引言

　　電力系統(tǒng)中功角穩(wěn)定性，電壓穩(wěn)定性、頻率動(dòng)態(tài)變化及其穩(wěn)定性皆不是各自孤立的現(xiàn)象，而是相互誘發(fā)相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一物理現(xiàn)象的不同側(cè)面，其間的關(guān)聯(lián)又受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)的影響。這其中母線電壓相量及發(fā)電機(jī)功角狀況是系統(tǒng)運(yùn)行的主要狀態(tài)變量，是系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的標(biāo)志，如果它能被直接測量，不僅能用于調(diào)度中心的集中監(jiān)視和控制，而且能用于分散的就地監(jiān)視和控制，提高狀態(tài)估計(jì)的可靠性，更有可能完全實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，解決系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。因此實(shí)時(shí)測量發(fā)電機(jī)的功角和母線電壓相量，將是電力系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)視和控制的關(guān)鍵基礎(chǔ)。通過基于GPS實(shí)時(shí)相量測量，可以實(shí)時(shí)得到電網(wǎng)的狀態(tài)量，即可以得到實(shí)際系統(tǒng)精確模型的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前軌跡。由于相角涉及到電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護(hù)等諸多領(lǐng)域，而實(shí)時(shí)相量測量的實(shí)現(xiàn)，將推動(dòng)電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護(hù)等新方法和理論的發(fā)展，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護(hù)開辟一個(gè)新的領(lǐng)域。

　　1 功角測量

　　1.1 功角及功角測量

　　功角表示發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢和端電壓之間的相位差，即表征系統(tǒng)的電磁關(guān)系，還表明了各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)空間位置，而這恰好是判斷各發(fā)電機(jī)之間是否同步運(yùn)行的依據(jù)。

　　由于發(fā)電機(jī)的不同步運(yùn)行或者系統(tǒng)振蕩，會(huì)危及發(fā)電機(jī)及變壓器甚至整個(gè)系統(tǒng)的安全，振蕩電流的持續(xù)出現(xiàn)，將使大型汽輪發(fā)電機(jī)定子過熱、端部遭受機(jī)械損傷，使大軸扭傷，縮短運(yùn)行壽命。從電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的客觀要求出發(fā)，發(fā)電機(jī)失步及失步預(yù)測保護(hù)十分必要。所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度的獲得方法一度是許多學(xué)者積極探索的課題。

　　1.2 現(xiàn)有的功角測量方法

　　1.2.1 間接測量法

　　間接測量就是通過已知的參數(shù)，計(jì)算功角.

　　傳統(tǒng)的做法是若已知橫軸同步電抗Xd(隱極機(jī)) 或Xq(凸極機(jī))，在測取電壓、電流及相應(yīng)的φ角后，根據(jù)相應(yīng)的矢量圖可算得功角[1]。

　　相似的，若已知Xd、Xq、X′d、X′q和X″q則可分別得到穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)以及次暫態(tài)狀況下的δ角。

　　用該方法獲得δ角，必須滿足以下兩個(gè)條件：首先要求確定上述參數(shù)，并且這些參數(shù)要求非常準(zhǔn)確;其次，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)和故障后，在具體的某一時(shí)刻應(yīng)確定采用哪些參數(shù)(同步電抗、暫態(tài)電抗或次暫態(tài)電抗)、哪一種發(fā)電機(jī)等值模型進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際上，這難以確定;該方法在穩(wěn)態(tài)過程具有良好的測量精度，測量誤差小于1°，而在暫態(tài)過程中，采用暫態(tài)電抗或次暫態(tài)電抗計(jì)算出來的功角有一定的誤差，即使采用諸如FFT之類的信號(hào)處理手段也無法解決這一問題。而且測量計(jì)算時(shí)間太長，不適合實(shí)時(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測量。

　　基于GPS同步時(shí)鐘的相量測量裝置PMU是在采樣電壓和電流后再經(jīng)傅里葉變換才能得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度，也較為耗時(shí)。
1.2.2 直接測量法

　　利用轉(zhuǎn)子位置與空載電勢在相位上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用轉(zhuǎn)子位置信號(hào)代替空載電勢參與相位比較。

　　較早應(yīng)用的是閃光燈法[4]，是在被測試同步機(jī)的軸上裝一金屬圓盤，在圓盤上畫上與被測試電機(jī)的極對(duì)數(shù)相同的明顯的標(biāo)記。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，用閃光燈照射圓盤，閃光燈的電源來自被測試電機(jī)的端電壓，并將閃光燈置于同步檔，這時(shí)閃光燈的閃光頻率與被測試電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步，看上去圓盤上的標(biāo)記的位置靜止不動(dòng)。在金屬盤的圓周外圍安裝一個(gè)靜止的圓弧形刻度盤，先確定被測試電機(jī)空載時(shí)標(biāo)記的位置。當(dāng)被測試電機(jī)帶負(fù)載后，再觀察標(biāo)記位置相對(duì)空載時(shí)所偏移的電角度，這就是被測試同步電機(jī)的功角大小。這種方法比較直觀，但當(dāng)被測試電機(jī)的極對(duì)數(shù)較多時(shí)其測量的準(zhǔn)確度不高。

　　相位計(jì)法[4]是在被測試電機(jī)的電樞槽口安裝幾匝細(xì)導(dǎo)線作為d軸位置的測量繞組，其極距應(yīng)與該電機(jī)原有繞組一樣;或在被測試電機(jī)的軸上安裝一臺(tái)極數(shù)相同的，其d軸與主機(jī)重合的微型同步電機(jī)，以便獲得空載時(shí)電勢Eq的信號(hào)。將被測試電機(jī)的端電壓U經(jīng)過移相器和空載電勢Eq的信號(hào)一起送到相位計(jì)。當(dāng)被測試電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)移相器，使相位計(jì)的指示為零，被測試電機(jī)帶負(fù)載后相位計(jì)的讀數(shù)即為功角δ之值。如果是采用帶有模擬量輸出的相位計(jì)，可測得與被測功角δ成正比的電信號(hào)，結(jié)合用光線示波器可拍攝功角δ變化的動(dòng)態(tài)過程曲線?；蛘哂梦⑿陀?jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取功角δ變化過程的數(shù)據(jù)。這種方法實(shí)行難度大，因?yàn)殡姍C(jī)改造絕非易事。

　　數(shù)字式功角測量儀[4]是在被試電機(jī)的軸上裝一個(gè)投射式或反射式的光電圓盤，盤上均勻分布的孔數(shù)或黑白相間的標(biāo)記塊數(shù)與被試電機(jī)的極對(duì)數(shù)p相等。當(dāng)圓盤隨同步電機(jī)作同步速旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，光電二極管產(chǎn)生代表Eq的矩形脈沖。由帶可調(diào)電阻的RC移相器給初始零相位的設(shè)定提供移相之用，即當(dāng)被試電機(jī)為空載(δ=0)時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)端電壓U的相位使之與Eq同相，當(dāng)被試電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，輸出的脈沖寬度折算成的角度即代表被試功角的大小。實(shí)際上是通過獲得機(jī)端電壓與其空載電勢過零點(diǎn)的時(shí)間差，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度，即采樣DD相位檢測DD時(shí)間差DD顯示(即Φ=T)，以測取功角。但是該方法僅僅給出了測量功角的一個(gè)方法，并不適于實(shí)時(shí)監(jiān)視。因?yàn)闇y量功角要求有一個(gè)空載過程，以便取得實(shí)際測量時(shí)的Eq相量角度，在實(shí)際應(yīng)用中特別是在實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)中，這是不現(xiàn)實(shí)的。

　　磁阻位置傳感器法[5]通過磁阻位置傳感器來測量電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位移獲得發(fā)電機(jī)空載電勢Eq矢量。設(shè)電機(jī)磁極為一對(duì)，利用電機(jī)轉(zhuǎn)軸裝有的60磁齒齒輪，由磁阻位置傳感器產(chǎn)生的信號(hào)頻率為50×60=3000Hz，當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將信號(hào)整形后經(jīng)60分頻器即可獲得所需要的方波信號(hào)。首先進(jìn)行一次空載過程，以獲取方波信號(hào)與從電壓側(cè)得到的方波信號(hào)相位之差，調(diào)整磁阻傳感器的安裝位置，直到上述偏差為零。帶負(fù)載后，所得差值即為功角δ。

　　無論汽輪發(fā)電機(jī)組還是水輪發(fā)電機(jī)組都裝有測速裝置，因此文獻(xiàn)[7]提出利用轉(zhuǎn)速表來測量功角。該裝置的構(gòu)成是:在發(fā)電機(jī)的軸上安裝一個(gè)60個(gè)齒的齒輪，這60個(gè)齒大小完全一樣，均布在圓盤上。轉(zhuǎn)速表的測量電路負(fù)責(zé)檢測齒輪所發(fā)出的脈沖，每60個(gè)脈沖代表轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周。轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)速度由下式表示(T0為兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔):

　　只要已知轉(zhuǎn)子在初始時(shí)刻的位置θ0以及任意時(shí)刻的速度ωr(t)，就可以準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子在任意時(shí)刻的位置θ(t)。ωr(t)由轉(zhuǎn)速表負(fù)責(zé)測量，其測量精度與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)無關(guān)，所以在正確確定θ0后，能通用于電力系統(tǒng)的任意狀態(tài)，并且也通用于汽輪發(fā)電機(jī)組和水輪發(fā)電機(jī)組。