基于涌流影響功率變送器引起的機組振蕩研究

陳 剛 徐國明 曹 達 周 乾 陸奇光

（1. 中電國際蕪湖發電有限責任公司，安徽 蕪湖 241009；2. 浙江涵普電力科技有限公司，浙江 海鹽 314300）

隨著我國現代化工業不斷發展，電廠生產過程的控制規模不斷擴大，運行復雜程度不斷增加，控制過程要求越加嚴格，因而對過程控制和生產管理提出了越來越高的要求。分散控制系統（DCS）和數字電液控制系統（DEH）就是為此產生的。

DCS系統應用到電廠，根據各種模擬量輸入等信號，進行邏輯判斷，實現對各執行部件的控制。

其中的 DEH汽輪機數字電液調節系統通過控制汽輪機進汽閥門的開度來改變進汽流量，從而控制汽輪發電機組的轉速和功率，使其滿足電網的要求。

而機組產生的電能是一個特殊的產品，其特征表現在電能的生產、傳輸、供應和消費必須在同一時刻完成。電力系統的負荷瞬息萬變，根據負荷變動的特征，可將其變動規律分類為幾種不同變化的分量。第一種是幅度變化小、周期短（10s以內），一般偶發性強；第二種是幅度變化較大、周期較長（10s～3min）的脈動負荷，屬于沖擊性負荷；第三種是幅度變化大、周期變化緩慢的持續變動負荷，是生產、生活、氣象的大環境。

1 機組功率振蕩故障形成過程

因連日雷雨的惡劣環境影響，造成一組250MW機組輸出功率波動，在所接的功率變送器上的模擬量輸出突然上升。模擬量輸入到 DCS系統，DCS系統判斷出機組輸出過大，發出控制信號給DEH系統。具體信號傳遞框圖如圖1所示。

DEH系統的液壓伺服系統發出閥位控制信號，經過伺服板傳送到對應的電液伺服閥，繼而控制活塞位置下移。由于位移傳感器（LVDT）的拉桿和活塞連接，活塞移動由位移傳感器位置信號送入伺服板，直到與閥位指令相平衡時活塞停止運動。此時蒸汽閥門的開度調整完畢，完成了電信號——液壓力——機械位移的配合動作。隨著原始的功率變送器上模擬量輸出的變化，油動機不斷的調節蒸汽閥門的開度，機組的輸出功率也不斷變化。

圖2 液壓伺服系統工作原理框圖

整個故障的起因是功率變送器監測到機組功率過大，其模擬量輸出相應上升，導致蒸汽閥門的關小，目的是使機組功率下降到正常水平。然而在此動作過程中，功率變送器再次監測到機組功率過小，其模擬量輸出相應減小，導致蒸汽閥門開大，使機組功率上升。經過幾次這樣循環，產生了一次機組功率振蕩。此后就不停的有這樣的振蕩，造成了機組整個控制系統經常動作，整個機組功率輸出無法穩定。具體流程如圖3所示。

2 常規功率變送器的原理

機組的三只功率變送器型號為FPW-201，為浙江涵普電力科技有限公司（原海鹽普博電機有限公司）2005年生產，是常規模擬電路設計的功率變送器，本文簡稱常規功率變送器。

三相功率變送器可分為三相三線（三相二元件）和三相四線（三相三元件）二類。其測量原理是相同的，僅是其接線方式不同。

三相功率變送器實際上是把二個（二元件）或三個（三元件）單相功率變送器的測量疊加，從而得到三相功率?；驹砜驁D如圖4所示。

在時分割乘法器中，待測 50Hz電壓（圖紫色正弦曲線）與高頻1000Hz三角波（圖綠色三角線）經過比較器產生矩形脈沖（PWM脈寬調制），每個脈沖的寬度代表電壓的大小，圖可見一個正弦波的最低點對應的脈寬寬度也是最小，正弦波的最高點對用的脈寬寬度最大，一個正弦波被分割成20個脈沖波；這個調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，導通這段寬度里的電流，形成的面積（如圖紅色陰影部分，每段脈沖小于 1ms）就是我們所要的測量的功率值。這個功率值是機組功率調整的基礎。

圖3 機組功率振蕩流程

圖4 常規功率變送器基本原理框圖

圖5 時分割乘法器電路圖

在故障調查過程中，對變送器備品進行測試，輸出紋波含量和響應時間的測試情況見表1、表2。

從表可知功率變送器信號測量符合標準要求，功率變送器本身未發現問題。

圖6 時分割乘法器波形處理圖

表1 功率變送器備品紋波測試

表2 功率變送器備品時間常數測試

3 一次涌流對常規功率變送器的影響

在對主變全壓沖擊或機組并網時，會產生瞬間勵磁涌流，并對電氣二次回路產生諧波功率，可以使功率產生跳變（上升或下降）；當電網發生內部短時故障、接地故障或其他涌流沖擊時，特別是發生接地故障時電流可能為額定的10倍以上，測量CT的鐵心會飽和，一般常規變送器的輸出會產生無規則的畸變。以此可見電力的生產和使用總是暴露在涌流的威脅之下，而各種應對方案也層出不窮。

功率變送器在正常輸入時沒有出現問題，可以推斷是現場的輸入對功率變送器的影響，才產生了機組振蕩。對此，將現場某次故障錄波文件導入繼保儀進行故障回放，并將繼保儀輸出的交流電流、電壓輸入到功率變送器查看其輸出波形，波形圖如圖7所示。

圖7中的藍色波形代表現場的電流，黃色曲線是功率變送器的功率輸出。結合功率變形器的原理，在一次涌流的影響下，變送器時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）導通的電流幅值特別大，造成那一小段時間里的功率大增，功率變送器模擬量輸出相應大增（黃色曲線波動更大）。即由一次涌流的影響，導致了變送器所輸出的功率測量值比實際功率值大。如圖8所示，在圖6的基礎上，紅色陰影部分，在幾個地方的幅度增大了，其面積表示的功率也成倍增加。

圖7 故障錄波和對應模擬功率變送器輸出圖

圖8 有涌流進入的時分割乘法器波形示意圖

同理，當電流波動中有電流減小時，功率變送器也會有比實際功率值偏?。▓D8陰影面積減小）的情況。據此推論，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7的涌流必定超過了圖5時分割乘法器中積分電路的電流（Ia）輸入范圍，這是帶積分器常規功率變送器不能解決的問題。

4 數字式功率變送器

實際電力監控中，功率變送器可不對短暫的涌流等偶發性波動進行測量和輸出，為此而設計了FPWK-301D數字式功率變送器，目的是彌補模擬變送器固有特性在實際使用中對電流波動判斷的不足。

FPWK-301D數字式功率變送器采用大規模集成電路，應用數字快速采樣處理技術,集成化程度高，工作更加可靠，具有優異的精度、線性度和長期穩定性,抗干擾性強和抗諧波影響能力強。

數字式的功率變送器原理如圖9所示。

圖9 數字式變送器原理框圖

由圖10采樣波形可見數字式變送器，將所要測量的電壓（或電流）正弦波進行采點分割計算，橫軸將一個周期分為64塊，每一塊都近似為一個長方形，將每一塊的電壓幅值乘以電流幅值再乘以分割成的時間（50Hz就是 20ms/64點），得到每一塊的功率，再進行累加即可。

圖10 數字式變送器采樣波形圖

數字式變送器從交流采樣開始都由微處理芯片的程序進行處理。在芯片的編程處理中，人為的濾除輸入突變信號，并將穩態的測量值做窗型濾波，使得變送器的輸出更加穩定，受外界突變信號的干擾影響小。

對 FPWK-301D數字式功率變送器進行測試，其中輸出紋波含量和響應時間的測試情況見表 3、表4。

表3 數字式功率變送器備品紋波測試

表4 數字式功率變送器備品時間常數測試

從表 3、表 4可知數字式功率變送器信號測量符合標準要求，且主要性能較常規變送器更高。

5 數字式功率變送器使用效果分析

圖 7所示波形是將故障波形用繼保儀輸入到FPW-201有功功率變送器，來查看波動對功率變送器的影響，藍色部分波形在某一時刻有突變，黃色顯示了功率變送器的輸出值。

當電流波動一次以后，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。

將圖7所用的故障錄波文件，再次用繼保儀回放到 FPWK-301D有功功率變送器，其輸出的波形如圖11所示。

圖11 故障錄波和對應數字式變送器輸出圖

對比圖11和圖7可以得出，使用數字式的變送器，短暫的波動被濾波器濾除，而在之后的電流振蕩部分，也是整體抬高不到1%，而不是隨之波動，這些都是圖9中電流窗型濾波所能產生的效果。由于數字式功率變送器的電流濾波對采樣值良好的處理，變送器的功率輸出基本沒有受到影響，成功濾除了短時涌流。試驗證明，用上數字式變送器后，功率變送器輸出值更穩定。

6 結論

本文闡述了機組功率通過變送器、DCS系統、DEH系統、液壓伺服系統的反饋調整過程，通過分析功率變送器原理來說明涌流的影響，揭示了機組功率振蕩的具體過程和根本原因。并為此設計了FPWK-301D數字式變送器，此變送器響應迅速，工作穩定，線性度和精確度好，抗干擾性強。試驗證明使用該數字式功率變送器能濾除短時涌流等偶發性負荷變動，彌補了常規功率變送器的不足。

[1] 謝勇, 王雨. 線路單相接地故障引發機組振蕩原因簡析[J]. 電氣技術, 2013(3): 82-85.

[2] 李立新. 電力變壓器涌流分析[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2007.

[3] 余燕山. 自動發電控制（AGC）及其實際應用[J]. 浙江電力, 2005, 24(6): 30-32.

[4] 劉媛杰, 樸在林. 基于DCS汽輪機DEH控制系統的優化研究[J]. 浙江農業學報, 2011, 23(5): 1034-1037.

[5] 龍軍, 吳杰康. 8098單片微機電量變送器的應用[J].廣西電力技術, 1996(2): 31-33.

[6] 王英. 三相功率變送器[J]. 電測與儀表, 1994, 31(4):22-23.

[7] 付鋼, 李磊. 電磁干擾造成發電事故的一次典型分析[J]. 山東電力技術, 2008(2): 27-28, 55.