發(fā)電機內電勢功角測量技術介紹.ppt

1、發(fā)電機內電勢功角測量方法 技術介紹,報告內容,第一節(jié) 技術發(fā)展背景,1 功角實時同步測量的重要意義,技術背景, 發(fā)電機功角是表征電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的主要狀態(tài)變量之一。,直接測量發(fā)電機功角可檢驗EMS系統(tǒng)在線狀態(tài)估計和靜態(tài)安全分析的計算結果, 準確測量發(fā)電機功角還是通過推算發(fā)電機功角，反映了PMU檢測技術和 WAMS的應用水平, 發(fā)電機功角是WAMS系統(tǒng)電網三大動態(tài)穩(wěn)定分析的重要數(shù)據(jù)源,1、記錄電網擾動的狀態(tài)軌跡 2、改善EMS狀態(tài)估計的精度 3、用于校驗發(fā)電機特性參數(shù), 發(fā)電機功角是電網擾動和失穩(wěn)軌跡的重要記錄數(shù)據(jù),技術背景,2 國內外廣域同步相量測量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 90年代以來，GPS時間同

2、步技術、數(shù)據(jù)通信網絡技術、光纖數(shù)字傳輸技術、高速交流采樣/快速富氏變換、數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，推動廣域同步相量測量技術快速發(fā)展。最早應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)調度運行方式以避免系統(tǒng)大范圍的停運。,日本應用同步相量測量技術開發(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)估計的迭代過程,加拿大Hydro-Quebec 的利用相角測量改善發(fā)電機的PSS控制輸入， 以改善互聯(lián)網電網的振蕩衰減。,華東電網從1999年起，同步相量測量系統(tǒng)在華東電

3、網中進行應用。取得了一定的運行維護經驗。,東北電網、江蘇電網、三峽電網、華北電網、南方電網、臺灣電網已實施了WAMS計劃。,2004年，華東電網公司與南瑞集團合作，研究廣域動態(tài)監(jiān)測保護控制系統(tǒng)（WAMAP）在華東電網的應用，同時展開了對發(fā)電機功角及內電勢同步測量實用性的綜合研究。,技術背景,國內PMU技術的試點應用始于1998年，華東電網公司/電科院、清華大學/四方公司、河海大學等研究用PMU實現(xiàn)發(fā)電機功角檢測技術都在2002年。,技術背景,PMU發(fā)電機功角測量技術主要方法情況,1、轉速積分法,2、 算法補償法,核心思路：采用等效電路模型及機組同步電抗參數(shù)計算積分常數(shù)作為積分初始角，利用轉速脈

4、沖積分來計算轉子位置，然后直接算出發(fā)電機功角。,核心思路：在擾動情況下，通過派克方程計算發(fā)電機功角，研究補償算法修正發(fā)電機參數(shù)，從而彌補發(fā)電機功角計算誤差。,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,通過計算獲取,鍵相,鍵相,鍵相+轉速,轉速積分,技術背景,國內外PMU發(fā)電機功角測量技術情況,技術背景,標準1： 1995年美國IEEE制定了“電力系統(tǒng)同步相角測量標準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性規(guī)定，但未提及發(fā)電機功角測量。,3 技術標準情況,標準2： 2005年國家電力調度中心制定了“電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術規(guī)范”，提出機組內電勢功角的測量要求。,設計標準：無 檢測標準：無,4 發(fā)電機功角測量方法,技術背景,簡化計算公式：,技術背景,NO.3 轉子位置測量法（脈沖直接法） 通過在發(fā)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，通過一定變換來實現(xiàn)功角測量。,該方法精度高，在發(fā)電機擾動情況下，仍有較高精度。由華東電網公司專項科技項目與電科院和南瑞公司聯(lián)合

6、研究兩種實現(xiàn)方式：獨立功角測量模塊、PMU內置軟件。,5 華東WAMAP系統(tǒng)實施的有利條件,技術背景, 發(fā)電機組具備用于檢測機組轉軸動態(tài)平衡的轉軸鍵相脈沖信號。, 具備WAMS系統(tǒng)多年的運行經驗。, 發(fā)電機組上均具備轉速(脈沖)信號輸出。, 具備了高速的數(shù)據(jù)通信網絡，可將各電廠、變電站PMU裝置連接起來。,第二節(jié) 直接發(fā)電機內電勢功角測量 技術原理介紹,1 主要的名詞定義:,1）發(fā)電機內電勢 當同步發(fā)電機轉子以同步速率旋轉時，主磁場就在氣隙中形成一個旋轉磁場，它“切割”定子繞組后，就將在定子繞組內感應出頻率為f的一組對稱三相電動勢，稱為發(fā)電機內電勢。,2）發(fā)電機功角 發(fā)電機內電勢和機端電壓正序

7、相量之間的夾角稱為發(fā)電機功角。,3）發(fā)電機初相角 在采用鍵相脈沖直接測量發(fā)電機轉子位置，來等效發(fā)電機內電勢的相角，但由于轉子機械安裝位置（機械角）與內電勢相角有較大的角差。在發(fā)電機空載情況下，發(fā)電機空載內電勢與機端電壓同相位，我們定義發(fā)電機空載內電勢與機械角之間的夾角稱為發(fā)電機初相角。,原理介紹,2 設計思路,原理介紹（發(fā)電機功角測量示意圖）,直接測量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。,自適應直接測量發(fā)電機內電勢功角技術基本原理即為采集轉子位置來獲取Eq,原理介紹（鍵相信號）,鍵相信號-以前主要用于對發(fā)電機轉子軸振動進行監(jiān)測，在發(fā)電機轉子轉到固

8、定位置時，發(fā)出一定幅度的脈沖。目前機組該脈沖為每轉1個脈沖。通過測量該信號，結合發(fā)電機的轉速，可以得到轉子的實際位置。,原理介紹（鍵相信號簡化示意圖）,該技術利用高性能處理器對發(fā)電機的機端電壓、機端電流、轉子鍵相脈沖、轉速脈沖以10KHz進行高速采樣，根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)對發(fā)電機空載、負載運行比對分析得出發(fā)電機初相角和實時功角。,3 技術原理,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秒脈沖上升沿時刻定義為0時刻。 快速采集發(fā)電機機端電壓的U的過零時刻t1,則可得到其絕對相角：,采集鍵相脈沖發(fā)生時刻t2,則可得到轉子絕對機械角

9、：,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,t2對應的機組轉軸位置與機組內電勢之間有一個固定的機械角度，數(shù)值的大小不受發(fā)電機運行狀態(tài)的改變而改變，除非轉軸位置傳感器的機械位置發(fā)生變化。 = +,在發(fā)電機理想空載狀態(tài)下，由于負載電流為0，機端電壓與 內電勢相同，此時刻有：,=,故可采用空載時刻的機端電壓來代替內電勢，從而通過此時的機械角度與機端電壓角度差獲取機械初相角。,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,發(fā)電機功角,發(fā)電機內電勢絕對相角,通過上面的GPS控制采樣計算，我們即可得到如下的關鍵測量量：,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,2）實際問題！,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？,實際現(xiàn)場發(fā)電機并網運行時間不定 真正空載時間短,實際問題！,一次捕捉不到，需要間隔很長時間才有發(fā)電機空載的機會。,實際問題！,NO.3 如何保證信號的正確接入？,信號接入的傳輸延時如何補償？ 機械振動誤差如何濾除？,轉子軸具有一定的擺度或扭振 鍵相脈沖傳感器支架隨機組振動 會導致測量較大的誤差,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,3）關鍵技術1,機械誤差角自動檢測,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,4）關鍵技術2,發(fā)電機運行狀態(tài)自動判斷,原理介紹（采用直接鍵相信號測量的原理）,發(fā)電機運行狀態(tài)通過接入的

11、機端電壓、電流、脈沖等運行信息進行判斷,發(fā)電機檢修狀態(tài)判斷 發(fā)電機機端電壓歸零 發(fā)電機負載歸零 發(fā)電機轉速小于設定值,目前的計算機技術可在毫秒級的時間內判斷出運行狀態(tài),5）關鍵技術3,轉速脈沖的備份接入,判斷發(fā)電機是否處于穩(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）關鍵技術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（自適應直接測量發(fā)電機功角接入示意圖）,第三節(jié) 發(fā)電機輸入

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

13、功角值的準確性和精度，取決于數(shù)學模型和計算式中的參數(shù)數(shù)值。由于在穩(wěn)態(tài)狀況下，功角計算的數(shù)學模型是準確的，數(shù)學模型中的定子電流和機端電壓測量值的精度也是較高的，而在計算中起重要影響的同步電抗Xd的值是隨著發(fā)電機運行狀態(tài)的不同在很大的范圍內變化（約在40%范圍內變化）。,發(fā)電機內電勢計算,隱極同步發(fā)電機,凸極同步發(fā)電機,發(fā)電機內電勢計算,磁路飽和下的發(fā)電機參數(shù)修正,對隱極機有：,=,對于凸極機有：,=,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電動勢，Xp稱為保梯電抗。,磁路飽和時的電動勢平衡方程式為：,磁路飽和下的發(fā)電機參數(shù)修正,K為磁路飽和時同步電機電樞反應電抗折算系數(shù)。,第五節(jié) 技

14、 術 特 點,1.相量測量與發(fā)電機運行狀態(tài)的無關性,技術特點,測量精度與發(fā)電機運行負載無關,與測量時間起點無關,測量精度與發(fā)電機原始電氣參數(shù)無關,測量精度與轉子初始位置及鍵相槽等安裝誤差無關,不受電網或機組擾動暫態(tài)過程的影響,2. 可自動校驗發(fā)電機的初相角,技術特點,自動判別發(fā)電機的并網狀態(tài)：U、f、I,自動判別檢修狀態(tài),快速檢測發(fā)電機初相角,3. 該方法具備很高的實用性,充分利用現(xiàn)有的發(fā)電廠條件,無須額外安裝傳感器 。無需對機組進行改造，信號接入簡單。,技術特點,5. 具備較高的可靠性,技術特點,雙脈沖的備份輸入測量 自適應判斷，可靠地捕獲發(fā)電機初始相角 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)間接計算法 實際現(xiàn)場發(fā)電機參數(shù)隨負載的變化而有所不同,計算法的精度誤差較大.同時發(fā)電機組附近故障時,依靠電氣量測量出的功角存在著很大的誤差，測量出的頻率與機組實際轉速差別也較大,不能準確地記錄機組機電暫態(tài)過程.,方法比較,未經發(fā)電機參數(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,清華及四方通過發(fā)電機模型轉換，參數(shù)實時修正后的計算法 穩(wěn)態(tài)下：角度誤差1左右 暫態(tài)下：角度誤差6 以上,WAMS實際運行運行的結果,2)轉速積分法 由于測量誤差通過積分后會進行累積。 穩(wěn)態(tài)情況下通過計算法校對積分誤差。 暫態(tài)情況下，通過轉速積分后求取

16、轉子位置。,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,方法比較,3)自適應直接測量發(fā)電機內電勢功角技術,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) 技術實施情況,工程實施情況（采用本方法的裝置）,機組相量圖,發(fā)電機功角的實時曲線,一分鐘實時曲線,上限限值,下限限值,電網動態(tài)運行監(jiān)視,一次調頻分析,2006年8月10日下午19點48分受臺風“桑美”影響，由于寧德站寧雙5906線、德龍5916線路故障，造成了福建電網與華東電網解列，華東主網頻率偏離死區(qū)，并很快升到50.051Hz，此時，部分機組一次調頻動作，如洛河電廠3號機在5秒鐘內出力從258.3MW減至256.0MW，一次調頻貢獻出力2.3MW，程序計算的調差系數(shù)為4.54%，死區(qū)0.030Hz，基本無延遲時間（機組的調差系數(shù)實際整定值為5%）。下圖為部分機組擾動發(fā)生時的一次調頻響應情況。,第八節(jié) 技術總結與未來展望,技術總結,主要關鍵技術：,主要技術特點：,1）采用鍵相脈沖和PMU軟件實現(xiàn)的直接測量發(fā)電機功角,2）自動識別發(fā)電機空載狀態(tài)，自動測定和校準初相角,3）鍵相信號與轉速信號冗余互備技術,4）抗脈沖擾動數(shù)字濾波技術,1）自動識別發(fā)電機空載狀態(tài),2）