勵磁涌流引起發(fā)電機功率變送器測量誤差的原因分析及改進措施

李 惠徐小川于學偉/.包頭第一熱電廠.哈爾濱友盛科技有限公司

勵磁涌流引起發(fā)電機功率變送器測量誤差的原因分析及改進措施

李 惠1徐小川2于學偉1/1.包頭第一熱電廠2.哈爾濱友盛科技有限公司

隨著電力系統(tǒng)自動化程度的提高，發(fā)電廠自動化設備得到廣泛應用。發(fā)電機功率作為其中的一個重要參數(shù)，其可靠性、穩(wěn)定性不但直接影響自動化設備的運行，而且對發(fā)電機組的安全運行也產(chǎn)生著十分重要的影響。本文闡述了關(guān)于主變壓器投運時產(chǎn)生的勵磁涌流及和應涌流對發(fā)電機功率測量的影響及改進方法。從而使變送器在發(fā)生勵磁涌流影響時能更加準確地測量出發(fā)電機功率變化。

發(fā)電機；勵磁涌流；和應涌流；功率變送器

引言

功率變送器作為發(fā)電機組的重要測量元件之一，其測量準確性、抗擾動能力及可靠性直接關(guān)系到發(fā)電機組能否穩(wěn)定運行。對于大容量機組如600MW以上的發(fā)電機組，其DEH系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)、控制是根據(jù)發(fā)電機出口的功率測量值和給定的指令值來進行邏輯判斷，從而對水、煤、風、汽的入口量進行調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)對機組的負荷調(diào)節(jié)。當發(fā)電機出口的有功功率值發(fā)生大的非正常的波動時，可直接導致發(fā)電機的出力發(fā)生大的變化，甚至打閘，DCS系統(tǒng)退出CCS控制模式，AGC、AVC系統(tǒng)退出自動模式等等。

1.勵磁涌流形成的原因及危害[2]

變壓器勵磁涌流是指變壓器全電壓充電或零起升壓時，在其繞組中產(chǎn)生的暫態(tài)電流。產(chǎn)生勵磁涌流的原因是：變壓器投入前鐵芯中的剩余磁通與變壓器投入時工作電壓產(chǎn)生的磁通方向相同時，其總磁通量遠遠超過鐵芯的飽和磁通量，因此產(chǎn)生較大的涌流，其中最大峰值可達到變壓器額定電流的6～8倍。勵磁涌流將在差動回路中引起很大的不平衡電流，可能導致保護的誤動作。通過對勵磁涌流波形的分析，其有以下特點：含有很大的非周期分量，使曲線偏向時間軸的一側(cè)；含有大量的高次諧波，其中二次諧波所占比重最大。勵磁涌流的危害性包括：(1)誘發(fā)鄰近正在運行機組的主變產(chǎn)生和應涌流而誤跳閘，造成大面積停電；(2)引起合閘變壓器的繼電保護裝置誤動，使變壓器的投運失?。?3)造成系統(tǒng)電壓驟升或驟降，影響其它電氣設備正常工作；(4)勵磁涌流中的非周期分量可能導致測量和保護CT磁路被過度磁化，降低測量精度和繼電保護裝置的正確動作率。

2010年5月21日，中海福建燃機#3機組(395MW)跳閘，原因是#4主變?nèi)妷簺_擊合閘時致#3發(fā)電機功率變送器輸出發(fā)生畸變。2011年12月24日國華徐州#2機組（1000MW）跳閘，原因是#1機并網(wǎng)瞬間，導致#2發(fā)電機功率變送器輸出發(fā)生畸變。2013年10月21日，大唐呂四電廠#2機組(600MW)協(xié)調(diào)控制自動退出，原因是東洲變電站（距呂四電廠約40Km）主變空載合閘致#2機功率變送器輸出發(fā)生畸變[3]。

2．勵磁涌流對功率變送器測量的影響

2.1功率變送器測量原理

功率變送器基本都采用時分割乘法器測量原理，時分割乘法器的特點是：測量頻率較低，線性度，一般用于測量精度要求較高的場合。功率變送器的工作原理如圖（1）所示，可見時分割乘法器在整個變送器測量過程中起到至關(guān)重要的作用。時分割乘法器的工作原理是：一個對被測量進行調(diào)寬和調(diào)幅的工作過程，圖（2）是時分割乘法器的工作原理框圖，圖中運算放大器A和電容C1組成積分器，對R1和R2輸入的電流做求和積分，VR+和VR-是兩個基準電壓，開關(guān)S是受比較器控制而同時動作的模擬開關(guān)，積分器輸出的電壓和三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波電壓經(jīng)過比較器比較，當積分器輸出電壓大于三角波的電壓時，開關(guān)S接VR+，反之接VR-，乘法器輸出的E0得到的幅值為±EY的方波經(jīng)低通濾波后的直流成分。

圖1 功率變送器工作原理框圖

圖2 時分割乘法器工作原理框圖

2.2 涌流引起的測量誤差

2.2.1 高次諧波引起的誤差。

在基波條件下有h=1,則對第k份分割時有：

則在2π周期內(nèi)功率的平均值可表示為：

同理可得在相同調(diào)制頻率F下h次諧波的平均功率為：

其中h為高次諧波次數(shù)，Uh、Ih分別為h次諧波時電壓、電流的有效值，hφ電壓與電流之間的相位角。如果令：

由式（5）可以看出Kh僅與諧波次數(shù)和調(diào)制頻率有關(guān)，則式（4）可改寫為：

式（6）中Phs為h次諧波功率的理論值，由此可得時分割乘法器在h次諧波時計量誤差的表達式為：

則基波中疊加多次諧波時，功率變送器的計量誤差為：

2.2.2非周期分量的影響

假定被輸入的電壓或電流信號為如下形式。

式（9）中I0和τ分別為衰減的非周期直流分量的幅值和時間常數(shù)， Ih、φh為h次諧波分量幅值和初相角，ω為基波信號的角頻率。

由式（9）可以看出直流分量I0可使電壓或電流曲線偏向時間軸的一側(cè)，從而導致功率測量值偏離標準值[1][2]。

3．改進措施

從以上的分析看，發(fā)生涌流時產(chǎn)生的諧波功率及非周期分量產(chǎn)生的功率突變并非發(fā)電機發(fā)出的真實功率，因此傳統(tǒng)的模擬乘法器構(gòu)成的功率變送器在發(fā)生勵磁涌流或和應涌流時已經(jīng)無法準確、真實地測量出發(fā)電機實際輸出的功率值。在這種情況下，采用CPU進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字智能型功率變送器就展示出其強大的優(yōu)勢了。由此我們設計出了一款新的數(shù)字智能型功率變送器RGHD-103，其測量原理如圖3所示，內(nèi)置高速A/D轉(zhuǎn)換器及高性能的CPU。變送器對電壓或電流每個周波進行高速采樣，采用點數(shù)為128點，數(shù)字濾波方式，去除高次諧波及非周期分量的影響，計算出當前的基波功率值，通過與穩(wěn)態(tài)時的功率測量值對比，CPU可判斷出當前系統(tǒng)是否發(fā)生涌流現(xiàn)象，并根據(jù)該機組DEH的調(diào)節(jié)特性，采取相應的措施，從而使變送器的輸出更加穩(wěn)定，降低受外界信號突變的干擾影響[4]。

圖3 智能型功率變送器測量原理

4．結(jié)論

本文通過對勵磁涌流產(chǎn)生的條件、勵磁涌流的分量組成、時分割乘法器的測量原理及產(chǎn)生涌流時諧波分量、非周期分量對功率變送器測量精度的影響進行分析，得出了發(fā)生涌流時機組功率測量不準確的原因，并給出了相應的解決方案。RGHD-103型智能功率變送器響應速度快、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強，既具備常規(guī)功率變送器的高精度又能濾除勵磁涌流或和應涌流所產(chǎn)生的暫態(tài)負荷波動，從而提高了DEH協(xié)調(diào)系統(tǒng)的的可靠性及穩(wěn)定性。

[1]羅勇，王奕等. 和應涌流引起發(fā)電機差動保護誤動原因分析及其改進措施[J]. 廣東電力，2011, (4): 42-45.

[2]方剛，高仕斌，林國松，杜晟等. 一種提高消除衰減周期分量響應速度的交流采樣數(shù)據(jù)修正方法[J]. 電力系統(tǒng)繼電保護與控制 , 2009, (20):61-64.

[3]陳剛，徐國明等. 基于涌流影響功率變送器引起的機組震蕩研究[J]. 電氣技術(shù)，2015, (10):68-71.

[4]Joseph Yiu，宋巖 譯，ARM Corrtecx-M3權(quán)威指南[M].北京航空航天大學出版社，2009.7

[5]王永虹，徐煒，郝立平.ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京:航空航天大學出版社,2008.7.

李惠（1976-），女（漢族），本科，工程師，從事電力系統(tǒng)工程及其自動化方面的研究。