多功能電力系統動態功角測量裝置開發與應用

張鳳鴿, 韓士杰, 吳 彤, 楊德先, 胥岱遐

(1. 華中科技大學 電氣與電子工程學院 電力安全與高效湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430074；2. 國網電力科學研究院有限公司, 江蘇 南京 210061)

1 發電機功角測量方法

目前發電機功角測量方法主要有以下幾種[3-4]：

(1) 間接計算法。基于系統穩態相量圖，采用解析的方法計算發電機功角,是利用發電機交/直軸同步電抗參數及機端電壓、電流計算獲取發電機功角。由于發電機內電勢相位不能直接測量,且運行中的發電機參數會隨負載的變化而變化,導致采用計算法測量出的功角的精度誤差較大,尤其在系統振蕩或大擾動下工況下存在著很大的誤差,角度誤差在6°以上。不能準確地記錄機組機電暫態過程。

(2) 轉速積分法。通過先采集轉子脈沖計算轉速,然后對轉速求積分修正功角來獲取穩態功角值。由于測量誤差通過積分后會累積,在穩態工況下,理論上角度誤差在2°～3°以上,同時還存在延遲誤差;在暫態工況下,實時動態測量的功角的精度甚至無法估計。

(3) 轉子位置測量法。通過在發電機轉子軸上設置機械測點或測速齒輪,在轉子周圍安裝光電或電磁裝置,通過一定變換實現功角測量。雖然直接測量發電機內電勢Eq的相位較困難,但轉子位置與Eq存在著固定的相位關系,故可以采用轉子位置代替Eq的相位。該方法精度高,在發電機擾動情況下,仍有較高精度。無論是穩態還是暫態工況其理論角度誤差均在0.2°左右。

(4) 頻閃法。頻閃法能夠觀察到功角的大小變化,但不能與其他參數進行同步實時測量,系統失穩時讀取數據更困難,更不便于后期事故分析研究。

因此設計開發一種能夠適合各種復雜多變實驗模型的精確實時測量動態功角的裝置十分有必要。

2 動態功角測量裝置設計

2.1 鍵相脈沖法工作原理

發電機轉軸鍵相脈沖信號可用于發電機轉速監測,在發電機轉子轉到固定位置時,發出一定幅度的脈沖。鍵相脈沖信號一般為每極1個脈沖或每極60個脈沖。基于轉軸鍵相脈沖信號測量發電機初相角和發電機功角原理如圖1所示(T為機端電壓周期)。

圖1 轉軸鍵相脈沖直接法原理圖

采用轉軸鍵相脈沖直接測量發電機轉子位置,來等效發電機內電勢的相角,但轉子機械安裝的位置(機械角)與發電機空載內電勢相角φε之間存在一定的夾角,稱為發電機初相角θ0。

設發電機轉軸鍵相脈沖信號為每極1個脈沖,把鍵相脈沖上升沿時刻定義為0時刻,把從0時刻起至發動機機端電壓第一次正向過零時的時間定義為t1,則可得到鍵相脈沖與發電機機端電壓過零點相角[5]為：

(1)

在發電機理想空載狀態下,由于負載電流為0,此時機端電壓與內電勢同相位，θ0=ψf。發電機并網，向系統輸出功率，此時，θ0=ψf，則功角δf計算公式為

δf=ψf-θ0

(2)

當對一個復雜電力系統進行研究時,還可同時監測發電機相對其他n路母線電壓的功角,鍵相脈沖與母線電壓過零點相角為

(3)

發電機經變壓器對其他母線電壓的功角為

δn=ψn-θT

(4)

式中θT為初始角θ0經變壓器轉角后的計算角度，tn為鍵相脈沖信號上升沿時刻至n路母線電壓過零點間的時長。

2.2 硬件設計

2.2.1 中央處理器(CPU)選擇

CPU采用意法半導體(ST)公司生產的STM32F103芯片,該芯片是以Cortex-M3為內核的主流微控制單元(MCU),具有低功耗、低電壓和豐富外設等特點。主頻率72 MHz。該芯片具備2個直接內存存取(DMA)控制器,共12個DMA通道。

輸入動態功角測量裝置的電壓、電流等模擬信號，經ADC采集后,采用DMA技術傳送數據至CPU,保證了外部模擬信號處理的實時性。8個16位定時器在數量和精度上均可滿足各種模擬信號測量的需要。I/O口映像到16個外部中斷,測速脈沖及功角脈沖均使用外部中斷模式,提高響應速度,減少測量誤差[6]。

2.2.2 電壓比較電路

采用LM393電壓比較器將電壓正弦波信號變換成方波信號。LM393電壓比較器是一款專業的電壓比較器,具有切換速度快、延遲時間短、靈敏度高等特點,比較適合用在專門的電壓比較電路中。

將機端電壓信號連接到電壓比較器中,這個實時變化的電壓信號將與基準電壓相比較后轉換成方波信號輸出,然后將此方波信號直接輸入至CPU的I/O中斷信號,減少了響應時間,提高了計時精度。

2.2.3 轉軸鍵相脈沖信號的處理

使用無源測速傳感器探測與發電機同軸旋轉的齒輪信號,傳感器輸出信號的波形形狀不規則且突變峰值較小,所以需要對其進行進一步處理。轉軸鍵相脈沖信號處理電路如圖2所示,傳感器的輸出信號經過由運放構成的電壓比較器后輸出,把不規則信號調制成峰值為3.3 V的方波信號后,再輸入至CPU。

圖2 鍵相信號處理電路

發電機轉軸鍵相脈沖有的為每對極1個脈沖,有的為每對極60個脈沖,為了提高測試的靈活性,多功能動態功角功角測量裝置內部增加了分頻器,專門針對每對極有60個脈沖的情況進行分頻處理,提高裝置的靈活性[7]。

2.2.4 模擬量輸出放大電路

CPU計算出發電機功角或發電機對參考點的功角后,需要實時轉換成與發電機轉速或其他參考量在時間上同步的±10 V的模擬電壓信號。該模擬電壓信號可直接輸出至波形數據采集裝置,便于直觀觀察和記錄分析。

模擬量輸出放大電路采用STM32F103芯片,其中的數字/模擬轉換模塊(DAC)是一款電壓輸出型的 12 位數字輸入DAC。單極到雙極信號調節電路采用的是具有負反饋和3個電阻器的運算放大器,將其從普通單電源單極數模轉換器轉化成高壓雙極輸出。并使用TINA仿真軟件對該轉化電路進行仿真驗證,確保電路的電阻及運放的參數相匹配。

2.3 軟件設計

軟件系統的任務是實時檢測電壓、電流、鍵相脈沖等信號,并對檢測到信號進行快速處理計算,同時將處理計算結果送至液晶顯示器顯示,或從輸出端口輸出,或根據預設的告警閾值判斷是否控制繼電器出口。

計算鍵相信號周期及電壓與鍵相信號角度差的主程序框圖如圖3所示。

圖3 主程序框圖

2.4 優化設計

由于機械加工使旋轉齒輪每極之間存在一定誤差,本文采用機械誤差角自動檢測技術來消除此誤差對測量的影響。在發電機空載狀態下,分別對每對極測得鍵相脈沖T和tf,并分別計算每對極的發電機初相角。發電機并網后,分別對每對極測得鍵相脈沖T、發電機機端電壓的U的過零時刻t1,并分別計算每對極的功角,可分別顯示,也可顯示輸出功角的平均值。

在實際系統運行時,發電機并網時間不定,動態功角測量裝置可通過獲取的機端電壓、電流、脈沖等運行信息進行發電機運行狀態的自動判斷,可在幾個周波內即可快速鎖定發電機初始相角。

發電機運行時,轉子軸存在一定的擺度或扭振,且鍵相脈沖傳感器支架也會隨機組振動,此類現象會引起的功角測量誤差。在測量裝置軟件設計時采用了多重化的濾波措施。

3 裝置的特點與應用

3.1 裝置的特點

該裝置測量精度高,在系統失穩工況下仍具有較高的準確度,并具備多種信號輸入輸出端口,兼容多種類型傳感器信號,觸摸式液晶顯示器如圖4所示,人機接口友善、操作方便直觀。

圖4 動態功角測量裝置界面

測量裝置除上述優點外，還具備以下多種功能：

(1) 實時監測發電機功角、轉速、定子電壓、電流,實時模擬量輸出功角和轉速的波形；

(2) 實時監測發電機負序電流、有功功率、無功功率、功率因數等參量；

(3) 實時監測發電機對無窮大系統功角或者輸電線路首末端之間功角,并能模擬量輸出該波形；

(4) 功角或轉速采用±10 V的模擬電壓信號輸出,可以接入現場DCS或其他數據采集或波形記錄裝置,便于后期分析研究。

3.2 實驗教學中的應用

在“電力系統分析”理論教學中,講授發電機功角特性以及對電力系統穩定影響的作用。功角作為系統穩定判據計算中一個重要參量,學生可通過電力系統綜合實驗教學環節對其進行進一步驗證與鞏固,在加深知識理解的過程中,也可進行創新性研究[8]。

圖5為典型的多機電力系統動態實驗模型,該模型充分考慮到原型系統復雜的網架結構,豐富接口可以與新能源發電系統相連。基于該模型可以開展系統負荷隨機性擾動、潮流改變、無功補償、故障分析等電力系統暫態、穩態實驗研究[9-10]。

在該實驗模型中,動態功角測量裝置不僅可以實時精確測量發電機對機端的功角,還可以實時同步測量當前發電機對母線M、N、H、K、E等之間的功角,且還可以根據教學或研究的需要調整相對測量點。

圖5 電力系統穩定分析動模實驗模型

功角搖擺波形如圖6所示,在母聯QF47斷開運行的工況下,02G模擬發電機經15XL、23XL和24XL、25XL、 16XL、17XL、18XL雙回線路與模擬無窮大系統21 W相連接,02G模擬發電機發出60%負載,斷路器QF33斷開700 ms后重合,裝置記錄了發電機對無窮大系統功角發生大的搖擺,最后趨于穩定的波形。

圖6 系統大擾動工況下功角搖擺波形

失步振蕩波形如圖7所示,運行方式同上,02G模擬發電機發出80%負載,K13點發生319 ms三相故障,致使發電機對無窮大系統的失去穩定,功角大幅振蕩,直至失步解列。裝置記錄了這一過程的發電機功角、發電機對系統N母線的功角動態變化波形。

圖7 系統大擾動工況下失步振蕩波形

4 結語

多功能電力系統動態功角測量裝置采用轉子位置測量法對發電機轉速、功角以及各種線路功角進行動態測量,對裝置的軟硬件系統進行了優化設計,提高了測量的精度和裝置的靈活性,滿足了復雜多變的實驗室環境要求。

該裝置可同時計算4路功角,并將其結果以模擬信號方式輸出至波形記錄儀中,也可以采用以太網通信方式，用modbus協議與計算機通信,方便了后期分析研究,也為復雜系統的功角特性研究提供了檢測功角方法。實驗結果表明：該裝置能夠滿足各種教學和科研的需要,在實際教學應用中取得了良好地教學效果。