多功能電力系統(tǒng)動態(tài)功角測量裝置開發(fā)與應(yīng)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(wǎng)電力科學研究院有限公司, 江蘇 南京 210061)

1 發(fā)電機功角測量方法

目前發(fā)電機功角測量方法主要有以下幾種[3-4]：

(1) 間接計算法?；谙到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)相量圖，采用解析的方法計算發(fā)電機功角,是利用發(fā)電機交/直軸同步電抗參數(shù)及機端電壓、電流計算獲取發(fā)電機功角。由于發(fā)電機內(nèi)電勢相位不能直接測量,且運行中的發(fā)電機參數(shù)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(tǒng)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(tài)過程。

(2) 轉(zhuǎn)速積分法。通過先采集轉(zhuǎn)子脈沖計算轉(zhuǎn)速,然后對轉(zhuǎn)速求積分修正功角來獲取穩(wěn)態(tài)功角值。由于測量誤差通過積分后會累積,在穩(wěn)態(tài)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(tài)工況下,實時動態(tài)測量的功角的精度甚至無法估計。

(3) 轉(zhuǎn)子位置測量法。通過在發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置機械測點或測速齒輪,在轉(zhuǎn)子周圍安裝光電或電磁裝置,通過一定變換實現(xiàn)功角測量。雖然直接測量發(fā)電機內(nèi)電勢Eq的相位較困難,但轉(zhuǎn)子位置與Eq存在著固定的相位關(guān)系,故可以采用轉(zhuǎn)子位置代替Eq的相位。該方法精度高,在發(fā)電機擾動情況下,仍有較高精度。無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)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(shù)進行同步實時測量,系統(tǒng)失穩(wěn)時讀取數(shù)據(jù)更困難,更不便于后期事故分析研究。

因此設(shè)計開發(fā)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(tài)功角的裝置十分有必要。

2 動態(tài)功角測量裝置設(shè)計

2.1 鍵相脈沖法工作原理

發(fā)電機轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號可用于發(fā)電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測,在發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到固定位置時,發(fā)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?；谵D(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號測量發(fā)電機初相角和發(fā)電機功角原理如圖1所示(T為機端電壓周期)。

圖1 轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖直接法原理圖

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

設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)電機機端電壓過零點相角[5]為：

(1)

在發(fā)電機理想空載狀態(tài)下,由于負載電流為0,此時機端電壓與內(nèi)電勢同相位，θ0=ψf。發(fā)電機并網(wǎng)，向系統(tǒng)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(tǒng)進行研究時,還可同時監(jiān)測發(fā)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(fā)電機經(jīng)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(jīng)變壓器轉(zhuǎn)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(shè)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(chǎn)的STM32F103芯片,該芯片是以Cortex-M3為內(nèi)核的主流微控制單元(MCU),具有低功耗、低電壓和豐富外設(shè)等特點。主頻率72 MHz。該芯片具備2個直接內(nèi)存存取(DMA)控制器,共12個DMA通道。

輸入動態(tài)功角測量裝置的電壓、電流等模擬信號，經(jīng)ADC采集后,采用DMA技術(shù)傳送數(shù)據(jù)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(shù)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(yīng)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(yè)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(zhuǎn)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(yīng)時間,提高了計時精度。

2.2.3 轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號的處理

使用無源測速傳感器探測與發(fā)電機同軸旋轉(zhuǎn)的齒輪信號,傳感器輸出信號的波形形狀不規(guī)則且突變峰值較小,所以需要對其進行進一步處理。轉(zhuǎn)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(jīng)過由運放構(gòu)成的電壓比較器后輸出,把不規(guī)則信號調(diào)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(fā)電機轉(zhuǎn)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(tài)功角功角測量裝置內(nèi)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(fā)電機功角或發(fā)電機對參考點的功角后,需要實時轉(zhuǎn)換成與發(fā)電機轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊(DAC)是一款電壓輸出型的 12 位數(shù)字輸入DAC。單極到雙極信號調(diào)節(jié)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(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成高壓雙極輸出。并使用TINA仿真軟件對該轉(zhuǎn)化電路進行仿真驗證,確保電路的電阻及運放的參數(shù)相匹配。

2.3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)的任務(wù)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(jié)果送至液晶顯示器顯示,或從輸出端口輸出,或根據(jù)預設(shè)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(yōu)化設(shè)計

由于機械加工使旋轉(zhuǎn)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(shù)來消除此誤差對測量的影響。在發(fā)電機空載狀態(tài)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(fā)電機初相角。發(fā)電機并網(wǎng)后,分別對每對極測得鍵相脈沖T、發(fā)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(tǒng)運行時,發(fā)電機并網(wǎng)時間不定,動態(tài)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(fā)電機運行狀態(tài)的自動判斷,可在幾個周波內(nèi)即可快速鎖定發(fā)電機初始相角。

發(fā)電機運行時,轉(zhuǎn)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(xiàn)象會引起的功角測量誤差。在測量裝置軟件設(shè)計時采用了多重化的濾波措施。

3 裝置的特點與應(yīng)用

3.1 裝置的特點

該裝置測量精度高,在系統(tǒng)失穩(wěn)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(tài)功角測量裝置界面

測量裝置除上述優(yōu)點外，還具備以下多種功能：

(1) 實時監(jiān)測發(fā)電機功角、轉(zhuǎn)速、定子電壓、電流,實時模擬量輸出功角和轉(zhuǎn)速的波形；

(2) 實時監(jiān)測發(fā)電機負序電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參量；

(3) 實時監(jiān)測發(fā)電機對無窮大系統(tǒng)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(zhuǎn)速采用±10 V的模擬電壓信號輸出,可以接入現(xiàn)場DCS或其他數(shù)據(jù)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(yīng)用

在“電力系統(tǒng)分析”理論教學中,講授發(fā)電機功角特性以及對電力系統(tǒng)穩(wěn)定影響的作用。功角作為系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)計算中一個重要參量,學生可通過電力系統(tǒng)綜合實驗教學環(huán)節(jié)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(chuàng)新性研究[8]。

圖5為典型的多機電力系統(tǒng)動態(tài)實驗模型,該模型充分考慮到原型系統(tǒng)復雜的網(wǎng)架結(jié)構(gòu),豐富接口可以與新能源發(fā)電系統(tǒng)相連?；谠撃Ｐ涂梢蚤_展系統(tǒng)負荷隨機性擾動、潮流改變、無功補償、故障分析等電力系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)實驗研究[9-10]。

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

圖5 電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析動模實驗模型

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

圖6 系統(tǒng)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(fā)電機發(fā)出80%負載,K13點發(fā)生319 ms三相故障,致使發(fā)電機對無窮大系統(tǒng)的失去穩(wěn)定,功角大幅振蕩,直至失步解列。裝置記錄了這一過程的發(fā)電機功角、發(fā)電機對系統(tǒng)N母線的功角動態(tài)變化波形。

圖7 系統(tǒng)大擾動工況下失步振蕩波形

4 結(jié)語

多功能電力系統(tǒng)動態(tài)功角測量裝置采用轉(zhuǎn)子位置測量法對發(fā)電機轉(zhuǎn)速、功角以及各種線路功角進行動態(tài)測量,對裝置的軟硬件系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)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(huán)境要求。

該裝置可同時計算4路功角,并將其結(jié)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(wǎng)通信方式，用modbus協(xié)議與計算機通信,方便了后期分析研究,也為復雜系統(tǒng)的功角特性研究提供了檢測功角方法。實驗結(jié)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(yīng)用中取得了良好地教學效果。