CN101299058B - 一种水轮同步发电机功角直接测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮同步发电机功角的直接测量方法，包括下列步骤：在发电机空载的情况下，PMU装置通过传感器获取发电机转子齿盘的初相角、齿距特征参数；在发电机带负载运行后，通过测量此时刻的发电机齿盘齿距特征，来匹配初相角序列与齿距序列对应关系；通过匹配关系，计算发电机的实时功角。采用本发明的方法，在不对已有的发电机齿轮改造的情况下，可以测量发电机位置信号的初始误差角，直接获取精确的发电机功角。

Description

一种水轮同步发电机功角直接测量方法

技术领域

本发明涉及一种直接测量水轮同步发电机功角的方法。

背景技术

我国各大电网的互联的趋势使得电网安全稳定的监测尤为重要。由于发电机功角是表征电网安全稳定的重要状态量，因而利用同步时钟技术构建的广域测量系统(WAMS)、同步相量测量装置(PMU)近几年得到了广泛的推广应用。测量发电机功角较为精确的方法是：直接测量发电机转子在某空间中的位置角度，从而推算出内电势相角，通过内电势相角与发电机机端电压之间的角度差来获得发电机功角。

直接测量同步发电机的功角方法，因为汽轮机组为单极机组，大多具备键相信号，其脉冲与发电机机端电压存在一一对应的关系，故在同步相量测量装置中已应用较为成熟。但对多极对的大型同步发电机组，特别是水轮发电机组，其转子槽位一般与极对数相同，在转子转动一圈的过程中，将发出多个脉冲，由于槽位在机械上不可能完全均匀，其误差将会因极对数原因放大很大，导致实际测量不可用。故一直以来，多极对发电机组的功角直接测量在工程实际应用中存在较大的困难。

申请号为200510110406.6的中国专利申请《直接测量发电机功角和内角的方法》披露了一种通过利用发电机转轴键相信号及机端电压相量来直接测量发电机功角的方法。该方法仅能获取单个的发电机机械初始角并用于后续的功角计算中，在单极的汽轮机组中测量是准确的，但在多极对的水轮机中，由于各齿间的机械误差不一，无法获取稳定的初始相角。

《电力系统广域动态监测中的功角直接测量技术》(电力系统自动化2005年2月号第29卷第3期第45页)披露了一种可应用于汽轮机组及水轮机组功角直接测量的方法。其中也涉及到多极对的水轮发电机功角测量方法。该方法需要在水轮发电机齿盘上，通过机械方式修改齿盘齿的宽度，使传感器获取特殊的“大齿”脉冲，以标识出第一个脉冲。但实际上，由于目前大量已投入运行的发电机组齿盘已开好，以及发电设备的重要性原因，重新修改发电机齿盘，在工程实际应用中有很大的难度。

发明内容

本发明的目的是，在不对已有的发电机齿轮改造的情况下，测量发电机位置信号的初始误差角，直接获取精确的发电机功角。

为了实现上述目的，本发明是通过在同步相量测量装置中提取发电机齿轮的特征参数，通过参数自动辨识的技术方案来实现的，水轮同步发电机功角直接测量方法，包括下列步骤：

1、在发电机空载的情况下，同步相量测量装置通过传感器获取发电机转子齿盘的初始相角序列及齿盘各齿之间的齿距序列，获取上述机组特征参数后，将其作为发电机参数存入装置。每次发电机在检修后，机组进入空载状态，装置重新计算这些参数。

2、在发电机带负载运行后，通过测量此时刻的发电机齿距特征，来匹配初相角序列与齿距序列对应关系。

3、同步相量测量装置通过获取的对应关系以及发电机机端电压，求取发电机功角。

在本发明中，披露了采集发电机转子齿盘初始相角序列及齿距序列的方法。图1是测量原理示意图。设发电机极对数为N，当同步相量测量装置检测到发电机进入空载状态后，根据发电机的特性，发电机内电势E_q与机端电压U同相。

通过同步相量测量装置可较方便地获取如下齿盘的特征参数，参见图1：

传感器脉冲发出时与机端电压U的初始角度差序列：

θ＝[θ₁，θ₂，θ₃，…，θ_N]       (1)

传感器脉冲之间的脉冲发出时刻差序列，代表齿盘间的间距序列：

γ＝[γ₁，γ₂，γ₃，…，γ_N]       (2)

考虑到水轮机组的振动、干扰等原因，在不同的时刻测量的θ、γ会有一定的误差，在提取特征参数时刻，进行一段时间的平均处理，消除误差。

在本发明中，披露了采集发电机特征参数与正常运行过程中转子位置脉冲匹配的方法。在发电机并网运行后，同步相量测量装置运行过程中，同样可测量到如下的信息：

传感器脉冲发出时与机端电压U的角度差序列：

α＝[α₁，α₂，α₃，…，α_N]       (3)

传感器脉冲之间的脉冲发出时刻差序列：

l＝[l₁，l₂，l₃，…，l_N]     (4)

通过如上的序列，求取脉冲匹配矩阵A：

$A=\left[\begin{array}{c}{e}_{(i+0)\%N}\\ e_{(i+1)\%N}\\ e_{(i+3)\%N}\\ \·\\ \·\\ \·\\ e_{(i+N)\%N}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中：e₁＝[1，0，0…0]，e₂＝[0，1，0，…0]，e₃＝[0，0，1，0，…0]，e_N＝[0，0，…，0，1]

通过求取下式的最小值获得匹配矩阵：

$\lim \left(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(l_j-A_j{\mathrm{\γ}}_j)}^2\right)---\left(6\right)$

在本发明中，披露了通过上述获取的匹配矩阵，在正常运行过程中求取功角的方法。通过测量的序列角度差α，初始角序列θ及矩阵A可得到发电机功角：

δ＝α-A*θ                 (7)

采用本发明的方法，解决了既有方法存在的问题。利用发电机运转后，其齿轮参数及传感器参数不变的特性，来获取发电机齿轮特征参数。通过同步相量测量装置运行后对特征参数的匹配来获取每周期对应初始角。从而避免了对发电机转子齿轮的改造，具有较大的工程实际应用价值。同时由于匹配矩阵是一个稀疏矩阵，其求解较为方便快速，方便PMU的实时运算。

附图说明

图1为发电机齿轮特征参数辨识功角测量示意图

图2为PMU实现硬件框图

具体实施方式

下面是本发明的一个具体实施例，包括了采用本方法实现的一个具体的发电机同步相量测量装置。本方法的其它的特征、目的和优点也可以从实施例的说明和附图中看出。

从图2中可以看到，发电机的输出机端电压由电压/电压变换器1变换为小幅值的波形信号后送给模数转换器4，发电机的定子电流由电流/电压变换器2变换为小幅值波形信号后也送给模数转换器4，由发电机转子位置信号经相应的位置传感器3转换成脉冲信号送给数字处理单元5。

模数转换器4接收上述各变换器送来的模拟信号波形，并把每个波形数字化，数字化后的波形信号送给数字处理单元5，众所周知，模数转换器的位数和通道数是由信号的大小和多少确定的，进行模/数转换的时刻是由时钟同步单元6控制数字处理单元5来决定的。

数字处理单元5至少应含有微处理器，其接收模数转换器4送来的数字信号，按程序对数字信号进行处理，包括运算、判别、存贮，计算出发电机功角，在此，微处理器的位数、运算速度等并非本发明的技术关键，只需满足本实施例中对数据处理的要求，包括使用通用计算机系统。

Claims (5)

1.一种水轮同步发电机功角直接测量方法，其特征在于：包括下列步骤：

1)在发电机空载的情况下，同步相量测量装置通过传感器获取发电机转子齿盘的初始相角序列及齿盘各齿之间的齿距序列，获取上述机组特征参数后，将其作为发电机参数存入装置；

2)在发电机带负载运行后，通过测量此时刻的发电机齿距特征，来匹配初相角序列与齿距序列对应关系；

3)同步相量测量装置通过获取的对应关系以及发电机机端电压，求取发电机功角。

2.根据权利要求1所述的水轮同步发电机功角直接测量方法，其特征在于：所述采集发电机转子齿盘初始相角序列及齿距序列的方法为：在同步相量测量装置检测到发电机进入空载状态后获取传感器脉冲发出时与机端电压U的初始角度差序列θ＝[θ₁，θ₂，θ₃，…，θ_N]及齿间距序列：γ＝[γ₁，γ₂，γ₃，…，γ_N]，其中N为发电机极对数。

3.根据权利要求1所述的水轮同步发电机功角直接测量方法，其特征在于：在所述步骤2)中，测量传感器脉冲发出时与机端电压U的角度差序列：α＝[α₁，α₂，α₃，…，α_N]，及传感器脉冲之间的脉冲发出时刻差序列l＝[l₁，l₂，l₃，…，l_N]，通过求取脉冲匹配矩阵A，其中N为发电机极对数。

4.根据权利要求1所述的水轮同步发电机功角直接测量方法，其特征在于：所述求取发电机功角的方法为：通过匹配矩阵A，测量的序列角度差α，初始角序列θ及矩阵A计算得到发电机功角δ＝α-A*θ。

5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的水轮同步发电机功角直接测量方法，其特征在于：所述同步相量测量装置包括：电压/电压变换器(1)、电流/电压变换器(2)、位置传感器(3)、模数转换器(4)、数字处理单元(5)和时钟同步单元(6)，发电机的输出机端电压由电压/电压变换器(1)变换为小幅值的波形信号后送给模数转换器(4)，发电机的定子电流由电流/电压变换器(2)变换为小幅值波形信号后也送给模数转换器(4)，模数转换器(4)接收上述各变换器送来的模拟信号波形，并把每个波形数字化，数字化后的波形信号送给数字处理单元(5)；由发电机转子位置信号经相应的位置传感器(3)转换成脉冲信号也送给数字处理单元(5)；进行模/数转换的时刻由时钟同步单元(6)控制数字处理单元(5)来决定；数字处理单元(5)至少应含有微处理器，接收模数转换器(4)送来的数字信号，按程序对数字信号进行处理，包括运算、判别、存贮，计算出发电机功角。

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