對涌流影響功率變送器從而引起機(jī)組振蕩研究

1、對涌流影響功率變送器從而引起機(jī)組振蕩的研究浙江涵普電力科技有限公司R在發(fā)電機(jī)功率監(jiān)控系統(tǒng)中，廣泛采用了功率變送器來監(jiān)測發(fā)電機(jī)機(jī)端和負(fù)載端的功率。而發(fā)電機(jī)組的外圍線路故障、內(nèi)部故障和主變?nèi)珘簺_擊等會引起勵磁涌流干擾信號，繼而影響功率變送器的功率測量。本文分析功率變送器受短暫涌流的影響造成機(jī)組功率振蕩的過程及原因，并提出了采用數(shù)字式功率變送器的解決方案。內(nèi)容摘要一、背景 發(fā)電機(jī)是現(xiàn)代生產(chǎn)活動中的重要設(shè)備。為保證發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，廣泛采用功率變送器來測量發(fā)電機(jī)機(jī)端和負(fù)載端的功率，以供監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理并采取適當(dāng)?shù)目刂?。因此功率變送器輸出信號的正確與穩(wěn)定對于發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有

2、著重要意義。 隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，對于電力的需求越來越大，國內(nèi)運(yùn)行投產(chǎn)的大型發(fā)電機(jī)組數(shù)量日趨增多。發(fā)電機(jī)容量的增大，使得發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)的影響也在增大。原先一些因?yàn)闄C(jī)組容量小而掩蓋的問題會逐漸暴露出來。這對電廠的穩(wěn)定生產(chǎn)提出了更高的要求。 用電需求不斷增大發(fā)電機(jī)組容量增大機(jī)組 對電網(wǎng) 影響增大穩(wěn)定生產(chǎn)難度增加 近幾年來，各地電廠在進(jìn)行對主變?nèi)珘簺_擊等操作，或者外圍線路發(fā)生故障、投切超大負(fù)荷時(shí)，陸續(xù)出現(xiàn)鄰近發(fā)電機(jī)組的功率振蕩甚至跳機(jī)等故障。浙江涵普電力科技有限公司作為國內(nèi)著名變送器生產(chǎn)廠家，也陸續(xù)收到了部分電廠的這類問題反饋。這些情況引起了各地電廠和浙江涵普公司的重視。 機(jī)組功率振蕩甚至跳

3、機(jī)故障外圍線路發(fā)生故障對主變 全壓沖擊投切超大負(fù)荷二、案例分析 案例一 、華能浙江某電廠機(jī)組振蕩事件案例一 、華能浙江某電廠機(jī)組振蕩事件 事件經(jīng)過：華能浙江某電廠共4臺1000MW機(jī)組。2009年8月15日16時(shí)左右，#1、#2、#3機(jī)組正在運(yùn)行，三個(gè)機(jī)組負(fù)荷分別是680MW、640MW 、630MW。之后當(dāng)?shù)赝蝗怀霈F(xiàn)雷暴天氣，16時(shí)21分，各機(jī)組DCS系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警，500kV玉嶺5430線第一、二套分相電流差動保護(hù)及后備距離I段保護(hù)動作，玉嶺5430線B相接地故障報(bào)警，5012、5013開關(guān)B相跳閘，之后重合閘成功，B相瞬時(shí)接地電流最大達(dá)20510A，持續(xù)時(shí)間約50ms。 在故障起始至開關(guān)重

4、合閘期間，#1機(jī)組有功負(fù)荷由685MW瞬間降至-30MW，然后回升至618MW。#2機(jī)組有功負(fù)荷由646MW瞬間降至35.9MW，然后回升至540MW。 事件分析與結(jié)論：事件發(fā)生后，電廠隨即對當(dāng)日機(jī)組功率振蕩及#1、#2機(jī)組調(diào)門關(guān)閉相關(guān)數(shù)據(jù)和波形曲線進(jìn)行收集與分析。從電氣繼電保護(hù)動作情況和相關(guān)波形記錄分析看，電氣保護(hù)動作行為及故障錄波的電氣量均正常。故障后的機(jī)組振蕩原因可能是送至熱工DEH的功率變送器或熱工的控制邏輯有異常。 根據(jù)數(shù)據(jù)分析，#1、#2機(jī)組DEH歷史記錄中的功率數(shù)據(jù)變化幅度明顯比電氣側(cè)歷史記錄中的大。因此認(rèn)定DEH側(cè)控制邏輯接收到的功率信號有異常。 對現(xiàn)場功率變送器備品測試時(shí)，在

5、輸入平衡的三相電壓、電流信號時(shí)，結(jié)果符合要求。而用故障時(shí)的錄波測量數(shù)據(jù)進(jìn)行測試時(shí)，變送器兩組輸出信號分別在故障初期存在突增和突降現(xiàn)象，說明功率變送器在B相接地故障導(dǎo)致出現(xiàn)涌流時(shí)的測量存在問題。功率變送器的這一測量問題可能是該事件的原因之一。華能浙江某電廠機(jī)組振蕩事件:防范措施：1、針對#1、#2機(jī)組DEH中功率測量環(huán)節(jié)問題，聯(lián)系相關(guān)DEH設(shè)備廠家對熱工 DEH邏輯及控制參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的梳理與完善。2、修改功率變送器輸出參數(shù)，由單向4-20mA修改為雙向4-12-20mA。3、適當(dāng)降低負(fù)荷干擾控制邏輯中的控制定值，防止負(fù)荷中斷控制回路失效。4、探討目前單純使用模擬量功率信號作為汽門快控邏輯觸發(fā)信

6、號的合理性， 盡量從機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)的角度考慮該快控邏輯的必要性。華能浙江某電廠機(jī)組振蕩事件:案例二、福建某燃?xì)獍l(fā)電廠跳機(jī)事件 事件經(jīng)過：2010年5月21日晚7時(shí)左右，福建某燃?xì)獍l(fā)電廠#4機(jī)組在對主變?nèi)珘簺_擊時(shí)，正在滿負(fù)荷運(yùn)行的#3機(jī)組出現(xiàn)功率超限報(bào)警，引起#3機(jī)組保護(hù)動作而跳機(jī)。 事件分析與結(jié)論：事后檢查當(dāng)時(shí)的TCS功率記錄曲線，發(fā)現(xiàn)在跳機(jī)瞬間#3機(jī)組反應(yīng)到TCS邏輯控制系統(tǒng)的有功功率測量值達(dá)625MW，已超出量程上限。而該機(jī)組跳機(jī)前各主要參數(shù)均未出現(xiàn)異常。福建某燃?xì)獍l(fā)電廠跳機(jī)事件: 電廠組織福建省電力試驗(yàn)研究院及東方自控公司、東方電機(jī)廠的專家分析討論，會議最終認(rèn)為，跳機(jī)是因?yàn)?4機(jī)組對主變?nèi)珘簺_

7、擊時(shí)，產(chǎn)生了較大的勵磁涌流，對電氣二次回路造成較大干擾，使功率變送器測量產(chǎn)生較大突變。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)時(shí)這種瞬間突變使#3機(jī)組的功率變送器輸出達(dá)到625MW，而TCS邏輯控制系統(tǒng)中沒有信號質(zhì)量的判斷邏輯，于是TCS系統(tǒng)誤判為#3機(jī)組功率超限，最終造成了#3機(jī)組跳機(jī)。 防范措施：1、建議功率變送器輸出信號增加濾波環(huán)節(jié)，具體時(shí)間參數(shù)等待計(jì)算確定。2、在TPS保護(hù)邏輯中對功率信號進(jìn)行質(zhì)量判斷，若信號異常突變則自動切除 該保護(hù)。福建某燃?xì)獍l(fā)電廠跳機(jī)事件: 除上述兩個(gè)案例外，江蘇啟東呂泗港電廠、江蘇太倉協(xié)鑫電廠和國華徐州發(fā)電廠也先后向浙江涵普公司反饋過類似的機(jī)組振蕩問題，浙江涵普公司還專門去電廠與現(xiàn)場專

8、家們一起探討故障原因。 這三家電廠的現(xiàn)象和原因類似，都是在大型機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，產(chǎn)生較大瞬間勵磁涌流，對電氣二次回路產(chǎn)生干擾，使功率跳變，導(dǎo)致功率變送器的測量不可避免地產(chǎn)生無規(guī)則的畸變（并非變送器質(zhì)量問題），使得發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)失調(diào)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時(shí)還會造成跳機(jī)故障。其他電廠: 經(jīng)過對多家電廠的現(xiàn)場故障檢查和分析，在電廠大型機(jī)組并網(wǎng)或外圍線路出現(xiàn)故障時(shí)，會產(chǎn)生較大瞬間勵磁涌流。可以確定，這些情況會對電氣二次回路產(chǎn)生較大干擾，使電廠其它正常運(yùn)行的機(jī)組功率變送器因檢測到一定的諧波功率而發(fā)生突變，使干擾進(jìn)一步被放大了。那么，為什么這種突變會被常規(guī)模擬變送器放大呢，這就要從常規(guī)模擬式功

9、率變送器的原理來具體分析。分析:三、常規(guī)功率變送器原理 發(fā)電發(fā)電機(jī)組常用的功率變送器型號為FPW-201，采用常規(guī)純模擬電路設(shè)計(jì)，本文簡稱常規(guī)功率變送器。 三相功率變送器按接方式，可分為三相三線(三相二元件)和三相四線(三相三元件)兩類。其測量原理是相同的，僅是接線方式不同。 三相功率變送器實(shí)際上是把兩個(gè)(二元件)或三個(gè)(三元件)單相功率變送器的測量相加，從而得到三相總功率?；驹砜驁D如圖1。 圖1 常規(guī)功率變送器基本原理框圖 圖圖1中的中的時(shí)分割乘法器電路原理如圖2所示。 圖2 時(shí)分割乘法器電路圖常規(guī)功率變送器原理 在時(shí)分割乘法器中，如圖3所示，待測50Hz電壓（圖3紫色正弦曲線）與高頻1

10、000Hz三角波（圖3綠色三角線）經(jīng)過比較器產(chǎn)生矩形脈沖（PWM脈寬調(diào)制），每個(gè)脈沖的寬度代表某一時(shí)刻電壓的幅值。 圖3 時(shí)分割乘法器波形處理圖常規(guī)功率變送器原理 圖3中可見，正弦波的最低點(diǎn)對應(yīng)的脈寬寬度最小，正弦波的最高點(diǎn)對應(yīng)的脈寬寬度最大，一個(gè)正弦波被分割成20個(gè)脈沖波；這個(gè)調(diào)制出來的脈沖輸出去切割電流波形，即用電壓變換后的脈沖寬度，去切割這段脈沖寬度里的電流波形，再經(jīng)過RC電路積分得到的面積（如圖3紅色陰影部分，每段脈沖小于1ms），就是我們所要測量的功率值。這個(gè)功率值是機(jī)組功率調(diào)整的基礎(chǔ)。常規(guī)功率變送器原理 故障調(diào)查過程中，對變送器備品進(jìn)行測試，紋波含量和響應(yīng)時(shí)間的測試結(jié)果如表1、表2

11、。從表中可知功率變送器信號測量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，本身沒有問題。允許值(%) 輸入標(biāo)稱值(%)試驗(yàn)要求紋 波 含 量(%) 結(jié)論樣 品 編 號1230.32100峰-峰值0.030.020.02合格允許值(ms)試驗(yàn)要求試 驗(yàn) 結(jié) 果(ms)結(jié)論樣 品 編 號123400ms0%90%250280275合格100%10%260295285表1 功率變送器備品紋波測試表2 功率變送器備品時(shí)間常數(shù)測試常規(guī)功率變送器原理四、一次涌流對常規(guī)功率變送器的影響 為了分析問題查找原因，我們將某電廠的故障錄波數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入繼保儀，通過繼保儀的錄波回放功能，將故障時(shí)的三相信號輸入變送器進(jìn)行故障回放，并用示波器監(jiān)視故障電

12、流和變送器的輸出波形的變化，結(jié)果如圖4所示。 圖4中，下面的藍(lán)色波形代表現(xiàn)場的電流，上面的黃色曲線是功率變送器的功率輸出。從圖4中可以看到，當(dāng)瞬間涌流發(fā)生后，電流信號及變送器輸出均發(fā)生了劇烈的振蕩。圖4 故障錄波和對應(yīng)模擬功率變送器輸出波形故障階段輸出突變功率輸出跟隨電流振蕩變送器輸出輸入電流一次涌流對常規(guī)功率變送器的影響 結(jié)合功率變送器的原理，在一次涌流的影響下，變送器時(shí)分割乘法器中的電壓脈沖寬度沒有變化，但這段寬度里（小于1ms）導(dǎo)通的電流幅值特別大，而且出現(xiàn)涌流時(shí)產(chǎn)生了大量諧波功率，這些影響造成那一小段時(shí)間里的功率大增，功率變送器模擬量輸出也相應(yīng)突增（圖4黃色曲線波動更大）。一次涌流對常

13、規(guī)功率變送器的影響 如圖5所示，紅色陰影部分在某幾個(gè)地方的幅度增大了，其面積表示的功率也成倍增加，盡管當(dāng)時(shí)該機(jī)組實(shí)際基波功率并沒有那么大。圖5 有涌流進(jìn)入的時(shí)分割乘法器波形示意圖一次涌流對常規(guī)功率變送器的影響 同理，當(dāng)電流波動中有電流減小時(shí)，功率變送器也會有比實(shí)際功率值偏?。▓D5陰影面積減小）的情況。據(jù)此推論，這一次涌流的影響，超過了功率變送器正常輸入范圍，使其放大了正常功率的波動。即圖4的涌流對圖5時(shí)分割乘法器中積分電路的電流（Ia）產(chǎn)生了巨大的影響，而這種影響對于模擬電路的常規(guī)功率變送器（帶有RC積分電路）是不能消除的。 在模擬電路RC積分回路中，當(dāng)輸入為階躍信號（近視于方波）時(shí)，對應(yīng)的輸

14、出稱為階躍響應(yīng)，其RC充放電的電壓、電流變化規(guī)律取決于電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)。一次涌流對常規(guī)功率變送器的影響 如圖6所示，RC積分回路的充放電過程可以分為三種：過阻尼(圖6中淺藍(lán)色線)、欠阻尼(圖6中綠色線)和臨界阻尼(圖6中紅色線)圖6 RC電路三種充放電過程過阻尼欠阻尼臨界阻尼一次涌流對常規(guī)功率變送器的影響 從圖7放大圖中可以看到，當(dāng)RC參數(shù)處于欠阻尼狀態(tài)（圖7綠色線）時(shí)，其階躍響應(yīng)被放大，輸出的階躍跳變產(chǎn)生過充現(xiàn)象（向上或向下均會產(chǎn)生過充現(xiàn)象），其幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其輸入的階躍信號。圖7 RC電路三種充電過程的放大圖過阻尼欠阻尼臨界阻尼一次涌流對常規(guī)功率變送器的影響 在理想的一定頻率的方波信號作用

15、下，通過調(diào)整電路參數(shù)，可以使電路工作在臨界阻尼狀態(tài)(理想狀態(tài))。這種狀態(tài)下，不僅輸出的波形平坦，而且響應(yīng)時(shí)間也較短。 然而，現(xiàn)場實(shí)際的情況很復(fù)雜，當(dāng)有涌流沖擊時(shí)，其信號的頻率成分中夾帶著很多不同次數(shù)的諧波量，無法保證電路始終工作在臨界阻尼狀態(tài)，而大多工作在欠阻尼狀態(tài)。而如果使電路工作在過阻尼狀態(tài)，則電路的響應(yīng)時(shí)間又會很長。變送器的國家標(biāo)準(zhǔn)及鑒定規(guī)程中要求響應(yīng)時(shí)間小于400ms，而且其基本誤差試驗(yàn)也是要求在穩(wěn)定的參比條件下進(jìn)行。 所以，常規(guī)模擬變送器既要滿足瞬態(tài)響應(yīng)又要滿足穩(wěn)態(tài)測量是非常困難的，電路原理可能會相當(dāng)復(fù)雜，相應(yīng)的綜合成本也會相當(dāng)高。一次涌流對常規(guī)功率變送器的影響五、FPWK301D數(shù)

16、字式功率變送器 目前微處理器技術(shù)越來越成熟，采用數(shù)字技術(shù)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品已經(jīng)是一種趨勢，因此，我公司已通過數(shù)字技術(shù)來解決這一問題，相信未來的變送器標(biāo)準(zhǔn)肯定也會作一定的修正，設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)思路也會作出調(diào)整。 浙江涵普電力科技有限公司為此專門設(shè)計(jì)了FPWK-301D/FPWK-201D型數(shù)字式功率變送器。 該型變送器全面滿足并優(yōu)于GB/T13850國家標(biāo)準(zhǔn)，其響應(yīng)時(shí)間小于250毫秒；而且在GB/T13850國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了勵磁涌流與直流分量引起的改變量指標(biāo)，并修定了Q/HPD30-2007企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。FPWK301D數(shù)字式功率變送器 規(guī)定將輸入量幅值從100%的標(biāo)稱功率突然快速增加到200%的標(biāo)稱功率

17、，或者突然快速減小到0，持續(xù)100 ms后快速恢復(fù)到100%的標(biāo)稱功率，變送器輸出的最大改變量不得超過0.5%； Q/HPD30-2007 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)新規(guī)定： 規(guī)定施加100%的標(biāo)稱功率范圍內(nèi)的輸入量保持不變，等待變送器輸出穩(wěn)定后，在任意一相交流電流輸入信號中疊加一個(gè)直流電流分量，其幅值等于100%的標(biāo)稱交流電流，持續(xù)100 ms后去除該直流電流分量，變送器輸出的最大改變量不得超過0.5%。Q/HPD30-2007 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)新規(guī)定： 該型變送器全面滿足并優(yōu)于GB/T13850國家標(biāo)準(zhǔn)，其響應(yīng)時(shí)間小于250毫秒；而且在GB/T13850國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加了勵磁涌流與直流分量引起的改變量指標(biāo)。具體

18、如下： 規(guī)定將輸入量幅值從100%的標(biāo)稱功率突然快速增加到200%的標(biāo)稱功率，或者突然快速減小到0，持續(xù)100 ms后快速恢復(fù)到100%的標(biāo)稱功率，變送器輸出的最大改變量不得超過0.5%； 規(guī)定施加100%的標(biāo)稱功率范圍內(nèi)的輸入量保持不變，等待變送器輸出穩(wěn)定后，在任意一相交流電流輸入信號中疊加一個(gè)直流電流分量，其幅值等于100%的標(biāo)稱交流電流，持續(xù)100 ms后去除該直流電流分量，變送器輸出的最大改變量不得超過0.5%。 FPWK-301D/FPWK-201D數(shù)字式功率變送器采用大規(guī)模集成電路,應(yīng)用數(shù)字快速采樣處理技術(shù)，集成化程度高，工作更加可靠，具有優(yōu)異的準(zhǔn)確度、線性度和長期穩(wěn)定性，抗干擾性

19、強(qiáng)，抗諧波影響能力強(qiáng)。在EMC試驗(yàn)中按GB/T 17626最嚴(yán)酷等級進(jìn)行試驗(yàn)，確保變送器在惡劣環(huán)境下的可靠運(yùn)行。 數(shù)字式的功率變送器原理如圖8所示。圖8 數(shù)字式變送器原理框圖FPWK301D數(shù)字式功率變送器 數(shù)字式變送器從交流采樣開始就由微處理芯片的程序進(jìn)行處理。其功率測量值是對電壓、電流直接進(jìn)行交流采樣得到的數(shù)字量直接相乘后得到，不存在RC積分電路的階躍響應(yīng)問題。而且在芯片編程的軟件算法中，利用程序判斷剔除短暫的異常突變信號，再將測量到的功率數(shù)值做窗型滑動濾波，使得變送器的輸出更加穩(wěn)定，受外界突變信號干擾的影響特別小。FPWK301D數(shù)字式功率變送器 對FPWK-301D/FPWK-201D

20、數(shù)字式功率變送器進(jìn)行測試，其中輸出紋波含量和響應(yīng)時(shí)間的測試結(jié)果如表3、表4。結(jié)果顯示該型變送器信號測量符合并優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，且主要性能指標(biāo)較常規(guī)變送器更好。允許值(%)輸入標(biāo)稱值(%)試驗(yàn)要求紋 波 含 量(%)結(jié)論樣 品 編 號1230.32100峰-峰值0.010.020.01合格允許值(ms)試驗(yàn)要求試 驗(yàn) 結(jié) 果(ms)結(jié)論樣 品 編 號123400ms0%180175185合格100%195185190表3 數(shù)字式功率變送器紋波測試表4 數(shù)字式功率變送器時(shí)間常數(shù)測試FPWK301D數(shù)字式功率變送器六、數(shù)字式功率變送器使用效果測試驗(yàn)證 上面的圖4所示波形，是將故障信號波形用繼保儀輸入到F

21、PW-201常規(guī)功率變送器，然后查看涌流對功率變送器的影響，可以看到，圖4藍(lán)色部分波形在某一時(shí)刻有突變，圖4黃色曲線顯示了功率變送器的輸出值。當(dāng)電流波動一次以后，功率變送器輸出幅度有了較大的變化。而之后的電流和功率變送器輸出都變成了振蕩的曲線。 我們將圖4所用的故障錄波文件，再次用繼保儀將故障信號輸入到FPWK-301D/FPWK-201D數(shù)字式功率變送器中，其輸出的波形如圖9所示。 從圖9可以看出，數(shù)字式功率變送器的輸出，在輸入同樣的故障信號時(shí)，短暫的波動被濾除，而在之后的電流振蕩部分，也是整體抬高不到0.5%，而不是隨之波動?？箶_動的性能明顯優(yōu)于常規(guī)功率變送器。圖9 故障錄波和對應(yīng)數(shù)字式變

22、送器輸出圖變送器輸出電流輸入故障時(shí)輸出平穩(wěn)振蕩階段輸出略微抬升數(shù)字式功率變送器使用效果測試驗(yàn)證 另外我們在測試時(shí)還加入交流或直流突變信號，以觀察其濾波效果。 測試1：先給數(shù)字功率變送器輸入正常范圍內(nèi)的功率，等變送器輸出穩(wěn)定后，把功率瞬間增加到200%標(biāo)稱功率，并持續(xù)100ms，然后恢復(fù)到之前正常范圍內(nèi)的功率，觀察這段時(shí)間內(nèi)功率輸出是否會產(chǎn)生較大變化。測試結(jié)果如圖10：圖10 功率突增到200%的標(biāo)稱功率的測試結(jié)果變送器輸出輸入電流擾動輸入(200%)正常輸入擾動輸入時(shí)輸出仍保持穩(wěn)定數(shù)字式功率變送器使用效果測試驗(yàn)證 測試2：先給數(shù)字功率變送器輸入正常范圍內(nèi)的功率，等變送器輸出穩(wěn)定后，把功率瞬間突降到0，并持續(xù)100ms，然后恢復(fù)到之前