多功能电力系统动态功角测量装置开发与应用

2019-01-09张凤鸽韩士杰杨德先胥岱遐

实验技术与管理 2018年12期

张凤鸽, 韩士杰, 吴彤, 杨德先, 胥岱遐

(1. 华中科技大学电气与电子工程学院电力安全与高效湖北省重点实验室, 湖北武汉 430074；2. 国网电力科学研究院有限公司, 江苏南京 210061)

1 发电机功角测量方法

目前发电机功角测量方法主要有以下几种[3-4]：

(1) 间接计算法。基于系统稳态相量图，采用解析的方法计算发电机功角,是利用发电机交/直轴同步电抗参数及机端电压、电流计算获取发电机功角。由于发电机内电势相位不能直接测量,且运行中的发电机参数会随负载的变化而变化,导致采用计算法测量出的功角的精度误差较大,尤其在系统振荡或大扰动下工况下存在着很大的误差,角度误差在6°以上。不能准确地记录机组机电暂态过程。

(2) 转速积分法。通过先采集转子脉冲计算转速,然后对转速求积分修正功角来获取稳态功角值。由于测量误差通过积分后会累积,在稳态工况下,理论上角度误差在2°～3°以上,同时还存在延迟误差;在暂态工况下,实时动态测量的功角的精度甚至无法估计。

(3) 转子位置测量法。通过在发电机转子轴上设置机械测点或测速齿轮,在转子周围安装光电或电磁装置,通过一定变换实现功角测量。虽然直接测量发电机内电势Eq的相位较困难,但转子位置与Eq存在着固定的相位关系,故可以采用转子位置代替Eq的相位。该方法精度高,在发电机扰动情况下,仍有较高精度。无论是稳态还是暂态工况其理论角度误差均在0.2°左右。

(4) 频闪法。频闪法能够观察到功角的大小变化,但不能与其他参数进行同步实时测量,系统失稳时读取数据更困难,更不便于后期事故分析研究。

因此设计开发一种能够适合各种复杂多变实验模型的精确实时测量动态功角的装置十分有必要。

2 动态功角测量装置设计

2.1 键相脉冲法工作原理

发电机转轴键相脉冲信号可用于发电机转速监测,在发电机转子转到固定位置时,发出一定幅度的脉冲。键相脉冲信号一般为每极1个脉冲或每极60个脉冲。基于转轴键相脉冲信号测量发电机初相角和发电机功角原理如图1所示(T为机端电压周期)。

图1 转轴键相脉冲直接法原理图

采用转轴键相脉冲直接测量发电机转子位置,来等效发电机内电势的相角,但转子机械安装的位置(机械角)与发电机空载内电势相角φε之间存在一定的夹角,称为发电机初相角θ0。

设发电机转轴键相脉冲信号为每极1个脉冲,把键相脉冲上升沿时刻定义为0时刻,把从0时刻起至发动机机端电压第一次正向过零时的时间定义为t1,则可得到键相脉冲与发电机机端电压过零点相角[5]为：

(1)

在发电机理想空载状态下,由于负载电流为0,此时机端电压与内电势同相位，θ0=ψf。发电机并网，向系统输出功率，此时，θ0=ψf，则功角δf计算公式为

δf=ψf-θ0

(2)

当对一个复杂电力系统进行研究时,还可同时监测发电机相对其他n路母线电压的功角,键相脉冲与母线电压过零点相角为

(3)

发电机经变压器对其他母线电压的功角为

δn=ψn-θT

(4)

式中θT为初始角θ0经变压器转角后的计算角度，tn为键相脉冲信号上升沿时刻至n路母线电压过零点间的时长。

2.2 硬件设计

2.2.1 中央处理器(CPU)选择

CPU采用意法半导体(ST)公司生产的STM32F103芯片,该芯片是以Cortex-M3为内核的主流微控制单元(MCU),具有低功耗、低电压和丰富外设等特点。主频率72 MHz。该芯片具备2个直接内存存取(DMA)控制器,共12个DMA通道。

输入动态功角测量装置的电压、电流等模拟信号，经ADC采集后,采用DMA技术传送数据至CPU,保证了外部模拟信号处理的实时性。8个16位定时器在数量和精度上均可满足各种模拟信号测量的需要。I/O口映像到16个外部中断,测速脉冲及功角脉冲均使用外部中断模式,提高响应速度,减少测量误差[6]。

2.2.2 电压比较电路

采用LM393电压比较器将电压正弦波信号变换成方波信号。LM393电压比较器是一款专业的电压比较器,具有切换速度快、延迟时间短、灵敏度高等特点,比较适合用在专门的电压比较电路中。

将机端电压信号连接到电压比较器中,这个实时变化的电压信号将与基准电压相比较后转换成方波信号输出,然后将此方波信号直接输入至CPU的I/O中断信号,减少了响应时间,提高了计时精度。

2.2.3 转轴键相脉冲信号的处理

使用无源测速传感器探测与发电机同轴旋转的齿轮信号,传感器输出信号的波形形状不规则且突变峰值较小,所以需要对其进行进一步处理。转轴键相脉冲信号处理电路如图2所示,传感器的输出信号经过由运放构成的电压比较器后输出,把不规则信号调制成峰值为3.3 V的方波信号后,再输入至CPU。

图2 键相信号处理电路

发电机转轴键相脉冲有的为每对极1个脉冲,有的为每对极60个脉冲,为了提高测试的灵活性,多功能动态功角功角测量装置内部增加了分频器,专门针对每对极有60个脉冲的情况进行分频处理,提高装置的灵活性[7]。

2.2.4 模拟量输出放大电路

CPU计算出发电机功角或发电机对参考点的功角后,需要实时转换成与发电机转速或其他参考量在时间上同步的±10 V的模拟电压信号。该模拟电压信号可直接输出至波形数据采集装置,便于直观观察和记录分析。

模拟量输出放大电路采用STM32F103芯片,其中的数字/模拟转换模块(DAC)是一款电压输出型的 12 位数字输入DAC。单极到双极信号调节电路采用的是具有负反馈和3个电阻器的运算放大器,将其从普通单电源单极数模转换器转化成高压双极输出。并使用TINA仿真软件对该转化电路进行仿真验证,确保电路的电阻及运放的参数相匹配。

2.3 软件设计

软件系统的任务是实时检测电压、电流、键相脉冲等信号,并对检测到信号进行快速处理计算,同时将处理计算结果送至液晶显示器显示,或从输出端口输出,或根据预设的告警阈值判断是否控制继电器出口。

计算键相信号周期及电压与键相信号角度差的主程序框图如图3所示。

图3 主程序框图

2.4 优化设计

由于机械加工使旋转齿轮每极之间存在一定误差,本文采用机械误差角自动检测技术来消除此误差对测量的影响。在发电机空载状态下,分别对每对极测得键相脉冲T和tf,并分别计算每对极的发电机初相角。发电机并网后,分别对每对极测得键相脉冲T、发电机机端电压的U的过零时刻t1,并分别计算每对极的功角,可分别显示,也可显示输出功角的平均值。

在实际系统运行时,发电机并网时间不定,动态功角测量装置可通过获取的机端电压、电流、脉冲等运行信息进行发电机运行状态的自动判断,可在几个周波内即可快速锁定发电机初始相角。

发电机运行时,转子轴存在一定的摆度或扭振,且键相脉冲传感器支架也会随机组振动,此类现象会引起的功角测量误差。在测量装置软件设计时采用了多重化的滤波措施。

3 装置的特点与应用

3.1 装置的特点

该装置测量精度高,在系统失稳工况下仍具有较高的准确度,并具备多种信号输入输出端口,兼容多种类型传感器信号,触摸式液晶显示器如图4所示,人机接口友善、操作方便直观。

图4 动态功角测量装置界面

测量装置除上述优点外，还具备以下多种功能：

(1) 实时监测发电机功角、转速、定子电压、电流,实时模拟量输出功角和转速的波形；

(2) 实时监测发电机负序电流、有功功率、无功功率、功率因数等参量；

(3) 实时监测发电机对无穷大系统功角或者输电线路首末端之间功角,并能模拟量输出该波形；

(4) 功角或转速采用±10 V的模拟电压信号输出,可以接入现场DCS或其他数据采集或波形记录装置,便于后期分析研究。

3.2 实验教学中的应用

在“电力系统分析”理论教学中,讲授发电机功角特性以及对电力系统稳定影响的作用。功角作为系统稳定判据计算中一个重要参量,学生可通过电力系统综合实验教学环节对其进行进一步验证与巩固,在加深知识理解的过程中,也可进行创新性研究[8]。

图5为典型的多机电力系统动态实验模型,该模型充分考虑到原型系统复杂的网架结构,丰富接口可以与新能源发电系统相连。基于该模型可以开展系统负荷随机性扰动、潮流改变、无功补偿、故障分析等电力系统暂态、稳态实验研究[9-10]。

在该实验模型中,动态功角测量装置不仅可以实时精确测量发电机对机端的功角,还可以实时同步测量当前发电机对母线M、N、H、K、E等之间的功角,且还可以根据教学或研究的需要调整相对测量点。

图5 电力系统稳定分析动模实验模型

功角摇摆波形如图6所示,在母联QF47断开运行的工况下,02G模拟发电机经15XL、23XL和24XL、25XL、 16XL、17XL、18XL双回线路与模拟无穷大系统21 W相连接,02G模拟发电机发出60%负载,断路器QF33断开700 ms后重合,装置记录了发电机对无穷大系统功角发生大的摇摆,最后趋于稳定的波形。