CN102136735A - 发电机进相运行稳定性的监控装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种发电机进相运行稳定性的监控装置及其工作方法。该装置包括北斗卫星系统模块、功角测算模块、参数辨识模块、接口转换模块、显示模块等。所述方法首先接收北斗卫星系统发送的时钟信号，获得当前可靠的参考时间；辨识系统联系阻抗；由本电厂电压目标值及实测值，求出各机组的进相容量，并与实测无功出力比较，由功角测算模块计算出差值，控制励磁动作；利用励磁电流计算发电机功角，进而得出发电机对系统的功角；计算此时进相运行的静稳裕度，监测系统的稳定性，并由接口转换模块输出调整、故障等信号。若有发电机的限制值越限，立即调节相应机组的无功出力，直到合适的范围内为止。本发明安全可靠、相对精度较高、实际应用方便。

Description

发电机进相运行稳定性的监控装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种发电机进相运行稳定性的监控装置及其工作方法，属于电力系统稳定分析技术领域。

背景技术

随着电力系统规模的日益扩大，对电力系统安全稳定运行的监视和控制提出了更高的要求。由于电力系统的设备多、地域广，并且其运行变量变化十分迅速，获取系统关键点的运行状态信息必须依赖于同一、高精度的基准时间。因而安全可靠、高精度时钟的时间同步，已成为当代电网乃至未来智能电网运行的一项基本要求。当前投入运行的相量测量装置(PhaseMeasurement Unit，PMU)多以全球定位系统(Global Positioning System，GPS)为同步基准，其可靠性依赖于GPS的可用性及精确度，相对于电力系统的安全稳定控制而言，GPS信号在以下几个方面略显不足：①GPS接收机输出的时间信号长期稳定性好、短期稳定性差；②GPS接收机的抗干扰性能差，可能出现卫星失锁的情况；③卫星试验或调试可能造成GPS时钟跳变。除以上几个GPS的问题以外，一个尤为重要的问题是GPS是由美国掌控的系统，我国没有自主控制权，因此GPS授时不具有可依赖性。

目前的全球卫星导航定位系统主要有美国的GPS系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统，俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)系统，以及中国的北斗卫星导航系统。北斗导航系统是我国自行研制、拥有自主知识产权的系统，拥有双向简短报文通信、导航定位和授时三大功能，其中后两项是GPS没有的功能。2010年11月1日，我国成功将第六颗北斗导航卫星送入太空，北斗卫星导航系统将于2012年前具备亚太地区区域服务能力；2020年左右，具备覆盖全球的服务能力。目前，华东电网公司所辖的富春江水电站、新安江水电站、南京东善桥变电站、上海南汇变电站已经安装了北斗授时监控装置，挂网运行一年多时间，运行稳定、安全可靠，各项技术指标完全达到设计要求。因此利用北斗卫星系统提供的时钟信号，为系统提供高精度的时间基准，可弥补长久以来使用GPS作为唯一同步基准而存在的风险性和不可依赖性，可有效保障我国电网的安全稳定运行。

随着超电高压、大容量、远距离输送的现代化电网的建设和发展，电力系统低谷运行时枢纽点电压偏高的问题日益突出，严重影响着送变电设备的安全运行。常用的电网调压方式中，同步发电机进相运行与常规无功补偿设备相比，具有调压平滑、不需要额外增加设备投资、简单易行等独特优势，而逐渐得到应用。然而，随着机组由滞相运行状态转为进相，发电机定子端部温度、功角静态稳定、厂用电电压等都会发生变化，这些因素通常会成为进相容量的限制条件，影响发电机进相运行的安全稳定性。因而需要在进相运行中实施有效的监控措施，以确保发电机进相运行时的安全运行。

对于并网运行的同步发电机，其功角是用来观察和判断该机组和电力系统稳定性的重要状态变量。现有的功角测量主要有两类：一类是直接测量法，用转子位置信号代替发电机空载电势进行相位的比较，需要借助非电量传感器来实现测量，但此类方法普遍具有以下缺陷：①需对发电机本身进行改造，工艺复杂、应用难度较大；②检测精度低、误差大；③对环境要求较高等。另一类是间接测量法，即计算法，利用测得的发电机机端电压、电流或功率等电气量以及已知的发电机参数，由理论计算建立数学模型求出功角。此类方法在系统稳态运行且发电机的参数较精确时，能较准确地求出功角，而在系统暂态过程中计算误差较大。计算法中常用不饱和电抗计算发电机的功角，而进相运时由于发电机处于饱和状态，且在各种工况下饱和的程度不同，用不饱和电抗的计算误差较大；例如，根据现场试验的结果，计及饱和的同步电抗实测值比不计饱和的同步电抗设计值减小25％左右。因而，为了提高间接法的精度，有必要考虑机组铁心饱和的影响，同时实施发电机参数的在线实时辨识以补偿参数的变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提供一种安全可靠、相对精度较高、实际应用方便的发电机进相运行稳定性的监控装置及其工作方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

发电机进相运行稳定性的监控装置包括北斗卫星系统模块、功角测算模块、参数辨识模块、接口转换模块、显示模块：

北斗卫星系统模块：与接口转换模块、功角测算模块、参数辨识模块连接，通过北斗卫星信号接收器接收北斗卫星系统提供的时钟信号，向监控装置提供时间基准；

功角测算模块：与接口转换模块、参数辨识模块连接，利用测量到的机端电压、有功功率、无功功率和发电机励磁电流，计算同步发电机的功角，同时进行相关的数据处理和分析计算；

参数辨识模块：与接口转换模块、功角测算模块连接，采用系统戴维南等效参数辨识方法，以输出有功功率、无功功率和电压的关系，辨识系统的联系电抗；

接口转换模块：与北斗卫星系统模块、功角测算模块、参数辨识模块、显示模块连接，将实时测量的发电机定子电压、电流、厂用电电压、有功功率和无功功率信号，经滤波、采样后送给功角测算模块和参数辨识模块，并接收功角测算模块的控制信号，以输出相应的调整、控制信号；

显示模块：与接口转换模块连接，用于输出报警、显示、监测信号。

2.根据权利要求1所述的发电机进相运行稳定性的监控装置，其特征在于：选用授时型的北斗授时模块作为北斗卫星系统模块，而且同时利用了北斗卫星系统模块输出的秒脉冲信号及时间参考信息。

3.一种基于权利要求1所述的发电机进相运行稳定性的监控装置的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)北斗卫星系统模块，用北斗卫星导航系统信号接收器接收北斗卫星系统提供的时钟信号，得到一个同步的时钟基准，为电力系统信息记录提供统一时标；

(2)接口转换模块，将测量的发电机母线的电压相量、电流相量、有功功率、无功功率和发电机励磁电流，经滤波、采样后送给功角测算模块和参数辨识模块；

(3)参数辨识模块，基于系统戴维南等效的参数辨识方法，辨识系统的联系阻抗，以及发电厂升压变压器的变比和阻抗；

(4)依据本发电厂母线电压的目标值，由实测的当前母线电压值，求出本发电厂发出总无功功率目标值；按一定分配策略，得出各机组的进相容量，并与本机组实测无功出力相比较，由功角测算模块计算得出差值，经接口转换模块输出，控制励磁动作；

(5)功角测算模块，考虑磁路的饱和影响，利用测量到的机端电压、有功功率、无功功率和发电机励磁电流，计算同步发电机的功角；由步骤(3)所辨识出的系统联系电抗，得出发电机对系统的功角，并计算出此时系统的静态稳定裕度，并经由接口转换模块输出控制、调整等信号；若有发电机的限制值越限，立即调节相应机组的无功出力，直到合适的范围内为止；

(6)显示模块，用于显示报警、系统运行状态信号，监测系统进相运行的静态稳定性。

本发明利用我国自行研制、拥有自主知识产权的北斗卫星系统提供的时钟信息，获得当前可靠的参考时间，基于系统戴维南等效的参数辨识方法，辨识系统的联系阻抗、发电厂升压变压器的变比和阻抗；依据本发电厂母线电压的目标值，由实测的当前母线电压值，求出本发电厂发出的总无功目标值；按一定分配策略，得出各机组应发的无功出力(对应于相应的进相容量)，并与本机组实测无功出力比较，由功角测算模块计算得出差值，控制励磁动作；考虑磁路的饱和影响，利用测量的发电机励磁电流，计算同步发电机的功角；由所辨识出的联系电抗，得出发电机对系统的功角，并计算出此时进相运行的静态稳定裕度，监测系统的静态稳定性，并由接口转换模块输出控制、调整、故障等信号。若有发电机的限制值越限，立即调节相应机组的无功出力，直到合适的范围内为止。利用本装置与已有的发电机监测系统相配合，可在统一的北斗卫星系统时间基准下，实现对发电机进相运行的稳定监测与控制。

本发明监控装置安全可靠、相对精度较高、实际应用方便。其中，安全可靠是本发明的主要优点，是基于以下技术措施来实现的，本发明采用基于北斗卫星系统提供的时间基准，弥补了因使用GPS作为同步基准而存在的风险性和不可依赖性等缺陷。另外，采用“考虑磁路饱和的本地发电机功角测算”与“基于系统戴维南等效的参数辨识”结合的方法形成厂站端的进相运行稳定性监控装置，由于计及了饱和的影响及在线辨识系统参数，相对精度较高。本发明可方便的嵌入到已有的发电机监测系统中，其中功角测算模块、系统戴维南等效参数辨识模块可方便地通过软件编程在已有的监测系统中加以实现。

附图说明

图1为本发明的工作原理框图。

图2为图1所示的本发明的监控装置在使用时的一种示意图。

图3为本发明的北斗卫星系统时间同步模块的电路原理图。

图4为计及饱和的隐级同步发电机矢量图。

图5为隐极同步发电机空载曲线及短路特性曲线。

图6为简单的发输电系统的等值电路图。

具体实施方式

实施例：

图1给出了本发明装置的工作原理框图。该发电机进相运行稳定性的监控装置主要包括北斗卫星系统模块、功角测算模块、参数辨识模块、接口转换模块、显示模块。图2为图1所示的本发明的监控装置在使用时的一种示意图，图中G表示发电机，PT表示电压互感器，X为系统联系电抗，K_i和X_i为发电厂第i个升压变压器的变比和阻抗，i＝1，...，N；N为发电厂发电机总台数；

为发电机的机端电压，为升压变压器高压侧电压，

为系统受端高压母线电压。

北斗卫星系统模块：与接口转换模块、功角测算模块、参数辨识模块连接，是整个监控系统的基础部件，通过北斗卫星信号接收器接收北斗卫星提供的时钟信号，利用北斗卫星系统模块输出的秒脉冲信号及时间参考信息，向系统提供高精度的时间基准，为电力系统信息记录提供统一时标。本装置选用北斗卫星系统作为系统时钟。为了获得北斗卫星系统的时间信息，本装置的北斗卫星系统模块选用北斗授时模块7X-BDM，通过射频接口与北斗天线连接。图3为本发明的北斗卫星系统模块的电路原理图。图3中7X-BDM模块接口采用通用的2.54mm间距的20pin接插件，支持北斗接收机的板卡与载板通过接插件直接相连。7X-BDM在基于已知点的单星单向授时工作模式下，PPS秒脉冲输出下授时精度优于100ns。北斗模块的输出通过电平转换芯片MAX202转换为TTL电平，图3中直流稳压电源芯片LM1117-3.3为7X-BDM提供+3.3V电源。1PPS为秒脉冲，其上升沿与北斗时刻相差在100ns以内，输出接到CPU的中断上，用以同步校正本地的时钟信息。

功角测算模块：与接口转换模块、参数辨识模块连接，考虑磁路的饱和影响，利用测量到的当前的机端电压U、有功功率P、无功功率Q和发电机励磁电流I_f0，计算同步发电机对系统的功角δ₁；之后根据参数辨识模块所辨识出的系统联系电抗X、升压变压器的阻抗，得出对系统的功角δ，并计算出此时系统的静态稳定裕度，同时进行相关的数据处理和分析计算，并经由接口转换模块输出控制、调整等信号；

以隐极同步发电机为例，各量采用的均为标幺制，设θ为功率因数角，I为定子电流，I_fδ为合成气隙等效励磁电流，I_fa为电枢反应去磁电流，I_f0为空载励磁电流，X_δ为交轴电抗，E_δ为气隙电动势，θ₁为

和

的夹角，θ₂为

和的夹角，θ₃为

和

的夹角，如图4计及饱和的隐级同步发电机矢量图所示，其求解步骤如下：

(1)首先由当前的发电机的P、Q、U，根据P＝UIcosθ，Q＝UIsinθ求出I、θ；

(2)如图5隐极同步发电机空载曲线及短路特性曲线所示，由空载特性气隙线及IX_δ值求出OA；

(3)由短路特性及I值求出OB；

(4)求出电枢反应去磁电流I_fa＝OB-OA；

(5)

求出θ₁；

(6)由于

垂直于

和

夹角确定；

(7)由

构成的三角形中，

已知，

与

夹角已知，此三角形惟一确定；

(8)求出θ₃；

(9)θ₂＝θ₃，δ₁＝θ₁+θ₂＝θ₃+θ₁，求出发电机的功角δ₁；

(10)图6为简单的发输电系统的等值电路图。

图6所示的等值电路中的电流是一样的，电路的电压、阻抗、功角之间存在确定的关系，从而可求出发电机对系统的功角δ。

参数辨识模块：与接口转换模块、功角测算模块连接，采用系统戴维南等效参数辨识方法，以输出有功功率、无功功率和电压的关系，求出系统的联系电抗；基于系统戴维南等效的参数辨识方法，辨识系统的联系阻抗X；设在进行第k次调节之前，第i台机组的机端电压为无功出力为

高压侧母线的电压为U^k-，对于系统的无功出力为Q^k-，经调节后以上各量变为

U^k+和Q^k+，从而可得：

$(\frac{Q^{k+}}{U^{k+}}-\frac{Q^{k-}}{U^{k-}})X=(U^{k+}-U^{k-})$

列写为矩阵形式为： $\left[\begin{array}{c}.\\ .\\ (\frac{Q^{k+}}{U^{k+}}-\frac{Q^{k-}}{U^{k-}})\\ .\\ .\end{array}\right]X=\left[\begin{array}{c}.\\ .\\ (U^{k+}-U^{k-})\\ .\\ .\end{array}\right]$

记为： $\left[\frac{\mathrm{\ΔQ}}{U}\right]X=\left[\mathrm{\ΔU}\right]$

上式两边同时乘上

得出计算X的式子为：

$X={\left[\frac{\mathrm{\ΔQ}}{U}\right]}^{-1}\left[\mathrm{\ΔU}\right]$

第i台机组升压变压器的变比K_i和阻抗X_i按下式计算：

$\left[\begin{array}{c}.\\ .\\ (U^{k+}\·U_i^{k+}-U^{k-}\·U_i^{k-})\\ .\\ .\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{K}_i\\ X_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}.\\ .\\ ({\left(U_i^{k+}\right)}^2-{\left(U_i^{k-}\right)}^2\\ .\\ .\end{array}\right]$

记为： $\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\ΔU}& \mathrm{\ΔQ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{K}_i\\ X_i\end{array}\right]=\left[\mathrm{U\ΔU}\right]$

上式两边同时乘上[ΔU ΔQ]^-1，得出计算变比K_i和阻抗X_i的式子为：

$\left[\begin{array}{c}{K}_i\\ X_i\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\ΔU}& \mathrm{\ΔQ}\end{array}\right]}^{-1}\left[\mathrm{U\ΔU}\right]$

依据本发电厂母线电压的目标值，由实测的当前母线电压值，求出本发电厂发出总无功功率目标值；按一定分配策略，得出各机组应发的无功出力(对应于相应的进相容量)，并与本机组实测无功出力相比较，由功角测算模块计算得出差值，经接口转换模块输出，控制励磁动作；

设要调节母线的当前电压为U^s，调节的电压目标值为U^t，发电厂当前的无功出力为Q^s，s、t分别表示调节初始、最终状态；由上述得出的系统联系阻抗为X，为使要调整母线的电压至U^t，发电厂要向系统送出的无功Q^t由下式得出：

$Q^t=\frac{U^t(U^t-U^s)}{X}+\frac{Q^s}{U^s}{U}^t$

式中，Q^s用在各台机组侧测得的无功出力之和近似代替。

第i台发电机无功出力的目标值

的计算公式为：

$Q_i^t=Q_{\mathrm{il}}^t+\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_i^t}{\underset{i\∈N}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{Q}_i^t}(Q^t-\underset{i\∈N}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{il}}^t)$

式中，

分别为依照发电厂高压母线的目标电压值求得的为确保第i台机组机端电压的最高、最低允许的无功出力。

接口转换模块：与北斗卫星系统模块、功角测算模块、参数辨识模块、显示模块连接，采集发电机的定子电压、电流、厂用电电压、有功功率、无功功率和发电机励磁电流等信号，经滤波、采样后送给功角测算模块和参数辨识模块，并接收功角测算模块的控制信号，以输出相应的调整、控制等信号；若有发电机的限制值越限，立即调节相应机组的无功出力，直到合适的范围内为止。

显示模块：与接口转换模块连接，用于输出报警、显示等信号，监测系统的静态稳定性。

上述发电机进相运行稳定性的监控装置的工作方法，包括如下步骤：

(1)北斗卫星系统模块，用北斗卫星导航系统信号接收器接收北斗卫星系统提供的时钟信号，得到一个同步的时钟基准，为电力系统信息记录提供统一时标；

(2)接口转换模块，将测量的发电机母线的电压相量、电流相量、有功功率、无功功率和发电机励磁电流，经滤波、采样后送给功角测算模块和参数辨识模块；

(3)参数辨识模块，基于系统戴维南等效的参数辨识方法，辨识系统的联系阻抗，以及发电厂升压变压器的变比和阻抗；

(4)依据本发电厂母线电压的目标值，由实测的当前母线电压值，求出本发电厂发出总无功功率目标值；按一定分配策略，得出各机组的进相容量，并与本机组实测无功出力相比较，由功角测算模块计算得出差值，经接口转换模块输出，控制励磁动作；

(5)功角测算模块，考虑磁路的饱和影响，利用测量到的机端电压、有功功率、无功功率和发电机励磁电流，计算同步发电机的功角；由步骤(3)所辨识出的系统联系电抗，得出发电机对系统的功角，并计算出此时系统的静态稳定裕度，并经由接口转换模块输出控制、调整等信号；若有发电机的限制值越限，立即调节相应机组的无功出力，直到合适的范围内为止；

(6)显示模块，用于显示报警、系统运行状态信号，监测系统进相运行的静态稳定性。

从电力系统安全稳定经济运行的角度出发，发明一种发电机进相运行稳定性的监控装置及其工作方法，有助于发电机进相的安全可靠运行和提高电厂运行的自动化水平。

本发明具有以下特点：

1、安全可靠

由于本发明采用基于北斗卫星系统提供的时间基准，北斗卫星系统是我国自行研制、拥有自主知识产权的卫星导航定位系统，可弥补长久以来使用GPS作为唯一同步基准而存在的风险性和不可依赖性。

2、相对精度较高

由于采用“考虑磁路饱和的本地发电机功角测算”与“基于系统戴维南等效的参数辨识”结合的方法形成厂站端的进相运行稳定性监制装置，在线辨识系统参数以补偿参数的变化，同时计及了饱和带来的影响，相对精度较高。

3、实际应用方便

本发明可方便的嵌入到已有的发电机监测系统中，其中功角测算模块、参数辨识模块可方便地通过软件编程在已有的监测系统中加以实现。

Claims (3)

1.一种发电机进相运行稳定性的监控装置及其工作方法，其特征在于：包括北斗卫星系统模块、功角测算模块、参数辨识模块、接口转换模块、显示模块：

北斗卫星系统模块：与接口转换模块、功角测算模块、参数辨识模块连接，通过北斗卫星信号接收器接收北斗卫星系统提供的时钟信号，向监控装置提供时间基准；

功角测算模块：与接口转换模块、参数辨识模块连接，利用测量到的机端电压、有功功率、无功功率和发电机励磁电流，计算同步发电机的功角，同时进行相关的数据处理和分析计算；

参数辨识模块：与接口转换模块、功角测算模块连接，采用系统戴维南等效参数辨识方法，以输出有功功率、无功功率和电压的关系，辨识系统的联系电抗；

接口转换模块：与北斗卫星系统模块、功角测算模块、参数辨识模块、显示模块连接，将实时测量的发电机定子电压、电流、厂用电电压、有功功率和无功功率信号，经滤波、采样后送给功角测算模块和参数辨识模块，并接收功角测算模块的控制信号，以输出相应的调整、控制信号；

显示模块：与接口转换模块连接，用于输出报警、显示、监测信号。

2.根据权利要求1所述的发电机进相运行稳定性的监控装置，其特征在于：选用授时型的北斗授时模块作为北斗卫星系统模块，而且同时利用了北斗卫星系统模块输出的秒脉冲信号及时间参考信息。

3.一种基于权利要求1所述的发电机进相运行稳定性的监控装置的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)北斗卫星系统模块，用北斗卫星导航系统信号接收器接收北斗卫星系统提供的时钟信号，得到一个同步的时钟基准，为电力系统信息记录提供统一时标；

(2)接口转换模块，将测量的发电机母线的电压相量、电流相量、有功功率、无功功率和发电机励磁电流，经滤波、采样后送给功角测算模块和参数辨识模块；

(3)参数辨识模块，基于系统戴维南等效的参数辨识方法，辨识系统的联系阻抗，以及发电厂升压变压器的变比和阻抗；

(4)依据本发电厂母线电压的目标值，由实测的当前母线电压值，求出本发电厂发出总无功功率目标值；按一定分配策略，得出各机组的进相容量，并与本机组实测无功出力相比较，由功角测算模块计算得出差值，经接口转换模块输出，控制励磁动作；

(5)功角测算模块，考虑磁路的饱和影响，利用测量到的机端电压、有功功率、无功功率和发电机励磁电流，计算同步发电机的功角；由步骤(3)所辨识出的系统联系电抗，得出发电机对系统的功角，并计算出此时系统的静态稳定裕度，并经由接口转换模块输出控制、调整等信号；若有发电机的限制值越限，立即调节相应机组的无功出力，直到合适的范围内为止；

(6)显示模块，用于显示报警、系统运行状态信号，监测系统进相运行的静态稳定性。

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