发电机内电势功角测量技术介绍

可大大提高直接测量法 的可靠性
将此脉冲作为发电机备用信号， 在键相脉冲丢失或明显不正常时 ，利用此信号代替转子位置信号
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
6）关键技术4
►多重化的滤波措施
1）硬件手段上，脉冲正确性的检测 2）空载情况下，多次数据的平滑综合处理 3）测量数据的软件平滑滤波
原理介绍（自适应直接测量发电机功角接入示意图）
百度文库
1、用派克方程计算实时功角 ( t ) 2、根据摇摆方程计算角频率偏差及平均电磁功率Pe。
sTw Pe (2Hs D)(1 sTw )
3、 计算远离次暂态程度的系数
U t ( t ) U T ( t ) U t ( t i T) /(MU1ref )
i 1
发电机功角
u1 u1 p 2 * f * * (t1 t 2)
发电机内电势绝对相角
u1
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
2）实际问题！！
NO.1 如何解决机械安装角的误差问题？
◆机械加工误差 ◆检修安装误差
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
技术背景
国内PMU技术的试点应用始于1998年，华东电网公司/电科院、清华大学/ 四方公司、河海大学等研究用PMU实现发电机功角检测技术都在2002年。 东北电网、江苏电网、三峡电网、华北电网、南方电网、台湾电网已 实施了WAMS计划。 华东电网从1999年起，同步相量测量系统在华东电网中进行应用。取 得了一定的运行维护经验。 2004年，华东电网公司与南瑞集团合作，研究广域动态监测保护控制 系统（WAMAP）在华东电网的应用，同时展开了对发电机功角及内电势同 步测量实用性的综合研究。
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
1）基于直接键相脉冲测量方法
u1 p2
机端电压U T 键相脉冲 T t1 GPS秒脉冲 T t2
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
◆以GPS秒脉冲上升沿时刻定 义为0时刻。 ◆快速采集发电机机端电压的 U的过零时刻t1,则可得到其绝 对相角：
机端电 压U 键相 脉冲 GPS秒 脉冲 t t 1 2
Arbiter Systems 1133A
Macrodyne 1690 ADX3000 CSS200 SMU-1G PMU/GPS-I 传输方式
串口/高速MODEM
×
× × 功角测量 ×/计算 自适应直接测量
×
× × × 手动 自动
通过计算获取
×
× × 键相
键相
电科院 PAC2000
u10 p0 2 * * f 0 * (t10 t 20)
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
4）关键技术2
►发电机运行状态自动判断
发电机运行状态通过接入的机端电压、电流、脉冲等运行信息进行判断 发电机检修状态判断 ►发电机机端电压归零 ►发电机负载归零 ►发电机转速小于设定值
第三节
发电机输入输出信号介绍
发电机接入量
信号类型 机端电压Ua 机端电压Ub 机端电压Uc 机端电流Ia 机端电流Ib 信号来源 发电机机端 发电机机端 发电机机端 发电机机端 发电机机端 额定值 100VAC 100VAC 100VAC 1A／5A 1A／5A PMU接入情况 一定要接入 一定要接入 一定要接入 一定要接入 一定要接入 目前接入条件 √ √ √ √ √
西班牙 CSE电力公司在SCADA/EMS在线系统中，利用相量测量来改善 状态估计的迭代过程 美国西部联合电力WSCC通过WAMS开发了基于高速监测和快速控制的系 统调度运行方式以避免系统大范围的停运。 加拿大Hydro-Quebec 的利用相角测量改善发电机的PSS控制输入， 以改善互联网电网的振荡衰减。 日本应用同步相量测量技术开发了在线全局动态监测系统，用于研究 广域低频振荡。
实际问题！！
NO.2 如何快速检测初始相角的问题？
◆实际现场发电机并网运行时间不定 ◆真正空载时间短
一次捕捉不到，需要间隔很长时间才有发电 机空载的机会。
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
实际问题！！
NO.3 如何保证信号的正确接入？
◆信号接入的传输延时如何补偿？ ◆机械振动误差如何滤除？
►转子轴具有一定的摆度或扭振 ►键相脉冲传感器支架随机组振动 会导致测量较大的误差
NO.2 转速积分法
通过计算法获取稳态功角值，采集转子脉冲，对转速求积分修正功角。
主要实现厂家：河海大学，在河南电网WAMS 系统中使用。
的测量方法。
技术背景
NO.3 转子位置测量法（脉冲直接法）
通过在发电机转子轴上设置机械测点或测速齿轮，在转子周围安装光 电或电磁装置，通过一定变换来实现功角测量。
原理介绍（键相信号）
键相信号---以前主要用于对发电机转子轴振动进行监测，在发电机转子转到固 定位置时，发出一定幅度的脉冲。目前机组该脉冲为每转1个脉冲。通过测量该 信号，结合发电机的转速，可以得到转子的实际位置。
原理介绍（键相信号简化示意图）
原理介绍
3 技术原理
该技术利用高性能处理器对发电机的机端电压、机端电流、转 子键相脉冲、转速脉冲以10KHz进行高速采样，根据所获得的数据对 发电机空载、负载运行比对分析得出发电机初相角和实时功角。
键相+转速 转速积分 失稳预警 无 有
系统结构
辅助测量 ×
励磁电压/电流/AGC/
第一代 集中式 第二代 分布式
网络通信
技术背景
3 技术标准情况
标准1： 1995年美国IEEE制定了“电力系统同步相角测量标准IEEE STD 1344-1995（R2001）”，对GPS使用，同步采样误差、数据传输格式等 同步相角测量方面做了指导性规定，但未提及发电机功角测量。 标准2： 2005年国家电力调度中心制定了“电力系统实时动态监测系统 技术规范”，提出机组内电势功角的测量要求。 设计标准：无 检测标准：无
机端电流Ic
键相信号 转速信号
发电机机端
发电机 发电机
1A／5A
5-24VDC 5-24VDC
一定要接入
需要接入 可接入
√
√ √
励磁电压Uf
励磁电流If AGC控制输出信号 AVC控制输出信号 △PSS的PID控制输出 信号 调频PID的控制输出信 号
励磁系统
励磁系统 RTU RTU 励磁控制器 机械/自动调频控 制器
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
3）关键技术1
►机械误差角自动检测
空载下的初相角检测 在发电机空载状态下测得频率f0、时间t10、t20、机端正序电压相角：
u10 2 * * f 0 * t10
机组转轴位置脉冲的绝对相角：
p0 2 * * f 0 * t 20
发电机空载时的内电势初相角：

1 2
T T T
u1 2 * * f * t1
◆采集键相脉冲发生时刻t2, 则可得到转子绝对机械角：
p 2 * * f * t 2
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
◆t2对应的机组转轴位置与机组内电势ε之间有一个固定的机 械角度α，α数值的大小不受发电机运行状态的改变而改变， 除非转轴位置传感器的机械位置发生变化。
发电机内电势功角测量方法 技术介绍
报告内容
1 技术发展背景 2直接发电机功角测量原理介绍
3 发电机输入输出信号介绍
4 内电势的计算方法介绍
5直接发电机功角测量技术特点
6 几种测量方法的比较
7工程实施及验证情况
8 技术总结与未来展望
第一节
技术发展背景
技术背景
1 功角实时同步测量的重要意义
► 发电机功角是表征电力系统安全稳定运行的主要状态变量之一。 ► 发电机功角是电网扰动和失稳轨迹的重要记录数据 ► 发电机功角是WAMS系统电网三大动态稳定分析的重要数据源 ►直接测量发电机功角可检验EMS系统在线状态估计和静态安全分析的计 算结果 ► 准确测量发电机功角还是通过推算发电机功角，反映了PMU检测技术和 WAMS的应用水平
目前的计算机技术可在毫秒级的时间 内判断出运行状态
发电机空载状态判断 ►发电机机端电压大于整定值 ►发电机转速到额定转速 ►发电机负载电流小于设定值
在发电机从检修状态转入空 载状态后自动判断初相角。
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
5）关键技术3
►转速脉冲的备份接入
判断发电机是否处于稳态状态， 在稳态下按照键相信号得到功角 锁定转速脉冲中的某一脉冲。
M
(t) min(1, k 1 e
4、 得到修正后的功角
k2U t ( t )
)
' (t) ' (t T) 0 T
(t) * (t) 0 (1 ) * ' (t)
技术背景
国内外PMU发电机功角测量技术情况
国家 SEL734 美国 台湾 四方 南瑞 河海 序号 型号 功角测量 × 初相角测量 × 测量方式 ×
1、记录电网扰动的状态轨迹 2、改善EMS状态估计的精度 3、用于校验发电机特性参数
技术背景
2 国内外广域同步相量测量系统研究现状
90年代以来，GPS时间同步技术、数据通信网络技术、光纤数字传输 技术、高速交流采样/快速富氏变换、数字信号处理技术的发展，推动广 域同步相量测量技术快速发展。最早应用于美国和欧洲等电力系统。
原理介绍（发电机功角测量示意图）
2 设计思路
PMU
PMU
PMU
直接测量Eq的相位较困难，但转子位置与Eq存在着固定的相位关系， 故可以采用转子位置代替Eq。 可通过安装GPS控制的PMU进行同步采集，功角测量的关 键在于同步测量测量Eq与Ug的角度。
自适应直接测量发电机内电势功角技术基 本原理即为采集转子位置来获取Eq
第二节
直接发电机内电势功角测量 技术原理介绍
原理介绍
1 主要的名词定义:
1）发电机内电势 当同步发电机转子以同步速率旋转时，主磁场就在气隙中 形成一个旋转磁场，它“切割”定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为 f的一组对称三相电动势，称为发电机内电势。 2）发电机功角 发电机内电势和机端电压正序相量之间的夹角称为发电机功角。 3）发电机初相角 在采用键相脉冲直接测量发电机转子位置，来等效发电机 内电势的相角，但由于转子机械安装位置（机械角）与内电势相角有较大的角 差。在发电机空载情况下，发电机空载内电势与机端电压同相位，我们定义发 电机空载内电势与机械角之间的夹角称为发电机初相角。
技术背景
4 发电机功角测量方法
NO.1 间接计算法
间接计算法，基于稳态相量图的解析法。
简化计算公式： 用发电机交/直轴同步电抗参数及机端电压、电流计算获取发电机功角
Xq * I * Cos 主要实现厂家：南瑞、四方、电科院、河海大 arctg( ) 学等均能够在PMU或WAMS主站实现发电机功 U Xq * I * Sin 角纯电气计算。
该方法精度高，在发电机扰动情况下，仍有较高精度。由 华东电网公司专项科技项目与电科院和南瑞公司联合研究 两种实现方式：独立功角测量模块、PMU内置软件。
技术背景
5 华东WAMAP系统实施的有利条件
具备WAMS系统多年的运行经验。 具备了高速的数据通信网络，可将各电厂、变电站PMU装置连接起来。 发电机组上均具备转速(脉冲)信号输出。 发电机组具备用于检测机组转轴动态平衡的转轴键相脉冲信号。
4-20mA
4-20mA 4-20mA 4-20mA 4-20mA 4-20mA
可接入
可接入 可接入 可接入 可接入 可接入
√
√ 根据需要 根据需要 根据需要 根据需要
= p +α
◆在发电机理想空载状态下，由于负载电流为0，机端电压与 内电势相同，此时刻有：
= u1
故可采用空载时刻的机端电压来代替内电势，从而通过 此时的机械角度与机端电压角度差获取机械初相角。
原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）
通过上面的GPS控制采样计算，我们即可得到如下的关键测量量：
技术背景
PMU发电机功角测量技术主要方法情况
1、转速积分法
核心思路：采用等效电路模型及机组同步电抗参数计算积分常 数作为积分初始角，利用转速脉冲积分来计算转子位置，然后 直接算出发电机功角。
2、 算法补偿法 核心思路：在扰动情况下，通过派克方程计算发电机功角，研 究补偿算法修正发电机参数，从而弥补发电机功角计算误差。