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1、基于GPS的功角测量及同步相量在电力系统中的应用研究基于GPS的功角制量及同步相量在电力系统中的应用研究针对GPS技术在电力系统中的广泛应用，系统介绍了现有的发电机功角直接和间接测珏方法，并分析/其优缺点：具体论述r基于G内同步测成的同步相量在电力系统状态估计，稳定控制，失步预测保护等方面的国内外应用发展情况。并指出基于同步相量的区域稳定控制理论还待进一步研究和突破。关键词：功角测量：相量控制：哲态稳定：状态估计：全球定位系统AStudyofPowerAng1.eMMSUreMntB&sedooGPSandApp1.icationofSynchronizedPhaeorinPowerSyste
2、a1.ongHoujun,HuZhijian,ChenYUnMn(DepartmentofE1.ectrica1.Engineering,VuhanCniversity,430072)AbstractAi1.ICdattheHPD1.iCaIiUr1.ofGPSIgchno1.ogyinpowersys1.e11,thepaperintroducesthepowerang1.emeasurenentnethodsandana1.ysesthenvirtuesandShortcaiiingsZsynchronizedphasorbasedonsynchronizedphasormeasure11
3、entisdiscussedindetai1.andtheresearchresu1.tsarea1.soint!-oducedinfo1.1.ows:statusestiniite,stabi1.itycontro1.,step-outpredictiveandprotectetc.Inconc1.usion,thepaperpointsoutthattransientstabi1.itycontro1.theorybasedonsynchronizedphasorissti1.1.requiredfurtherresearchanddeve1.opfoeni.KeyVOrds:PowerA
4、ng1.eMeasurement：PhasorContro1.：TransientStabi1.ity；StatusEstimate；GPS0引盲从60年代美国开始进行空中定位研究，1974年基GPS概念的全球定位系统开始正式研制，198585年进入民用领域，1993年此系统正式建成。90年代以来基于全球同步更星定位系统(GPS)的置迤定时技术逐步被引入电力系统。利用其时间误差小于Ius,对50HZ的工频信号其相位误差不超过0.018的高精度皿从而实现对电网运行数据的实时同步采集，并可在此基础上得到电压曳途相量和发电机功用这反映系统运行状态的重要参数.电力系统中功角稳定性,电压稳定性、频率动态
5、变化及其稳定性皆不是各自孤立的现象，而是相互诱发相互关联的统一物理现象的不同侧面，其间的关联又受到网纽结构和运行状态的影响。这其中母线电压相IS及发电机功角状况是系统运行的主要状态变M,是系统能否稳定运行的标志，如果它能被直接测量，不仅能用于谢度中心的集中监视和控制，而且能用于分散的就地监视和控制，提高状态估计的可林性，更有可能完全实现电力系统的实时自动控制，解决系统的稔定问题“因此实时测量发电机的功角和母线电压相用，将是电力系统稳定监视和控制的关键基础。通过基于GPS实时相量测量，可以实时得到电网的状态量，即可以得到实际系统精确模型的历史数据和当前轨迹。由于相角涉及到电力系统的监视、控制和保
6、护等诸多领域，而实时相量测量的实现，将推动电力系统的监视、控制和保护等新方法和理论的发展，为电力系统的稳定控制和保护开辟一个新的领域，1 功角测量1.1 功角及功角测量.功角表示发电机内电势和端电压之间的相位差，即表征系统的电磁关系，还表明了各发电机转子之间的相对空间位置，而这恰好是判断各发电机之间是否同步运行的依据。由于发生乩的不同步运行或者系统振荡，会危及发电机及变压器甚至整个系统的安全，振荡电流的持续出现，将使大型汽轮发电机定子过热、瑞部遭受加成损伤，使大轴扭伤，缩短运行寿命。从电力系统安全稳定的客观要求出发，发电机失步及失步预测保护十分必要。所以发电机转子力度的获得方法一度是许多学者积
7、极探索的课题。1.2 现有的功角流量方法.1.2.1间接测量法间接测量就是通过已知的参数，计算功角.传统的做法是若已知横轴同步电抗XX陶极机）或X：（凸极机），在测取电压、电流及相应的角后，根据相应的矢盘图可算得功角二相似的，若已知X,、（、X,、X,和X则可分别得到稳态、智态以及次智态状况下的角.用该方法获得6角，必须满足以下两个条件：首先要求确定上述参数，并且这些参数要求非常准确：其次，在电力系统发生故障时和故障后，在具体的某时刻应确定采用哪些参数（同步电抗、暂态电抗或次暂态电抗）、哪一种发电机等值模型进行计算，而实际上，这难以确定：该方法在稔态过程具有良好的测量精度，测量误差小于1,而在
8、智态过程中，采用哲态电抗或次初态电抗计算出来的功用有一定的误差，即使采用诸如FFT之类的信号处理手段也无法解决这一问题。而I1.测量计算时间太长，不适合实时秘控系统的实时测量。文献2提出利用基于GPS同步时钟的相量测量装置PM1.来获得系统中各主要站点的功角。Phadke博士开发的相角测量装设，其测量原理是对三相电力线上的波形每个周期采样12次，然后以递推FFT提取出基波分量，最后用对称法将三相组合起来产生正序相量，对应国际标准时间UTC产生个绝对的相角。文献13也是通过分析机端电压的零序谐波分量来测圻同步电机的转子角.基丁GPS同步时钟的相址测量装理PMU是在采样电压和电流后再经傅里叶变换才
9、能得到发电机转子角度，也较为耗时。1.2.2直接测量法利用转了位置与空载电势在相位上的对应美系，用转了位置信号代替空数电势参与相位比较.较早应用的是闪光灯法。是在被测试同步机的轴上装一金属圆盘，在圆盘上画上与被测忒电机的极对数相同的明显的标记。当电机运行时，用闪光灯照射圆盘，闪光灯的JM来自被测试电机的端电压，并将闪光灯置于同步档，这时闪光灯的闪光嫉率与被测试电机的转速同步，看上去圆盘上的标记的位置冷止不动.在金属盘的圆周外围安装一个静止的圆弧形刻度盘，先确定被测试电机空载时标记的位置。当被测试电机带负我后，再观察标记位置相对空我时所偏移的电角度，这就是被测试同步电机的功用大小。这种方法比较直
10、观，但当被测试电机的极对数较多时其测量的准确度不高。相位计法是在被测成电机的电枢槽口安装几匝细导线作为d轴位置的测量绕组，其极距应与该电机原有绕组样：或在被测试电机的轴上安装台极数相同的，其d轴与主机重合的微型同步电机，以便获得空载时电势E”的信号。招被测试电机的端电压U经过移相器和空载电势E”的信号一起送到相位计。当被测试电机空载运行时，调节移相器，使相位计的指示为零，被测试电机带负载后相位计的读数即为功加之值。如果是采用带有揍搅量输出的相位计，可测得与被测功角成正比的电信号，结合用光线谴匿可拍摄功角3变化的动态过程曲线.或者用微型计算机控制的数据采集系统，获取功角变化过程的数据。这种方法实
11、行难度大，因为电机改造绝非易事。数字式功角测量仪是在被试电机的轴上装一个投射式或反射式的光电圆盘，盘上均匀分布的孔数或黑白相间的标记块数与被试电机的极对数p相等。当圆盘随同步电机作I可步速旋转一周时，光电二极管产生代表E”的矩形脉冲.由带可调蛔的RC移相淞给初始零相位的设定提供移相之用，即当被试电机为空我（6=0）时，调节机端电压U的相位使之与E,同相，当被试电机带负载时，输出的脉冲宽度折.算成的角度即代表被忒功用的大小。实际上是通过获得机端电压与其空载电势过零点的时间差，然后转换成相应的角度，即采样一一相位检测一一时间差一一显示（即（D=T）,以测取功角.但是该方法仅仅给出了测量功角的一个方
12、法，并不适于实时监视。因为测量功角要求有一个空我过程，以便取得实际测量时的瓦相量角度，在实际应用中特别是在实时检测系统中，这是不现实的。磁阻位置传籁法通过磁阻位置传感器来测量电机转轴的位移获得发电机空栽电势&矢量“设电机腋极为一时，利用电机转轴装有的60磁齿齿轮，由磁阻位置.传感器产生的信号频率为50X60=3000Hz,当转速为额定转速时，将信号整形后经60分频器即可获得所需要的方波信号。首先进行一次空载过程，以获取方波信号与从电压侧得到的方波信号相位之差，调整磁阻传感器的安装位置，直到上述偏差为零。带负载后，所得差值即为功角6。文献6通过分析功角也为产生矢量Et,的转子主磁通和产生端电压的
13、合成磁通（由转子磁通、定子电枢反应磁通和漏磁通合成）之间的相角，即测量转子磁极中心线与合成的等效磁极中心线间的电角度来获得功力无论汽轮发电机组还是水轮发电机组都装有测速装置，因此文献7提出利用转速表来测量功角.该装置的构成是:在发电机的轴上安装一个60个齿的齿轮，这60个齿大小完全一样，均布在圆盘上。转速表的测量电路负货检测齿轮所发出的脉冲，每60个脉冲代表转子旋转一周。转子的瞬时速度由下式表示（TO为两个相邻脉冲的时间间隔）：只要已知转了在初始时刻的位置。以及壬意时刻的速度3t）,就可以准确地确定转子在任意时刻的位置。（D。3,（t）由转速表负责测址，其测址精度与电力系统的稳定状态无关，所以
14、在正确确定0后，能通用于电力系统的任意状态，并且也通用于汽轮发电机组和水轮发电机组。文献8则提出利用转子位置检测罂和发电机功用转速测员奘置来直接获得系统功用和转速，进而监视系统超定性。其中位置检测器由同轴装的3个圆盘组成，即发光盘、遮挡盘、光敏盘。光敏盘固定在定子上，遮挡盘与转子为弹性连接并同轴旋转。发光盘上装有发光二极管，光敏盘上装有光敏三极管，遮挡盘上有一个圆孔，当转子带动遮挡盘旋转后，光敏三极管收到光信号的变化，呈导通和截止两个状态。文献9也提出用发电机调速系统来直接测城发电机功用，是利用转速测量装凭经分频得到与EU向量的频率始终保持一致的正弦波，通过一定的姐去与系统电压比相，再对所得相
15、角预校正求出发电机的功角。文献no提出r两种直接测珏功角的方法：传送波形的测量方法和利用同步时钟的测的方法，并对两种测量方法精度和误差进行了分析。前者对通道的质量要求很高，要求调制解调潺和传输通道在传送过程中不发生波形失真。另外收端必须对对方传送过来的波形进行时延和相移补偿，而由于气候、环境等因素的影响，时延和相移测量结果往往不很准确，这就严重地影响r功角测放的精度.如果利用两个精度很高的同步时钟即可避免上述问题。文献11介绍了一种同步发电机功用的高精度测量方法。这种方法采用转子位践传感装置和误差软件补偿技术，并利用GPS高精度授时信号实现异地信息同步采集.用转子位置信号代替空载电势参与相位比
16、较。转子位置信号通过装设转子位理传感装置获得“发电机功角可以通过测量转子位司信号与发电机端电压信号的相位差得到，其值等于空毂时的相位差减去负载时的相位差。并对测量误差的来源、性质及其软件补偿技术作了描述。2 同步相量的应用随若基于同步技术的电网相向监测系统的采用，实时精确测量系统中各关键点的电压电流相量，使得人们能实时地看到系统的状态，从而在电力系统中利用GPS同步相量实施相量控制这一电力系统稳定控制最直接的方法成为可能。相角测量可望在电力系统的状态估计、静态稳定的监视、暂态稳定的预测及控制和自适应失步保护方面发挥其作用,心”：1）应用PMI.在电力系统做了很多试验研究，如短路试验“、切机试验和甩负荷试验、发电机失磁试验,、线路的开断试验“等。通过PNU做的这些试验，使人们首次看到了系统的动态行为，认识到了以往所没有的现象和规律。
