一種甩負(fù)荷判斷裝置在調(diào)速器控制中的應(yīng)用

尚明宏，董欣未，趙先元

（中國水利電力對外有限公司，北京 100120）

1 概述

南椰2 水電站（Nam Ngiep 2）位于老撾川壙省查爾平原的東南部，為中國在老撾的一個(gè)BOOT 項(xiàng)目，電站裝機(jī)容量3×60 MW，多年平均發(fā)電量為7.2億kW·h。3 臺水輪發(fā)電機(jī)組與3 臺主變壓器采用單獨(dú)單元接線方式，同時(shí)在發(fā)電機(jī)出口和主變壓器出口均裝設(shè)斷路器（圖1）。230 kV 母線通過兩回線路送往椰棉變電站。

圖1 南椰2 電站主接線圖

由于老撾電網(wǎng)薄弱，在雨季期間甩負(fù)荷情況頻繁出現(xiàn)。在2017 年7 月，就出現(xiàn)了10 起甩負(fù)荷工況，均由電網(wǎng)故障引起。其中只有1 起甩負(fù)荷時(shí)主變出口斷路器跳閘，機(jī)組轉(zhuǎn)速控制在65 Hz 以下并成功轉(zhuǎn)到空載狀態(tài)運(yùn)行；余下9 起均為電網(wǎng)變電站送出線路的斷路器跳閘，南椰2 水電站機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到機(jī)械過速值（70 Hz），導(dǎo)致機(jī)組緊急停機(jī)、廠用電源丟失、進(jìn)水球閥關(guān)閉，影響水電站的安全運(yùn)行。

2 原因分析及對策

通過分析南椰2 電站3 臺機(jī)組投運(yùn)時(shí)調(diào)速器的空擾波形和出口甩負(fù)荷波形（圖2 和圖3），可以確定調(diào)速器的PID 控制參數(shù)整定適當(dāng)，在發(fā)電機(jī)出口3 臺機(jī)同甩100%負(fù)荷時(shí)，機(jī)組最高頻率為65 Hz左右，滿足規(guī)范和項(xiàng)目實(shí)際要求。調(diào)速器PID 參數(shù)見表1。

圖2 調(diào)速器空載擾動(dòng)波形

圖3 發(fā)電機(jī)出口甩100%負(fù)荷波形圖

表1 調(diào)速器PID 控制參數(shù)

分析發(fā)電機(jī)出口甩負(fù)荷和電網(wǎng)甩負(fù)荷時(shí)調(diào)速器控制上的差異，主要區(qū)別是在發(fā)電機(jī)出口甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器通過發(fā)電機(jī)出口斷路器的接點(diǎn)信號檢測到出口跳閘，直接在程序流程中應(yīng)用空載開度限制，將導(dǎo)葉開度迅速關(guān)閉到空載開限以下[1-3]，并轉(zhuǎn)頻率模式。而在電網(wǎng)甩負(fù)荷瞬間，由于調(diào)速器檢測不到機(jī)組脫網(wǎng)信號，在頻率高于一定值后（國內(nèi)電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍較小，一般設(shè)置為50.5 Hz），調(diào)速器將控制方式由開度模式轉(zhuǎn)換到頻率模式，對機(jī)組給定頻率和實(shí)際頻率的頻差，應(yīng)用PID 控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。上述控制方式導(dǎo)致調(diào)速器關(guān)導(dǎo)葉速度較慢，機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升，達(dá)到過速保護(hù)整定值而緊急停機(jī)。

為了最大范圍地準(zhǔn)確判斷甩負(fù)荷工況，電站曾將發(fā)電機(jī)出口斷路器、主變高壓側(cè)斷路器和線路出口斷路器輔助接點(diǎn)串、并聯(lián)后，開入調(diào)速器作為甩負(fù)荷的判據(jù)（圖4）。該方法最大限度地考慮了電站內(nèi)部相關(guān)斷路器跳閘的甩負(fù)荷工況，但仍無法判斷頻發(fā)的電網(wǎng)甩負(fù)荷工況。

圖4 1 號機(jī)調(diào)速器出口斷路器信號優(yōu)化

為了保證電網(wǎng)甩負(fù)荷發(fā)生時(shí)機(jī)組安全運(yùn)行和近區(qū)供電的可靠性，采取一種智能裝置快速判斷出電網(wǎng)甩負(fù)荷工況，并提供給調(diào)速器，成為解決電網(wǎng)甩負(fù)荷導(dǎo)致機(jī)組機(jī)械過速問題的一種有效途徑[4]。

3 甩負(fù)荷判斷裝置的實(shí)現(xiàn)

通過檢查以前電網(wǎng)甩負(fù)荷時(shí)的故障錄波圖可以發(fā)現(xiàn)，在電網(wǎng)甩負(fù)荷出現(xiàn)后一個(gè)周期（20 ms）內(nèi)，發(fā)電機(jī)定子電流幅值有一個(gè)向下的突變量（圖5），隨后發(fā)電機(jī)電壓的頻率值上升。

圖5 電網(wǎng)甩負(fù)荷時(shí)定子電壓、電流波形圖

所以，在電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置中，需要對定子電壓的幅值、相位、頻率值和定子電流的幅值、相位進(jìn)行采樣計(jì)算。同時(shí)該裝置具有功率變送器功能。

3.1 裝置硬件部分實(shí)現(xiàn)[5]

電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置硬件系統(tǒng)原理框圖設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 硬件系統(tǒng)原理框圖

在南椰2 電站，發(fā)電機(jī)出口PT 二次側(cè)電壓為110 V，CT 二次側(cè)電流為1 A。在電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置內(nèi)設(shè)計(jì)有三相電壓和三相電流對應(yīng)的6 個(gè)微型高精度互感器。電壓互感器和電流互感器輸出的電信號均進(jìn)入后端的運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器輸出的電壓信號進(jìn)入AD 采樣芯片，進(jìn)行電壓電流幅值、頻率和相位采樣計(jì)算。

用于功率變送器模擬量輸出的核心芯片選用DAC8760，該芯片精度高，滿足功率變送器輸出4～20 mA 需要。

3.2 裝置軟件采樣計(jì)算部分實(shí)現(xiàn)[5]

電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置軟件主要包括采樣計(jì)算和邏輯判斷2 部分，采樣計(jì)算是邏輯判斷的基礎(chǔ)。

程序中主要包括三相定子電流、三相定子電壓和電壓頻率的采樣，還有有功功率、無功功率計(jì)算等。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境檢測領(lǐng)域包括行業(yè)獨(dú)立的環(huán)境檢測公司（或監(jiān)測站）和相近行業(yè)的監(jiān)測站，全國與本項(xiàng)目有關(guān)的檢測公司（或監(jiān)測站）有7 430余家[1]．檢測行業(yè)的需求源于“認(rèn)知”，是社會(huì)發(fā)展催生的新興服務(wù)業(yè)．2014年，國家提出在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域開展第三方監(jiān)測后，全國各地檢測、監(jiān)測公司迅速發(fā)展，之后的2年內(nèi)全國成立了約1 500家第三方檢測公司．

本裝置對定子電壓、電流信號采用變頻采樣方式。先通過插值算法計(jì)算過零點(diǎn)時(shí)刻，然后通過過零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算信號周期，根據(jù)計(jì)算的信號周期改變采樣頻率，保證在每周期內(nèi)對交流信號進(jìn)行24 點(diǎn)采樣。

定子電壓和定子電流幅值計(jì)算都采用均方根值算法，對1 個(gè)信號周期內(nèi)連續(xù)采樣得到的N個(gè)電壓信號和電流信號，按如下公式計(jì)算其有效值U和I：

通過S=U·I計(jì)算出視在功率；通過同相電壓和電流過零點(diǎn)的時(shí)間差計(jì)算得到相角。

tV是電壓信號最近的過零點(diǎn)時(shí)刻，ti是同相電流信號最近的過零點(diǎn)時(shí)刻，φ 為同相電壓和電流的相角差。

通過計(jì)算的視在功率和電壓、電流的相角差，可以進(jìn)一步計(jì)算得到有功功率和無功功率。

4 電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置功能測試

在電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置開發(fā)完成后，對該裝置的功率變送器功能、電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷功能進(jìn)行了測試。

4.1 功率變送器功能

原有功功率變送器標(biāo)準(zhǔn)輸入線電壓為100 V，標(biāo)準(zhǔn)輸入電流為1 A，額定輸入功率為173.2 W，輸出電流為4～20 mA。

通過和原功率變送器對比測試，該功率變送器精度優(yōu)于原功率變送器精度（表2）。為保證通用性，該電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置的功率變送器有0～20 mA、4～20 mA、0～5 V、1～5 V 等輸出方式。

4.2 電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷功能

表2 有功功率變送器輸出功能測試

電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷條件1：

程序流程見圖7（左），其中Isud 為定子電流突變量，Ts為定子電流突變和機(jī)組頻率升高到設(shè)定值的延時(shí)時(shí)間（設(shè)置為8 s），F(xiàn)reqRej1 為機(jī)組頻率上升的定值1（設(shè)置為52 Hz）。

電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷條件2：

程序流程見圖7（右），其中Ih 為定子電流（設(shè)置Ih=0.1Ign），F(xiàn)reqRej2 為機(jī)組頻率上升的定值2（設(shè)置為54 Hz）。

圖7 電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷流程圖

在機(jī)組頻率低于50.5 Hz 后，“電網(wǎng)甩負(fù)荷”狀態(tài)開出信號復(fù)歸。

為保證裝置的通用性和后期近區(qū)負(fù)荷變化后更改方便，以上所有設(shè)置值均可在獨(dú)立開發(fā)的界面軟件中修改和固化。同時(shí)界面軟件中還開發(fā)了按照機(jī)組實(shí)際電壓和電流校準(zhǔn)額定值的功能。

按照以上邏輯和條件，用繼電保護(hù)儀對裝置進(jìn)行了測試，甩負(fù)荷判斷裝置均正確判斷和輸出電網(wǎng)甩負(fù)荷信號。

5 電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置和調(diào)速器的協(xié)同控制

電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置開出的信號，通過繼電器接點(diǎn)開入調(diào)速器控制器。信號接入調(diào)節(jié)器控制器有兩種方式：直接串聯(lián)在圖4 中開入調(diào)速器控制器或獨(dú)立占用一個(gè)DI 通道開入控制器。

為了盡可能避免電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置因硬件問題影響到原斷路器接點(diǎn)開入，保證原斷路器信號可靠性，開入調(diào)速器控制器的電網(wǎng)甩負(fù)荷信號采用了以下2點(diǎn)：①電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置的開出接點(diǎn)采用繼電器的常閉接點(diǎn)；②電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置的開出接點(diǎn)獨(dú)立開入調(diào)速器控制器的一個(gè)DI 通道。

因?yàn)殡娋W(wǎng)甩負(fù)荷接點(diǎn)獨(dú)立開入調(diào)速器控制器DI 通道，需要更改調(diào)速器程序中的軟件判斷邏輯。調(diào)速器軟件邏輯更改見圖8。

圖8 調(diào)速器控制程序修改

圖中的%i0.1.2 為控制程序中斷路器信號（見圖4）開入點(diǎn)，%i0.1.8 為電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置信號的開入點(diǎn)。兩信號進(jìn)行邏輯與后作為并網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)（圖9）。

圖9 控制程序修改邏輯

當(dāng)在機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)，兩開入信號均為“1”，程序判斷“GCB 合”。出現(xiàn)電網(wǎng)甩負(fù)荷工況時(shí)，通過定子電流和機(jī)組頻率變化，裝置開出電網(wǎng)甩負(fù)荷信號，繼電器常閉接點(diǎn)斷開，%i.0.8 由“1”變?yōu)椤?”，調(diào)速器程序中“GCB 合狀態(tài)”由“1”變?yōu)椤?”。調(diào)速器控制程序迅速將導(dǎo)葉開度控制在空載開限。在關(guān)閉過程中，如果機(jī)組頻率降到50.5 Hz 以下時(shí)，%i.0.8由“0”變?yōu)椤?”，調(diào)速器控制回到并網(wǎng)狀態(tài)（%i0.1.2實(shí)際開入），根據(jù)開度給定或機(jī)組頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。保證電網(wǎng)甩負(fù)荷瞬間機(jī)組快速地過渡到孤網(wǎng)狀態(tài)，避免了機(jī)組因機(jī)械過速導(dǎo)致緊急停機(jī)。

電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置在安裝到調(diào)速器電氣控制柜后，進(jìn)行了各種工況模擬測試，調(diào)速器控制正常。隨后進(jìn)行的電網(wǎng)真實(shí)甩負(fù)荷試驗(yàn)中，錄到機(jī)組頻率、導(dǎo)葉開度和“電網(wǎng)甩負(fù)荷”開出波形如圖10 所示。

圖10 甩75%負(fù)荷波形圖

圖10 中，在遠(yuǎn)方甩負(fù)荷后約500 ms 時(shí)，機(jī)組頻率達(dá)到52 Hz，電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置開出信號，程序中“GCB 合”由“1”變?yōu)椤?”，同時(shí)調(diào)速器開始以最快速度關(guān)閉機(jī)組導(dǎo)葉。在此過程中，調(diào)速器最高頻率達(dá)到61.69 Hz。50 s 時(shí)機(jī)組頻率逐漸下降到50.65 Hz 并在頻率模式運(yùn)行。由于錄波時(shí)間有限，并沒有錄到機(jī)組頻率下降到50.5 Hz 以下后，程序中“GCB 合”由“0”變?yōu)椤?”后的狀態(tài)。但檢查確認(rèn)了電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置開出信號復(fù)位，同時(shí)機(jī)組正常轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行。

6 結(jié)語

本文介紹的電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置，通過采樣發(fā)電機(jī)定子電流、定子電壓的幅值和頻率，智能、迅速地判斷出遠(yuǎn)方電網(wǎng)甩負(fù)荷的工況，開入調(diào)速器控制器作為甩負(fù)荷控制的判據(jù)，并在頻率降低到50.5 Hz以下時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。保證了電網(wǎng)甩負(fù)荷時(shí)，機(jī)組正常的過渡到孤網(wǎng)狀態(tài)，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和近區(qū)供電的可靠性。