计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法及系统与流程

本发明涉及功率变送器测试技术领域，特别是一种计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法及系统。

背景技术：

随着我国经济社会的不断向前发展，电力行业整个互联系统容量的不断增大，电网调度部门迫切需要一种实时反映大电网动态行为的监测手段，现阶段大型发电机组一般采用有功功率变送器来测量机组实发功率，而功率变送器的量测功率信号是调速器控制和保护的重要参数之一。这就对功率变送器的录波性能提出了更高的要求，而投产前的测试是检验变送器功能的重要手段。目前国内厂家很少从电网的角度考虑验证装置性能，致使对变送器考察不够全面。采用继保测试仪对功率变送器性能进行测试，无法全面考察电网侧多种故障对其影响；开展功率变送器的数(动)模试验，模拟实际电力系统中各种运行方式，考核电网侧故障对功率变送器录波性能的影响，是十分必要的。

因此，需要一种计及同步相量测量数据的发电机功率变送器动态性能测试方法及系统。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法及系统，能够在电力系统出现故障时，记录电压波动、系统振荡等信息，对系统的稳定裕度进行预判。

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法，它包括有：所述方法步骤如下：

s1：在发电机某侧设置一同步相量测量装置pmu，所述pmu用于获取发电机功率变送器动态特性信号；

s2：设置有一pmu信号接收装置，所述pmu信号接收装置接收pmu获取的发电机功率变送器动态特性信号，并传输至实时数字仿真系统rtds；

s3：在所述实时数字仿真系统rtds的仿真界面中建立发电机仿真模型；

s4：将发电机的控制信息传输至所述发电机仿真模型，用于仿真发电机的实际运行状态；

s5：根据仿真发电机实际运行状态的结果校验功率变送器的动态特性。

进一步，所述步骤s2还包括有：数字仿真系统rtds中ems潮流数据的实时更新，更新过程如下：

s21：获取ems实时潮流数据；

s22：根据ems实时潮流数据生成第一配置文件；

s23：根据第一配置文件完成ems潮流数据第一次实时更新；

s24：将完成第一次实时更新后的ems潮流数据进行状态估计计算；

s25：根据状态估计计算后的数据生成第二配置文件；

s26：根据第二配置文件完成ems潮流数据第二次实时更新；

s27：将完成第二次实时更新后的ems潮流数据传输至实时数字仿真系统rtds。

进一步，所述步骤s3的还包括有状态估计计算，计算过程如下：

s31：根据第一次实时更新后的ems潮流数据对数字仿真系统rtds进行可观测性分析；

s32：判断数字仿真系统rtds是否可进行观测；若是，则进入步骤s33，进行状态估计计算；反之，确定不可观测区，并补充关键伪量测，再次进行可观测性分析；

s33：进行状态估计计算，检测、辨识坏数据；

s34：判断有无坏数据，若有，则进入步骤s32，进行可观测性分析；反之，则进入步骤s35；

s35：状态估计结束，保存估计结果。

进一步，所述步骤s3发电机仿真模型仿真还包括有：

s301：对仿真模型进行初始化；

s302：读入模型中的bpa数据，并转化完成所需的txt文本文件；

s303：根据已知量测信息形成量测配置文件；

s304：读取txt文本文件和量测配置文件，并进行分析；

所述第一配置文件为txt文本文件，所述第二配置文件为量测配置文件。

进一步，所述步骤s35包括有：

s351：状态估计结束，得到各支路潮流和各节点的电压及注入功率；

s352：搭建dnp、dnp串行器、import和export模型；

s353：使用在线rtds配置软件对发电机仿真模型变量及实际系统变量名进行一对一绑定；

s354：通过通信模块将状态估计结果信息传输至数字仿真系统rtds；

s355：利用rtds\cbuilder自定义模块计算发电机励磁系统和调速器系统的参考值u*ref、p*ref；

s356：取励磁系统的电压参考值uref＝u*ref，调速器系统的pref＝p*ref；

s357：进行发电机实际运行状态的仿真。

本发明的另一个目的是通过这样的技术方案实现的，一种计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统，它包括有：同步相量测量装置pmu、pmu信号接收装置、实时数字仿真系统rtds和功率变送器测试装置；

所述同步相量测量装置pmu设置与发电机某侧，用于获取发电机功率变送器动态特性信号；

所述pmu信号接收装置接收pmu获取的发电机功率变送器动态特性信号，并传输至实时数字仿真系统rtds；

通过在所述数字仿真系统rtds中建立发电机仿真模型来处理分析动态特性信号，并仿真发电机的实际运行状态；

所述功率变送器测试装置与所述数字仿真系统rtds连接，通过所述功率变送器测试装置得到功率变送器的动态特性。

进一步，所述动态特性信号包括有输电线路信号和发电机机组信号；

所述输电线路信号包括有：输电线路电压、输电线路电流及输电线路开关量状态；

所述发电机机组信号包括有：发电机端电压、发电机端电流、键相脉冲、励磁、主汽门开度、agc、avc、pss这些特性信号。

进一步，根据输电线路信号进行仿真计算可以得到：a、b、c相电压和电流的大小，以及相间夹角和开关量状态；

根据发电机机组信号进行仿真可以得到：发电机机端a、b、c相电压相量的瞬时值大小及对应的相角；发电机机端a、b、c相电压、相电流的大小以及相间夹角；发电机内电势、功角和开关量状态。

进一步，所述同步相量测量装置包括有：电压互感器、电流互感器、低通滤波器、a/d转换器、频率跟踪器、微处理器、通讯模块、存储器单元、gps接收模块、同步信号发生器；

所述电压互感器、电流互感器与所述低通滤波器连接；

所述低通滤波器与所述a/d转换器和频率跟踪器连接；

所述a/d转换器和频率跟踪器还与所述微处理器连接；

所述微处理器还与所述通讯模块、存储器单元和gps接收模块连接；

所述gps接收模块还与所述同步信号发生器连接；

所述同步信号发生器还与所述a/d转换器连接。

进一步，所述功率变送器测试装置测试硬件连接有：

所述rtds将模拟量信号传输至功率放大装置，所述功率放大装置将电压电流信号的二次值分别传输给高速录波仪和功率变送器，所述功率变送器将带有电流信号的功率信号传输至a/d转换装置，所述a/d转换装置将带有电压信号的功率信号传输至高速录波仪。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明提供的计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法及系统，通过在发电机侧装设pmu装置，在实验室环境装设pmu信号接收装置；pmu信号接收装置与实时数字仿真系统rtds进行硬件连接，然后将发电机功率变送器作为闭环检测对象，通过在模型中设置故障，检验在实际的发电机工况下，功率变送器的动态特性。将同步相量测量和实时监测联系在一起，实现调度中心对电力系统的实时数据监控。当电力系统出现故障时，记录电压波动、系统振荡等信息，对系统的稳定裕度进行预判；该方法具有工程应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法的流程示意图。

图2为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法的ems潮流数据实时更新流程示意图。

图3为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法的实时数字仿真系统流程示意图。

图4为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法的实时数字仿真系统各模块之间的数据流程图。

图5为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的同步相量测量装置连接示意图。

图6为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的功率变送器测试仿真模型示意图。

图7为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的功率变送器故障控制模块图。

图8为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的功率变送器测试硬件连接示意图。

图9为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的功率变送器故障持续0.01s时的测试结果示意图。

图10为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的功率变送器故障持续0.1s时的测试结果示意图。

图11为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的功率变送器故障持续0.2s时的测试结果示意图。

图12为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的功率变送器单一故障的测试结果示意图。

图13为计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统的功率变送器双重故障的测试结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：如图1至图13所示；一种计及同步相量测量的发电机功率变送器测试方法，它包括有：所述方法步骤如下：

s1：在发电机某侧设置一同步相量测量装置pmu，所述pmu用于获取发电机功率变送器动态特性信号；

s2：设置有一pmu信号接收装置，所述pmu信号接收装置接收pmu获取的发电机功率变送器动态特性信号，并传输至实时数字仿真系统rtds；

s3：在所述实时数字仿真系统rtds的仿真界面中建立发电机仿真模型；

s4：将发电机的控制信息传输至所述发电机仿真模型，用于仿真发电机的实际运行状态；

s5：然后将发电机功率变送器作为闭环检测对象，通过在模型中设置故障，检验在实际的发电机工况下，功率变送器的动态特性。

要实现仿真模型的潮流数据在线化,首先根据仿真系统模型建立相应的状态估计计算模型,并根据从在线系统获取到的,仿真模型与实际系统相符元件的部分信息,重新对仿真系统模型做状态估计,得到仿真系统各状态量的信息以及各节点的注入量信息,然后将这些信息作为仿真模型的基态仿真数据送入进行系统仿真分析。从而保证整个仿真模型中与实际系统相符元件与实际潮流保持一致,从而实现的在线化仿真,其中,对仿真系统做状态估计是实现仿真系统在线化的必要准备。

所述步骤s2还包括有：数字仿真系统rtds中ems潮流数据的实时更新，更新过程如下：

s21：获取ems实时潮流数据；

s22：根据ems实时潮流数据生成第一配置文件；

s23：根据第一配置文件完成ems潮流数据第一次实时更新；

s24：将完成第一次实时更新后的ems潮流数据进行状态估计计算；

s25：根据状态估计计算后的数据生成第二配置文件；

s26：根据第二配置文件完成ems潮流数据第二次实时更新；

s27：将完成第二次实时更新后的ems潮流数据传输至实时数字仿真系统rtds。

rtds仿真模型潮流数据在线化系统以下简称“在线rtds仿真系统”主要由以下几个模块构成系统初始化模块、状态估计模块、通讯接口模块、发电机自定义模块开发以及图形显示系统模块。系统初始化模块对rtds仿真系统进行了初始化得到各初始输入数据，并在rtds仿真模型的基础上建立状态估计计算模型。利用从ems系统获取的与rtds仿真模型相对应变量的数据，形成初始量测配置，ems系统实时数据变量经离线配置与量测配置文件变量相绑定，数据在线更新根据ems系统的实时潮流数据更新量测，作为基于仿真模型的状态估计模块的输入信息，对rtds仿真系统进行可观测性分析、状态估计计算、不良数据检测与辨识。

状态估计的结果经过离线配置及数据在线更新界面与rtds仿真系统相连，通过gtnet/dnp3.0通讯协议将状态估计结果数据送入rtds进行系统仿真分析，从而实现数据的实时在线更新。rtds通讯仿真模型搭建、可观测性分析、状态估计计算以及发电机自定义模块开发是实现基于rtds仿真模型的ems潮流数据在线化系统的主体部分。“图形显示系统”的功能是使用外挂软件wizcon将rtds仿真模型与仿真运行结果在同一界面显示。

“离线配置”、“在线数据更新”是指两个相互配合的功能模块在线rtds配置模块和实时数据更新模块。在线rtds配置模块可自动生成两个配置文件①rtds的dnp配置文件；②实时数据的量测映射文件。

通过rtds在线配置模块可以将rtds/drsft文件中的变量与ems系统中的变量一对一绑定、将状态估计结果变量与rtds/drsft文件中的变量一对一绑定、将文件中的变量与图形显示系统平台上的变量一对一绑定，从而实现各数据的点对点传输。

在线rtds仿真系统与ems系统之间按照e语言的数据格式进行交换，并按照测点映射文件将实时数据送至dnp主站，利用dnp主站提供的通讯接口程序，将实时数据送至rtds，最后实现数据的实时更新。

在线数据实时更新软件是实现在线rtds仿真系统的人机接口部分，是采用qt语言开发的图形界面，通过对此图形界面进行操作可以实现不同实时数据断面数据的更新。

在线数据实时更新软件根据rtds/drsft文件与ems文件变量一一对应绑定的配置文件读取e语言格式的ems在线实时数据，对此实时数据进行处理后将其作为状态估计模块的输入。根据不同的实时数据进行可观测性分析、状态估计计算、不良数据的检测和辨识，得到不同的状态估计结果。由rtds/drsft文件与状态估计文件变量一一对应绑定的配置文件可将状态估计结果不断更新至rtds，进行rtds仿真。

所述步骤s3的还包括有状态估计计算，计算过程如下：

s31：根据第一次实时更新后的ems潮流数据对数字仿真系统rtds进行可观测性分析；

s32：判断数字仿真系统rtds是否可进行观测；若是，则进入步骤s33，进行状态估计计算；反之，确定不可观测区，并补充关键伪量测，再次进行可观测性分析；

s33：进行状态估计计算，检测、辨识坏数据；

s34：判断有无坏数据，若有，则进入步骤s32，进行可观测性分析；反之，则进入步骤s35；

s35：状态估计结束，保存估计结果。

所述步骤s3发电机仿真模型仿真还包括有：

s301：对仿真模型进行初始化；

s302：读入模型中的bpa数据，并转化完成所需的txt文本文件；

s303：根据已知量测信息形成量测配置文件；

s304：读取txt文本文件和量测配置文件，并进行分析；

所述第一配置文件为txt文本文件，所述第二配置文件为量测配置文件。

所述步骤s35包括有：

s351：状态估计结束，得到各支路潮流和各节点的电压及注入功率；

s352：搭建dnp、dnp串行器、import和export模型；

s353：使用在线rtds配置软件对发电机仿真模型变量及实际系统变量名进行一对一绑定；

s354：通过通信模块将状态估计结果信息传输至数字仿真系统rtds；

s355：利用rtds\cbuilder自定义模块计算发电机励磁系统和调速器系统的参考值u*ref、p*ref；

s356：取励磁系统的电压参考值uref＝u*ref，调速器系统的pref＝p*ref；

s357：进行发电机实际运行状态的仿真。

一种计及同步相量测量的发电机功率变送器测试系统，它包括有：同步相量测量装置pmu、pmu信号接收装置、实时数字仿真系统rtds和功率变送器测试装置；

所述同步相量测量装置pmu设置与发电机某侧，用于获取发电机功率变送器动态特性信号；

所述pmu信号接收装置接收pmu获取的发电机功率变送器动态特性信号，并传输至实时数字仿真系统rtds；

通过在所述数字仿真系统rtds中建立发电机仿真模型来处理分析动态特性信号，并仿真发电机的实际运行状态；

所述功率变送器测试装置与所述数字仿真系统rtds连接，通过所述功率变送器测试装置得到功率变送器的动态特性。

所述同步相量测量装置为pcs-996同步相量测量装置。主变高压侧及线路输出始端均为系统中一个小的节点分支，调度中心需要采集此节点的同步电压、电流相量，用以对系统进行潮流分析及实现电力系统扰动在线监测告警；通过对该节点电压、电流相量计算得出此节点处的有功功率和频率，用作系统中分区调频的参考数据。

该装置设计用于电厂节点的数据釆集单元其工作原理是通过与系统安装的同步时钟系统实现对时，建立统一的时间参考系，将装置所采集的电压、电流量算出其同步相量，使其具有同步特征，并利用此相量进行相关的计算分析，在测控单元显示出主变高压侧和输电线路的电压电流量及其正序、零序分量，输出的功率、功率因数角和频率等量的实时动态数据，同时将得实时数据经交换机传送至主控屏的数据集中器，然后上传至主站，用以实现对电力系统扰动在线监测、潮流分析及系统调频分配等功能。

发电机的运行状态对电力系统的安全稳定运行至关重要，它是系统中的又一节点分支，调度中心需要采集该节点的有功功率、转速信号，用以对系统进行低频振荡监测分析；釆集投退、投退、励磁电压、励磁电流、定子电压、定子电流、机端有功(无功)等信号用以实现励磁系统性能在线监测；采集转速、频率、调节级压力、有功功率等信号用以进行并网机组一次调频性能监测分析、并网机组二次调频)性能监测分析；采集机端电压、电流；励磁电压、电流；内电势角度等信号用以实现发电机运行状态实时监测以及发电机参数校核；此外还有非常重要的功角实时同步测量，它是表征电力系统安全稳定运行的主要状态变量之一，是电网扰动和失稳轨迹的重要记录数据。

该装置设计用于电厂节点的数据采集单元，其工作原理在釆集同步相量方面是完全相同的，不同的是该装置增加了用于发电机组的的一次调频、汽轮机转速、键相脉冲等信号，通过设置发电机参数对发电机的功角及运行状态实现实时在线监测，经过装置分析计算在测控单元显示发电机电气量、发电机功角、零序电压电流以及幅值、电气相角、机械相角、转子初相角、发电机转速、以及一次调频动作、等电气量同时将得实时数据经交换机传送至主控屏的数据集中器，然后上传至主站，用以实现对系统进行低频振荡监测分析、励磁系统性能在线监测、并网机组一次调频性能监测分析、并网机组二次调频)性能监测分析、发电机运行状态实时监测以及发电机数校核以及功角测量等功能。

该装置具有两种测量发电机功角的方法：

计算法：测得机端电压、电流相量以后，根据已知的发电机直轴、纵轴电抗，计算出发电机内电势相量，进一步计算出发电机的功角。

直接测量法：利用发电机键相传感器产生的键相脉冲，确定转子位置。利用转子位置与空载电势的相位对应关系，确定各发电机之间内电势的相对关系。

相比之下，机械法克服了电气法在暂态过程中发电机参数饱和以及机端电压、电流测量不准带来的计算误差。

所述动态特性信号包括有输电线路信号和发电机机组信号；

所述输电线路信号包括有：输电线路电压、输电线路电流及输电线路开关量状态；

所述发电机机组信号包括有：发电机端电压、发电机端电流、键相脉冲、励磁、主汽门开度、agc、avc、pss这些特性信号。

根据输电线路信号进行仿真计算可以得到：a、b、c相电压和电流的大小，以及相间夹角和开关量状态；

根据发电机机组信号进行仿真可以得到：发电机机端a、b、c相电压相量的瞬时值大小及对应的相角；发电机机端a、b、c相电压、相电流的大小以及相间夹角；发电机内电势、功角和开关量状态。

采集发电机励磁电流、电压，可实时监测发电机的励磁特性；测量发电机机组的agc信号，可实时监测agc控制响应特性。

所述同步相量测量装置包括有：电压互感器、电流互感器、低通滤波器、a/d转换器、频率跟踪器、微处理器、通讯模块、存储器单元、gps接收模块、同步信号发生器；

所述电压互感器、电流互感器与所述低通滤波器连接；

所述低通滤波器与所述a/d转换器和频率跟踪器连接；

所述a/d转换器和频率跟踪器还与所述微处理器连接；

所述微处理器还与所述通讯模块、存储器单元和gps接收模块连接；

所述gps接收模块还与所述同步信号发生器连接；

所述同步信号发生器还与所述a/d转换器连接。

所述功率变送器测试装置测试硬件连接有：

所述rtds将模拟量信号传输至功率放大装置，所述功率放大装置将电压电流信号的二次值分别传输给高速录波仪和功率变送器，所述功率变送器将带有电流信号的功率信号传输至a/d转换装置，所述a/d转换装置将带有电压信号的功率信号传输至高速录波仪。

根据图6所示的接线方式，基于rscad软件平台搭建一台220kv电压等级接入的汽轮机组，通过一条同杆并架双回线路与无穷大电源相连。其中，发电机装机容量为1200mva，机端额定电压15kv，机组励磁(ieeetypest1)、pss(ieeetype2)、调速(ieeetype1)均调用自rscad标准模型库。机端pt变比为150/1，ct变比设为1200/1。升压变变比为15kv/230kv，容量1220mva，短路阻抗4％。断路器在实验中均设置在合位。故障控制逻辑如图7所示。

发电机仿真模型中对故障控制进行了优化。可根据需要进行单重故障或双重故障的模拟，并可对故障触发相角、持续时间、故障类型及故障相进行控制。模型经编译通过后，可在runtime模块中建立控制台，通过控制台可以实时对系统进行施加故障和控制参数的操作，并对系统实时数据进行监视。

将发电机端的pt三相电压、ct三相电流信号经rtds的模拟量输出卡gtao输出至功率放大器。功放将信号放大后同时输出至功率变送器和高速数据录波仪。功率变送器再将功率信号输出至高速数据录波仪。通过高速录波仪分析比对功放波形与功率变送器信号是否一致。

本文试验方案中采用便携式电量记录分析仪wflc-vi来进行数据录波。由于功率变送器输出信号为毫安级的电流信号，因此在其功率信号输出端口增加一个电流转电压环节，减少信号损耗。由此构成图8所示的功率变送器测试试验系统。

本实施例中，选取某型功率变送器进行实测。测试主要针对在电网发生各种类型瞬时故障的情况下，功率变送器录得波形与实际机端功率的区别。为全面考察变送器的录波性能，模拟的故障类型包括：单相故障、三相故障及双重故障，同时考虑故障持续时间、故障类型的影响。试验初始条件下，发电机输出功率600mw。

在图6所示的线路50％处分别施加三相接地短路，故障持续时间分别取0.01s、0.1s、0.2s。

图9至图11为录波波形。其中，p是经放大器直接输出的发电机功率信号，变送器p是从通过功率变送器输出量测功率信号。图9至图13中，波形横轴中每两个小格的时间为0.01s。

根据分析，故障持续时间对录波性能影响较大。图9中，故障发生前变送器录波值与实际值基本一致。但故障发生后，变送器波形变化延迟约1个周波，且滤除了实际功率首摆的波峰。在其后的变化中，变送器功率与实际波形有差距，某些时刻波形呈现与实际相反的情况。

图10、图11中，功率变送器录波与实际波形变化趋势相似度较高。但变送器波形变化均延迟约1个周波，且功率首摆波峰被滤除。在功率摆动中，变送器波形变化幅度与实际值相差30-50mw。

本实施例中，列出两个代表性波形进行分析。图12为两相短路接地(单一故障)情况下的波形，图13为两相短路后，间隔0.2s转为两相短路接地(双重故障)后的波形。根据结果可知，在不同故障类型情况下，功率变送器暂态录波与实际波形趋势大致接近。但变送器录波依然存在延迟1个周波，且首摆波峰被滤除。功率摆动中变送器变化幅度与实际值相差20-50mw不等。

设计的发电机仿真模型可模拟电网侧发生单一或双重组合故障，较为全面的考察电网发生瞬时故障时功率变送器录波是否准确。

针对某型变送器开展了基于rtds的数模试验，发现了存在的一些问题：

(1)变送器稳态录波与实际一致，功率发生波动后其录波延迟约1个周波，且滤除了首摆波峰。

(2)变送器录波性能受故障持续时间影响。本文中故障持续小于0.1s，变送器波形与实际差距较大；持续时间大于0.1s波形与实际在趋势上基本一致，但在功率摆动过程中与实际值差距在20-50mw之间。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。