基于GPS功角測量及同步相量的電力系統應用研究

針對GPS技術在電力系統中的廣泛應用，系統介紹了現有的發電機功角直接和間接測量方法，并分析了其優缺點；具體論述了基于GPS同步測量的同步相量在電力系統狀態估計，穩定控制，失步預測保護等方面的國內外應用發展情況。并指出基于同步相量的區域穩定控制理論還待進一步研究和突破。
關鍵詞：功角測量；相量控制；暫態穩定；狀態估計；全球定位系統

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開始正式研制，1985 85年進入民用領域，1993年此系統正式建成。 90年代以來基于全球同步衛星定位系統(GPS)的高精度定時技術逐步被引入電力系統。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對電網運行數據的實時同步采集，并可在此基礎上得到電壓電流相量和發電機功角這反映系統運行狀態的重要參數.
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X_d(隱極機) 或X_q(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X_d、X_q、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。
文獻[2]提出利用基于GPS同步時鐘的相量測量裝置PMU來獲得系統中各主要站點的功角。Phadke博士開發的相角測量裝置，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生正序相量，對應國際標準時間UTC產生一個絕對的相角。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E_q的信號。將被測試電機的端電壓U經過移相器和空載電勢E_q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E_q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E_q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E_q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E_q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。
文獻[6]通過分析功角也為產生矢量E₀的轉子主磁通和產生端電壓的合成磁通(由轉子磁通、定子電樞反應磁通和漏磁通合成)之間的相角，即測量轉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):