發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢功角測量技術(shù)介紹.ppt

1、發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢功角測量方法 技術(shù)介紹,報(bào)告內(nèi)容,第一節(jié) 技術(shù)發(fā)展背景,1 功角實(shí)時(shí)同步測量的重要意義,技術(shù)背景, 發(fā)電機(jī)功角是表征電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要狀態(tài)變量之一。,直接測量發(fā)電機(jī)功角可檢驗(yàn)EMS系統(tǒng)在線狀態(tài)估計(jì)和靜態(tài)安全分析的計(jì)算結(jié)果, 準(zhǔn)確測量發(fā)電機(jī)功角還是通過推算發(fā)電機(jī)功角，反映了PMU檢測技術(shù)和 WAMS的應(yīng)用水平, 發(fā)電機(jī)功角是WAMS系統(tǒng)電網(wǎng)三大動態(tài)穩(wěn)定分析的重要數(shù)據(jù)源,1、記錄電網(wǎng)擾動的狀態(tài)軌跡 2、改善EMS狀態(tài)估計(jì)的精度 3、用于校驗(yàn)發(fā)電機(jī)特性參數(shù), 發(fā)電機(jī)功角是電網(wǎng)擾動和失穩(wěn)軌跡的重要記錄數(shù)據(jù),技術(shù)背景,2 國內(nèi)外廣域同步相量測量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 90年代以來，GPS時(shí)間同

2、步技術(shù)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖數(shù)字傳輸技術(shù)、高速交流采樣/快速富氏變換、數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，推動廣域同步相量測量技術(shù)快速發(fā)展。最早應(yīng)用于美國和歐洲等電力系統(tǒng)。,美國西部聯(lián)合電力WSCC通過WAMS開發(fā)了基于高速監(jiān)測和快速控制的系 統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行方式以避免系統(tǒng)大范圍的停運(yùn)。,日本應(yīng)用同步相量測量技術(shù)開發(fā)了在線全局動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用于研究 廣域低頻振蕩。,西班牙 CSE電力公司在SCADA/EMS在線系統(tǒng)中，利用相量測量來改善 狀態(tài)估計(jì)的迭代過程,加拿大Hydro-Quebec 的利用相角測量改善發(fā)電機(jī)的PSS控制輸入， 以改善互聯(lián)網(wǎng)電網(wǎng)的振蕩衰減。,華東電網(wǎng)從1999年起，同步相量測量系統(tǒng)在華東電

3、網(wǎng)中進(jìn)行應(yīng)用。取得了一定的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。,東北電網(wǎng)、江蘇電網(wǎng)、三峽電網(wǎng)、華北電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、臺灣電網(wǎng)已實(shí)施了WAMS計(jì)劃。,2004年，華東電網(wǎng)公司與南瑞集團(tuán)合作，研究廣域動態(tài)監(jiān)測保護(hù)控制系統(tǒng)（WAMAP）在華東電網(wǎng)的應(yīng)用，同時(shí)展開了對發(fā)電機(jī)功角及內(nèi)電勢同步測量實(shí)用性的綜合研究。,技術(shù)背景,國內(nèi)PMU技術(shù)的試點(diǎn)應(yīng)用始于1998年，華東電網(wǎng)公司/電科院、清華大學(xué)/四方公司、河海大學(xué)等研究用PMU實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功角檢測技術(shù)都在2002年。,技術(shù)背景,PMU發(fā)電機(jī)功角測量技術(shù)主要方法情況,1、轉(zhuǎn)速積分法,2、 算法補(bǔ)償法,核心思路：采用等效電路模型及機(jī)組同步電抗參數(shù)計(jì)算積分常數(shù)作為積分初始角，利用轉(zhuǎn)速脈

4、沖積分來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，然后直接算出發(fā)電機(jī)功角。,核心思路：在擾動情況下，通過派克方程計(jì)算發(fā)電機(jī)功角，研究補(bǔ)償算法修正發(fā)電機(jī)參數(shù)，從而彌補(bǔ)發(fā)電機(jī)功角計(jì)算誤差。,國家,型號,功角測量,初相角測量,測量方式,美國,SEL734,Arbiter Systems 1133A,Macrodyne 1690,臺灣,ADX3000,四方,CSS200,PAC2000,SMU-1G,電科院,南瑞,河海,PMU/GPS-I,手動,自動,通過計(jì)算獲取,鍵相,鍵相,鍵相+轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速積分,技術(shù)背景,國內(nèi)外PMU發(fā)電機(jī)功角測量技術(shù)情況,技術(shù)背景,標(biāo)準(zhǔn)1： 1995年美國IEEE制定了“電力系統(tǒng)同步相角測量標(biāo)準(zhǔn)IEEE S

5、TD 1344-1995（R2001）”，對GPS使用，同步采樣誤差、數(shù)據(jù)傳輸格式等同步相角測量方面做了指導(dǎo)性規(guī)定，但未提及發(fā)電機(jī)功角測量。,3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)情況,標(biāo)準(zhǔn)2： 2005年國家電力調(diào)度中心制定了“電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范”，提出機(jī)組內(nèi)電勢功角的測量要求。,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：無 檢測標(biāo)準(zhǔn)：無,4 發(fā)電機(jī)功角測量方法,技術(shù)背景,簡化計(jì)算公式：,技術(shù)背景,NO.3 轉(zhuǎn)子位置測量法（脈沖直接法） 通過在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置機(jī)械測點(diǎn)或測速齒輪，在轉(zhuǎn)子周圍安裝光電或電磁裝置，通過一定變換來實(shí)現(xiàn)功角測量。,該方法精度高，在發(fā)電機(jī)擾動情況下，仍有較高精度。由華東電網(wǎng)公司專項(xiàng)科技項(xiàng)目與電科院和南瑞公司聯(lián)合

6、研究兩種實(shí)現(xiàn)方式：獨(dú)立功角測量模塊、PMU內(nèi)置軟件。,5 華東WAMAP系統(tǒng)實(shí)施的有利條件,技術(shù)背景, 發(fā)電機(jī)組具備用于檢測機(jī)組轉(zhuǎn)軸動態(tài)平衡的轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號。, 具備WAMS系統(tǒng)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。, 發(fā)電機(jī)組上均具備轉(zhuǎn)速(脈沖)信號輸出。, 具備了高速的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，可將各電廠、變電站PMU裝置連接起來。,第二節(jié) 直接發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢功角測量 技術(shù)原理介紹,1 主要的名詞定義:,1）發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步速率旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場就在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，它“切割”定子繞組后，就將在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出頻率為f的一組對稱三相電動勢，稱為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢。,2）發(fā)電機(jī)功角 發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢和機(jī)端電壓正序

7、相量之間的夾角稱為發(fā)電機(jī)功角。,3）發(fā)電機(jī)初相角 在采用鍵相脈沖直接測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，來等效發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢的相角，但由于轉(zhuǎn)子機(jī)械安裝位置（機(jī)械角）與內(nèi)電勢相角有較大的角差。在發(fā)電機(jī)空載情況下，發(fā)電機(jī)空載內(nèi)電勢與機(jī)端電壓同相位，我們定義發(fā)電機(jī)空載內(nèi)電勢與機(jī)械角之間的夾角稱為發(fā)電機(jī)初相角。,原理介紹,2 設(shè)計(jì)思路,原理介紹（發(fā)電機(jī)功角測量示意圖）,直接測量Eq的相位較困難，但轉(zhuǎn)子位置與Eq存在著固定的相位關(guān)系，故可以采用轉(zhuǎn)子位置代替Eq。,自適應(yīng)直接測量發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢功角技術(shù)基本原理即為采集轉(zhuǎn)子位置來獲取Eq,原理介紹（鍵相信號）,鍵相信號-以前主要用于對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振動進(jìn)行監(jiān)測，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到固

8、定位置時(shí)，發(fā)出一定幅度的脈沖。目前機(jī)組該脈沖為每轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖。通過測量該信號，結(jié)合發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以得到轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。,原理介紹（鍵相信號簡化示意圖）,該技術(shù)利用高性能處理器對發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、機(jī)端電流、轉(zhuǎn)子鍵相脈沖、轉(zhuǎn)速脈沖以10KHz進(jìn)行高速采樣，根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)對發(fā)電機(jī)空載、負(fù)載運(yùn)行比對分析得出發(fā)電機(jī)初相角和實(shí)時(shí)功角。,3 技術(shù)原理,原理介紹,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,1）基于直接鍵相脈沖測量方法,u1,p2,GPS秒脈沖,以GPS秒脈沖上升沿時(shí)刻定義為0時(shí)刻。 快速采集發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的U的過零時(shí)刻t1,則可得到其絕對相角：,采集鍵相脈沖發(fā)生時(shí)刻t2,則可得到轉(zhuǎn)子絕對機(jī)械角

9、：,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,t2對應(yīng)的機(jī)組轉(zhuǎn)軸位置與機(jī)組內(nèi)電勢之間有一個(gè)固定的機(jī)械角度，數(shù)值的大小不受發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變而改變，除非轉(zhuǎn)軸位置傳感器的機(jī)械位置發(fā)生變化。 = +,在發(fā)電機(jī)理想空載狀態(tài)下，由于負(fù)載電流為0，機(jī)端電壓與 內(nèi)電勢相同，此時(shí)刻有：,=,故可采用空載時(shí)刻的機(jī)端電壓來代替內(nèi)電勢，從而通過此時(shí)的機(jī)械角度與機(jī)端電壓角度差獲取機(jī)械初相角。,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,發(fā)電機(jī)功角,發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢絕對相角,通過上面的GPS控制采樣計(jì)算，我們即可得到如下的關(guān)鍵測量量：,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,2）實(shí)際問題！,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理

10、）,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,NO.2 如何快速檢測初始相角的問題？,實(shí)際現(xiàn)場發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間不定 真正空載時(shí)間短,實(shí)際問題！,一次捕捉不到，需要間隔很長時(shí)間才有發(fā)電機(jī)空載的機(jī)會。,實(shí)際問題！,NO.3 如何保證信號的正確接入？,信號接入的傳輸延時(shí)如何補(bǔ)償？ 機(jī)械振動誤差如何濾除？,轉(zhuǎn)子軸具有一定的擺度或扭振 鍵相脈沖傳感器支架隨機(jī)組振動 會導(dǎo)致測量較大的誤差,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,3）關(guān)鍵技術(shù)1,機(jī)械誤差角自動檢測,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,4）關(guān)鍵技術(shù)2,發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動判斷,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)通過接入的

11、機(jī)端電壓、電流、脈沖等運(yùn)行信息進(jìn)行判斷,發(fā)電機(jī)檢修狀態(tài)判斷 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓歸零 發(fā)電機(jī)負(fù)載歸零 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值,目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)可在毫秒級的時(shí)間內(nèi)判斷出運(yùn)行狀態(tài),5）關(guān)鍵技術(shù)3,轉(zhuǎn)速脈沖的備份接入,判斷發(fā)電機(jī)是否處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，在穩(wěn)態(tài)下按照鍵相信號得到功角鎖定轉(zhuǎn)速脈沖中的某一脈沖。,可大大提高直接測量法的可靠性,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,6）關(guān)鍵技術(shù)4,多重化的濾波措施,1）硬件手段上，脈沖正確性的檢測,2）空載情況下，多次數(shù)據(jù)的平滑綜合處理,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,3）測量數(shù)據(jù)的軟件平滑濾波,原理介紹（自適應(yīng)直接測量發(fā)電機(jī)功角接入示意圖）,第三節(jié) 發(fā)電機(jī)輸入

12、輸出信號介紹,發(fā)電機(jī)接入量,發(fā)電機(jī)接入量,發(fā)電機(jī)輸出量,a.機(jī)端A相電壓同步相量Ua/ua； b.機(jī)端B相電壓同步相量Ub/ub； c.機(jī)端C相電壓同步相量Uc/uc； d.機(jī)端正序電壓同步相量U1/u1； e.機(jī)端A相電流同步相量Ia/ia； f.機(jī)端B相電流同步相量Ib/ib； g.機(jī)端C相電流同步相量Ic/ic； h.機(jī)端正序電流同步相量I1/i1； i.內(nèi)電勢同步相量/()； j.發(fā)電機(jī)功角； k.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n； l.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓、電流信號； m.發(fā)電機(jī)有功功率、無功功率； n. 頻率、頻率變化率；,第四節(jié) 內(nèi)電勢的計(jì)算方法介紹,1、內(nèi)電勢的測量只能通過計(jì)算的方法獲得,計(jì)算法所獲得的

13、功角值的準(zhǔn)確性和精度，取決于數(shù)學(xué)模型和計(jì)算式中的參數(shù)數(shù)值。由于在穩(wěn)態(tài)狀況下，功角計(jì)算的數(shù)學(xué)模型是準(zhǔn)確的，數(shù)學(xué)模型中的定子電流和機(jī)端電壓測量值的精度也是較高的，而在計(jì)算中起重要影響的同步電抗Xd的值是隨著發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不同在很大的范圍內(nèi)變化（約在40%范圍內(nèi)變化）。,發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢計(jì)算,隱極同步發(fā)電機(jī),凸極同步發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢計(jì)算,磁路飽和下的發(fā)電機(jī)參數(shù)修正,對隱極機(jī)有：,=,對于凸極機(jī)有：,=,其中,為氣隙合成磁場中的基波分量在電樞繞組中感生的內(nèi)電動勢，Xp稱為保梯電抗。,磁路飽和時(shí)的電動勢平衡方程式為：,磁路飽和下的發(fā)電機(jī)參數(shù)修正,K為磁路飽和時(shí)同步電機(jī)電樞反應(yīng)電抗折算系數(shù)。,第五節(jié) 技

14、 術(shù) 特 點(diǎn),1.相量測量與發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的無關(guān)性,技術(shù)特點(diǎn),測量精度與發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)載無關(guān),與測量時(shí)間起點(diǎn)無關(guān),測量精度與發(fā)電機(jī)原始電氣參數(shù)無關(guān),測量精度與轉(zhuǎn)子初始位置及鍵相槽等安裝誤差無關(guān),不受電網(wǎng)或機(jī)組擾動暫態(tài)過程的影響,2. 可自動校驗(yàn)發(fā)電機(jī)的初相角,技術(shù)特點(diǎn),自動判別發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)狀態(tài)：U、f、I,自動判別檢修狀態(tài),快速檢測發(fā)電機(jī)初相角,3. 該方法具備很高的實(shí)用性,充分利用現(xiàn)有的發(fā)電廠條件,無須額外安裝傳感器 。無需對機(jī)組進(jìn)行改造，信號接入簡單。,技術(shù)特點(diǎn),5. 具備較高的可靠性,技術(shù)特點(diǎn),雙脈沖的備份輸入測量 自適應(yīng)判斷，可靠地捕獲發(fā)電機(jī)初始相角 抗脈沖抖動數(shù)字濾波,第六節(jié) 幾種測量

15、方法的比較,方法比較,1、幾種方法的簡單比較,1)間接計(jì)算法 實(shí)際現(xiàn)場發(fā)電機(jī)參數(shù)隨負(fù)載的變化而有所不同,計(jì)算法的精度誤差較大.同時(shí)發(fā)電機(jī)組附近故障時(shí),依靠電氣量測量出的功角存在著很大的誤差，測量出的頻率與機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速差別也較大,不能準(zhǔn)確地記錄機(jī)組機(jī)電暫態(tài)過程.,方法比較,未經(jīng)發(fā)電機(jī)參數(shù)修正 穩(wěn)態(tài)下：角度誤差2-3以上 暫態(tài)下：角度誤差大到難于估計(jì),清華及四方通過發(fā)電機(jī)模型轉(zhuǎn)換，參數(shù)實(shí)時(shí)修正后的計(jì)算法 穩(wěn)態(tài)下：角度誤差1左右 暫態(tài)下：角度誤差6 以上,WAMS實(shí)際運(yùn)行運(yùn)行的結(jié)果,2)轉(zhuǎn)速積分法 由于測量誤差通過積分后會進(jìn)行累積。 穩(wěn)態(tài)情況下通過計(jì)算法校對積分誤差。 暫態(tài)情況下，通過轉(zhuǎn)速積分后求取

16、轉(zhuǎn)子位置。,方法比較,其測量誤差為： 穩(wěn)態(tài)下：理論角度誤差2-3以上，還有延遲誤差 暫態(tài)下： 動態(tài)情況下的精度無法估計(jì),方法比較,3)自適應(yīng)直接測量發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢功角技術(shù),其測量誤差為： 穩(wěn)態(tài)下：理論角度誤差0.2左右 暫態(tài)下：理論角度誤差0.2左右,第七節(jié) 技術(shù)實(shí)施情況,工程實(shí)施情況（采用本方法的裝置）,機(jī)組相量圖,發(fā)電機(jī)功角的實(shí)時(shí)曲線,一分鐘實(shí)時(shí)曲線,上限限值,下限限值,電網(wǎng)動態(tài)運(yùn)行監(jiān)視,一次調(diào)頻分析,2006年8月10日下午19點(diǎn)48分受臺風(fēng)“桑美”影響，由于寧德站寧雙5906線、德龍5916線路故障，造成了福建電網(wǎng)與華東電網(wǎng)解列，華東主網(wǎng)頻率偏離死區(qū)，并很快升到50.051Hz，此時(shí)，部分機(jī)組一次調(diào)頻動作，如洛河電廠3號機(jī)在5秒鐘內(nèi)出力從258.3MW減至256.0MW，一次調(diào)頻貢獻(xiàn)出力2.3MW，程序計(jì)算的調(diào)差系數(shù)為4.54%，死區(qū)0.030Hz，基本無延遲時(shí)間（機(jī)組的調(diào)差系數(shù)實(shí)際整定值為5%）。下圖為部分機(jī)組擾動發(fā)生時(shí)的一次調(diào)頻響應(yīng)情況。,第八節(jié) 技術(shù)總結(jié)與未來展望,技術(shù)總結(jié),主要關(guān)鍵技術(shù)：,主要技術(shù)特點(diǎn)：,1）采用鍵相脈沖和PMU軟件實(shí)現(xiàn)的直接測量發(fā)電機(jī)功角,2）自動識別發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)，自動測定和校準(zhǔn)初相角,3）鍵相信號與轉(zhuǎn)速信號冗余互備技術(shù),4）抗脈沖擾動數(shù)字濾波技術(shù),1）自動識別發(fā)電機(jī)空載狀態(tài),2）