功角的测量技术 文档

1、发电机内电势功角测量方法,技术介绍,报告内容,1,技术发展背景,2,直接发电机功角测量原理介绍,3,发电机输入输出信号介绍,4,内电势的计算方法介绍,5,直接发电机功角测量技术特点,6,几种测量方法的比较,7,工程实施及验证情况,8,技术总结与未来展望,第一节,技术发展背景,1,功角实时同步测量的重要意义,技术背景,发电机功角是表征电力系统安全稳定运行的主要状态变量之一,直接测量发电机功角可检验,EMS,系统在线状态估计和静态安全分析的计,算结果,准确测量发电机功角还是通过推算发电机功角，反映了,PMU,检测技术和,WAMS,的应用水平,发电机功角是,WAMS,系统电网三大动态稳定分析的重要数

2、据源,1,记录电网扰动的状态轨迹,2,改善,EMS,状态估计的精度,3,用于校验发电机特性参数,发电机功角是电网扰动和失稳轨迹的重要记录数据,技术背景,2,国内外广域同步相量测量系统研究现状,90,年代以来,GPS,时间同步技术、数据通信网络技术、光纤数字传输,技术、高速交流采样,快速富氏变换、数字信号处理技术的发展，推动广,域同步相量测量技术快速发展。最早应用于美国和欧洲等电力系统,美国西部联合电力,WSCC,通过,WAMS,开发了基于高速监测和快速控制的系,统调度运行方式以避免系统大范围的停运,日本应用同步相量测量技术开发了在线全局动态监测系统，用于研究,广域低频振荡,西班牙,CSE,电力

3、公司在,SCADA/EMS,在线系统中，利用相量测量来改善,状态估计的迭代过程,加拿大,Hydro-Quebec,的利用相角测量改善发电机的,PSS,控制输入,以改善互联网电网的振荡衰减,华东电网从,2019,年起，同步相量测量系统在华东电网中进行应用。取,得了一定的运行维护经验,东北电网、江苏电网、三峡电网、华北电网、南方电网、台湾电网已,实施了,WAMS,计划,2019,年，华东电网公司与南瑞集团合作，研究广域动态监测保护控制,系统,WAMAP,在华东电网的应用，同时展开了对发电机功角及内电势同,步测量实用性的综合研究,技术背景,国内,PMU,技术的试点应用始于,2019,年，华东电网公司

4、,电科院、清华大学,四方公司、河海大学等研究用,PMU,实现发电机功角检测技术都在,2019,年,技术背景,PMU,发电机功角测量技术主要方法情况,1,转速积分法,2,算法补偿法,核心思路：采用等效电路模型及机组同步电抗参数计算积分常,数作为积分初始角，利用转速脉冲积分来计算转子位置，然后,直接算出发电机功角,核心思路：在扰动情况下，通过派克方程计算发电机功角，研,究补偿算法修正发电机参数，从而弥补发电机功角计算误差,t,e,w,s,w,P,sT,1,D,2H,sT,M,1,i,1ref,t,T,t,MU,T,i,t,U,t,U,t,U,T,T,t,t,0,t,1,t,t,0,1,用派克方程计

5、算实时功角,2,根据摇摆方程计算角频率偏差及平均电磁功率,Pe,3,计算远离次暂态程度的系数,4,得到修正后的功角,e,k,1,mi,n,t,t,U,k2,1,t,国家,型号,功角测量,初相角测量,测量方式,美国,SEL734,Arbiter Systems 1133A,Macrodyne,1690,台湾,ADX3000,四方,CSS200,PAC2000,SMU-1G,电科院,南瑞,河海,PMU/GPS-I,手动,自动,通过计算获取,键相,键相,键相,转速,转速积分,技术背景,国内外,PMU,发电机功角测量技术情况,第二代,分布式,网络通信,自适应直接测量,序号,系统结构,传输方式,功角测量

6、,辅助测量,第一代,集中式,串口,高速,MODEM,计算,励磁电压,电流,AGC,失稳预警,无,有,技术背景,标准,1,2019,年美国,IEEE,制定了“电力系统同步相角测量标准,IEEE STD,1344-2019,R2019,”，对,GPS,使用，同步采样误差、数据传输格式等,同步相角测量方面做了指导性规定，但未提及发电机功角测量,3,技术标准情况,标准,2,2019,年国家电力调度中心制定了“电力系统实时动态监测系统,技术规范”，提出机组内电势功角的测量要求,设计标准：无,检测标准：无,4,发电机功角测量方法,NO.1,间接计算法,间接计算法，基于稳态相量图的解析法,用发电机交,直轴同

7、步电抗参数及机端电压、电流计算获取发电机功角,的测量方法,主要实现厂家：南瑞、四方、电科院、河海大,学等均能够在,PMU,或,WAMS,主站实现发电机功,角纯电气计算,NO.2,转速积分法,通过计算法获取稳态功角值，采集转子脉冲，对转速求积分修正功角,主要实现厂家：河海大学，在河南电网,WAMS,系统中使用,技术背景,Si,n,I,Xq,U,Cos,I,Xq,arctg,简化计算公式,技术背景,NO.3,转子位置测量法（脉冲直接法,通过在发电机转子轴上设置机械测点或测速齿轮，在转子周围安装光,电或电磁装置，通过一定变换来实现功角测量,该方法精度高，在发电机扰动情况下，仍有较高精度。由,华东电网

8、公司专项科技项目与电科院和南瑞公司联合研究,两种实现方式：独立功角测量模块,PMU,内置软件,5,华东,WAMAP,系统实施的有利条件,技术背景,发电机组具备用于检测机组转轴动态平衡的转轴键相脉冲信号,具备,WAMS,系统多年的运行经验,发电机组上均具备转速,脉冲,信号输出,具备了高速的数据通信网络，可将各电厂、变电站,PMU,装置连接起来,第二节,直接发电机内电势功角测量,技术原理介绍,1,主要的名词定义,1,发电机内电势,当同步发电机转子以同步速率旋转时，主磁场就在气隙中,形成一个旋转磁场，它“切割”定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为,f,的一组对称三相电动势，称为发电机内电势,2,

9、发电机功角,发电机内电势和机端电压正序相量之间的夹角称为发电机功角,3,发电机初相角,在采用,键相脉冲,直接测量发电机转子位置，来等效发电机,内电势的相角，但由于转子机械安装位置（机械角）与内电势相角有较大的角,差。在发电机空载情况下，发电机空载内电势与机端电压同相位，我们定义发,电机空载内电势与机械角之间的夹角称为发电机初相角,原理介绍,2,设计思路,原理介绍,发电机功角测量示意图,PMU,PMU,PMU,可通过安装,GPS,控制的,PMU,进行同步采集,功角测量的关,键在于同步测量测量,Eq,与,Ug,的角度,直接测量,Eq,的相位较困难，但转子位置与,Eq,存在着固定的相位关系,故可以采

10、用转子位置代替,Eq,自适应直接测量发电机内电势功角技术基,本原理即为采集转子位置来获取,Eq,原理介绍,键相信号,键相信号,以前主要用于对发电机转子轴振动进行监测，在发电机转子转到固,定位置时，发出一定幅度的脉冲。目前机组该脉冲为每转,1,个脉冲。通过测量该,信号，结合发电机的转速，可以得到转子的实际位置,原理介绍,键相信号简化示意图,该技术利用高性能处理器对发电机的机端电压、机端电流、转子,键相脉冲、转速脉冲以,10KHz,进行高速采样，根据所获得的数据对,发电机空载、负载运行比对分析得出发电机初相角和实时功角,3,技术原理,原理介绍,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,1,基于直接键相

11、脉冲测量方法,u,1,p,2,GPS,秒脉冲,机端电压,U,键相脉冲,T,T,t1,t2,T,1,2,u1,t,f,以,GPS,秒脉冲上升沿时刻定,义为,0,时刻,快速采集发电机机端电压的,U,的过零时刻,t1,则可得到其绝,对相角,采集键相脉冲发生时刻,t2,则可得到转子绝对机械角,2,2,p,t,f,1,2,机端电,压,U,键相,脉冲,T,T,t,1,t,2,GPS,秒,脉冲,T,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,t2,对应的机组转轴位置与机组内电势,之间有一个固定的机,械角度,数值的大小不受发电机运行状态的改变而改变,除非转轴位置传感器的机械位置发生变化,p,在发电机理想空载状态下，

12、由于负载电流为,0,机端电压与,内电势相同，此时刻有,1,u,故可采用空载时刻的机端电压来代替内电势，从而通过,此时的机械角度与机端电压角度差获取机械初相角,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,发电机功角,2,1,2,1,1,t,t,f,p,u,u,发电机内电势绝对相角,1,u,通过上面的,GPS,控制采样计算，我们即可得到如下的关键测量量,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,2,实际问题,NO.1,如何解决机械安装角的误差问题,机械加工误差,检修安装误差,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,NO.2,如何快速检测初始相角的问题,实际现场发电机并网运

13、行时间不定,真正空载时间短,实际问题,一次捕捉不到，需要间隔很长时间才有发电,机空载的机会,实际问题,NO.3,如何保证信号的正确接入,信号接入的传输延时如何补偿,机械振动误差如何滤除,转子轴具有一定的摆度或扭振,键相脉冲传感器支架随机组振动,会导致测量较大的误差,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,3,关键技术,1,空载下的初相角检测,在发电机空载状态下测得频率,f0,时间,t10,t20,机端正序电压相角,10,0,2,u10,t,f,机组转轴位置脉冲的绝对相角,20,0,2,p0,t,f,发电机空载时的内电势初相角,20,10,0,2,p0,1,0,t,t,f,u,机械误差角自动检测,

14、原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,4,关键技术,2,发电机运行状态自动判断,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,发电机运行状态通过接入的机端电压、电流、脉冲等运行信息进行判断,发电机检修状态判断,发电机机端电压归零,发电机负载归零,发电机转速小于设定值,发电机空载状态判断,发电机机端电压大于整定值,发电机转速到额定转速,发电机负载电流小于设定值,在发电机从检修状态转入空,载状态后自动判断初相角,目前的计算机技术可在毫秒级的时间,内判断出运行状态,5,关键技术,3,转速脉冲的备份接入,判断发电机是否处于稳态状态,在稳态下按照键相信号得到功角,锁定转速脉冲中的某一脉冲,将此脉冲作为发电机备用

15、信号,在键相脉冲丢失或明显不正常时,利用此信号代替转子位置信号,可大大提高直接测量法,的可靠性,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,6,关键技术,4,多重化的滤波措施,1,硬件手段上，脉冲正确性的检测,2,空载情况下，多次数据的平滑综合处理,原理介绍,采用直接键相信号测量的原理,3,测量数据的软件平滑滤波,原理介绍,自适应直接测量发电机功角接入示意图,第三节,发电机输入输出信号介绍,信号类型,信号来源,额定值,PMU,接入情况,目前接入条件,机端电压,Ua,发电机机端,100VAC,一定要接入,机端电压,Ub,发电机机端,100VAC,一定要接入,机端电压,Uc,发电机机端,100VAC,一

16、定要接入,机端电流,Ia,发电机机端,1A,5A,一定要接入,机端电流,Ib,发电机机端,1A,5A,一定要接入,机端电流,Ic,发电机机端,1A,5A,一定要接入,键相信号,发电机,5-24VDC,需要接入,转速信号,发电机,5-24VDC,可接入,励磁电压,Uf,励磁系统,4-20mA,可接入,励磁电流,If,励磁系统,4-20mA,可接入,AGC,控制输出信号,RTU,4-20mA,可接入,根据需要,AVC,控制输出信号,RTU,4-20mA,可接入,根据需要,PSS,的,PID,控制输出,信号,励磁控制器,4-20mA,可接入,根据需要,调频,PID,的控制输出信,号,机械,自动调频控

17、,制器,4-20mA,可接入,根据需要,发电机接入量,信号类型,信号来源,额定值,PMU,接入情况,目前接入条件,气门开度信号,发电机,4-20mA,可接入,根据需要接入,一次调频控制前指令,发电机,4-20mA,可接入,根据需要接入,一次调频控制后指令,发电机,4-20mA,可接入,根据需要接入,发电机开关量,发电机,24V,可接入,根据需要接入,发电机接入量,发电机输出量,a,机端,A,相电压同步相量,Ua,ua,b,机端,B,相电压同步相量,Ub,ub,c,机端,C,相电压同步相量,Uc,uc,d,机端正序电压同步相量,U1,u1,e,机端,A,相电流同步相量,Ia,ia,f,机端,B,

18、相电流同步相量,Ib,ib,g,机端,C,相电流同步相量,Ic,ic,h,机端正序电流同步相量,I1,i1,i,内电势同步相量,j,发电机功角,k,发电机转速,n,l,发电机励磁电压、电流信号,m,发电机有功功率、无功功率,n,频率、频率变化率,第四节,内电势的计算方法介绍,1,内电势的测量只能通过计算的方法获得,计算法所获得的功角值的准确性和精度，取决于数学模,型和计算式中的参数数值。由于在稳态状况下，功角计,算的数学模型是准确的，数学模型中的定子电流和机端,电压测量值的精度也是较高的，而在计算中起重要影响,的同步电抗,Xd,的值是随着发电机运行状态的不同在很大,的范围内变化（约在,40,范

19、围内变化,发电机内电势计算,隐极同步发电机,d,a,X,I,j,R,I,U,E,0,q,q,d,d,a,X,I,j,X,I,j,R,I,U,E,0,凸极同步发电机,cos,sin,0,a,q,IR,U,IX,U,arctg,cos,sin,0,a,d,IR,U,IX,U,arctg,a,d,d,X,X,X,ad,q,X,X,X,发电机内电势计算,磁路饱和下的发电机参数修正,E,2,2,sin,cos,sin,cos,a,d,d,a,IR,IX,IX,IR,U,E,2,2,sin,cos,8,0,sin,8,0,cos,a,d,d,a,IR,X,I,X,I,IR,U,E,对隐极机有,对于凸极机有

20、,其中,为气隙合成磁场中的基波分量在电枢绕组中感生的内电动势,X,p,称为保梯电抗,p,a,jX,R,I,U,E,磁路饱和时的电动势平衡方程式为,磁路饱和下的发电机参数修正,a,d,a,a,d,s,X,K,I,E,BC,AC,X,K,为磁路饱和时同步电机电枢反应电抗折算系数,第五节,技,术,特,点,1,相量测量与发电机运行状态的无关性,技术特点,测量精度与发电机运行负载无关,与测量时间起点无关,测量精度与发电机原始电气参数无关,测量精度与转子初始位置及键相槽等安装误,差无关,不受电网或机组扰动暂态过程的影响,2,可自动校验发电机的初相角,技术特点,自动判别发电机的并网状态,U,f,I,自动判别

21、检修状态,快速检测发电机初相角,3,该方法具备很高的实用性,充分利用现有的发电厂条件,无须额外安装传感器,无,需对机组进行改造，信号接入简单,技术特点,4,具备很高的测量精度,测量的角度精度误差,0.2,度，远远优于其他方法,比标准要求的,1,度以内的误差要求高出,5,倍,5,具备较高的可靠性,技术特点,双脉冲的备份输入测量,自适应判断，可靠地捕获发电机初始相角,抗脉冲抖动数字滤波,第六节,几种测量方法的比较,方法比较,采集信号,计算参数,误差因素,扰动下精度,纯电气计算法,机端,U/I,机端,U/I,转速,机端,U,转速,键相,转速积分法,自适应直接测量,同步阻抗,同步阻抗,参数误差,参数误

22、差及积分误差,与电机参数无关,误差较大,误差大,误差小,方法比较,1,几种方法的简单比较,1,间接计算法,实际现场发电机参数随负载的变化而有所不同,计算法的精度误差,较大,同时发电机组附近故障时,依靠电气量测量出的功角存在着很大的误,差，测量出的频率与机组实际转速差别也较大,不能准确地记录机组机电,暂态过程,方法比较,未经发电机参数修正,稳态下：角度误差,2-3o,以上,暂态下：角度误差大到难于估计,清华及四方通过发电机模型转换，参数实时修正后的计算法,稳态下：角度误差,1o,左右,暂态下：角度误差,6 o,以上,WAMS,实际运行运行的结果,2,转速积分法,由于测量误差通过积分后会进行累积,稳态情况下通过计算法校对积分误差,暂态情况下，通过转速积分后求取转子位置,方法比较,其测量误差为,稳态下：理论角度误差,2-3o,以上，还有延迟误差,暂态下,动态情况下的精度无法估计,方法比较,3,自适应直接测量发电机内电势功角技术,其测量误差为,稳态下：理论角度误差,0.2o,左右,暂态下：理论角度误差,0.2