交流采樣測量裝置在抽水蓄能機組中的應用研究

施宏亮，張順仁

(上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090)

?

交流采樣測量裝置在抽水蓄能機組中的應用研究

施宏亮，張順仁

(上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090)

結合抽水蓄能機組發電停機過程中逆功率現象的試驗發現，造成該機組發電停機逆功率現象的主要原因是：交流采樣測量裝置在電壓電流變化迅速、三相電流不平衡的情況下，輸出有功功率存在較大延時和誤差。依據此裝置校驗規程提出了抽水蓄能機組監控系統中使用的交流采樣測量裝置存在檢驗不足問題。

交流采樣測量裝置；抽水蓄能機組；三相不平衡；有功功率

抽水蓄能機組因其出力響應迅速、調節方式靈活，已成為現代電網不可或缺的調峰填谷手段。抽水蓄能機組具有發電和抽水可逆運行的特點，由于工況轉換頻繁，計算機監控系統的順序控制必須具備較高的準確性和自動化，以保證機組的安全穩定運行。

在實現自動化的過程中，最關鍵的環節是數據采集，其中機組的電測量信號主要由交流采樣測量裝置或傳統電測量變送器采集，這些電測量信號不僅用作監控后臺顯示，部分數據還作為機組順控邏輯的重要判據。通過交流采樣測量裝置進行數據采集、轉換、計算后得到的電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數等數據有著較高的準確度和穩定性。

1 交流采樣測量裝置的基本原理

交流采樣法是按一定規律對被測交流信號量的瞬時值進行采樣，經軟件按一定的數學算法進行數值處理，從而獲得被測量信號。采樣所得的信號要經過A/D轉換器轉換成數字量，而A/D轉換需要一定的時間才能完成，為使被變換量在轉換過程中保持不變，采集器必須和保持器配合，在兩次采樣的間隔內，保持器輸出的信號保持不變。原理如圖1所示。

圖1 交流采樣示意圖Fig.1 AC sampling diagram

從示意圖上可知，一條光滑的被測正弦信號被一條階梯狀曲線所代替，誤差主要有兩項：第一，時間上連續的數據被時間上離散的數據所代替產生的誤差，主要取決于A/D轉換器的速率和處理器的運算能力。第二，由A/D轉換器的位數引起的量子化誤差，這是對連續電壓、電流量化產生的誤差[2]。理論上數據采樣頻率越高，就越接近被測信號，準確度越高。

交流采樣的算法較多，筆者介紹交流信號有功功率的積分算法，三相有功功率也是基于單相功率測得，單相有功功率的計算公式如下：

(1)

其中u(t)、i(t)為交流電壓、電流的瞬時值，T為交流信號的周期。

對式(1)的連續信號進行離散化處理，可得：

(2)

同理，三相有功功率的算法為：

(3)

將式(3)的連續信號離散化，可得：

(4)

對于對稱三相三線制電路中，由于：

iA+iB+iC=0

(5)

三相有功功率的計算可簡化為：

(6)

2 某抽水蓄能電站機組逆功率現象試驗

2.1 試驗概況

某抽水蓄能電站裝有4臺單機容量為250 MW的單級混流可逆式水泵水輪機組，自投運以來，一直存在發電停機過程中短時逆功率現象，即當機組發電停機過程中有功功率下降為0后未分閘，又從電網吸收有功功率的現象。雖然調試期間就發現該問題，但一直未能找出真正原因，對機組負荷調節和網頻調節極為不利，且極易影響機組使用壽命[3]。

該電站發電停機順控流程中主要步驟為：當監控系統收到發電停機令后，快速關閉導葉降負荷，在負荷下降的過程中，當監控順控流程檢測到機組有功功率<10%且無功功率<5%或導葉關閉且無功功率<5%時，由監控系統發分GCB令，實現發電停機。

順控流程中功率判據是由交流采樣測量裝置采集機端電壓、機端電流，經計算后將所有數據通過Modbus傳輸至監控ALSPA CE2000 CPU模塊，監控系統再由ALSPA CE2000 AO模塊將功率等信號傳送至其他后臺。該電站所用的交流采樣測量裝置型號為PECA 301(進口)，除通信接口外，還配有3路功率模擬量輸出(4～20 mA)，其主要測量參數如表1所示。交流采樣測量裝置每年都進行周期檢驗，檢驗結果合格。

表1 交流采樣測量裝置測量參數表Tab.1 AC sampling measurement device measurement parameters

本次試驗為該電站4號機組，測點布置：機端電壓、機端電流、機組有功(通過采集機端電壓電流計算得出)、導葉開度、分GCB令、交流采樣測量裝置輸出有功模擬量(簡稱：交采有功)、監控系統AO模塊輸出有功模擬量(簡稱：監控有功)，信號全部接入高頻采集器(儀器準確度優于0.2級，采樣頻率51.2 kHz)。

2.2 試驗分析

4號機發電運行(有功功率150 MW、無功功率1 Mvar)一段時間后正常停機，停機曲線如圖2所示。停機過程中，有功從150MW下降至0大約13 s，根據順控判據，有功下降至25 MW時，監控應發分GCB令，但從圖2分析，有功下降至25 MW時，監控系統并未發分GCB令，有功繼續下降直至0后，變為從電網吸收有功(逆功率)，逆功率持續運行約2.8 s后才分GCB，機組最大逆功率約74 MW。停機過程中當滿足順控停機判據(有功為24.9MW，無功0.8 Mvar，導葉開度20%時)至監控實際發分GCB令延遲約3.5 s。

圖2 4號機組發電停機過程Fig.2 Standstill process of Unit 4 generator

對交流采樣測量裝置有功模擬量輸出(4～20 mA)、監控系統AO模塊有功輸出(4～20 mA)進行對比，發現其有功輸出波形存在明顯階梯狀，如圖3所示。對“交采功率”和“監控功率”波形進行分析可知，交流采樣測量裝置模擬量輸出的有功，幅值明顯滯后機組實際有功，且信號輸出呈階梯狀，每個階梯持續約600～700 ms，當交采有功下降至50 MW左右時突然突變為-50 MW。對應的監控AO模塊輸出有功，幅值滯后交采有功，每個階梯持續約1.5～1.8 s，當監控AO輸出有功下降至80 MW左右時突然突變為-50 MW。由此可判斷交采功率滯后實際功率，監控功率滯后交采功率，當監控系統檢測到有功判據滿足發電停機條件時，是在有功突變的時刻，結合交流采樣原理，確定造成機組逆功率運行的原因為交流采樣測量裝置數據輸出存在延時和誤差。

圖3 發電停機各功率采樣對比Fig.3 Comparison of active power sampling during generator to standstill

圖4 發電停機機端電壓、機端電流對比Fig.4 Comparison of voltages & currents during standstill of generator

由于交流采樣測量裝置只采集機端電壓、電流，故對機組三相電壓、三相電流進行分析，如圖4所示，發現三相電壓幅值相等相位對稱，但三相電流幅值存在偏差，選取停機前至發電停機過程中電流有效值進行比較，如表2所示，A相電流(IA)最小，B相電流(IB)最大。由交流采樣測量裝置的參數可知，在三相不平衡系統，計算周期為325 ms(三相平衡系統為180 ms)，由于4號機組機端三相電流的不平衡，使得交流采樣測量裝置運算周期增加，再加上通信延遲，使機組未能在實際功率<10%時分閘。

表2 4號機組停機過程中電流有效值對比Tab.2 Comparison of the current effective value of during standstill of Unit 4 generator

3 交流采樣測量裝置檢驗

目前交流采樣測量裝置的檢驗主要依據《交流采樣測量裝置校驗規范》(簡稱規范)和《交流采樣測量裝置運行檢驗管理規程》(簡稱規程)。檢驗類型分為投運前檢驗和周期檢驗。針對由不平衡電流引起的交流采樣測量裝置誤差和延時檢驗，主要有兩點：

第一，不平衡電流對三相有功功率、無功功率引起的改變量檢驗(投運前檢驗)。檢驗方法：在參比條件下，輸入三相平衡電壓電流，調整電流使其為較高標稱值的一半，測定有功功率和無功功率輸出值，記為EX，斷開任一相電流，調整其他兩相電流，保持其有功或無功功率輸入的初始值不變，測定此時輸出值，記為EXC，計算不平衡電流引起的改變量如式(7)所示：

(7)

式中：AF為輸出基準值[4]。

第二，響應時間試驗(投運前檢驗和周期檢驗)。檢驗方法：電測量輸入回路施加一個信號，使其從標稱值的10%變到100%或從100%變到10%，觀察顯示數值變化，記錄施加信號至數值變化的時間。規程要求此時間，在交流采樣測量裝置就地顯示屏顯示時不大于1 s，在交流采樣測量裝置維護端口輸出顯示時不大于2 s，在當地主站、模擬主站顯示時不大于3 s[5]。

但投運后的的交流采樣測量裝置所測的電壓、電流不可能是標稱值，因而對投運前的校驗要求就更為嚴格，針對不平衡電流引起的誤差和延時的檢測并不能真正符合現場實際運行情況，并沒有有效的檢驗方法定量記錄和分析，因此，目前現場校驗還是以(規范要求)外觀檢查、絕緣電阻測量、基本誤差校驗為主。

4 結語

通過對交流采樣測量裝置的試驗研究，解決了困擾該電站多年的機組發電停機逆功率的問題。雖然該電站的交流采樣測量裝置每年都會送檢，檢驗結果也都合格，但就是這個“合格”的檢驗結果，造成該電站尋找問題原因的方向錯誤，對機組本身、出口斷路器(GCB)的壽命、電網功率調節品質都造成了一定影響。針對抽水蓄能電站監控系統中使用的交流采樣測量裝置，因其使用環境的特殊，對準確度和響應速度要求更嚴格，對現場檢驗方法也提出了更高要求。

[1] 彭煜民.抽水蓄能機組工況轉換與順序控制[J].水電站機電技術，2007，(02)：4-5.

[2] 盧有龍.交流采樣測量裝置在電力系統中的應用[J].電力設備，2005，(07)：17-18.

[3] 林祖建.抽水蓄能機組調試主要問題分析與處理[C]//抽水蓄能電站工程建設文集，2015.

[4] 國家電網公司. Q/GDW 1899-2013，交流采樣測量裝置校驗規范[S].北京：國家電網公司，2013.

[5] 國家電網公司. Q/GDW 140-2006，交流采樣測量裝置運行檢驗管理規程[S].北京：國家電網公司，2006.

Application research of AC sampling measurement device in pumped storage unit

SHI Hong-liang,ZHANG Shun-ren

(Shanghai Minghua Electric Power Technology Engineering Co.,Ltd,Shanghai 200090,China)

Combining with the emergence of reverse power during a pumped storage unit from generator to standstill mode,the main reason of power reverse is that the AC sampling measurement device has lager delay and error in the output active power when the voltage and current change rapidly and the three-phase current is not balanced. Finally,according to the device calibration procedures,there is a problem that the device used in the monitoring system of the pumped storage unit has insufficient inspection.

AC sampling measurement device; Pumped storage unit; Three-phase imbalanced; Active power

2016-12-03

施宏亮(1986-)，男，助理工程師，學士。

TV743

A

1674-8646(2017)06-0060-03