電網甩負荷判斷裝置的實現方法

張 鵬，尚明宏，趙先元

(中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

0 前 言

在水電站運行中，甩負荷是對水輪發電機組安全運行造成較大影響的一個暫態過程。甩負荷可能發生在發電機出口斷路器，也可能發生在電網某個送出線路斷路器上。與電網解列后的機組可能不帶負荷，也可能帶近區負荷運行。由于電網甩負荷的復雜性，導致了機組最終狀態的不確定性：機組可能因過速而緊急停機，也可能正常轉為空載狀態。

通過調整適合的調速器控制模型和參數，當外部事故引起發電機出口斷路器跳閘時，機組都能正常轉換至空載狀態[1-2]；但當接入變電站輸出線路上斷路器跳閘時，一般都會造成機組因過速而緊急停機、勵磁系統跳閘滅磁、廠用電丟失等狀況。

由于國外電網薄弱，多為小網或孤網運行，使在國內電站已存在的電網甩負荷導致機組過速問題，在國外電站表現得更加頻繁和突出。

老撾某中方電站，僅在2017年7月就出現了10起機組甩負荷，均由電網故障引起。其中只有1起是電站送出線路差動保護動作跳出線斷路器，機組轉速控制在65 Hz以下并成功轉到空載狀態運行；余下的9起均為接入變電站送出線路斷路器跳閘，機組轉速快速上升到機械過速值(70 Hz)而緊急停機，導致電站勵磁系統跳閘滅磁、廠用電丟失、機組進水球閥關閉。

在非洲某中方電站，由于整個電網薄弱，頻繁出現電網低頻現象，引起電站發電機組勵磁電流過大，保護動作跳出口斷路器和滅磁開關，導致SiC滅磁電阻因頻繁、大容量滅磁而過熱損壞。

1 原因分析及對策

分析機組在發電機出口甩負荷和遠方電網甩負荷的差異如下：

水電站調速控制系統中，只要控制參數調整合適，在發電機出口甩負荷時，調速器通過發電機出口斷路器的接點信號檢測到出口跳閘，直接在程序流程中通過改變開度限制值[3- 4]，將導葉開度迅速關閉到空載開度以下，并轉頻率模式運行，即能保證發電機轉速不會超過電氣或機械過速整定值。該電站在發電機出口甩100%負荷時，調速器轉頻率模式后短時間將導葉全關，機組頻率最高值<65 Hz(見圖1)。

圖1 發電機出口甩負荷波形

如果發生電網甩負荷，短時間內調速器檢測不到機組脫網信號，調速器開度控制模式造成導葉不動，當機組頻率高于52 Hz后(該國外電站電網頻率變化范圍較大，多設置為52 Hz；國內電網頻率波動范圍較小，一般設置為50.5 Hz)，調速器控制轉頻率模式，通過PID運算逐步關閉導葉，導致機組轉速迅速上升，達到過速保護整定值而緊急停機[5]。造成機組跳滅磁開關、廠用電消失以及進水閥關閉等不良后果，給電站的運行造成一定的安全隱患。

為了準確地判斷甩負荷工況，該電站將發電機出口斷路器、主變高壓側斷路器和線路出口斷路器的輔助接點串聯后，開入調速器作為甩負荷的判據，但依然不能判斷出電網側甩負荷工況。為了保證近區供電的可靠性和機組安全，采取一種智能裝置快速判斷出電網甩負荷、電網低頻等工況，成為解決電網甩負荷導致機組過速問題、電網低頻損壞電站設備問題的一種有效途徑[6]。

2 硬件實現

該電網甩負荷判斷裝置需要采集發電機工況參數進行綜合判斷，包括：發電機電壓幅值及頻率、電流幅值及突變量、發電機出口斷路器狀態等。該裝置需要具備功率變送器功能，以滿足調速器功率控制模式的需要。該裝置還需要具備TCP/IP接口和RS232/RS485接口，以用于裝置調試和設置定值。根據以上功能需求，整個硬件系統原理框圖設計如圖2所示。

圖2 硬件系統原理示意

圖3 定子電壓采樣設計原理

2.1 三相電量采樣電路設計

該電站中，機組出口PT變比為10 kV/110 V，CT變比為5 000 A/1 A。在裝置內設計微型高精度電流互感器和電壓互感器各3個，其中電流互感器變比為5A/2.5 mA；電壓互感器變比為2 mA/2 mA，采用電流型電壓互感器。電路中設有5個10 kΩ高精度電阻將約70 V相電壓信號轉換成低于2 mA的電流信號。電壓互感器和電流互感器輸出的電流信號均進入后端運算放大器LM224。LM224輸出的電壓信號進入ADC芯片。見圖3、4。

圖4 定子電流采樣設計原理

圖5 DAC8760功能

電量采集的AD轉換選用AD7606數據采集芯片，支持8通道16位同步數據采集的ADC。內置模擬輸入箝位保護，可耐受最高±16.5 V電壓。二階抗混疊濾波器，跟蹤保持放大器，靈活的數字濾波器和串行/并行接口。AD7606采用5 V單電源供電，可以處理±10 V和±5 V真雙極性輸入信號，同時所有通道均能以高達200kSPS的吞吐速率采樣。

2.2 模擬量輸出電路設計

數模轉換電路的核心芯片選用DAC8760，該芯片精度高，全面集成16位數模轉換器(DAC)，此轉換器設計用于滿足工業過程控制應用的需要。這些器件可被設定為一個范圍介于4～20 mA，0～20 mA，或0～24 mA的電流輸出；或者作為一個范圍介于0～5 V，0～10 V，±5 V，或±10 V的電壓輸出，可超出量程范圍10%。考慮到與調速器電柜中的原功率變送器輸出一致，在硬件上分別設計了兩路電流輸出和兩路電壓輸出。

2.3 通信口設計

為了現場調試和參數設置的方便，在電網甩負荷判斷裝置中設計了以太網通信接口。

以太網接口采用了W5200芯片的一體化解決方案。W5200是由已經通過考驗的全硬件TCP/IP協議棧、以太網網絡層和物理層的整合而成。其全硬件的TCP/IP協議棧全程支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協議，而且已經在各種實際應用中得以證明。W5200使用32 kB緩存作為其數據通信內存，只需通過使用一個簡單的socket程序就能實現以太網的應用，簡化了開發周期，降低了研發風險。W5200芯片結構如圖6所示。

圖6 W5200結構

3 軟件實現

電網甩負荷判斷裝置需要根據機組電壓幅值、頻率、機組電流幅值、電流突變值和斷路器狀態判斷出電網甩負荷和電網低頻工況，同時還要具有功率變送器的功能，所以對上述電量的精度要求較高。采樣方式和計算方法的選擇決定了裝置實現上述功能的正確性和可靠性。

3.1 采樣方式和頻率測量

交流電量的采樣通常有定頻采樣和變頻采樣兩種，采樣的精度與采樣的周期關系密切。為了減少中斷次數、減少計算量和保證采樣精度，本裝置采用了變頻采樣，通過插值算法獲取過零點時刻，然后通過過零點時刻計算信號周期，并在周期內對交流信號進行24點采樣計算。

現對機組電壓的頻率測量、同相電壓電流相角差計算進行詳細分析如下：

測頻測相的方法如圖7所示，在過零點附近連續兩次采樣得到V+、V-兩個值，采樣時刻分別為t+、t-，如果V+≥0，V-<0，則通過插值計算可以得到電壓過零點時刻。

圖7 插值獲取過零點時刻

(1)

式中，V+、V-是過零點時刻最近的前后兩個電壓值；t+、t-分別為采樣到V+、V-的采樣時刻值。

同一路信號連續兩個下降沿過零點的時間差就是周期。

T=tk-tk-1

(2)

式中，tk是本次信號過零點時刻；tk-1是上一次信號過零點時刻；T為計算出的電量周期。

同一相電壓電流信號相近的兩個下降沿過零點時間差可以進一步折算成相角差。

(3)

式中，tV是電壓信號最近的過零點時刻；ti是同相電流信號最近的過零點時刻；φ是同一相電壓量和電流量的相角差。

3.2 電壓和電流的采樣和功率的計算

該裝置的軟件程序主要包括定子電流幅值、定子電壓幅值、有功功率的采樣計算。

電壓和電流采樣都采用均方根值算法，對一個信號周期內連續采樣得到的N個電壓信號和電流信號(見圖8)，按如下公式計算其真有效值U和I。

圖8 電壓和電流信號采樣示意

(4)

(5)

進而可以得到視在功率

S=U·I

(6)

而通過此前公式得到的相角差可以進一步計算出有功功率和無功功率。

P=S·cosφ

(7)

Q=S·sinφ

(8)

3.3 電網甩負荷及電網低頻的判斷邏輯

對電網甩負荷的判斷，主要包括兩個狀態：電網甩負荷后的暫態和一段時間后的孤網穩態。

通過對前期電網甩負荷時故障錄波裝置記錄的定子電流波形進行分析，定子電流在1個周期內即降到一個很小的穩態值，隨后機組頻率快速上升。由此可給出電網甩負荷判斷條件如下：

(1)電網甩負荷判斷條件1。判據包括電站斷路器分/合狀態、定子電流向下突變量Isud、頻率設定值FreqRej1、頻率上升的延時時間Ts。機組及線路斷路器合的條件下，定子電流向下突變量Isud>0.5Ign，在隨后的延時時間Ts(設置為8 s)內，只要機組頻率上升達到FreqRej1(設置為52 Hz)，即開出電網甩負荷信號。頻率低于50.5 Hz后復歸信號。

(2)電網甩負荷判斷條件2。判據包括電站相關斷路器分/合狀態、定子電流值Ih、頻率設定值FreqRej2。機組及線路斷路器合的條件下，定子電流Ih<0.1Ign，只要機組頻率上升達到FreqRej2(設置為54 Hz)，即開出電網甩負荷信號。頻率低于50.5 Hz后復歸信號。考慮到該電站附近后期還有一個稀土礦廠的負荷，甩負荷的判斷條件可能會發生改變，以上判據中的定值可以通過上位機軟件進行設置并保存。

(3)電網低頻判斷條件。判據包括電站相關斷路器狀態、定子電流值Ilow、頻率設定值Freqlow。機組及線路斷路器合的條件下，定子電流Ilow>0.8Ign，只要機組頻率低于Freqlow(設置為47 Hz)，即開出電網低頻信號。頻率上升到Freqlow+0.5 Hz時信號復歸。

3.4 上位機調試軟件

為了參數設置和調試方便，開發了電網甩負荷裝置相對應的上位機界面軟件。界面軟件基于C++編程語言進行編寫，通過以太網接口和裝置通信。

該應用程序主要用于相關實時數據顯示、電網甩負荷及低頻工況開出指示、模擬量輸出值顯示、事件記錄和定值設置等。

應用程序包含1個窗口主界面和3個子窗口。主窗口實時顯示三相電流電壓、頻率、有功功率、無功功率以及三相相位差。電氣量實時顯示欄下方是狀態和故障提示欄(低頻動作/復歸、甩負荷動作/復歸、三相逆序、參數設置成功/失敗、PT斷線)。當故障發生，工況變化對應的狀態會提示給用戶。狀態和故障顯示欄下方是兩路開入，兩路開出和一路模擬量輸出實時顯示。主界面底端為4個按鈕分別為參數設置，相位校準，故障記錄和網絡連接。

定值設置界面(見圖9)中包括了輸入裝置的額定定子電壓和額定定子電流值，電網低頻和電網甩負荷判據的定值輸入及修改等。

圖9 定值設置界面

4 結 論

本文詳細介紹了一種智能裝置的實現方法，通過該裝置可以準確的判斷電網甩負荷和電網低頻的工況，同時開出接點給調速器(電網甩負荷)和機組保護裝置(電網低頻)。通過調速器的控制，在機組頻率下降到50.5 Hz后，電網甩負荷接點復歸，機組平穩地過渡到孤網工況。該裝置已通過試驗驗證，正用于國外相關電站運行。