基于GPS的功角測(cè)量及同步相量在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研

針對(duì)GPS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)介紹了現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)功角直接和間接測(cè)量方法，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)；具體論述了基于GPS同步測(cè)量的同步相量在電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)，穩(wěn)定控制，失步預(yù)測(cè)保護(hù)等方面的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展情況。并指出基于同步相量的區(qū)域穩(wěn)定控制理論還待進(jìn)一步研究和突破。
關(guān)鍵詞：功角測(cè)量；相量控制；暫態(tài)穩(wěn)定；狀態(tài)估計(jì)；全球定位系統(tǒng)

A Study of Power Angle Measurement Based on GPS
and Application of Synchronized Phasor in Power System

Long Houjun, Hu Zhijian, Chen Yunpin

(Department of Electrical Engineering,Wuhan University,430072)

Abstract: Aimed at the application of GPS technology in power systerm,the paper introduces the power angle measurement methods,and analyses them virtues and shortcomings ;synchronized phasor based on synchronized phasor measurement is discussed in detail and the research results are also introduced in follows: status estimate,stability control,step-out predictive and protect etc. In conclusion,the paper points out that transient stability control theory based on synchronized phasor is still required further research and development.
Key words: Power Angle Measurement；Phasor Control；Transient Stability；Status Estimate；GPS


0 引言
從60年代美國(guó)開(kāi)始進(jìn)行空中定位研究，1974年基于GPS概念的全球定位系統(tǒng)開(kāi)始正式研制，1985 85年進(jìn)入民用領(lǐng)域，1993年此系統(tǒng)正式建成。 90年代以來(lái)基于全球同步衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的高精度定時(shí)技術(shù)逐步被引入電力系統(tǒng)。利用其時(shí)間誤差小于1μs，對(duì)于50Hz的工頻信號(hào)其相位誤差不超過(guò)0.018°的高精度時(shí)鐘從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步采集，并可在此基礎(chǔ)上得到電壓電流相量和發(fā)電機(jī)功角這反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù).
電力系統(tǒng)中功角穩(wěn)定性，電壓穩(wěn)定性、頻率動(dòng)態(tài)變化及其穩(wěn)定性皆不是各自孤立的現(xiàn)象，而是相互誘發(fā)相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一物理現(xiàn)象的不同側(cè)面，其間的關(guān)聯(lián)又受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的影響。這其中母線電壓相量及發(fā)電機(jī)功角狀況是系統(tǒng)運(yùn)行的主要狀態(tài)變量，是系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的標(biāo)志，如果它能被直接測(cè)量，不僅能用于調(diào)度中心的集中監(jiān)視和控制，而且能用于分散的就地監(jiān)視和控制，提高狀態(tài)估計(jì)的可靠性，更有可能完全實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，解決系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題。因此實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)電機(jī)的功角和母線電壓相量，將是電力系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)視和控制的關(guān)鍵基礎(chǔ)。
通過(guò)基于GPS實(shí)時(shí)相量測(cè)量，可以實(shí)時(shí)得到電網(wǎng)的狀態(tài)量，即可以得到實(shí)際系統(tǒng)精確模型的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前軌跡。由于相角涉及到電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護(hù)等諸多領(lǐng)域，而實(shí)時(shí)相量測(cè)量的實(shí)現(xiàn)，將推動(dòng)電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護(hù)等新方法和理論的發(fā)展，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護(hù)開(kāi)辟一個(gè)新的領(lǐng)域。

1 功角測(cè)量
1.1 功角及功角測(cè)量
功角表示發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)和端電壓之間的相位差，即表征系統(tǒng)的電磁關(guān)系，還表明了各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)空間位置，而這恰好是判斷各發(fā)電機(jī)之間是否同步運(yùn)行的依據(jù)。
由于發(fā)電機(jī)的不同步運(yùn)行或者系統(tǒng)振蕩，會(huì)危及發(fā)電機(jī)及變壓器甚至整個(gè)系統(tǒng)的安全，振蕩電流的持續(xù)出現(xiàn)，將使大型汽輪發(fā)電機(jī)定子過(guò)熱、端部遭受機(jī)械損傷，使大軸扭傷，縮短運(yùn)行壽命。從電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的客觀要求出發(fā)，發(fā)電機(jī)失步及失步預(yù)測(cè)保護(hù)十分必要。所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度的獲得方法一度是許多學(xué)者積極探索的課題。
1.2 現(xiàn)有的功角測(cè)量方法
1.2.1 間接測(cè)量法
間接測(cè)量就是通過(guò)已知的參數(shù)，計(jì)算功角.
傳統(tǒng)的做法是若已知橫軸同步電抗X_d(隱極機(jī)) 或X_q(凸極機(jī))，在測(cè)取電壓、電流及相應(yīng)的φ角后，根據(jù)相應(yīng)的矢量圖可算得功角^[1]。
相似的，若已知X_d、X_q、X^′_d、X^′_q和X^″_q則可分別得到穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)以及次暫態(tài)狀況下的δ角。
用該方法獲得δ角，必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：首先要求確定上述參數(shù)，并且這些參數(shù)要求非常準(zhǔn)確；其次，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)和故障后，在具體的某一時(shí)刻應(yīng)確定采用哪些參數(shù)(同步電抗、暫態(tài)電抗或次暫態(tài)電抗)、哪一種發(fā)電機(jī)等值模型進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際上，這難以確定；該方法在穩(wěn)態(tài)過(guò)程具有良好的測(cè)量精度，測(cè)量誤差小于1°，而在暫態(tài)過(guò)程中，采用暫態(tài)電抗或次暫態(tài)電抗計(jì)算出來(lái)的功角有一定的誤差，即使采用諸如FFT之類(lèi)的信號(hào)處理手段也無(wú)法解決這一問(wèn)題。而且測(cè)量計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，不適合實(shí)時(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量。
文獻(xiàn)[2]提出利用基于GPS同步時(shí)鐘的相量測(cè)量裝置PMU來(lái)獲得系統(tǒng)中各主要站點(diǎn)的功角。Phadke博士開(kāi)發(fā)的相角測(cè)量裝置，其測(cè)量原理是對(duì)三相電力線上的波形每個(gè)周期采樣12次，然后以遞推FFT提取出基波分量，最后用對(duì)稱(chēng)法將三相組合起來(lái)產(chǎn)生正序相量，對(duì)應(yīng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC產(chǎn)生一個(gè)絕對(duì)的相角。文獻(xiàn)[3]也是通過(guò)分析機(jī)端電壓的零序諧波分量來(lái)測(cè)量同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子角。
基于GPS同步時(shí)鐘的相量測(cè)量裝置PMU是在采樣電壓和電流后再經(jīng)傅里葉變換才能得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度，也較為耗時(shí)。
1.2.2 直接測(cè)量法
利用轉(zhuǎn)子位置與空載電勢(shì)在相位上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)代替空載電勢(shì)參與相位比較。
較早應(yīng)用的是閃光燈法^[4]，是在被測(cè)試同步機(jī)的軸上裝一金屬圓盤(pán)，在圓盤(pán)上畫(huà)上與被測(cè)試電機(jī)的極對(duì)數(shù)相同的明顯的標(biāo)記。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，用閃光燈照射圓盤(pán)，閃光燈的電源來(lái)自被測(cè)試電機(jī)的端電壓，并將閃光燈置于同步檔，這時(shí)閃光燈的閃光頻率與被測(cè)試電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步，看上去圓盤(pán)上的標(biāo)記的位置靜止不動(dòng)。在金屬盤(pán)的圓周外圍安裝一個(gè)靜止的圓弧形刻度盤(pán)，先確定被測(cè)試電機(jī)空載時(shí)標(biāo)記的位置。當(dāng)被測(cè)試電機(jī)帶負(fù)載后，再觀察標(biāo)記位置相對(duì)空載時(shí)所偏移的電角度，這就是被測(cè)試同步電機(jī)的功角大小。這種方法比較直觀，但當(dāng)被測(cè)試電機(jī)的極對(duì)數(shù)較多時(shí)其測(cè)量的準(zhǔn)確度不高。
相位計(jì)法^[4]是在被測(cè)試電機(jī)的電樞槽口安裝幾匝細(xì)導(dǎo)線作為d軸位置的測(cè)量繞組，其極距應(yīng)與該電機(jī)原有繞組一樣；或在被測(cè)試電機(jī)的軸上安裝一臺(tái)極數(shù)相同的，其d軸與主機(jī)重合的微型同步電機(jī)，以便獲得空載時(shí)電勢(shì)E_q的信號(hào)。將被測(cè)試電機(jī)的端電壓U經(jīng)過(guò)移相器和空載電勢(shì)E_q的信號(hào)一起送到相位計(jì)。當(dāng)被測(cè)試電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)移相器，使相位計(jì)的指示為零，被測(cè)試電機(jī)帶負(fù)載后相位計(jì)的讀數(shù)即為功角δ之值。如果是采用帶有模擬量輸出的相位計(jì)，可測(cè)得與被測(cè)功角δ成正比的電信號(hào)，結(jié)合用光線示波器可拍攝功角δ變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線。或者用微型計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取功角δ變化過(guò)程的數(shù)據(jù)。這種方法實(shí)行難度大，因?yàn)殡姍C(jī)改造絕非易事。
數(shù)字式功角測(cè)量?jī)x^[4]是在被試電機(jī)的軸上裝一個(gè)投射式或反射式的光電圓盤(pán)，盤(pán)上均勻分布的孔數(shù)或黑白相間的標(biāo)記塊數(shù)與被試電機(jī)的極對(duì)數(shù)p相等。當(dāng)圓盤(pán)隨同步電機(jī)作同步速旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，光電二極管產(chǎn)生代表E_q的矩形脈沖。由帶可調(diào)電阻的RC移相器給初始零相位的設(shè)定提供移相之用，即當(dāng)被試電機(jī)為空載(δ＝0)時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)端電壓U的相位使之與E_q同相，當(dāng)被試電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，輸出的脈沖寬度折算成的角度即代表被試功角的大小。實(shí)際上是通過(guò)獲得機(jī)端電壓與其空載電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度，即采樣DD相位檢測(cè)DD時(shí)間差DD顯示(即Φ=T)，以測(cè)取功角。但是該方法僅僅給出了測(cè)量功角的一個(gè)方法，并不適于實(shí)時(shí)監(jiān)視。因?yàn)闇y(cè)量功角要求有一個(gè)空載過(guò)程，以便取得實(shí)際測(cè)量時(shí)的E_q相量角度，在實(shí)際應(yīng)用中特別是在實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中，這是不現(xiàn)實(shí)的。
磁阻位置傳感器法^[5]通過(guò)磁阻位置傳感器來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位移獲得發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)E_q矢量。設(shè)電機(jī)磁極為一對(duì)，利用電機(jī)轉(zhuǎn)軸裝有的60磁齒齒輪，由磁阻位置傳感器產(chǎn)生的信號(hào)頻率為50×60＝3000Hz，當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將信號(hào)整形后經(jīng)60分頻器即可獲得所需要的方波信號(hào)。首先進(jìn)行一次空載過(guò)程，以獲取方波信號(hào)與從電壓側(cè)得到的方波信號(hào)相位之差，調(diào)整磁阻傳感器的安裝位置，直到上述偏差為零。帶負(fù)載后，所得差值即為功角δ。
文獻(xiàn)[6]通過(guò)分析功角也為產(chǎn)生矢量E₀的轉(zhuǎn)子主磁通和產(chǎn)生端電壓的合成磁通(由轉(zhuǎn)子磁通、定子電樞反應(yīng)磁通和漏磁通合成)之間的相角，即測(cè)量轉(zhuǎn)子磁極中心線與合成的等效磁極中心線間的電角度來(lái)獲得功角。
無(wú)論汽輪發(fā)電機(jī)組還是水輪發(fā)電機(jī)組都裝有測(cè)速裝置，因此文獻(xiàn)[7]提出利用轉(zhuǎn)速表來(lái)測(cè)量功角。該裝置的構(gòu)成是:在發(fā)電機(jī)的軸上安裝一個(gè)60個(gè)齒的齒輪，這60個(gè)齒大小完全一樣，均布在圓盤(pán)上。轉(zhuǎn)速表的測(cè)量電路負(fù)責(zé)檢測(cè)齒輪所發(fā)出的脈沖，每60個(gè)脈沖代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)速度由下式表示(T₀為兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔):