CN101907686A - 一种基于gps及北斗的双星系统的发电机功角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GPS及“北斗”的双星系统的发电机功角测量方法。步骤1，测量发电机出口母线电压、电流数据，获得被测电机定子电流和出口母线电压，利用GPS/“北斗”双星系统，实现不同地点的发电机相关测量信号的同步采样，对所采集的电气量打上GPS/“北斗”双星系统时标(又称之为时间同步信号，由专用硬件时标系统由GPS/“北斗”双星系统获取授时信号后形成高精度的时间标签)；步骤2，对转子位置脉冲及转子轴上的圆盘、光电传感器及各齿轮间通过计数器计数，并打上GPS/“北斗”双星系统时标；步骤3，测量转子d轴与定子a相绕组轴线夹角α，通过abc坐标和dq0坐标转换，求出与之间的夹角，该夹角即是要测量的功角δ——与的夹角。

Description

一种基于GPS及北斗的双星系统的发电机功角测量方法

技术领域

本发明属于电力系统测量技术领域，特别是涉及一种基于GPS及“北斗”的双星系统的发电机功角测量方法。

背景技术

功角表示发电机内电势 和给定母线电压 

之间的夹角，如图1所示，既表征系统的电磁关系，还表明了各发电机转子之间的相对空间位置，而这恰好是判断各发电机之间是否同步运行的依据。

由于发电机的不同步运行或者系统振荡，会危及发电机及变压器甚至整个系统的安全，从电力系统安全稳定的客观要求出发，发电机失步及失步预测保护十分必要。如果功角能被直接测量，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，提高状态估计的可靠性，更有可能完全实现电力系统的实时自动控制，解决系统的稳定问题。因此实时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。

功角测量方法有间接测量法和直接测量法。

间接测量就是通过已知的发电机参数来计算功角。传统的做法是：若已知横轴同步电抗X_d(隐极机)或X_q(凸极机)，在测取电压、电流及相应的Φ角后，根据相应的矢量图可算得功角。但是必须非常准确确定上述发电机参数，而且在电力系统发生故障时和故障后，在具体的某一时刻应确定采用哪些参数(同步电抗、暂态电抗或次暂态电抗)、哪一种发电机等值模型进行计算，而实际上这难以确定。

直接测量法利用转子位置与空载电势在相位上的对应关系，用转子位置信号代替空载电势参与相位比较。

发明内容

本发明的目的在于克服现有测量技术的不足和存在的问题，提出了一种兼容全球卫星定位系统(GPS)和北斗卫星导航定位系统(以下简称GPS/“北斗”双星系统)的基于GPS及“北斗”的双星系统的发电机功角测量方法，实现了对发电机功角的直接测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于GPS及“北斗”的双星系统的发电机功角测量方法，包括以下步骤：

步骤1，测量发电机出口母线电压、电流数据，获得被测电机定子电流和出口母线电压，利用GPS/“北斗”双星系统，实现不同地点的发电机相关测量信号的同步采样，对所采集的电气量打上GPS/“北斗”双星系统时标(又称之为时间同步信号，由专用硬件时标系统由GPS/“北斗”双星系统获取授时信号后形成高精度的时间标签)；

步骤2，对转子位置脉冲及转子轴上的圆盘、光电传感器及各齿轮间通过计数器计数，并打上GPS/“北斗”双星系统时标；

步骤3，测量转子d轴与定子a相绕组轴线夹角α，通过abc坐标和dq0坐标转换，求出 与 

之间的夹角，该夹角即是要测量的功角δ—— 

与 

的夹角。

所述步骤1中，发电机出口母线电压、电流信号经过电压、电流变送器变换成采集和测量用的低电平，经采样变换成计算机处理用的数字信号。

所述步骤2中，预先在转子d轴中心位置安装一有窄齿轮的圆盘，在齿轮上涂上反光颜色，在定子a相绕组轴线正向安放一只光电传感器作为光的发射和接收装置，每当转子上圆盘的齿轮对准发射装置时，接收装置获得一个脉冲信号；由计数器来对此脉冲间隔计数；首先将圆盘上的齿轮和传感器在同一直线时的脉冲作为基准位置，然后计数器开始计数，任意时刻转子的位置由基准位置和计数器的计数值确定。

所述步骤3的具体过程为：

首先确定d轴中心和a相轴线正向相对空间位置：通过先任意放置光电传感器及圆盘，在空载状态下以接收到光电信号为基准测取一组数据，计算出a相的角度，这个角度即a轴正向偏离d轴中心的角度，调整圆盘齿轮的位置使上述角度为零，确定d轴中心和a相轴线正向相对空间位置；将圆盘上的齿轮和光电传感器在同一直线时的脉冲作为基准位置，然后计数器开始计数；如在k时刻转子圆盘的齿轮对准光电传感器，则记为参考点，设相邻两个参考点之间的脉冲数量为N，圆盘的齿轮再次对准传感器时脉冲计数器为k+N；在任意时刻t，计数器计数脉冲数为k+n，则该时刻转子位置对应的角度为：

$\mathrm{\α}=2\mathrm{\π}\×\frac{n}{N}$

测量出角度α后，同时利用基于GPS/“北斗”双星系统同步测量出的同一时刻的三相电流i_a，i_b，i_c和三相电压u_a，u_b，u_c，将相应的测量值代入

式中，计算出 

再代入

，计算出 和 

然后利用 

计算出 

最后计算出相量 

和 

之间的角度差，此角度差即是要测量的发电机功角δ。

本发明的原理说明如下：

一、功角直接测量的理论推导

为了便于描述，电枢气隙磁场的磁通量对凸极电机的影响简述如下。一般地，电枢磁动势可以分解为d轴和q轴分量。相应地电流分量能被分成I_d和I_q，如图2所示。

图2中θ是电流相量与a相绕组轴线的夹角，α为转子d轴与定子a相绕组轴线的夹角。

则有：

I_d＝Icos(α-θ)    (1)

I_q＝Isin(α-θ)    (2)

这里I为电流的幅值。

定子abc三相电流的瞬时值可表达为

i_a＝I_macosθ＝I_macos(ωt+θ₀)                      (3)

i_b＝i_mbcos(θ-120°)＝i_mbcos(ωt+θ₀-120°)   (4)

i_c＝i_mccos(θ+120°)＝i_mccos(ωt+θ₀+120°)   (5)

这里I_ma，I_mb，I_mc分别为abc三相电流的幅值，ω为电力系统频率，θ₀为初相角。

经计算得I_d和I_q为：

因此，在测量出角度α后，可以通过定子abc三相电流i_a，i_b，i_c的测量值计算出I_d和I_q。

同样地，可以通过定子abc三相电压u_a，u_b，u_c的测量值计算出 

和 

记

$\stackrel{\·}{V}={\stackrel{\·}{U}}_d+{\stackrel{\·}{U}}_q---\left(10\right)$

因为 与 有相同的相位，则 

与 

的夹角就正是功角δ—— 

与 

的夹角。因此可以通过测量 

与 的夹角来代替 

与 

的夹角的测量。

二、发电机功角直接测量方法

从上面的分析可以得到abc坐标与dq0坐标值的关系。然而，转子轴(d轴)与定子a相绕组夹角α是未知的。如果α能被测量，则功角就能直接得到。因此关键是如何测量α或者说如何测得任意时刻的转子位置。

本发明提出了一种测量α角的方法。

首先确定d轴中心和a相轴线正向相对空间位置：

通过先任意放置光电传感器及圆盘，在空载状态下以接收到光电信号为基准测取一组数据，计算出a相的角度，这个角度即a轴正向偏离d轴中心的角度，调整圆盘齿轮的位置使上述角度为零，即可以确定d轴中心和a相轴线正向相对空间位置。

事先在转子d轴中心位置安装一有很窄齿轮的圆盘，在齿轮上涂上能反射光的颜色。在定子a相绕组轴线正向安放一只光电传感器作为光的发射和接收装置(如图3)。每当转子上 圆盘的齿轮对准发射装置时，接收装置便可获得一个脉冲信号。由计数器来对此脉冲间隔计数。首先将圆盘上的齿轮和传感器在同一直线时的脉冲作为基准位置，然后计数器开始计数。任意时刻转子的位置便可由基准位置和计数器的计数值确定(图4)。如在k时刻转子圆盘的齿轮对准传感器，CPU记为参考点，假设相邻两个参考点之间的脉冲数量为N，圆盘的齿轮再次对准传感器时脉冲计数器为k+N。在任意时刻t，计数器计数脉冲数为k+n，则该时刻转子位置对应的角度为：

$\mathrm{\α}=2\mathrm{\π}\×\frac{n}{N}---\left(11\right)$

由于转子角速度的经常变化，为了减少转子一周内角速度的变化对确定转子位置精确度的影响，可以通过对称地增加转子上圆盘的齿轮数来提高测量的精度，如图5所示。

可以通过齿轮的数量和两个齿轮间的计数值确定转子的位置，CPU分段计算角速度。如图5所示，转子圆盘上均匀设置了4个齿轮，第一个齿轮的宽度大于其它三个齿轮的宽度，其它三个齿轮的宽度均一致，以便CPU能辨识出脉冲的计数起点，在转子转过一圈后，角度的计算在以前计算的基础上减除360度。CPU计数齿轮的数量，并记录每两个齿轮间的脉冲数量。

设第i个间隔的转子位置计数值为n_i，则此间隔对应的角度为α_i：

${\mathrm{\α}}_i=(i-1+\frac{n_i}{N_i})\×\frac{2\mathrm{\π}}{4},$ (i＝1，2，3，4)    (12)

(12)式中，N_i为第i个间隔的总的脉冲数量。因为转子圆盘4个齿轮是均匀设置的，所以有N₁＝N₂＝N₃＝N₄。

忽略α_i-1和α_i之间角速度的变化，只需要假设在两个齿轮间转子角速度恒定，因此角度α的测量精度可以得到很大的提高。

测量出角度α_i后，同时利用测量出的同一时刻的三相电流i_a，i_b，i_c和三相电压u_a，u_b，u_c，将相应的测量值代入(7)式中，计算出 

再代入(8)式和(9)式中，计算出 

和 

然后利用(10)式计算出 

最后计算出相量 

和 

之间的角度差，此角度差即是要测量的发电机功角δ。

本发明具有以下优点和积极效果：

1.本测量方法为直接测量法，速度快且得到的是实时功角。

2.本测量方法不需要任何发电机参数，因此不仅能适用于稳态情况而且能用于暂态过程的功角测量。

3.本测量利用GPS/“北斗”双星系统解决了异地测量的同时性问题，同时也避免了由于美国对GPS系统的人为干扰而造成的严重后果，保证了我国电力系统的安全。

4.成本低，容易推广。

附图说明

图1发电机相量图；

图2发电机电流相量图；

图3GPS/“北斗”双星系统的秒脉冲和时间信息组合图；

图4光电传感器的安装位置图；

图5参考位置和脉冲计数示意图；

图6转子轴上圆盘齿轮位置图；

图7功角测量计算流程图。

其中，1.GPS模块，2.北斗模块，3.或门，4.CPU，5.串口，6.中断口，7.光电传感器，8.圆盘，9.齿轮。

具体的实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

通过分析abc坐标和dq0坐标值的关系，如图1所示。通过测量转子轴线(d轴)与定子a相绕组轴线夹角α，通过abc坐标和dq0坐标转换，求出 

与 

的夹角就正是功角—— 与 

的夹角，如图2所示，从技术上解决了不需要发电机参数而直接测量功角的问题。

对于实时稳定分析和控制来说，不同地点所有发电机的功角必须同时测量，此处应用GPS/“北斗”双星系统时间作为同步时标，在每台待测发电机的测量系统中都带有GPS/“北斗”双星系统同步时钟接收装置，利用GPS/“北斗”双星系统同步时间实现不同地点的多台发电机的同步采样，对所采集的电气量打上GPS/“北斗”的精确时标。GPS/“北斗”双星系统的秒脉冲信号由GPS/“北斗”双星系统的接收模块提供，如图3所示，它包括GPS模块1和北斗模块2，两者的时间信息送入CPU4的串口，PPS信息则经或门3电路送入CPU4的中断口6。

采集发电机出口母线电压、电流数据以获得被测电机定子电流，出口母线电压。功角测量所需要的数据有三相电流、三相电压，经过电压变送器、电流变送器变换成可进行采集和测量的低电平，经A/D转换器变换成计算机能够处理的数字信号。

用于测量转子机械位置的光电脉冲信号由高速的光电传感器7获取。光电传感器7的放置位置需要先确定d轴中心和a相轴线正向相对空间位置：通过先随意放置光电传感器7及转子圆盘8，在空载状态下以接收到光电信号为基准测取一组数据，计算出a相的角度，这个角度即a轴正向偏离d轴中心的角度，调整圆盘8的齿轮9位置使上述角度为零，即可以确定d轴中心和a相轴线正向相对空间位置，如图4所示。

利用增加转子轴上圆盘8的齿轮9的数量提高测量精度，如图6所示。转子位置脉冲及各转子圆盘齿轮通过计数器计数，并带有GPS/“北斗”双星系统的时标。利用式(11)或式(12)计算出α角。再利用采集的同一时刻的电压和三相电流数据，进行公式(7)、(8)、(9)和(10)进行有关的计算，最后得到功角δ，软件算法流程如图7所示。

Claims (4)

1.一种基于GPS及“北斗”的双星系统的发电机功角测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，测量发电机出口母线电压、电流数据，获得被测电机定子电流和出口母线电压，利用GPS/“北斗”双星系统，实现不同地点的发电机相关测量信号的同步采样，对所采集的电气量打上GPS/“北斗”双星系统时标，即由GPS/“北斗”双星系统获取授时信号后形成高精度的时间标签；

步骤2，对转子位置脉冲及转子轴上的圆盘、光电传感器及各齿轮间通过计数器计数，并打上GPS/“北斗”双星系统时标；

步骤3，测量转子d轴与定子a相绕组轴线夹角α，通过abc坐标和dq0坐标转换，求出

与

之间的夹角，该夹角即是要测量的功角δ——

与

的夹角。

2.如权利要求1所述的基于GPS及“北斗”的双星系统的发电机功角测量方法，其特征是，所述步骤1中，发电机出口母线电压、电流信号经过电压、电流变送器变换成采集和测量用的低电平，经采样变换成计算机处理用的数字信号。

3.如权利要求1所述的基于GPS及“北斗”的双星系统的发电机功角测量方法，其特征是，所述步骤2中，预先在转子d轴中心位置安装一有窄齿轮的圆盘，在齿轮上涂上反光颜色，在定子a相绕组轴线正向安放一只光电传感器作为光的发射和接收装置，每当转子上圆盘的齿轮对准发射装置时，接收装置获得一个脉冲信号；由计数器来对此脉冲间隔计数；首先将圆盘上的齿轮和传感器在同一直线时的脉冲作为基准位置，然后计数器开始计数，任意时刻转子的位置由基准位置和计数器的计数值确定。

4.如权利要求1或3所述的基于GPS及“北斗”的双星系统的发电机功角测量方法，其特征是，所述步骤3的具体过程为：

首先确定d轴中心和a相轴线正向相对空间位置：通过先任意放置光电传感器及圆盘，在空载状态下以接收到光电信号为基准测取一组数据，计算出a相的角度，这个角度即a轴正向偏离d轴中心的角度，调整圆盘齿轮的位置使上述角度为零，确定d轴中心和a相轴线正向相对空间位置；将圆盘上的齿轮和光电传感器在同一直线时的脉冲作为基准位置，然后计数器开始计数；如在k时刻转子圆盘的齿轮对准光电传感器，则记为参考点，设相邻两个参考点之间的脉冲数量为N，圆盘的齿轮再次对准传感器时脉冲计数器为k+N；在任意时刻t，计数器计数脉冲数为k+n，则该时刻转子位置对应的角度为：

$\mathrm{\α}=2\mathrm{\π}\×\frac{n}{N}$

测量出角度α后，同时利用基于GPS/“北斗”双星系统同步测量出的同一时刻的三相电流i_a，i_b，i_c和三相电压u_a，u_b，u_c，将相应的测量值代入

式中，计算出

再代入

，计算出

和

然后利用

计算出

最后计算出相量

和

之间的角度差，此角度差即是要测量的发电机功角δ。

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