交流采樣測(cè)量裝置在抽水蓄能機(jī)組中的應(yīng)用研究

施宏亮，張順仁

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090)

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交流采樣測(cè)量裝置在抽水蓄能機(jī)組中的應(yīng)用研究

施宏亮，張順仁

(上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090)

結(jié)合抽水蓄能機(jī)組發(fā)電停機(jī)過程中逆功率現(xiàn)象的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造成該機(jī)組發(fā)電停機(jī)逆功率現(xiàn)象的主要原因是：交流采樣測(cè)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(shí)和誤差。依據(jù)此裝置校驗(yàn)規(guī)程提出了抽水蓄能機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中使用的交流采樣測(cè)量裝置存在檢驗(yàn)不足問題。

交流采樣測(cè)量裝置；抽水蓄能機(jī)組；三相不平衡；有功功率

抽水蓄能機(jī)組因其出力響應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)方式靈活，已成為現(xiàn)代電網(wǎng)不可或缺的調(diào)峰填谷手段。抽水蓄能機(jī)組具有發(fā)電和抽水可逆運(yùn)行的特點(diǎn)，由于工況轉(zhuǎn)換頻繁，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的順序控制必須具備較高的準(zhǔn)確性和自動(dòng)化，以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集，其中機(jī)組的電測(cè)量信號(hào)主要由交流采樣測(cè)量裝置或傳統(tǒng)電測(cè)量變送器采集，這些電測(cè)量信號(hào)不僅用作監(jiān)控后臺(tái)顯示，部分?jǐn)?shù)據(jù)還作為機(jī)組順控邏輯的重要判據(jù)。通過交流采樣測(cè)量裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、計(jì)算后得到的電壓、電流、有功、無功、頻率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)有著較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

1 交流采樣測(cè)量裝置的基本原理

交流采樣法是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)交流信號(hào)量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，經(jīng)軟件按一定的數(shù)學(xué)算法進(jìn)行數(shù)值處理，從而獲得被測(cè)量信號(hào)。采樣所得的信號(hào)要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，而A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間才能完成，為使被變換量在轉(zhuǎn)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(nèi)，保持器輸出的信號(hào)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(cè)正弦信號(hào)被一條階梯狀曲線所代替，誤差主要有兩項(xiàng)：第一，時(shí)間上連續(xù)的數(shù)據(jù)被時(shí)間上離散的數(shù)據(jù)所代替產(chǎn)生的誤差，主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的速率和處理器的運(yùn)算能力。第二，由A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)引起的量子化誤差，這是對(duì)連續(xù)電壓、電流量化產(chǎn)生的誤差[2]。理論上數(shù)據(jù)采樣頻率越高，就越接近被測(cè)信號(hào)，準(zhǔn)確度越高。

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

(1)

其中u(t)、i(t)為交流電壓、電流的瞬時(shí)值，T為交流信號(hào)的周期。

對(duì)式(1)的連續(xù)信號(hào)進(jìn)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(xù)信號(hào)離散化，可得：

(4)

對(duì)于對(duì)稱三相三線制電路中，由于：

iA+iB+iC=0

(5)

三相有功功率的計(jì)算可簡(jiǎn)化為：

(6)

2 某抽水蓄能電站機(jī)組逆功率現(xiàn)象試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

某抽水蓄能電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，自投運(yùn)以來，一直存在發(fā)電停機(jī)過程中短時(shí)逆功率現(xiàn)象，即當(dāng)機(jī)組發(fā)電停機(jī)過程中有功功率下降為0后未分閘，又從電網(wǎng)吸收有功功率的現(xiàn)象。雖然調(diào)試期間就發(fā)現(xiàn)該問題，但一直未能找出真正原因，對(duì)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)和網(wǎng)頻調(diào)節(jié)極為不利，且極易影響機(jī)組使用壽命[3]。

該電站發(fā)電停機(jī)順控流程中主要步驟為：當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)收到發(fā)電停機(jī)令后，快速關(guān)閉導(dǎo)葉降負(fù)荷，在負(fù)荷下降的過程中，當(dāng)監(jiān)控順控流程檢測(cè)到機(jī)組有功功率<10%且無功功率<5%或?qū)~關(guān)閉且無功功率<5%時(shí)，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)分GCB令，實(shí)現(xiàn)發(fā)電停機(jī)。

順控流程中功率判據(jù)是由交流采樣測(cè)量裝置采集機(jī)端電壓、機(jī)端電流，經(jīng)計(jì)算后將所有數(shù)據(jù)通過Modbus傳輸至監(jiān)控ALSPA CE2000 CPU模塊，監(jiān)控系統(tǒng)再由ALSPA CE2000 AO模塊將功率等信號(hào)傳送至其他后臺(tái)。該電站所用的交流采樣測(cè)量裝置型號(hào)為PECA 301(進(jìn)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(cè)量參數(shù)如表1所示。交流采樣測(cè)量裝置每年都進(jìn)行周期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果合格。

表1 交流采樣測(cè)量裝置測(cè)量參數(shù)表Tab.1 AC sampling measurement device measurement parameters

本次試驗(yàn)為該電站4號(hào)機(jī)組，測(cè)點(diǎn)布置：機(jī)端電壓、機(jī)端電流、機(jī)組有功(通過采集機(jī)端電壓電流計(jì)算得出)、導(dǎo)葉開度、分GCB令、交流采樣測(cè)量裝置輸出有功模擬量(簡(jiǎn)稱：交采有功)、監(jiān)控系統(tǒng)AO模塊輸出有功模擬量(簡(jiǎn)稱：監(jiān)控有功)，信號(hào)全部接入高頻采集器(儀器準(zhǔn)確度優(yōu)于0.2級(jí)，采樣頻率51.2 kHz)。

2.2 試驗(yàn)分析

4號(hào)機(jī)發(fā)電運(yùn)行(有功功率150 MW、無功功率1 Mvar)一段時(shí)間后正常停機(jī)，停機(jī)曲線如圖2所示。停機(jī)過程中，有功從150MW下降至0大約13 s，根據(jù)順控判據(jù)，有功下降至25 MW時(shí)，監(jiān)控應(yīng)發(fā)分GCB令，但從圖2分析，有功下降至25 MW時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)并未發(fā)分GCB令，有功繼續(xù)下降直至0后，變?yōu)閺碾娋W(wǎng)吸收有功(逆功率)，逆功率持續(xù)運(yùn)行約2.8 s后才分GCB，機(jī)組最大逆功率約74 MW。停機(jī)過程中當(dāng)滿足順控停機(jī)判據(jù)(有功為24.9MW，無功0.8 Mvar，導(dǎo)葉開度20%時(shí))至監(jiān)控實(shí)際發(fā)分GCB令延遲約3.5 s。

圖2 4號(hào)機(jī)組發(fā)電停機(jī)過程Fig.2 Standstill process of Unit 4 generator

對(duì)交流采樣測(cè)量裝置有功模擬量輸出(4～20 mA)、監(jiān)控系統(tǒng)AO模塊有功輸出(4～20 mA)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其有功輸出波形存在明顯階梯狀，如圖3所示。對(duì)“交采功率”和“監(jiān)控功率”波形進(jìn)行分析可知，交流采樣測(cè)量裝置模擬量輸出的有功，幅值明顯滯后機(jī)組實(shí)際有功，且信號(hào)輸出呈階梯狀，每個(gè)階梯持續(xù)約600～700 ms，當(dāng)交采有功下降至50 MW左右時(shí)突然突變?yōu)?50 MW。對(duì)應(yīng)的監(jiān)控AO模塊輸出有功，幅值滯后交采有功，每個(gè)階梯持續(xù)約1.5～1.8 s，當(dāng)監(jiān)控AO輸出有功下降至80 MW左右時(shí)突然突變?yōu)?50 MW。由此可判斷交采功率滯后實(shí)際功率，監(jiān)控功率滯后交采功率，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到有功判據(jù)滿足發(fā)電停機(jī)條件時(shí)，是在有功突變的時(shí)刻，結(jié)合交流采樣原理，確定造成機(jī)組逆功率運(yùn)行的原因?yàn)榻涣鞑蓸訙y(cè)量裝置數(shù)據(jù)輸出存在延時(shí)和誤差。

圖3 發(fā)電停機(jī)各功率采樣對(duì)比Fig.3 Comparison of active power sampling during generator to standstill

圖4 發(fā)電停機(jī)機(jī)端電壓、機(jī)端電流對(duì)比Fig.4 Comparison of voltages & currents during standstill of generator

由于交流采樣測(cè)量裝置只采集機(jī)端電壓、電流，故對(duì)機(jī)組三相電壓、三相電流進(jìn)行分析，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)三相電壓幅值相等相位對(duì)稱，但三相電流幅值存在偏差，選取停機(jī)前至發(fā)電停機(jī)過程中電流有效值進(jìn)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(cè)量裝置的參數(shù)可知，在三相不平衡系統(tǒng)，計(jì)算周期為325 ms(三相平衡系統(tǒng)為180 ms)，由于4號(hào)機(jī)組機(jī)端三相電流的不平衡，使得交流采樣測(cè)量裝置運(yùn)算周期增加，再加上通信延遲，使機(jī)組未能在實(shí)際功率<10%時(shí)分閘。

表2 4號(hào)機(jī)組停機(jī)過程中電流有效值對(duì)比Tab.2 Comparison of the current effective value of during standstill of Unit 4 generator

3 交流采樣測(cè)量裝置檢驗(yàn)

目前交流采樣測(cè)量裝置的檢驗(yàn)主要依據(jù)《交流采樣測(cè)量裝置校驗(yàn)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱規(guī)范)和《交流采樣測(cè)量裝置運(yùn)行檢驗(yàn)管理規(guī)程》(簡(jiǎn)稱規(guī)程)。檢驗(yàn)類型分為投運(yùn)前檢驗(yàn)和周期檢驗(yàn)。針對(duì)由不平衡電流引起的交流采樣測(cè)量裝置誤差和延時(shí)檢驗(yàn)，主要有兩點(diǎn)：

第一，不平衡電流對(duì)三相有功功率、無功功率引起的改變量檢驗(yàn)(投運(yùn)前檢驗(yàn))。檢驗(yàn)方法：在參比條件下，輸入三相平衡電壓電流，調(diào)整電流使其為較高標(biāo)稱值的一半，測(cè)定有功功率和無功功率輸出值，記為EX，斷開任一相電流，調(diào)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(cè)定此時(shí)輸出值，記為EXC，計(jì)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(zhǔn)值[4]。

第二，響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)(投運(yùn)前檢驗(yàn)和周期檢驗(yàn))。檢驗(yàn)方法：電測(cè)量輸入回路施加一個(gè)信號(hào)，使其從標(biāo)稱值的10%變到100%或從100%變到10%，觀察顯示數(shù)值變化，記錄施加信號(hào)至數(shù)值變化的時(shí)間。規(guī)程要求此時(shí)間，在交流采樣測(cè)量裝置就地顯示屏顯示時(shí)不大于1 s，在交流采樣測(cè)量裝置維護(hù)端口輸出顯示時(shí)不大于2 s，在當(dāng)?shù)刂髡?、模擬主站顯示時(shí)不大于3 s[5]。

但投運(yùn)后的的交流采樣測(cè)量裝置所測(cè)的電壓、電流不可能是標(biāo)稱值，因而對(duì)投運(yùn)前的校驗(yàn)要求就更為嚴(yán)格，針對(duì)不平衡電流引起的誤差和延時(shí)的檢測(cè)并不能真正符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，并沒有有效的檢驗(yàn)方法定量記錄和分析，因此，目前現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)還是以(規(guī)范要求)外觀檢查、絕緣電阻測(cè)量、基本誤差校驗(yàn)為主。

4 結(jié)語

通過對(duì)交流采樣測(cè)量裝置的試驗(yàn)研究，解決了困擾該電站多年的機(jī)組發(fā)電停機(jī)逆功率的問題。雖然該電站的交流采樣測(cè)量裝置每年都會(huì)送檢，檢驗(yàn)結(jié)果也都合格，但就是這個(gè)“合格”的檢驗(yàn)結(jié)果，造成該電站尋找問題原因的方向錯(cuò)誤，對(duì)機(jī)組本身、出口斷路器(GCB)的壽命、電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)品質(zhì)都造成了一定影響。針對(duì)抽水蓄能電站監(jiān)控系統(tǒng)中使用的交流采樣測(cè)量裝置，因其使用環(huán)境的特殊，對(duì)準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度要求更嚴(yán)格，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)方法也提出了更高要求。

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

[2] 盧有龍.交流采樣測(cè)量裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2005，(07)：17-18.

[3] 林祖建.抽水蓄能機(jī)組調(diào)試主要問題分析與處理[C]//抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2015.

[4] 國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 1899-2013，交流采樣測(cè)量裝置校驗(yàn)規(guī)范[S].北京：國家電網(wǎng)公司，2013.

[5] 國家電網(wǎng)公司. Q/GDW 140-2006，交流采樣測(cè)量裝置運(yùn)行檢驗(yàn)管理規(guī)程[S].北京：國家電網(wǎng)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(xué)士。

TV743

A

1674-8646(2017)06-0060-03