一种发电机实时功角测量方法与流程

本发明属于电力系统技术领域，涉及一种发电机实时功角测量方法。

背景技术：

电力系统中，功角对于研究发电机的功率变化和运行稳定性有着重要作用。因此，研究发电机功角的测量方法具有重要意义。目前，发电机功角测量方法从原理上分为两大类：

一类是电气测量法，即利用发电机参数和发电机输出的电气量来计算功角值。在系统稳定运行且所使用的参数与发电机实际工作状态高度吻合的情况下，计算出来的功角值具有较高的精度。但在系统暂态过程中，发电机的实际工作状态与计算功角所使用的参数不匹配，计算出来的功角值就会存在较大的误差。

另一类方法是机械法，即借助发电机机端电压、全球定位系统(GPS)或北斗系统和与发电机转子位置密切相关的脉冲信号实现直接测量发电机功角。目前，机械法基本上都是先将脉冲信号和机端电压信号分别整形成方波再测量功角，但存在如下问题：(1)脉冲信号和机端电压信号整形由硬件实现，不利于灵活设置信号过零点阈值，特别在脉冲信号的峰峰值较小的场合；(2)当键相脉冲中存在干扰时，硬件可用的去干扰手段较少，会影响脉冲沿位置的准确判断；(3)当机端电压信号中存在干扰(比如：谐波)时，硬件整形电路不能滤除干扰，会影响到机端电压过零点位置判断的准确性。这些问题都会直接影响发电机功角测量的准确度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种发电机实时功角测量方法，以解决现有机械法测量发电机实时功角存在的技术缺陷。

本发明具体采用以下技术方案：

一种发电机实时功角测量方法，其特征在于：

以GPS或北斗提供的秒脉冲为基准，利用发电机的三相机端电压、三相机端电流和与发电机转子位置相关的键相脉冲信号，实现直接测量发电机实时功角。

一种发电机实时功角测量方法，在发电机转子任意位置上安装一个键相齿，在键相齿正对面位置固定一个脉冲传感器，用于输出键相脉冲信号；其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：采集GPS或北斗秒脉冲,构建基准信号；

步骤2：实时采集发电机的三相机端电压信号和三相机端电流信号，对采样值做数字带通滤波处理后，计算正序机端电压相量和正序机端电流相量，获得正序机端电压的相角ψ；

步骤3：采集发电机的键相脉冲信号，获得键相脉冲信号周期Tp,计算键相脉冲沿与步骤1构建的GPS或北斗基准信号间的相位差β；

步骤4：识别发电机的空载运行状态，获取发电机空载运行状态下的初始角θ＝β-ψ，并闭锁初始角θ；

步骤5：识别发电机带载运行状态，计算发电机带载运行状态下的功角δ＝β-ψ-θ。

本发明进一步包括以下优选方案：在步骤(3)中，电网工频信号的周期为T，键相脉冲沿的位置与GPS或北斗构建的工频基准信号整周期起点间的时间差为t,则键相脉冲相位β＝t*(360/T)。

在步骤(4)中，当步骤(2)获得的正序机端电压相量幅值处于预设的电压阈值范围内、正序机端电流相量幅值不超过预设的空载电流阈值，并且步骤(3)获得的键相脉冲周期Tp与工频周期误差小于10微秒时，则判断发电机处于空载运行状态。

在步骤(4)中，所述预设的电压阈值范围为发电机额定电压幅值的0.998～1.002倍之间；

所述空载电流阈值为发电机额定电流幅值的4‰。

在步骤(5)中，当步骤(2)获得的正序机端电流相量幅值超过空载电流阈值时，则判断发电机处于带载运行状态。其中，所述空载电流阈值为发电机额定电流幅值的4‰。

本测量方法是通过AD对机端电压和机端电流实施高密度等间隔采样，可以方便地利用数字滤波对采样数据中存在的干扰进行干净滤除，以获得准确的正序机端电压相角ψ。对键相脉冲信号，是通过AD用更高密度的采样率等间隔采集数据，并对采样数据进行抗干扰处理，从而提高对脉冲沿位置判断和对小信号识别的准确性。

附图说明

图1为本发明发电机实时功角测量方法示意图；

图2为键相脉冲与GPS或北斗基准信号的位置示意图；

图3为键相齿与键相传感器安装示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

如附图1所示为本发明公开发电机实时功角测量方法，包括以下步骤：

步骤1：通过最高优先级中断实时捕获GPS或北斗的秒脉冲,以捕获秒脉冲的时刻为零时刻，构建一个虚拟的工频周期信号。在捕获秒脉冲时以系统时钟为参考，选定捕获时刻与当前零时刻间时间差最接近一秒的脉冲为真正的秒脉冲，避免因GPS或北斗秒脉冲中存在干扰脉冲对测量结果产生影响，并将此捕获时刻设定为新的零时刻；

步骤2：实时采集发电机的三相机端电压信号和三相机端电流信号，所采集数据经零漂和刻度处理，并经带通数字滤波器滤除谐波等干扰成分后得到基波信号，采用傅里叶变换计算得到三相电压相量和三相电流相量

进一步，由三相电压相量和三相电流相量计算得到正序机端电压相量和正序机端电流相量

由此获得正序机端电压相对于GPS或北斗虚拟工频基准信号的相位差ψ；

步骤3：实时采集键相脉冲信号，对采集值做零漂和刻度处理后获得脉冲信号的最大值和最小值。初始阶段，设定最大值和最小值的中间值为脉冲沿位置识别的门槛值，此门槛值在后续发电机功角计算中保持固定不变，除非此门槛值严重偏离脉冲最大值和最小值的中间值，当门槛值严重偏离脉冲最大值和最小值的中间值而不再适用时，将重新设置门槛值。

在发电机功角计算阶段，使用门槛值与脉冲信号采集值进行逐一比较，以脉冲信号值越过门槛值的第一点为脉冲沿待定位置。计算脉冲沿待定位置与脉冲沿上一位置间时间差，如果短时间内连续出现多个脉冲沿待定位置，选择时间差最接近工频周期的脉冲沿待定位置为真正的新的脉冲沿位置，此时间差即为脉冲信号的最新周期Tp；同时丢弃任意时间差严重偏离工频信号周期的位置点，以达到滤除脉冲信号中夹杂的干扰脉冲。如附图2所示，电网工频信号的周期为T，键相脉冲沿的位置与GPS或北斗构建的工频基准信号整周期起点间的时间差为t,则键相脉冲相位：β＝t*(360/T)；

步骤4：当步骤2获得的正序机端电压相量幅值介于其额定幅值的0.998～1.002倍之间、正序机端电流相量幅值不超过其额定幅值的4‰、步骤3获得的键相脉冲周期Tp与工频周期误差小于10微秒时，发电机处于空载运行状态，获取初始角θ＝β-ψ。当发电机不满足空载运行条件，闭锁初始角θ值；

步骤5：当步骤2获得的正序机端电流相量幅值超过其额定幅值的4‰时，实时计算发电机功角δ＝β-ψ-θ。

下面进一步通过如图3所示的实施例对本发明的技术方案做详细介绍，在发电机转子任意位置上安装一个键相齿，在键相齿正对面位置固定一个脉冲传感器。发电机转子带动键相齿转动，当键相齿转到脉冲传感器位置时，脉冲传感器产生一个脉冲信号。

步骤1：通过最高优先级中断实时捕获GPS或北斗的秒脉冲,以捕获秒脉冲的时刻为零时刻，构建一个虚拟的工频周期信号。在捕获秒脉冲时以系统时钟为参考，选定捕获时刻与当前零时刻间时间差最接近一秒的脉冲为真正的秒脉冲，避免因GPS或北斗秒脉冲中存在干扰脉冲对测量结果产生影响，并将此捕获时刻设定为新的零时刻；

步骤2：实时采集发电机的三相机端电压信号和三相机端电流信号，所采集数据经零漂和刻度处理，并经带通数字滤波器滤除谐波等干扰成分后得到基波信号，采用傅里叶变换计算得到三相电压相量和三相电流相量

进一步，由三相电压相量和三相电流相量计算得到正序机端电压相量和正序机端电流相量

由此获得正序机端电压相对于GPS或北斗虚拟工频基准信号的相位差ψ；

步骤3：实时采集键相脉冲信号，对采集值做零漂和刻度处理后获得脉冲信号的最大值和最小值。初始阶段，设定最大值和最小值的中间值为脉冲沿位置识别的门槛值，此门槛值在后续发电机功角计算中保持固定不变，除非此门槛值严重偏离脉冲最大值和最小值的中间值，当门槛值严重偏离脉冲最大值和最小值的中间值而不再适用时，将重新设置门槛值。

在发电机功角计算阶段，使用门槛值与脉冲信号采集值进行逐一比较，以脉冲信号值越过门槛值的第一点为脉冲沿待定位置。计算脉冲沿待定位置与脉冲沿上一位置间时间差，如果短时间内连续出现多个脉冲沿待定位置，选择时间差最接近工频周期的脉冲沿待定位置为真正的新的脉冲沿位置，此时间差即为脉冲信号的最新周期Tp；同时丢弃任意时间差严重偏离工频信号周期的位置点，以达到滤除脉冲信号中夹杂的干扰脉冲。如附图2所示，电网工频信号的周期为T，键相脉冲沿的位置与GPS或北斗构建的工频基准信号整周期起点间的时间差为t,则键相脉冲相位：β＝t*(360/T)；

步骤4：当步骤2获得的正序机端电压相量幅值介于其额定幅值的0.998～1.002倍之间、正序机端电流相量幅值不超过其额定幅值的4‰、步骤3获得的键相脉冲周期Tp与工频周期误差小于10微秒时，发电机处于空载运行状态，获取初始角θ＝β-ψ。当发电机不满足空载运行条件，闭锁初始角θ值；

步骤5：当步骤2获得的正序机端电流相量幅值超过其额定幅值的4‰时，实时计算发电机功角δ＝β-ψ-θ。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。