范大学学报 工程技术 版 2 0 0 7 7 3 1 3 1 6 ZHAO Xi n h o n g XI A Ch u n y a n S UN M i n g y u e t a 1 Hi g h p r e c i s i o n r e a l t i me me a s u r i n g s y s t e m o f p o we r t o r q u e a n g l e J J o u r n a l o f Na n j i n g No r ma l Un i v e r s i t y En g i n e e r i n g a n d Te c h n o l o g y Ed i t i o n 2 0 0 7 7 3 13 一 l6 4 Z h o u J i e Z h a n g C h a n g y i n g P r e c i s e me a s u r e me n t o f p o we r s y s t e m f r e q u e n c y a n d a b s o l u t e p h a s e b a s e d o n GP S C I E E E P E S C S E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o we r S y s t e m Te c h n o l o g y Ku n mi n g Ch i n a 2 0 0 2 5 王彬业 蒋桂香 王颖 等