发电机内电势功角测量技术介绍
2功角测量原理和技术
凸极发电机功角特性
EQ U jX q I EQ U q U cos I d I sin( j ) Eq U q I d X d EQ I d ( X d X q ) X q X q XT X L Xd Xd XT X L
cr
h
复杂系统暂态稳定分析
根据故障前状态、给定系统结构和参数、给定 故障、给定控制措施，获得发电机的功角摇摆 曲线 X F ( X , Y ,U , S , P )
0 G ( X , Y ,U , S , P )
功角对于电力系统稳定分析极其重要
通过积分方法获得功角的优点
只计及正序分量,忽略负序、零序分量的影响
负序电流产生的磁场和转子绕组电流的磁场形成的转矩,是两 倍频率交变、平均值接近于零的制动转矩，对发电机的机电 暂态过程没有明显影响,可以忽略不计。由于零序电流在转子 空间的合成磁场为零，它不产生转矩，也完全可以忽略。
间接计算法的优缺点
计算法确定功角δ，不需要装设位置传感装置，以及初 始功角校正，具有简单、易于实现、经济实用的优点。 计算法是依赖于发电机的数学模型和内部参数，由于 计算方法是基于发电机的稳态模型，在稳态运行且发 电机参数比较精确时具有良好的测量精度 而在暂态过程中，由于参数时变性、机组铁心饱和等 的影响，可能产生新的误差。为保证暂态过程的计算 精度，需要建立发电机的暂态模型，计算其功角。
基于暂态模型的功角实时计算方法
Park 方程式推导出的发电机电压方程磁链方程：
发电机的功角δ是E、U 之间的夹角，只要能确定电压的直轴、 交轴分量即可，而不必非求出E 的大小，因此可简化：
永磁同步电机功角检测方法
（ 西北工业 大学 自动化学院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘
要： 针 对永磁 同步 电机 （ ｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｓ ， Ｐ ＭＳ Ｍ） 恒 压频 比运 行 方 式 下 的
Ｋ ａ ｌ ｍ ａ ｎ ｉ ｆ ｌ ｔ ｅ ｒ（ Ｅ Ｋ Ｆ ）ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｓ ｏ ｆ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ
法 的原 理进行 详 细分析 ， 对扩展 卡 尔曼滤波估 计 方 法进 行理 论推 导 。 实验 结果 表 明这 些 方 法精 确 度高、 可靠有 效 ， 无位 置传 感 器扩展 卡 尔曼滤 波功 角估 计方 法具 有 良好 的静 动 态性 能和鲁棒 性 。
关键 词 ： 永磁 同步 电机 ；恒压频 比控 制 ； 功 角检 测 ；位 置传 感器 ； 扩展 卡 尔曼滤波
ＬＩ Ｂｉ ｎ ｇ — ｑ ｉ ａ ｎ ｇ， ＬＩ Ｎ Ｈｕ ｉ ，
ＸＩ ＮＧ Ｈｕ ａ — ｌ ｉ ｎ ｇ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｅ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｘ ｉ ’ ａ ｎ ７ １ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
中图分类号 ： Ｔ Ｍ ３ ５ １ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ７ — ４ ４ ９ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — ０ ０ ２ ７ —０ ６
发电机内电势功角测量技术资料
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。
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。
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。
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ຫໍສະໝຸດ 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。
设计标准：无
检测标准：无
技术背景
发电机功角特性
发电机功角特性同步发电机的功角特性是指发电机的有功功率(P)、无功功率(Q)与发电机电抗(Xd、Xq)、内电动势(Ed)、机端电压(U)和功角(δ)的关系特性。
(1) 发电机功角特性。
1)有功特性：发电机输出的有功功率为：P = Ed*U*Sinδ/Xd + U2*Sin2δ*(1/Xq –1/Xd)/22)无功特性：发电机输出的无功功率为Q = Ed*U*Cosδ/Xd + U2*Cos2δ*(1/Xq –1/Xd)/2 - U2*(1/Xq + 1/Xd)/2(2)隐极发电机功角特性。
对于隐极发电机，取Xd = Xq。
1) 有功特性：发电机输出的有功功率为P = Ed*U*Sinδ/XdP代表发电机输出的有功功率，对发电机产生制动的电磁转矩。
在一定的电压和励磁电流下，发电机的有功功率P与功角多是函数关系。
2) 无功特性：发电机输出的无功功率为Q = Ed*U*Cosδ/Xd + U2/Xd式中第一项与Ed和δ有关，它表示由转子励磁经电磁感应传递到定子的无功功率，值随δ角的余弦而改变。
由于U*Cosδ = Ed – Id*Xd，则上式第一项可改写为Ed2/Xd – Ed*Id第二项与Ed和δ无关，它代表发电机维持一定端电压U所需励磁的无功功率。
因为Ed = U*Costδ + Id*Xd，故Q = Ed*Id – Id2*Xd，即供给电网的无功功率等于主磁通转换的无功功率减去电枢绕组电感的无功损耗。
由此可见，增加发电机的励磁电流(即加大Ed)，便可增大发电机的无功输出。
对于隐极发电机，取Xd = Xq。
此时发电机输出的有功功率为P = Ed*U*Sinδ/Xd但当δ = 90°时，P为最大功率（即极限功率）。
功角特性是同步发电机的基本特性之一。
通过功角特性，可以确定稳态运行时发电机所能发出的最大电磁功率。
功角特性还是研究同步发电机并联运行时经常应用的重要特性。
功角的物理含义功角有两重含义：一是表示E和U这两个时间相量之间的时间相位差角；二是表示产生E0的主磁极磁势Ff与产生端电压U的定子合成磁势Fu之间的空间相位角，即转子磁极轴线与定子合成等效磁极轴线之间的空间夹角(电角度)。
发电机内电势功角测量技术介绍
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
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
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。
= 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：
目前的计算机技术可在毫秒级的时间 内判断出运行状态
功角测量系统
动模实验
系统精度分析 动模实验机组
1、3、5、6号四台模拟发电机 2号模拟无穷大系统 线路、母线、开关、负荷
模拟系统实验 实验结论
系统精度分析
电压幅值误差曲线
0.6 0.4 0.2
电压相角误差曲线
0.02 0.015 0.01 0.005 0 -0.005 -0.01 -0.015 -0.02 -0.025 -0.03
执行机
网络 读写 数据 操作 界面
全局功角测 量系统实时 数据库
分析 用读 写数 据操 作界 面
人机 交互 界面
前置机
备份用读数据 操作界面
电力系 统分析 软件
历史数据库
局域网实时通信方案
网络设计采用复合网络拓扑的方式，防止数据阻 塞 在通信子网服务质量良好的情况下，通信协议的 选择采用基于无连接方式的UDP协议，保证通信 可靠性和快速性 软件设计方面，采用多媒体定时中断和非阻塞通 信模式，提高系统的实时性，降低服务器的负荷， 保证系统运行的同步性 控制命令发送采用了多次发送，收到确认的方法， 以保证控制命令传送的绝对可靠性和实时性
1 20 39 58 77 96
115 134 153 172 191 210
229 248 267 286
0
1 17
33
49
65 81
97
113
129 145
161
177
193 209
225
241
-0.2 -0.4 -0.6
257
单机无穷大实验
7
j18
LN7 LN6
j 9
8 3 LN3
发电设备测量与检验方法与技巧
发电设备测量与检验方法与技巧发电设备是现代电力系统中不可或缺的重要组成部分。
为了确保发电设备的正常运行和安全可靠，测量与检验方法与技巧不可忽视。
本文将介绍一些常见的发电设备测量与检验方法与技巧，以帮助读者更好地了解和应用这些技术。
1. 发电机的测量与检验发电机是发电设备中最重要的部分之一。
为了保证发电机的正常运行，首先需要对其进行测量与检验。
常见的方法包括：1.1 电压测量使用万用表或电压表等工具，将测量引线分别接到发电机的相线上，得到相应的电压数值。
通过与标准值进行比较，可以判断发电机的电压输出是否正常。
1.2 频率测量通过频率表或示波器等仪器，将测量引线接到发电机的输出端口，观察频率显示数值。
通常，发电机的频率应与标准值接近，以保证电能的正常供应。
1.3 绝缘电阻测量使用绝缘电阻测试仪，将测试引线分别接到发电机的绕组和接地端，测量绝缘电阻数值。
较低的绝缘电阻可能表明绝缘有问题，需要进行维修或更换。
1.4 振动测量通过振动测试仪，将测量传感器固定在发电机的重要部位，例如轴承或定子等，测量振动级别和频率。
与标准值进行比较，可以判断发电机是否存在异常振动情况，及时采取措施进行维修。
2. 变压器的测量与检验变压器是电力系统中起到压缩、变换电压作用的重要设备。
为了保证变压器的安全运行，以下是一些常见的测量与检验方法与技巧：2.1 绝缘油质量检验通过取样和实验室测试，检测变压器绝缘油的含水量、酸值、介质强度等指标，以判断绝缘油的质量情况。
合格的绝缘油应具备良好的绝缘性能和热稳定性，保证变压器的正常运行。
2.2 相对短路阻抗测量通过测量变压器两侧的电流和电压，计算相对短路阻抗的数值。
较低的阻抗可能表明局部绕组或铁芯存在问题，需要进行修复或更换。
2.3 温度测量使用温度计或红外测温仪，测量变压器的不同部位的温度。
温度过高可能表明存在故障或负载过重的问题，需要注意并及时处理。
3. 输电线路的测量与检验输电线路是电力系统中将发电设备的电能输送到用户处的通道，需要进行定期的测量与检验以确保其正常运行和安全可靠性。
三种发电机功角监测方法的比较
三种发电机功角监测方法的比较
应宗明;房林;邵德斌
【期刊名称】《电力与电工》
【年(卷),期】2006(026)002
【摘要】比较了3种发电机功角监测方法,即实时测量法、计算测量法、简捷测量法.独创提出的简捷测量法不用进行并网前空载初始功角δ0测量,就可满足进相时对功角的测量要求,并同时得出实际工况交轴同步电抗Xq的准确计算方法.
【总页数】3页(P40-42)
【作者】应宗明;房林;邵德斌
【作者单位】福建省电力试验研究院,福建,福州,350007;哈尔滨科力电力有限公司,黑龙江,哈尔滨,150090;福建省电力试验研究院,福建,福州,350007
【正文语种】中文
【中图分类】TM726
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4.三种大气监测方法的比较分析 [J], 叶红梅
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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。
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。
= 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：
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
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 ×
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
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。
u10 p0 2 * * f 0 * (t1Fra bibliotek 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
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
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。
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。
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
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。
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。
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）
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
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、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
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。
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。
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