CN1141595C - 发电机实时功角和转子位置的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用GPS全球定位系统和发电机测速装置测量发电机实时功角和转子位置的方法。本方法采用GPS系统提供的时钟信号为时间基准，利用发电机本身具有的测速装置准确测量发电机转速，以对转速求积分的方式计算发电机转子位置的变化情况，在等效电路模型中计算积分常数(即：初始功角)，进而得出发电机的实时功角和转子位置。方法主要优点是：工程上易于实现、现场抗干扰能力强、且能通用于汽轮发电机机组和水轮发电机组，在设备的安装与调试过程中对正常的生产无任何影响，满足了诸如进相运行、参数辨识、大规模的电网动态安全稳定监测系统等工程的实际需要。

Description

发电机实时功角和转子位置的测量方法

(一)技术领域

本发明涉及一种利用GPS全球定位系统和转速测量装置直接测量发电机实时功角的方法。

(二)背景技术

在电力系统的工程研究中，发电机的功角和转子位置是一个非常重要的运行状态量。在对大规模的电网进行安全稳定性监测时，机组之间的相对功角摇摆情况是判断多机系统稳定性的重要依据。在潮流计算方面，如果已知功角，将大量节约计算时间，提高计算的精度。在对发电机参数进行在线辨识时，如将功角或转子位置作为一个观察量，与最小二乘法相结合，能成功地辨识出运动方程的有关参数。另外，在发电机的进相运行中，在判断单机无穷大系统稳定性的方面，功角和转子位置也是必须的状态量。

在工程中，发电机实时功角和转子位置的测量可以分为直接测量和间接测量两类方法。经典的直接测量方法是利用形式各样的位置传感器检测转子的位置，但是在工程应用中，无论采用何种形式的位置传感器都普遍具有以下的四点缺陷：(1)装置必须安装在发电机机组上，只有在停机停产，如设备大修等特殊条件下才能进行工程施工和设备调试，应用难度较大；(2)检测精度低、误差大，有的甚至超过5°；(3)对环境要求较高，抗干扰能力差，在发电机这样的高温、强电磁的恶劣环境中，有时甚至无法检测出正确的位置信号；(4)有些装置还会引发机组的径向震动。在间接测量方法中，通过采集发电机出口端的电压相量和电流相量，再利用已知的发电机本身参数和等效电路，计算出转子位置。该方法在稳态过程时的测量精度主要地依赖于电路参数的测量精度，而且不适用于暂态过程。

(三)发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用GPS全球定位系统和发电机测速装置测量发电机实时功角和转子位置的方法。在本测量方法中，采用GPS系统提供的时钟信号为时间基准，利用发电机本身具有的测速装置准确测量发电机转速，以对转速求积分的方式计算发电机转子位置的变化情况，利用间接测量功角的方法计算积分常数。在应用本测量方法时，不需在发电机机组上进行施工，所以不会对正常的生产造成任何影响，并解决了其它方法中存在的径向震动问题。引入GPS系统中的时钟信号，提高了测量的精度，增加了该方法的工程实用性。

本发明的技术方案由以下步骤构成：

1、用GPS信号接收器接收全球定位系统GPS提供的时钟信号，在广泛范围内得到一个精确的完全同步的时钟基准。

2、用电压电流相量测量装置在T₀时刻测量发电机三相母线上的电压相量U₀和电流相量I₀。以测得的电压电流相量为基础，通过等效电路模型计算在T₀时刻的发电机功角δ₀和发电机转子位置θ₀，作为后续测量实时功角的基准。这个T₀时刻必须满足的条件是发电机处于稳态运行状态。

3、利用发电机测速装置测量发电机任意时刻转子转速ω_r(t)。

4、对发电机转子转速ω_r(t)求积分，得到任意时刻下发电机转子位置θ_(t)。

5、将发电机转子位置θ_(t)与发电机母线电压相位角_(t)相减，得出发电机在任意时刻的功角值δ_(t)。

通过上述步骤，实现了直接测量发电机实时功角和转子位置的目的。

在本方法中，利用发电机机组自有的测速装置测量发电机功角和和转子位置，克服了现有方法中必须在机组上安装探测元件的缺陷，在设备的安装及调校过程中不会对电网的正常运行造成任何的影响；以GPS系统提供的时钟信号为时间基准，实现了功角的全网高精度同步测量，为构建基于相角测量的全网安全稳定监视和控制系统创造了良好的技术条件。测量得到的功角信息，可以被用于电网运行过程中的稳定状态分析，尤其是故障条件下的动态安全分析，使调度人员能够实时地了解系统的安全程度，必要时采取预防控制，如切机、甩负荷、投电气制动等手段，以防止系统失稳。同时，发电机功角信息还可以用于电网事件分析，以及暂态稳定计算中数学模型的校核，对电网分析产生积极的影响。另外，还可以直接用于发电机励磁、调速系统或其它FACTS元件如SVC和TCSC的控制。

(四)具体实施方式

本发明发电机实时功角和转子位置测量方法的具体实施方式如下：

1、用GPS时钟信号接收器接收全球定位系统GPS提供的时钟信号，在广泛范围内得到一个精确的完全同步的时钟基准。

2、用电压电流相量测量装置在T₀时刻测量发电机三相母线上的电压相量U₀和电流相量I₀。以测得的电压电流相量为基础，通过等效电路模型计算在T₀时刻的发电机功角δ₀和发电机转子位置θ₀，作为后续测量实时功角的基准。这个T₀时刻必须满足的条件是发电机处于稳态运行状态。

在等效电路模型中，计算T₀时刻发电机功角δ₀和发电机转子位置θ₀的计算原理为：

在稳态情况下，利用发电机母线的电压相量U₀、电流相量I₀以及发电机电路参数在发电机的等效电路模型中计算发电机的空载电势E₀。

对于火力发电厂中的汽轮发电机：E₀＝U₀+I₀r+jI₀X

对于水力发电厂中的水轮发电机：E₀＝U₀+I₀r+jI_dX_d+jI_qX_q

上式中：r-发电机电枢绕组的直流电阻

        X-汽轮发电机的同步电抗

X_d-水轮发电机的直轴同步电抗

X_q-水轮发电机的交轴同步电抗

I_d-电枢电流的直轴分量

I_q-电枢电流的交轴分量

I₀-电枢电流相量

U₀-母线电压相量

在计算出E₀后，进一步可得E₀与T₀时刻电压相量U₀的相位差，即发电机在T₀时刻的功角δ₀： ${\mathrm{\δ}}_0={\mathrm{ctg}}^{-1}\frac{\mathrm{Re}\left(E_0\right)}{\mathrm{Im}\left(E_0\right)}-{\mathrm{ctg}}^{-1}\frac{\mathrm{Re}\left(U_{\left(0\right)}\right)}{\mathrm{Im}\left(U_{\left(0\right)}\right)}$

式中：Re表示取有关相量的实部，Im表示取有关相量的虚部。

为便于计算，方法选择发电机出口端A相电压正向过零的时刻T₀为测量点，此时A相电压相位角为 则该时刻转子位置是： ${\mathrm{\θ}}_0={\mathrm{\δ}}_0+\frac{\mathrm{\π}}{2}$

3、利用发电机测速装置测量发电机任意时刻转子转速ω_r(t)。

4、对发电机转子转速ω_r(t)求积分，得到任意时刻下发电机转子位置θ_(t)。

对发电机转子转速求积分，计算任意时刻下发电机转子位置θ_(t)的计算原理为：

在确定转子转速ω_r(t)后，转子位置θ_(t)由下式确定： ${\mathrm{\θ}}_{\left(t\right)}={\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_{r\left(t\right)}\mathrm{dt}+{\mathrm{\θ}}_0$

5、再将发电机转子位置θ_(t)与测量得到的发电机母线电压相位角_(t)相减，得出发电机在任意时刻的功角值，从而实现直接测量发电机实时功角的目的。

发电机在任意时刻的功角值δ_(t)的计算原理如下：

式中_(t)是发电机母线电压实时相位角，按下式汁算：

本方法中所使用的发电机测速装置可以是转速表、测速发电机和健相测量装置。

Claims (1)

1、一种发电机实时功角和转子位置的测量方法，其步骤为：(1)用GPS时钟信号接收器接收全球定位系统GPS提供的时钟信号，在广泛范围内得到一个精确的完全同步的时钟基准，(2)用电压电流相量测量装置在T₀时刻测量发电机三相母线上的电压相量U₀和电流相量I₀，以测得的电压电流相量为基础，通过等效电路模型计算在T₀时刻的发电机功角δ₀和发电机转子位置θ₀，作为后续测量实时功角的基准，这个T₀时刻必须满足的条件是发电机处于稳态运行状态，(3)利用发电机测速装置测量发电机任意时刻转子转速ω_r(t)，(4)对发电机转子转速ω_r(t)求积分后，再加上θ₀，得到任意时刻下发电机转子位置θ_(t)，(5)将发电机转子位置θ_(t)与发电机母线电压相位角_(t)相减，得出发电机在任意时刻的功角值δ_(t)。