CN104267243A - 同步发电机内电势和电抗参数的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种同步发电机内电势和电抗参数的测量方法及装置，涉及电力系统同步相量测量技术领域。方法包括通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；根据所述机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角根据所述机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q。本发明能够解决当前通过间接电气法计算内电势幅值的结果不准确，存在较大误差的问题。

Description

同步发电机内电势和电抗参数的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统同步相量测量技术领域，尤其涉及一种同步发电机内电势和电抗参数的测量方法及装置。

背景技术

同步发电机是一种将机械能转变成电能的交流同步电机。同步发电机是现代电力系统中最常用的发电机，这种发电机的特点是由直流电流励磁，其转子转速与旋转磁场的转速相同。同步发电机是电力系统中重要的动态元件，其动态特性对电力系统的运行性能有极大影响，其中发电机内电势的大小和相位是表征电力系统动态过程的主要状态变量之一，其变化轨迹对电力系统动态过程的监测分析具有重要意义。因此，对同步发电机内电势幅值的测量尤为重要。

目前，对同步发电机的研究重点主要集中于内电势相位及功角的准确测量，但目前对内电势幅值大小的测量方法还不完善。例如，当前我国各同步相量测量装置Phasor Measurement Unit，简称PMU)厂家在计算内电势幅值时均采用间接电气法。具体步骤如下：

通过同步相量测量装置采集计算同步发电机的机端电压和电流相量通过同步发电机铭牌参数中给定的同步电抗(x_d)数据，计算同步发电机内电势，用公式表示为：

${\stackrel{\·}{E}}_q=\stackrel{\·}{U}+j\stackrel{\·}{I}{x}_d+\stackrel{\·}{I}{r}_a\≈\stackrel{\·}{U}+j\stackrel{\·}{I}{x}_d$

从而能够得到该发电机内电势。

然而，间接电气法默认发电机参数(如同步电抗x_d,等)已知，且不随发电机运行工况变化而变化，从而导致利用间接电气法计算出的内电势幅值没有考虑发电机真实运行工况下磁饱和的影响，测量结果不准确。另外，间接电气法默认发电机参数为铭牌参数，无法考虑发电机参数的真实情况，利用间接电气法计算出的同步发电机内电势在仿真计算、稳定分析等结果有较大的误差。

发明内容

本发明的实施例提供一种同步发电机内电势测量及电抗参数辨识的方法及装置，以解决当前通过间接电气法检测内电势幅值的测量结果不准确，存在较大误差的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种同步发电机的内电势测量及电抗参数辨识方法，包括：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；

根据所述机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角

根据所述机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q；

其中：

该同步发电机内电势测量及电抗参数辨识方法，还包括：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电流值I；

根据所述机端电压值U、发电机功角δ、机端功率因数角和机端电流值I，确定同步发电机直轴同步电抗x_d；

其中：

该同步发电机内电势测量及电抗参数辨识方法，还包括：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的励磁电流I_f；

根据所述励磁电流I_f以及所述内电势幅值E_q，确定同步发电机定子与转子间互感电抗x_df；

其中： $x_{\mathrm{df}}=\frac{\sqrt{2}{E}_q}{I_f}.$

一种同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，包括：

量测获取单元，用于通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；

机端功率因数角生成单元，用于根据所述量测获取单元获取的机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角

内电势幅值检测单元，用于根据所述机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q；

其中：

进一步的，所述量测获取单元，还用于：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电流值I；

所述同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，还包括：

同步发电机直轴同步电抗检测单元，用于根据所述机端电压值U、发电机功角δ、机端功率因数角和机端电流值I，确定同步发电机直轴同步电抗x_d；

其中：

进一步的，所述量测获取单元，还用于：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的励磁电流I_f；

所述同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，还包括：

互感电抗检测单元，用于根据所述励磁电流I_f以及所述内电势幅值E_q，确定同步发电机定子与转子间互感电抗x_df；

其中： $x_{\mathrm{df}}=\frac{\sqrt{2}{E}_q}{I_f}.$

本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量方法及装置，首先通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；之后根据所述机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角从而根据所述机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q。可见，本申请检测内电势幅值E_q依靠的是同步相量测量装置测量的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U，与同步发电机的铭牌参数无关，因此避免了当前通过间接电气法检测内电势幅值的测量结果不准确，存在较大误差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量方法的流程图；

图3为本发明实施例中的公式(1)对应的相量关系示意图；

图4为本发明实施例中的公式(1)对应的相量关系的简化示意图；

图5为本发明实施例中的机组在一天内的有功出力曲线示意图；

图6为本发明实施例中同步发电机负荷较低时有功功率曲线示意图；

图7为本发明实施例中同步发电机负荷较低时内电势幅值计算结果示意图；

图8为本发明实施例中同步发电机负荷较低时同步电抗的计算结果的示意图；

图9为本发明实施例中同步发电机负荷较低时同步电抗计算结果的统计分布规律的示意图；

图10为本发明实施例中同步发电机负荷较低时互感电抗的计算结果的示意图；

图11为本发明实施例中同步发电机负荷较低时互感电抗的计算结果的统计分布规律的示意图；

图12为本发明实施例中同步发电机负荷较高时有功功率曲线示意图；

图13本发明实施例中同步发电机负荷较高时内电势幅值计算结果示意图；

图14本发明实施例中同步发电机负荷较高时同步电抗的计算结果的示意图；

图15为本发明实施例中同步发电机负荷较高时同步电抗计算结果的统计分布规律的示意图；

图16为本发明实施例中同步发电机负荷较高时互感电抗的计算结果的示意图；

图17为本发明实施例中同步发电机负荷较高时互感电抗的计算结果的统计分布规律的示意图；

图18本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量装置的示意图一；

图19本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量装置的示意图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种同步发电机内电势和电抗参数的测量方法，包括：

步骤101、通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U。

步骤102、根据机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角

步骤103、根据机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q。

其中：

本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量方法，首先通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；之后根据机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角从而根据机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q。可见，本申请检测内电势幅值E_q依靠的是同步相量测量装置测量的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U，与同步发电机的铭牌参数无关，能够满足真实运行工况下磁饱和的影响下的内电势幅值检测，因此避免了当前通过间接电气法检测内电势幅值的测量结果不准确，存在较大误差的问题。

下面列举一个更为具体的实施例来说明本发明的具体实时方式，如图2所示，本发明实施例提供一种同步发电机内电势和电抗参数的测量方法，包括：

步骤201、通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ、机端电压值U、机端电流值I以及励磁电流I_f。

其中，发电机功角δ是同步发电机内电势相位与机端电压相位之差，可以通过同步相位测量装置PMU通过引入转子位置信号直接测量，本发明对发电机功角δ的测量方法不再赘述。

步骤202、根据机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角

步骤203、根据机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q。

其中：

具体的，为了获取得到上述公式(4)，一般采用如下方式：

在同步发电机稳态过程中或者在动态过程中需要忽略同步发电机定子绕组电磁暂态并且不考虑阻尼绕组的影响，同步发电机的内电势与机端电压、机端电流具有如下关系：

${\stackrel{\·}{E}}_q=\stackrel{\·}{U}+j\stackrel{\·}{I}{x}_d+\stackrel{\·}{I}{r}_a---\left(1\right)$

其中，为发电机内电势(即空载电势)，为机端电压相量，为机端电流相量。x_d为d轴同步电抗，r_a为定子绕组电阻。

公式(1)所展示的相量关系如图3所示，其中图3中为机端电压与电流的功率因数角，δ为发电机功角，θ为定子绕组的阻抗角。根据图3，利用正弦定理可得：

在同步发电机领域中，r_a/x_d的数值一般为0.001，定子绕组的阻抗角θ也一般为0.001。因此，此处可以忽略电阻r_a的影响，上述的图3可以简化为如图4所示的相量关系。

通过图4所示的关系，由正弦定理可得：

通过公式(3)变换，可得内电势幅值大小为公式(4)：

步骤204、根据机端电压值U、发电机功角δ、机端功率因数角和机端电流值I，确定同步发电机直轴同步电抗x_d。

其中：

上述公式(6)可以通过如下方式获得：

根据图4所示的关系，通过正弦定理可得：

通过公式(5)，可以变换得到上述公式(6)。

步骤205、根据励磁电流I_f以及内电势幅值E_q，确定同步发电机定子与转子间互感电抗x_df。

其中： $x_{\mathrm{df}}=\frac{\sqrt{2}{E}_q}{I_f}---\left(8\right)$

上述公式(8)可以通过如下方式获取：

在发电机空载时(即机端电流为零)，发电机机端电压用公式表示为：

$\begin{array}{c}\sqrt{2}{U}_q=x_{\mathrm{df}}{I}_f\\ \sqrt{2}{U}_d=0\end{array}---\left(7\right)$

在公式(7)中，I_f为励磁电流，是将有效值转换为峰值，因此为发电机机端的一端的电压峰值，为发电机机端的另一端的电压峰值。

根据上述公式(7)变换，可以得到上述公式(8)。

在同步发电机的准稳态工况下，可以认为在较短的时间内(如1分钟)，由于同步发电机负载情况变化很小，磁路饱和情况基本不变，同步发电机直轴同步电抗x_d和互感电抗x_df的真实值也保持不变。由上述公式(6)和(8)，在上述的较短的时间段内，根据同步相量测量装置不同时间段的测量结果，可以得到同步电抗x_d和互感电抗x_df多组计算结果。对该多组计算结果进行正态分布参数估计，参数估计所得到的正态分布均值即为x_d和x_df的最终辨识结果。

下面列举两种通过上述步骤201至步骤205而得到同步发电机的内电势幅值E_q，直轴同步电抗x_d，和同步发电机定子与转子间互感电抗x_df的实际算例。算例以华北电网内某并网机组为例，在WAMS主站对一天内低负荷时段和高负荷时段分别计算内电势幅值E_q，同步电抗x_d和互感电抗x_df。计算过程中需要用到的内电势相位(即发电机功角)、机端电压相量、电流相量均由PMU现场计算并上送至WAMS主站，其中内电势相位可以直接测量获得。低负荷时段和高负荷时段均取1分钟数据。

以下算例中，内电势E_q均为正序线电压有效值。图5给出了某机组在一天内的有功出力曲线。该机组额定有功出力为600MW，额定机端电压(即线电压)为20kV。

一、在负荷较低时：

取凌晨低负荷时段(3:00-3:01)共一分钟数据(对应6000组PMU数据)，此时机组有功出力大约为240MW。有功功率曲线如图6所示。内电势幅值计算结果如图7所示。同步电抗x_d的计算结果如图8所示。同步电抗的计算结果的统计分布规律如图9所示。在图9中，横坐标为x_d的数值大小，纵坐标为计算结果的出现次数。可以看出，多组计算结果基本符合正态分布。根据统计分析，低负荷时x_d均值为0.9748Ω，方差0.0043，95％置信区间为[0.9747，0.9749]。另外，互感电抗x_df的计算结果如图10所示，计算结果的统计分布规律如图11所示。可以看出，多组计算结果基本符合正态分布，根据统计分析，低负荷时x_df均值为256.2272Ω，方差3.4796，95％置信区间为[256.1391,256.3152]。

二、在负荷较高时

取中午高负荷时段(14:00-14:01)共一分钟数据(对应6000组PMU数据)，此时机组有功出力大约为602MW。有功功率曲线见图12。内电势幅值计算结果见图13。同步电抗x_d的计算结果见图14。同步电抗的计算结果的统计分布规律见图15。根据统计分析，高负荷时x_d均值为0.9154Ω，方差0.002,95％置信区间为[0.9154，0.9155]。互感电抗x_df的计算结果见图16。互感电抗的计算结果的统计分布规律见图17。根据统计分析，低负荷时x_df均值为217.337Ω，方差1.5032，95％置信区间为[217.2989，217.3750]。

在负荷较低时和负荷较高时的计算结果比较如表1所示。在表1中，功角为PMU上传的数据。E_q，x_d，x_df均为通过本文算法计算得出的数据。可以看出，由于负荷较高时存在饱和现象，x_d，x_df的数值均较负荷较低时小。说明本发明专利提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量装置能够准确反映磁饱和的影响。

表1：

本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量方法，首先通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；之后根据机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角从而根据机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q。可见，本申请检测内电势幅值E_q依靠的是同步相量测量装置测量的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U，与同步发电机的铭牌参数无关，因此避免了当前通过间接电气法检测内电势幅值的测量结果不准确，存在较大误差的问题。

对应于上述的方法实施例，如图18本发明实施例还提供一种同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，包括：

量测获取单元31，可以通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U。

机端功率因数角生成单元32，可以根据量测获取单元31获取的机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角

内电势幅值检测单元33，可以根据机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q。

其中：

进一步的，量测获取单元31，还可以通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电流值I。

另外，如图19所示，同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，还包括：

同步发电机直轴同步电抗检测单元34，可以根据机端电压值U、发电机功角δ、机端功率因数角和机端电流值I，确定同步发电机直轴同步电抗x_d。

其中：

进一步的，量测获取单元31，还可以通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的励磁电流I_f。

另外，如图19，同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，还可以包括：

互感电抗检测单元35，可以根据励磁电流I_f以及内电势幅值E_q，确定同步发电机定子与转子间互感电抗x_df。

其中： $x_{\mathrm{df}}=\frac{\sqrt{2}{E}_q}{I_f}.$

值得说明的是，本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量装置的具体实现方式可以如上述的图1和图2的方法实施例所示，此处不再赘述。

本发明实施例提供的同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，首先通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；之后根据所述机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角从而根据所述机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q。可见，本申请检测内电势幅值E_q依靠的是同步相量测量装置测量的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U，与同步发电机的铭牌参数无关，因此避免了当前通过间接电气法检测内电势幅值的测量结果不准确，存在较大误差的问题。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种同步发电机内电势和电抗参数的测量方法，其特征在于，包括：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；

根据所述机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角

根据所述机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q；

其中：

2.根据权利要求1所述的同步发电机内电势和电抗参数的测量方法，其特征在于，还包括：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电流值I；

根据所述机端电压值U、发电机功角δ、机端功率因数角和机端电流值I，确定同步发电机直轴同步电抗x_d；

其中：

3.根据权利要求2所述的同步发电机内电势和电抗参数的测量方法，其特征在于，还包括：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的励磁电流I_f；

根据所述励磁电流I_f以及所述内电势幅值E_q，确定同步发电机定子与转子间互感电抗x_df；

其中： $x_{\mathrm{df}}=\frac{\sqrt{2}{E}_q}{I_f}.$

4.一种同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，其特征在于，包括：

量测获取单元，用于通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电压相量机端电流相量发电机功角δ以及机端电压值U；

机端功率因数角生成单元，用于根据所述量测获取单元获取的机端电压相量和机端电流相量生成同步发电机的机端功率因数角

内电势幅值检测单元，用于根据所述机端电压值U、发电机功角δ和机端功率因数角确定同步发电机的内电势幅值E_q；

其中：

5.根据权利要求4所述的同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，其特征在于，所述量测获取单元，还用于：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的机端电流值I；

所述同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，还包括：

同步发电机直轴同步电抗检测单元，用于根据所述机端电压值U、发电机功角δ、机端功率因数角和机端电流值I，确定同步发电机直轴同步电抗x_d；

其中：

6.根据权利要求5所述的同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，其特征在于，所述量测获取单元，还用于：

通过同步相量测量装置量测得到同步发电机的励磁电流I_f；

所述同步发电机内电势和电抗参数的测量装置，还包括：

互感电抗检测单元，用于根据所述励磁电流I_f以及所述内电势幅值E_q，确定同步发电机定子与转子间互感电抗x_df；

其中： $x_{\mathrm{df}}=\frac{\sqrt{2}{E}_q}{I_f}.$