針對GPS技術在電力系統(tǒng)中的廣泛應用，系統(tǒng)介紹了現(xiàn)有的發(fā)電機功角直接和間接測量方法，并分析了其優(yōu)缺點；具體論述了基于GPS同步測量的同步相量在電力系統(tǒng)狀態(tài)估計，穩(wěn)定控制，失步預測保護等方面的國內外應用發(fā)展情況。并指出基于同步相量的區(qū)域穩(wěn)定控制理論還待進一步研究和突破。
關鍵詞：功角測量；相量控制；暫態(tài)穩(wěn)定；狀態(tài)估計；全球定位系統(tǒng)

A Study of Power Angle Measurement Based on GPS
and Application of Synchronized Phasor in Power System
Long Houjun, Hu Zhijian, Chen Yunpin
(Department of Electrical Engineering,Wuhan University,430072)

Abstract: Aimed at the application of GPS technology in power systerm,the paper introduces the power angle measurement methods,and analyses them virtues and shortcomings ;synchronized phasor based on synchronized phasor measurement is discussed in detail and the research results are also introduced in follows: status estimate,stability control,step-out predictive and protect etc. In conclusion,the paper points out that transient stability control theory based on synchronized phasor is still required further research and development.
Key words: Power Angle Measurement；Phasor Control；Transient Stability；Status Estimate；GPS
0 引言
從60年代美國開始進行空中定位研究，1974年基于GPS概念的全球定位系統(tǒng)開始正式研制，1985 85年進入民用領域，1993年此系統(tǒng)正式建成。 90年代以來基于全球同步衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的高精度定時技術逐步被引入電力系統(tǒng)。利用其時間誤差小于1μs，對于50Hz的工頻信號其相位誤差不超過0.018°的高精度時鐘從而實現(xiàn)對電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的實時同步采集，并可在此基礎上得到電壓電流相量和發(fā)電機功角這反映系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù).
電力系統(tǒng)中功角穩(wěn)定性，電壓穩(wěn)定性、頻率動態(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)相互關聯(lián)的統(tǒng)一物理現(xiàn)象的不同側面，其間的關聯(lián)又受到網(wǎng)絡結構和運行狀態(tài)的影響。這其中母線電壓相量及發(fā)電機功角狀況是系統(tǒng)運行的主要狀態(tài)變量，是系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行的標志，如果它能被直接測量，不僅能用于調度中心的集中監(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)估計的可靠性，更有可能完全實現(xiàn)電力系統(tǒng)的實時自動控制，解決系統(tǒng)的穩(wěn)定問題。因此實時測量發(fā)電機的功角和母線電壓相量，將是電力系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)視和控制的關鍵基礎。
通過基于GPS實時相量測量，可以實時得到電網(wǎng)的狀態(tài)量，即可以得到實際系統(tǒng)精確模型的歷史數(shù)據(jù)和當前軌跡。由于相角涉及到電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護等諸多領域，而實時相量測量的實現(xiàn)，將推動電力系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護等新方法和理論的發(fā)展，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制和保護開辟一個新的領域。
1 功角測量
1.1 功角及功角測量
功角表示發(fā)電機內電勢和端電壓之間的相位差，即表征系統(tǒng)的電磁關系，還表明了各發(fā)電機轉子之間的相對空間位置，而這恰好是判斷各發(fā)電機之間是否同步運行的依據(jù)。
由于發(fā)電機的不同步運行或者系統(tǒng)振蕩，會危及發(fā)電機及變壓器甚至整個系統(tǒng)的安全，振蕩電流的持續(xù)出現(xiàn)，將使大型汽輪發(fā)電機定子過熱、端部遭受機械損傷，使大軸扭傷，縮短運行壽命。從電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的客觀要求出發(fā)，發(fā)電機失步及失步預測保護十分必要。所以發(fā)電機轉子角度的獲得方法一度是許多學者積極探索的課題。
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)，計算功角.
傳統(tǒng)的做法是若已知橫軸同步電抗Xd(隱極機) 或Xq(凸極機)，在測取電壓、電流及相應的φ角后，根據(jù)相應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)要求非常準確；其次，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時和故障后，在具體的某一時刻應確定采用哪些參數(shù)(同步電抗、暫態(tài)電抗或次暫態(tài)電抗)、哪一種發(fā)電機等值模型進行計算，而實際上，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)電抗計算出來的功角有一定的誤差，即使采用諸如FFT之類的信號處理手段也無法解決這一問題。而且測量計算時間太長，不適合實時穩(wěn)控系統(tǒng)的實時測量。
文獻[2]提出利用基于GPS同步時鐘的相量測量裝置PMU來獲得系統(tǒng)中各主要站點的功角。Phadke博士開發(fā)的相角測量裝置，其測量原理是對三相電力線上的波形每個周期采樣12次，然后以遞推FFT提取出基波分量，最后用對稱法將三相組合起來產(chǎn)生正序相量，對應國際標準時間UTC產(chǎn)生一個絕對的相角。文獻[3]也是通過分析機端電壓的零序諧波分量來測量同步電機的轉子角。
基于GPS同步時鐘的相量測量裝置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)電機轉子角度，也較為耗時。
1.2.2 直接測量法
利用轉子位置與空載電勢在相位上的對應關系，用轉子位置信號代替空載電勢參與相位比較。
較早應用的是閃光燈法[4]，是在被測試同步機的軸上裝一金屬圓盤，在圓盤上畫上與被測試電機的極對數(shù)相同的明顯的標記。當電機運行時，用閃光燈照射圓盤，閃光燈的電源來自被測試電機的端電壓，并將閃光燈置于同步檔，這時閃光燈的閃光頻率與被測試電機的轉速同步，