張鳳鴿, 韓士杰, 吳 彤, 楊德先, 胥岱遐

(1. 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074；2. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司, 江蘇 南京 210061)

1 發(fā)電機(jī)功角測(cè)量方法

目前發(fā)電機(jī)功角測(cè)量方法主要有以下幾種[3-4]：

(1) 間接計(jì)算法?；谙到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)相量圖，采用解析的方法計(jì)算發(fā)電機(jī)功角,是利用發(fā)電機(jī)交/直軸同步電抗參數(shù)及機(jī)端電壓、電流計(jì)算獲取發(fā)電機(jī)功角。由于發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)相位不能直接測(cè)量,且運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)參數(shù)會(huì)隨負(fù)載的變化而變化,導(dǎo)致采用計(jì)算法測(cè)量出的功角的精度誤差較大,尤其在系統(tǒng)振蕩或大擾動(dòng)下工況下存在著很大的誤差,角度誤差在6°以上。不能準(zhǔn)確地記錄機(jī)組機(jī)電暫態(tài)過(guò)程。

(2) 轉(zhuǎn)速積分法。通過(guò)先采集轉(zhuǎn)子脈沖計(jì)算轉(zhuǎn)速,然后對(duì)轉(zhuǎn)速求積分修正功角來(lái)獲取穩(wěn)態(tài)功角值。由于測(cè)量誤差通過(guò)積分后會(huì)累積,在穩(wěn)態(tài)工況下,理論上角度誤差在2°～3°以上,同時(shí)還存在延遲誤差;在暫態(tài)工況下,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的功角的精度甚至無(wú)法估計(jì)。

(3) 轉(zhuǎn)子位置測(cè)量法。通過(guò)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上設(shè)置機(jī)械測(cè)點(diǎn)或測(cè)速齒輪,在轉(zhuǎn)子周圍安裝光電或電磁裝置,通過(guò)一定變換實(shí)現(xiàn)功角測(cè)量。雖然直接測(cè)量發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)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(jī)擾動(dòng)情況下,仍有較高精度。無(wú)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(jìn)行同步實(shí)時(shí)測(cè)量,系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)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(jì)開(kāi)發(fā)一種能夠適合各種復(fù)雜多變實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_實(shí)時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)功角的裝置十分有必要。

2 動(dòng)態(tài)功角測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

2.1 鍵相脈沖法工作原理

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號(hào)可用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè),在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到固定位置時(shí),發(fā)出一定幅度的脈沖。鍵相脈沖信號(hào)一般為每極1個(gè)脈沖或每極60個(gè)脈沖?；谵D(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號(hào)測(cè)量發(fā)電機(jī)初相角和發(fā)電機(jī)功角原理如圖1所示(T為機(jī)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(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,來(lái)等效發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)的相角,但轉(zhuǎn)子機(jī)械安裝的位置(機(jī)械角)與發(fā)電機(jī)空載內(nèi)電勢(shì)相角φε之間存在一定的夾角,稱為發(fā)電機(jī)初相角θ0。

設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號(hào)為每極1個(gè)脈沖,把鍵相脈沖上升沿時(shí)刻定義為0時(shí)刻,把從0時(shí)刻起至發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓第一次正向過(guò)零時(shí)的時(shí)間定義為t1,則可得到鍵相脈沖與發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓過(guò)零點(diǎn)相角[5]為：

(1)

在發(fā)電機(jī)理想空載狀態(tài)下,由于負(fù)載電流為0,此時(shí)機(jī)端電壓與內(nèi)電勢(shì)同相位，θ0=ψf。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，向系統(tǒng)輸出功率，此時(shí)，θ0=ψf，則功角δf計(jì)算公式為

δf=ψf-θ0

(2)

當(dāng)對(duì)一個(gè)復(fù)雜電力系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí),還可同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)相對(duì)其他n路母線電壓的功角,鍵相脈沖與母線電壓過(guò)零點(diǎn)相角為

(3)

發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器對(duì)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(jì)算角度，tn為鍵相脈沖信號(hào)上升沿時(shí)刻至n路母線電壓過(guò)零點(diǎn)間的時(shí)長(zhǎng)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 中央處理器(CPU)選擇

CPU采用意法半導(dǎo)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(diǎn)。主頻率72 MHz。該芯片具備2個(gè)直接內(nèi)存存取(DMA)控制器,共12個(gè)DMA通道。

輸入動(dòng)態(tài)功角測(cè)量裝置的電壓、電流等模擬信號(hào)，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(hào)處理的實(shí)時(shí)性。8個(gè)16位定時(shí)器在數(shù)量和精度上均可滿足各種模擬信號(hào)測(cè)量的需要。I/O口映像到16個(gè)外部中斷,測(cè)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(cè)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(hào)變換成方波信號(hào)。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(shí)間短、靈敏度高等特點(diǎn),比較適合用在專門的電壓比較電路中。

將機(jī)端電壓信號(hào)連接到電壓比較器中,這個(gè)實(shí)時(shí)變化的電壓信號(hào)將與基準(zhǔn)電壓相比較后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)輸出,然后將此方波信號(hào)直接輸入至CPU的I/O中斷信號(hào),減少了響應(yīng)時(shí)間,提高了計(jì)時(shí)精度。

2.2.3 轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號(hào)的處理

使用無(wú)源測(cè)速傳感器探測(cè)與發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)的齒輪信號(hào),傳感器輸出信號(hào)的波形形狀不規(guī)則且突變峰值較小,所以需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步處理。轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖信號(hào)處理電路如圖2所示,傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)由運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器后輸出,把不規(guī)則信號(hào)調(diào)制成峰值為3.3 V的方波信號(hào)后,再輸入至CPU。

圖2 鍵相信號(hào)處理電路

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸鍵相脈沖有的為每對(duì)極1個(gè)脈沖,有的為每對(duì)極60個(gè)脈沖,為了提高測(cè)試的靈活性,多功能動(dòng)態(tài)功角功角測(cè)量裝置內(nèi)部增加了分頻器,專門針對(duì)每對(duì)極有60個(gè)脈沖的情況進(jìn)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(jì)算出發(fā)電機(jī)功角或發(fā)電機(jī)對(duì)參考點(diǎn)的功角后,需要實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或其他參考量在時(shí)間上同步的±10 V的模擬電壓信號(hào)。該模擬電壓信號(hào)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(hào)調(diào)節(jié)電路采用的是具有負(fù)反饋和3個(gè)電阻器的運(yùn)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(duì)該轉(zhuǎn)化電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證,確保電路的電阻及運(yùn)放的參數(shù)相匹配。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的任務(wù)是實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓、電流、鍵相脈沖等信號(hào),并對(duì)檢測(cè)到信號(hào)進(jìn)行快速處理計(jì)算,同時(shí)將處理計(jì)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(yù)設(shè)的告警閾值判斷是否控制繼電器出口。

計(jì)算鍵相信號(hào)周期及電壓與鍵相信號(hào)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(jì)

由于機(jī)械加工使旋轉(zhuǎn)齒輪每極之間存在一定誤差,本文采用機(jī)械誤差角自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)來(lái)消除此誤差對(duì)測(cè)量的影響。在發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)下,分別對(duì)每對(duì)極測(cè)得鍵相脈沖T和tf,并分別計(jì)算每對(duì)極的發(fā)電機(jī)初相角。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后,分別對(duì)每對(duì)極測(cè)得鍵相脈沖T、發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的U的過(guò)零時(shí)刻t1,并分別計(jì)算每對(duì)極的功角,可分別顯示,也可顯示輸出功角的平均值。

在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)間不定,動(dòng)態(tài)功角測(cè)量裝置可通過(guò)獲取的機(jī)端電壓、電流、脈沖等運(yùn)行信息進(jìn)行發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)判斷,可在幾個(gè)周波內(nèi)即可快速鎖定發(fā)電機(jī)初始相角。

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),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(huì)隨機(jī)組振動(dòng),此類現(xiàn)象會(huì)引起的功角測(cè)量誤差。在測(cè)量裝置軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了多重化的濾波措施。

3 裝置的特點(diǎn)與應(yīng)用

3.1 裝置的特點(diǎn)

該裝置測(cè)量精度高,在系統(tǒng)失穩(wěn)工況下仍具有較高的準(zhǔn)確度,并具備多種信號(hào)輸入輸出端口,兼容多種類型傳感器信號(hào),觸摸式液晶顯示器如圖4所示,人機(jī)接口友善、操作方便直觀。

圖4 動(dòng)態(tài)功角測(cè)量裝置界面

測(cè)量裝置除上述優(yōu)點(diǎn)外，還具備以下多種功能：

(1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)功角、轉(zhuǎn)速、定子電壓、電流,實(shí)時(shí)模擬量輸出功角和轉(zhuǎn)速的波形；

(2) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)負(fù)序電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等參量；

(3) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)對(duì)無(wú)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(hào)輸出,可以接入現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

在“電力系統(tǒng)分析”理論教學(xué)中,講授發(fā)電機(jī)功角特性以及對(duì)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(jì)算中一個(gè)重要參量,學(xué)生可通過(guò)電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證與鞏固,在加深知識(shí)理解的過(guò)程中,也可進(jìn)行創(chuàng)新性研究[8]。

圖5為典型的多機(jī)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?該模型充分考慮到原型系統(tǒng)復(fù)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_(kāi)展系統(tǒng)負(fù)荷隨機(jī)性擾動(dòng)、潮流改變、無(wú)功補(bǔ)償、故障分析等電力系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究[9-10]。

在該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?動(dòng)態(tài)功角測(cè)量裝置不僅可以實(shí)時(shí)精確測(cè)量發(fā)電機(jī)對(duì)機(jī)端的功角,還可以實(shí)時(shí)同步測(cè)量當(dāng)前發(fā)電機(jī)對(duì)母線M、N、H、K、E等之間的功角,且還可以根據(jù)教學(xué)或研究的需要調(diào)整相對(duì)測(cè)量點(diǎn)。

圖5 電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析動(dòng)模實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

功角搖擺波形如圖6所示,在母聯(lián)QF47斷開(kāi)運(yùn)行的工況下,02G模擬發(fā)電機(jī)經(jīng)15XL、23XL和24XL、25XL、 16XL、17XL、18XL雙回線路與模擬無(wú)窮大系統(tǒng)21 W相連接,02G模擬發(fā)電機(jī)發(fā)出60%負(fù)載,斷路器QF33斷開(kāi)700 ms后重合,裝置記錄了發(fā)電機(jī)對(duì)無(wú)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(dòng)工況下功角搖擺波形

失步振蕩波形如圖7所示,運(yùn)行方式同上,02G模擬發(fā)電機(jī)發(fā)出80%負(fù)載,K13點(diǎn)發(fā)生319 ms三相故障,致使發(fā)電機(jī)對(duì)無(wú)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(guò)程的發(fā)電機(jī)功角、發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)N母線的功角動(dòng)態(tài)變化波形。

圖7 系統(tǒng)大擾動(dòng)工況下失步振蕩波形

4 結(jié)語(yǔ)

多功能電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功角測(cè)量裝置采用轉(zhuǎn)子位置測(cè)量法對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功角以及各種線路功角進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量,對(duì)裝置的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了測(cè)量的精度和裝置的靈活性,滿足了復(fù)雜多變的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求。

該裝置可同時(shí)計(jì)算4路功角,并將其結(jié)果以模擬信號(hào)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(jì)算機(jī)通信,方便了后期分析研究,也為復(fù)雜系統(tǒng)的功角特性研究提供了檢測(cè)功角方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置能夠滿足各種教學(xué)和科研的需要,在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中取得了良好地教學(xué)效果。