基于GPS功角測量及同步相量的電力系統(tǒng)應(yīng)用研究

針對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)電機功角直接和間接測量方法，并分析了其優(yōu)缺點；具體論述了基于GPS同步測量的同步相量在電力系統(tǒng)狀態(tài)估計，穩(wěn)定控制，失步預(yù)測保護等方面的國內(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)定控制理論還待進一步研究和突破。
關(guān)鍵詞：功角測量；相量控制；暫態(tài)穩(wěn)定；狀態(tài)估計；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年代美國開始進行空中定位研究，1974年基于GPS概念的全球定位系統(tǒng)開始正式研制，1985 85年進入民用領(lǐng)域，1993年此系統(tǒng)正式建成。 90年代以來基于全球同步衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的高精度定時技術(shù)逐步被引入電力系統(tǒng)。利用其時間誤差小于1μs，對于50Hz的工頻信號其相位誤差不超過0.018°的高精度時鐘從而實現(xiàn)對電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的實時同步采集，并可在此基礎(chǔ)上得到電壓電流相量和發(fā)電機功角這反映系統(tǒng)運行狀態(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)和運行狀態(tài)的影響。這其中母線電壓相量及發(fā)電機功角狀況是系統(tǒng)運行的主要狀態(tài)變量，是系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行的標(biāo)志，如果它能被直接測量，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)估計的可靠性，更有可能完全實現(xiàn)電力系統(tǒng)的實時自動控制，解決系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。因此實時測量發(fā)電機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)。
通過基于GPS實時相量測量，可以實時得到電網(wǎng)的狀態(tài)量，即可以得到實際系統(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、控制和保護等諸多領(lǐng)域，而實時相量測量的實現(xiàn)，將推動電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護等新方法和理論的發(fā)展，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護開辟一個新的領(lǐng)域。

1 功角測量
1.1 功角及功角測量
功角表示發(fā)電機內(nèi)電勢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)電機轉(zhuǎn)子之間的相對空間位置，而這恰好是判斷各發(fā)電機之間是否同步運行的依據(jù)。
由于發(fā)電機的不同步運行或者系統(tǒng)振蕩，會危及發(fā)電機及變壓器甚至整個系統(tǒng)的安全，振蕩電流的持續(xù)出現(xiàn)，將使大型汽輪發(fā)電機定子過熱、端部遭受機械損傷，使大軸扭傷，縮短運行壽命。從電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的客觀要求出發(fā)，發(fā)電機失步及失步預(yù)測保護十分必要。所以發(fā)電機轉(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)有的功角測量方法
1.2.1 間接測量法
間接測量就是通過已知的參數(shù)，計算功角.
傳統(tǒng)的做法是若已知橫軸同步電抗X_d(隱極機) 或X_q(凸極機)，在測取電壓、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，必須滿足以下兩個條件：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)生故障時和故障后，在具體的某一時刻應(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)電機等值模型進行計算，而實際上，這難以確定；該方法在穩(wěn)態(tài)過程具有良好的測量精度，測量誤差小于1°，而在暫態(tài)過程中，采用暫態(tài)電抗或次暫態(tài)電抗計算出來的功角有一定的誤差，即使采用諸如FFT之類的信號處理手段也無法解決這一問題。而且測量計算時間太長，不適合實時穩(wěn)控系統(tǒng)的實時測量。
文獻[2]提出利用基于GPS同步時鐘的相量測量裝置PMU來獲得系統(tǒng)中各主要站點的功角。Phadke博士開發(fā)的相角測量裝置，其測量原理是對三相電力線上的波形每個周期采樣12次，然后以遞推FFT提取出基波分量，最后用對稱法將三相組合起來產(chǎn)生正序相量，對應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)時間UTC產(chǎn)生一個絕對的相角。文獻[3]也是通過分析機端電壓的零序諧波分量來測量同步電機的轉(zhuǎn)子角。
基于GPS同步時鐘的相量測量裝置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)電機轉(zhuǎn)子角度，也較為耗時。
1.2.2 直接測量法
利用轉(zhuǎn)子位置與空載電勢在相位上的對應(yīng)關(guān)系，用轉(zhuǎn)子位置信號代替空載電勢參與相位比較。
較早應(yīng)用的是閃光燈法^[4]，是在被測試同步機的軸上裝一金屬圓盤，在圓盤上畫上與被測試電機的極對數(shù)相同的明顯的標(biāo)記。當(dāng)電機運行時，用閃光燈照射圓盤，閃光燈的電源來自被測試電機的端電壓，并將閃光燈置于同步檔，這時閃光燈的閃光頻率與被測試電機的轉(zhuǎn)速同步，看上去圓盤上的標(biāo)記的位置靜止不動。在金屬盤的圓周外圍安裝一個靜止的圓弧形刻度盤，先確定被測試電機空載時標(biāo)記的位置。當(dāng)被測試電機帶負載后，再觀察標(biāo)記位置相對空載時所偏移的電角度，這就是被測試同步電機的功角大小。這種方法比較直觀，但當(dāng)被測試電機的極對數(shù)較多時其測量的準(zhǔn)確度不高。
相位計法^[4]是在被測試電機的電樞槽口安裝幾匝細導(dǎo)線作為d軸位置的測量繞組，其極距應(yīng)與該電機原有繞組一樣；或在被測試電機的軸上安裝一臺極數(shù)相同的，其d軸與主機重合的微型同步電機，以便獲得空載時電勢E_q的信號。將被測試電機的端電壓U經(jīng)過移相器和空載電勢E_q的信號一起送到相位計。當(dāng)被測試電機空載運行時，調(diào)節(jié)移相器，使相位計的指示為零，被測試電機帶負載后相位計的讀數(shù)即為功角δ之值。如果是采用帶有模擬量輸出的相位計，可測得與被測功角δ成正比的電信號，結(jié)合用光線示波器可拍攝功角δ變化的動態(tài)過程曲線。或者用微型計算機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取功角δ變化過程的數(shù)據(jù)。這種方法實行難度大，因為電機改造絕非易事。
數(shù)字式功角測量儀^[4]是在被試電機的軸上裝一個投射式或反射式的光電圓盤，盤上均勻分布的孔數(shù)或黑白相間的標(biāo)記塊數(shù)與被試電機的極對數(shù)p相等。當(dāng)圓盤隨同步電機作同步速旋轉(zhuǎn)一周時，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)被試電機為空載(δ＝0)時，調(diào)節(jié)機端電壓U的相位使之與E_q同相，當(dāng)被試電機帶負載時，輸出的脈沖寬度折算成的角度即代表被試功角的大小。實際上是通過獲得機端電壓與其空載電勢過零點的時間差，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度，即采樣DD相位檢測DD時間差DD顯示(即Φ=T)，以測取功角。但是該方法僅僅給出了測量功角的一個方法，并不適于實時監(jiān)視。因為測量功角要求有一個空載過程，以便取得實際測量時的E_q相量角度，在實際應(yīng)用中特別是在實時檢測系統(tǒng)中，這是不現(xiàn)實的。
磁阻位置傳感器法^[5]通過磁阻位置傳感器來測量電機轉(zhuǎn)軸的位移獲得發(fā)電機空載電勢E_q矢量。設(shè)電機磁極為一對，利用電機轉(zhuǎn)軸裝有的60磁齒齒輪，由磁阻位置傳感器產(chǎn)生的信號頻率為50×60＝3000Hz，當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時，將信號整形后經(jīng)60分頻器即可獲得所需要的方波信號。首先進行一次空載過程，以獲取方波信號與從電壓側(cè)得到的方波信號相位之差，調(diào)整磁阻傳感器的安裝位置，直到上述偏差為零。帶負載后，所得差值即為功角δ。
文獻[6]通過分析功角也為產(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獲得功角。
無論汽輪發(fā)電機組還是水輪發(fā)電機組都裝有測速裝置，因此文獻[7]提出利用轉(zhuǎn)速表來測量功角。該裝置的構(gòu)成是:在發(fā)電機的軸上安裝一個60個齒的齒輪，這60個齒大小完全一樣，均布在圓盤上。轉(zhuǎn)速表的測量電路負責(zé)檢測齒輪所發(fā)出的脈沖，每60個脈沖代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。轉(zhuǎn)子的瞬時速度由下式表示(T₀為兩個相鄰脈沖的時間間隔):