发电机内电势功角测量技术介绍.

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1功角实时同步测量的重要意义技术背景►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。►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►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►发电机功角是电网扰动和失稳轨迹的重要记录数据技术背景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。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。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。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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。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。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。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。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2、算法补偿法核心思路：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。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。)t(ewswP)sT1)(D2H(sTM1i1reftTt)MU/()Tit(U)t(U)t(UT)Tt()t(0'')t(*)1()t(*)t('01、用派克方程计算实时功角2、根据摇摆方程计算角频率偏差及平均电磁功率Pe。3、计算远离次暂态程度的系数4、得到修正后的功角)ek,1(min)t()t(Uk21t国家型号功角测量初相角测量测量方式美国SEL734ArbiterSystems1133AMacrodyne1690台湾ADX3000四方CSS200PAC2000SMU-1G电科院南瑞河海PMU/GPS-I×××××××××手动自动通过计算获取××××键相键相键相+转速转速积分技术背景国内外PMU发电机功角测量技术情况第二代分布式网络通信自适应直接测量序号系统结构传输方式功角测量辅助测量第一代集中式串口/高速MODEM×/计算×励磁电压/电流/AGC/失稳预警无有技术背景标准1：1995年美国IEEE制定了“电力系统同步相角测量标准IEEESTD1344-1995（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。3技术标准情况标准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。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的测量方法。主要实现厂家：南瑞、四方、电科院、河海大学等均能够在PMU或WAMS主站实现发电机功角纯电气计算。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。技术背景)Sin*I*XqUCos*I*Xq(arctg简化计算公式：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。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。5华东WAMAP系统实施的有利条件技术背景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。具备WAMS系统多年的运行经验。发电机组上均具备转速(脉冲)信号输出。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。第二节直接发电机内电势功角测量技术原理介绍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。原理介绍2设计思路原理介绍（发电机功角测量示意图）PMUPMUPMU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。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。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（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）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。3技术原理原理介绍原理介绍（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p2GPS秒脉冲机端电压U键相脉冲TTt1t2T1***2u1tf◆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：◆采集键相脉冲发生时刻t2,则可得到转子绝对机械角：2***2ptf12机端电压U键相脉冲TTt1t2GPS秒脉冲T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。=+αp◆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：1u=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）发电机功角)21(***211ttfpuu发电机内电势绝对相角1u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：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）原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）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◆真正空载时间短实际问题！！一次捕捉不到，需要间隔很长时间才有发电机空载的机会。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原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）3）关键技术1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：10*0**2u10tf机组转轴位置脉冲的绝对相角：20*0**2p0tf发电机空载时的内电势初相角：)2010(*0**2p010ttfu►机械误差角自动检测原理介绍（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原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）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。目前的计算机技术可在毫秒级的时间内判断出运行状态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。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可大大提高直接测量法的可靠性原理介绍（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原理介绍（采用直接键相信号测量的原理）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）第三节发电机输入输出信号介绍信号类型信号来源额定值PMU接入情况目前接入条件机端电压Ua发电机机端100VAC一定要接入√机端电压Ub发电机机端100VAC一定要接入√机端电压Uc发电机机端100VAC一定要接入√机端电流Ia发电机机端1A／5A一定要接入√机端电流Ib发电机机端1A／5A一定要接入√机端电流Ic发电机机端1A／5A一定要接入√键相信号发电机5-24VDC需要接入√转速信号发电机5-24VDC可接入√励磁电压Uf励磁系统4-20mA可接入√励磁电流If励磁系统4-20mA可接入√AGC控制输出信号RTU4-20mA可接入根据需要AVC控制输出信号RTU4-20mA可接入根据需要△PSS的PID控制输出信号励磁控制器4-20mA可接入根据需要调频PID的控制输出信号机械/自动调频控制器4-20mA可接入根据需要发电机接入量信号类型信号来源额定值PMU接入情况目前接入条件气门开度信号发电机4-20mA可接入根据需要接入一次调频控制前指令发电机4-20mA可接入根据需要接入一次调频控制后指令发电机4-20mA可接入根据需要接入发电机开关量发电机24V可接入根据需要接入发电机接入量发电机输出量a.机端A相电压同步相量Ua/Фua；b.机端B相电压同步相量Ub/Фub；c.机端C相电压同步相量Uc/Фuc；d.机端正序电压同步相量U1/Фu1；e.机端A相电流同步相量Ia/Фia；f.机端B相电流同步相量Ib/Фib；g.机端C相电流同步相量Ic/Фic；h.机端正序电流同步相量I1/Фi1；i.内电势同步相量ε/Ф(ε)；j.发电机功角δ；k.发电机转速n；l.发电机励磁电压、电流信号；m.发电机有功功率、无功功率；n.频率、频率变化率；第四节内电势的计算方法介绍1、内电势的测量只能通过计算的方法获得计算法所获得的功角值的准确性和精度，取决于数学模型和计算式中的参数数值。由于在稳态状况下，功角计算的数学模型是准确的，数学模型中的定子