GPS在電力系統中的應用研究

引言

　　電力系統中功角穩定性，電壓穩定性、頻率動態變化及其穩定性皆不是各自孤立的現象，而是相互誘發相互關聯的統一物理現象的不同側面，其間的關聯又受到網絡結構和運行狀態的影響。這其中母線電壓相量及發電機功角狀況是系統運行的主要狀態變量，是系統能否穩定運行的標志，如果它能被直接測量，不僅能用于調度中心的集中監視和控制，而且能用于分散的就地監視和控制，提高狀態估計的可靠性，更有可能完全實現電力系統的實時自動控制，解決系統的穩定問題。因此實時測量發電機的功角和母線電壓相量，將是電力系統穩定監視和控制的關鍵基礎。通過基于GPS實時相量測量，可以實時得到電網的狀態量，即可以得到實際系統精確模型的歷史數據和當前軌跡。由于相角涉及到電力系統的監視、控制和保護等諸多領域，而實時相量測量的實現，將推動電力系統的監視、控制和保護等新方法和理論的發展，為電力系統的穩定控制和保護開辟一個新的領域。

　　1 功角測量

　　1.1 功角及功角測量

　　功角表示發電機內電勢和端電壓之間的相位差，即表征系統的電磁關系，還表明了各發電機轉子之間的相對空間位置，而這恰好是判斷各發電機之間是否同步運行的依據。

　　由于發電機的不同步運行或者系統振蕩，會危及發電機及變壓器甚至整個系統的安全，振蕩電流的持續出現，將使大型汽輪發電機定子過熱、端部遭受機械損傷，使大軸扭傷，縮短運行壽命。從電力系統安全穩定的客觀要求出發，發電機失步及失步預測保護十分必要。所以發電機轉子角度的獲得方法一度是許多學者積極探索的課題。

　　1.2 現有的功角測量方法

　　1.2.1 間接測量法

　　間接測量就是通過已知的參數，計算功角.

　　傳統的做法是若已知橫軸同步電抗Xd(隱極機) 或Xq(凸極機)，在測取電壓、電流及相應的φ角后，根據相應的矢量圖可算得功角[1]。

　　相似的，若已知Xd、Xq、X′d、X′q和X″q則可分別得到穩態、暫態以及次暫態狀況下的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，并且這些參數要求非常準確;其次，在電力系統發生故障時和故障后，在具體的某一時刻應確定采用哪些參數(同步電抗、暫態電抗或次暫態電抗)、哪一種發電機等值模型進行計算，而實際上，這難以確定;該方法在穩態過程具有良好的測量精度，測量誤差小于1°，而在暫態過程中，采用暫態電抗或次暫態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，不適合實時穩控系統的實時測量。

　　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傅里葉變換才能得到發電機轉子角度，也較為耗時。
1.2.2 直接測量法

　　利用轉子位置與空載電勢在相位上的對應關系，用轉子位置信號代替空載電勢參與相位比較。

　　較早應用的是閃光燈法[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相同的明顯的標記。當電機運行時，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速同步，看上去圓盤上的標記的位置靜止不動。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記的位置。當被測試電機帶負載后，再觀察標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，但當被測試電機的極對數較多時其測量的準確度不高。

　　相位計法[4]是在被測試電機的電樞槽口安裝幾匝細導線作為d軸位置的測量繞組，其極距應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Eq的信號。將被測試電機的端電壓U經過移相器和空載電勢Eq的信號一起送到相位計。當被測試電機空載運行時，調節移相器，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，結合用光線示波器可拍攝功角δ變化的動態過程曲線。或者用微型計算機控制的數據采集系統，獲取功角δ變化過程的數據。這種方法實行難度大，因為電機改造絕非易事。

　　數字式功角測量儀[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或黑白相間的標記塊數與被試電機的極對數p相等。當圓盤隨同步電機作同步速旋轉一周時，光電二極管產生代表Eq的矩形脈沖。由帶可調電阻的RC移相器給初始零相位的設定提供移相之用，即當被試電機為空載(δ=0)時，調節機端電壓U的相位使之與Eq同相，當被試電機帶負載時，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，然后轉換成相應的角度，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Eq相量角度，在實際應用中特別是在實時檢測系統中，這是不現實的。

　　磁阻位置傳感器法[5]通過磁阻位置傳感器來測量電機轉軸的位移獲得發電機空載電勢Eq矢量。設電機磁極為一對，利用電機轉軸裝有的60磁齒齒輪，由磁阻位置傳感器產生的信號頻率為50×60=3000Hz，當轉速為額定轉速時，將信號整形后經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得到的方波信號相位之差，調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。

　　無論汽輪發電機組還是水輪發電機組都裝有測速裝置，因此文獻[7]提出利用轉速表來測量功角。該裝置的構成是:在發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。轉速表的測量電路負責檢測齒輪所發出的脈沖，每60個脈沖代表轉子旋轉一周。轉子的瞬時速度由下式表示(T0為兩個相鄰脈沖的時間間隔):

　　只要已知轉子在初始時刻的位置θ0以及任意時刻的速度ωr(t)，就可以準確地確定轉子在任意時刻的位置θ(t)。ωr(t)由轉速表負責測量，其測量精度與電力系統的穩定狀態無關，所以在正確確定θ0后，能通用于電力系統的任意狀態，并且也通用于汽輪發電機組和水輪發電機組。