一種網源協調中有功功率變送器暫態特性指標評價方法

徐明宇，王 冰，崔佳鵬，陳曉光，武國良

(1.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱智能熱電設計院，黑龍江 哈爾濱 150090)

網源之間能量平衡關系是由電網實際負荷需求和機組輸出功率一致性所決定的，穩定這種網源之間能量動態平衡關系需要依靠機組協調控制系統來實現[1]。目前大型發電機實際輸出功率的測量是采用3臺有功功率變送器輸出的中值作為參與發電機組協調控制的最終測量值，所以有功功率變送器的精度對平衡網源間的能力關系至關重要[2]。

根據相關技術規范，有功功率變送器只需滿足穩態情況下的測量精度要求，而對諸如線路或主變壓器故障等暫態情況下的測量并無相關要求，JJG 126—1995《交流電量變換為直流電量電工測量變送器》僅僅規定變送器響應時間一般為400 ms以內，其他并沒有詳細規定[3]。當電網功率快速變化時，有功功率變送器受自身算法及動態特性所限，無法準確反映網源之間的功率變化[4]，造成火電機組協調控制系統發生設備誤動或拒動等情況，嚴重情況將會影響電網的安全穩定運行[5]。因此，有必要對有功功率變送器的暫態響應特性進行相關測試，掌握其暫態響應特性規律，提出其暫態特性評價方法，以確定其輸出信號在機組協調控制系統的相對適用性[6]。

本文利用電力系統全數字仿真裝置(ADPSS)搭建典型發電廠仿真模型，通過設置不同故障錄取有功功率變送器暫態變化波形，分析其變化規律，結合火電機組協調控制系統的調節特性，總結有功功率變送器暫態性能評價方法。

1 暫態故障模型

本文利用收集的實際數據在ADPSS仿真軟件中搭建典型發電機組模型，在線路出線最近端設置不同類型金屬性故障，具體仿真模型如圖1所示。1號發電機定子電壓和電流的采集是通過ADPSS的物理接口箱和功率放大器實現的，有功功率變送器將接收到的信號傳遞給電量記錄分析儀，并變換為有功功率值，分析對比與實際錄取的有功功率曲線的差異。

圖1 仿真模型

2 故障分析

故障時實際有功功率及7臺有功功率變送器測取有功功率的暫態變化如表1所示(P7由于暫態特性較差，這里不作記錄)。

在AN瞬時故障發生時，機組有功功率波動起始時間為0.179 s，達到穩態時間為2.03 s，持續1.851 s，在此項故障過程中功率波動最大值和最小值分別為故障前功率的127.85%和63.342%。

在AN永久故障發生時，機組有功功率波動起始時間為0.195 s，達到穩態時間為2.615 s，持續2.420 s，在此項故障過程中功率波動最大值和最小值分別為故障前功率的138.418%和48.157%。

在AB永久故障發生時，機組有功功率波動起始時間為0.195 s，達到穩態時間為2.430 s，持續2.235 s，在此項故障過程中功率波動最大值和最小值分別為故障前功率的135.831%和47.185%。

從數據分析可以看出，相間故障整個波動過程與瞬時單相接地極為類似，時間和波動值較為接近，只不過相間故障整個波動過程稍長一點，波谷值也稍低一些。

在ABN永久故障發生時，機組有功功率波動起始時間為0.179 s，達到穩態時間為2.401 s，持續2.222 s，在此項故障過程中功率波動最大值和最小值分別為故障前功率的137.04%和32.811%。從數據分析可以看出，相比相間故障，相間接地故障時功率波動的趨勢較為一致，但波動范圍更大一些。

表1 待測有功功率變送器功率波動指標

在ABC永久故障發生時，機組有功功率波動起始時間為0.180 s，達到穩態時間為2.750 s，持續2.570 s，在此項故障過程中功率波動最大值和最小值分別為故障前功率的142.801%和0.101%。

從數據分析可以看出，三相故障與其他類型故障在功率波動的趨勢上基本一致，但是三相故障時的功率波動范圍最大，波谷值幾乎下降到0，波峰則產生在波動的后半階段，即第二次峰值。

3 有功功率變送器與機組協調控制系統

3.1 DEH控制系統

各發電廠通過使用汽輪機數字電液控制系統(DEH)實現汽輪發電機組轉速和功率的調節，使其能夠滿足電網安全穩定運行的要求，其中汽輪機的調節器是DEH系統中最為核心的部分。調節器的主要作用是調整汽輪機的進汽量，從而使汽輪機的轉速、主汽門前的壓力、負荷能夠達到要求。進汽量的調整主要通過控制高、中壓調門的開度實現的。另外，調節器可以通過限制高排溫度和高壓葉片壓力實現汽輪機調節功能的保護，并具備通過快速增減出力實現對電網偏離頻率的修正和調整的能力，不僅能夠保證廠用電在機組受到大擾動時穩定運行，也使得汽輪機能夠在額定轉速下安全穩定運行[7]。

3.2 有功功率變送器測量值與DEH控制系統

有功功率變送器是DEH中重要的測量組成部分，汽輪機調節器相應的模塊和自動設備接收的發電機實際負荷PEL為有功功率變送器所測量數值PEL1、PEL2、PEL3實際負荷值的中間值。模塊會監視3個實際負荷值PEL1、PEL2、PEL3的有效性和準確度，并將失效信息STPEL1/2/3輸出到運行和監控系統。1個實際值失效或偏差過大，選用剩下2個值的大值輸出；2個實際值失效，選用未失效實際值；3個實際值均失效，選用替代值SV。最終所產生的發電機實際負荷值將進入到相應的邏輯中參與相關的控制與保護[8]。

3.3 有功功率變送器測量值與DEH甩負荷保護

突發故障引起的斷路器或線路跳閘都會造成正常運行的機組發生甩負荷事故，此時汽輪機的輸入能量和輸出能量無法實現平衡，以至于造成汽輪機轉速快速上升，甚至出現汽輪機超速情況的發生。考慮汽輪機超速造成的嚴重后果，所以通過對DEH配置超速安保系統，來防止汽輪機超速情況的發生。一般比較先進的DEH具備識別機組甩負荷的能力。為有效防止汽輪機超速事故的發生，通過調門的迅速關閉實現機組由負荷控制模式轉換為轉速控制模式，同時也保證了汽輪機恢復到額定轉速時，機組可以在空載或維持常用電的狀態下安全穩定運行。甩負荷識別功能LAW將甩負荷分為兩種方式。

第一種方式是短甩負荷，即瞬時負荷中斷KU，機組的功率信號出現瞬時降低的負荷量超過甩負荷識別極限值GPLSP，一般來講，瞬間降低功率值約為額定功率的40%，即可認為機組發生瞬時負荷中斷KU。

第二種方式是長甩負荷LAW，同時滿足以下4個條件觸發短甩負荷KU且延時2 s后觸發5 s定寬脈沖長甩負荷LAW信號：

a.GP2EB(2倍的廠用負荷)>實際負荷；

b.GP2EB(2倍的廠用負荷)<(有效負荷設定值-實際負荷)

c.GPNEG(逆功率值)<實際負荷；

d.在發電機出口開關和主變高壓側開關閉合后延時3 s內。

瞬時負荷中斷信號KU為150 ms定寬脈沖，該信號發出后，會快速關閉調門(調門的快速關閉并不是由KU直接決定的，而是由閥位指令與調門閥位偏差過大所觸發的)，實現汽輪機能量輸入的減少，有效降低轉速的飛升量。KU在短時間內多次中斷會造成調門開關頻繁動作，所以在KU信號觸發后，通過設定7 s的定寬脈沖閉鎖，使得RS觸發器復位端為1，避免KU的多次中斷。長甩負荷LAW觸發后會切換機組運行方式為轉速控制器帶負荷運行，按照負荷-轉速的對應關系，由操作員設置目標轉速從而達到控制功率的目的[9]。

4 有功功率變送器暫態特性評價方法分析

有功功率變送器暫態特性不好引發瞬時負荷中斷KU(所謂的短甩負荷，機組調門快關)動作時，機組調門短暫關閉再放開。此時，如果機組配有零功率保護或相關熱工保護邏輯，則可能觸發零功率保護或相關熱工保護邏輯動作使得機組誤動解列。

KU判定條件為突然出現負荷干擾大于負荷跳變限值GPLSP(約為70%額定負荷)，并滿足：

a.實際負荷大于逆功率值(一般最大為3%額定負荷)；

b.實際負荷小于2倍廠用電負荷限值(一般為10%額定負荷)；

c.負荷控制偏差大于2倍廠用電負荷限值(一般為10%額定負荷)；

d.機組已并網。

假如有功功率變送器在系統故障時，暫態特性不好，不能反映真實的功率變化，則使機組DEH不能快速、準確調節機組出力。如變送器功率暫態特性不好，功率畸變滿足上述KU動作條件，則會造成機組保護邏輯誤動，造成機組解列跳機，可以用KU的動作條件來判定變送器的暫態響應指標。

根據如上條件對比表1進行判斷，P1在AB、ABN故障時功率下降過低，滿足上述條件，可能造成KU動作，導致零功率保護或相關熱工邏輯誤動作，造成機組解列，對電網安全產生一定影響。

5 結束語

a.本文以ADPSS仿真軟件為主要研究平臺，搭建了典型電廠模型，通過模擬故障對有功功率變送器進行了暫態特性分析。

b.通過對火電機組協調控制系統的研究，分析出KU動作條件，從而提出評價有功功率變送器暫態特性優劣的具體指標。

c.對比分析評價指標與錄取的暫態數據，對幾臺測試的有功功率變送器暫態特性進行了分析評價。

有功功率變送器暫態特性優劣關系到機組協調控制系統能否安全穩定運行，所以有功功率變送器在入網前應該對其暫態特性進行測試，確認其可滿足電網功率突變情況下的功率測量要求。