徐化東 黃 琦 井 實

(電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引言

發(fā)電機功角是反映電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要參數(shù)之一，實時精確地獲取發(fā)電機功角是實現(xiàn)電力系統(tǒng)監(jiān)視和控制的關(guān)鍵。

發(fā)電機功角測量通常有計算法和直接測量法兩種。計算法在電機穩(wěn)態(tài)運行時具有較高的測量精度，但在電機暫態(tài)運行時存在精度不高和算法復(fù)雜等缺點［1］。傳統(tǒng)的直接測量法可以得到電機暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行時的功角，但存在誤差大和對環(huán)境要求高等缺點［2］。

本文在發(fā)電機絕對內(nèi)電勢角定義的基礎(chǔ)上［3］，利用改進的測量法，設(shè)計了發(fā)電機功角實時測量裝置。該裝置采用DSP+CPLD控制結(jié)構(gòu)，通過測量發(fā)電機機端的電壓、電流，鍵相脈沖與GPS矢量的夾角(鍵相脈沖相角)，得到發(fā)電機功角。DSP和CPLD芯片計算能力強大，兩個芯片分工協(xié)作，使裝置可以實現(xiàn)發(fā)電機暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行時功角的實時測量，且測量精度高。

1 發(fā)電機功角測量原理

由于GPS秒脈沖信號與國際標準時間同步誤差小于1 μs［4］，因此，通常以 GPS 作為發(fā)電機功角測量系統(tǒng)中的標準時間。當(dāng)使用GPS作為標準時間時，絕對內(nèi)電勢角就是內(nèi)電勢相量與GPS參考矢量之間的夾角。

發(fā)電機功角測量原理如圖1所示，鍵相脈沖矢量與發(fā)電機內(nèi)電勢相量存在恒定的初始角度θ。鍵相脈沖與GPS矢量的夾角為φi(i為測量次數(shù))，則絕對內(nèi)電勢角Φi=φi+θ。

圖1 發(fā)電機功角測量原理圖Fig.1 The measuring principle of power angle of generator

對于初始角θ的整定，文獻［2］提出了過零檢測法，但這種方法要求精確地判斷零位，實現(xiàn)難度較大。本文的整定方法是:在電機穩(wěn)態(tài)運行時，功角δ0是固定不變的，機端電壓向量與GPS矢量之間的夾角λ0通過對機端電壓信號處理得到，鍵相脈沖矢量與GPS矢量的夾角φ0可以直接測量得到，則初始角θ=λ0－φ0－δ0。由此可得到發(fā)電機實時功角為 δi=λi－Φi。

2 裝置硬件電路設(shè)計

測量裝置硬件電路包括電流電壓互感器、模擬低通濾波器、鍵相脈沖采集電路、加法器、CPLD芯片EPM1270T144及其外圍電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7864和DSP芯片TMS320F2812最小系統(tǒng)。電路硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The scheme of hardware structure

2.1 低通濾波器設(shè)計

在測量中裝置只需要基波信號，因此，濾波器選擇為低通濾波器。濾波器指標為f=10fc，幅度衰減大于30 dB，通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù) Au=2，截止頻率 fc=100 Hz。為滿足幅度衰減并保證電路性能穩(wěn)定，濾波器電路選擇二階壓控電壓源低通濾波電路形式［5］。根據(jù)通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù)和截止頻率的指標要求，濾波電路電容、電阻值分別整定為 C1=C2=0.1 μF，R1=11.256 kΩ、R2=22.508 kΩ、R3=R4=67.528 kΩ。

2.2 裝置數(shù)字電路設(shè)計

數(shù)字電路部分包括CPLD芯片EPM1270T144及其外圍電路、A/D轉(zhuǎn)換芯片 ADS7864和 DSP芯片TMS320F2812最小系統(tǒng)。數(shù)字電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The scheme of digital circuit structure

CPLD優(yōu)點突出［6］，其外圍電路由有源晶振、電源模塊和復(fù)位模塊構(gòu)成。CPLD的主要工作是:根據(jù)接收到的GPS信號，為ADS7864提供多通道同步采樣信號;接收鍵相脈沖信號，計算發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、鍵相脈沖相角，并將計算結(jié)果傳給DSP。通過CPLD輸出同步觸發(fā)采集信號，可以實現(xiàn)不同地點的發(fā)電機實時功角和轉(zhuǎn)速的同步采集。本文使用了Altera公司生產(chǎn)的CPLD芯片EPM1270T144。

TMS320F2812最小系統(tǒng)的具體工作是:接收ADS7864傳輸?shù)哪?shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，判斷發(fā)電機是否處于穩(wěn)態(tài)運行，在電機穩(wěn)態(tài)運行時，整定初始位置角;接收CPLD傳輸?shù)霓D(zhuǎn)速、鍵相脈沖相角等信息;計算本文需要的發(fā)電機功角。

3 裝置軟件設(shè)計

測量裝置軟件設(shè)計主要是計算發(fā)電機轉(zhuǎn)速和鍵相脈沖相角，實現(xiàn)相量測量算法(包括傅里葉變換和傅里葉修正算法)、相位補償和絕對內(nèi)電勢角測量算法等數(shù)據(jù)處理過程以及發(fā)電機功角計算。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Flowchart of software

相量測量算法主要有過零檢測法和離散傅里葉變換(discrete Fouriet transformer，DFT)法。DFT法可以準確地求出信號中的基波分量，且具有較好的濾波效果。因此，本文利用DFT法求取基波信號相量。根據(jù)《電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，裝置在設(shè)計中采用96點的傅里葉變換。對于變換點數(shù)是非2N的傅里葉變換，本文采用Winograd快速傅里葉變換(Winograd FFT)。該算法是 S.Winograd于1976年提出的。Winograd快速傅里葉算法實現(xiàn)過程如下。

選擇不同的 k1、k2數(shù)值，就可以求出 X(0)、X(1)、…、X(95)。在式(4)中，總共要進行3456次復(fù)數(shù)乘，小于直接計算DFT需要的9216次復(fù)數(shù)乘，有助于實時性的實現(xiàn)。在測量裝置的設(shè)計中，采樣頻率是4800 Hz。因此，Winograd FFT頻率分辨率為50 Hz。若X(0)表示直流分量，則X(1)表示基波分量。利用X(1)就可以求出基波信號的幅值和相角等信息。裝置在軟件設(shè)計中只計算X(1)，減少了計算時間，保證了實時測量。

為驗證算法的準確性，本文在Matlab中對算法進行了驗證，并將計算結(jié)果與Matlab中自帶的FFT函數(shù)進行了比較。

對信號y(t)=31cos(100πt+0.1)進行96點采樣，得到數(shù)組Y(N)。Winograd快速傅里葉算法計算結(jié)果和Matlab中FFT計算結(jié)果如表1所示。

表1 計算結(jié)果對比Tab.1 The comparison of calculation results

由表1可以看出，測量裝置運用的Winograd FFT可以較為精確地計算基波信號的幅值和相角。為了消除或減小由于非整數(shù)倍采樣所造成的DFT計算誤差，需要對DFT算法進行修正，以提高測量的精度。由于裝置在設(shè)計中使用的是模擬濾波器，信號相位存在滯后現(xiàn)象，在得到基波相位后必須進行補償，以得到實際的相位。濾波器相頻特性曲線如圖5所示。

圖5 相頻特性曲線Fig.5 The phase-frequency curve

從圖5可以看出，在48～54 Hz頻率段，相頻特性曲線近似為直線，對這個頻率段進行一次曲線擬合得到的相位與頻率函數(shù)為:

4 測量結(jié)果與分析

設(shè)計完成后，該裝置在實驗室的WDT-ПC型電力系統(tǒng)綜合自動化實驗臺上進行了測試，首先進行精度測試。在發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時，對由裝置測量得到的功角與用計算法得到的功角進行比較并取差，差值作為誤差來檢驗裝置測量的準確性。裝置測量功角誤差曲線如圖6所示。

圖6 測量裝置功角誤差曲線Fig.6 The error curve of measurement device for power angle

從圖6可以看出，在電機穩(wěn)態(tài)運行時，裝置測量功角與計算法功角最大差小于0.7°，說明測量裝置滿足設(shè)計要求。由于裝置作為實驗室電力系統(tǒng)廣域測量研究平臺的一部分研究內(nèi)容，最終要實現(xiàn)的是多臺發(fā)電機的同步測量，因此，本文將兩臺裝置在同一實驗臺上進行同步測試。裝置功角測試同步誤差曲線如圖7所示。

圖7 同步誤差曲線Fig.7 The synchronous error curve

在采用同步采樣晶振誤差為10×10－6時，最大同步功角誤差小于0.4°，可以滿足電力系統(tǒng)廣域測量的要求［7－8］。

裝置實驗室測試完成后，在四川省電力試驗院進行了應(yīng)用測試。運用實時數(shù)字仿真儀(real-time digital simulator，RTDS)建模，構(gòu)建四川省大規(guī)模電網(wǎng)仿真平臺，對模擬的太白某發(fā)電廠監(jiān)測點進行功角測試，得到的實時功角測試曲線如圖8所示。

圖8 實時功角測試曲線Fig.8 The real-time test curve of power angle

RTDS設(shè)置發(fā)電機組在運行一段時間后發(fā)生故障，功角出現(xiàn)振蕩，而從圖8所示的功角曲線可以看出，裝置測量功角在某段時間出現(xiàn)振蕩，與RTDS設(shè)置結(jié)果相同。因此，裝置可以用于電力系統(tǒng)中發(fā)電機功角的實時測量。

5 結(jié)束語

本文基于發(fā)電機絕對內(nèi)電勢角的測量方法，采用DSP+CPLD結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種實時發(fā)電機功角測量裝置。該裝置采用改進的直接測量法，不需要過零檢測，可以精確地實現(xiàn)發(fā)電機功角的實時測量。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的功角測量裝置，測量精度較高、同步效果好，且現(xiàn)場抗干擾能力強，可以實現(xiàn)發(fā)電機功角和轉(zhuǎn)速的實時測量，滿足廣域測量系統(tǒng)的測量要求，為電力系統(tǒng)監(jiān)控提供了參考。

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