發(fā)電機變送裝置的智能化升級選型

周成業(yè)

(華能蘇州燃機熱電有限公司 工程部,江蘇 蘇州 215000)

近年來，國內(nèi)火力發(fā)電機組發(fā)生多起由于發(fā)電機功率變送器輸出的功率信號發(fā)生畸變而導(dǎo)致汽機保護誤動，有的甚至造成機組全停，嚴重影響機組的安全運行。目前，由電氣側(cè)傳送到DEH側(cè)的4～20 mA功率信號普遍采用模擬式功率變送器，此類變送器在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，可提供滿足精度要求的功率信號，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生瞬時故障(如雷擊)等情況時，模擬式功率變送器就無法提供準(zhǔn)確的功率信號。因此，功率變送器的暫態(tài)性能開始引起越來越多人的關(guān)注[1]。該文推薦一種新型的數(shù)字式功率變送裝置，既能滿足穩(wěn)態(tài)精度要求，也能在系統(tǒng)暫態(tài)情況下真實、準(zhǔn)確、及時地輸出功率信號，確保機組安全穩(wěn)定運行。

1 模擬式功率變送器輸出失真引發(fā)的事故

近年來因為模擬式功率變送器測量偏差，造成的跳機事故時有發(fā)生。

一般在DEH系統(tǒng)中，PLU測量電氣功率必須依靠發(fā)電機有功功率變送器來實現(xiàn)。發(fā)電機功率變送器是一個薄弱環(huán)節(jié)，存在以下問題。

1)抗電磁干擾能力差。某600 MW 機組的功率負荷平衡保護是采用有功功率變送器來實現(xiàn)的。在2008年首次啟動和運行1年后，在首次大修后啟動試驗時，先后發(fā)生多次“功率負荷平衡保護”動作跳機的事故，原因皆為試驗期間對講機干擾導(dǎo)

致功率變送器輸出異常，曾在空負荷下實測機組瞬間達到700 MW。

2)缺少二次回路斷線閉鎖。功率變送器不具有電壓、電流二次回路發(fā)生斷線故障的閉鎖功能，當(dāng)發(fā)生斷線時只會將故障狀態(tài)如實地轉(zhuǎn)換為功率輸出，功率信號失真不可避免。

3)系統(tǒng)振蕩誤動作。系統(tǒng)振蕩時的功率會有劇烈變化，但變送器輸出的功率信號與甩負荷事故信號無法區(qū)分，極有可能導(dǎo)致保護誤動作。

功率變送器存在的這些缺陷，使得PLU 誤動的可能性大大增加。而PLU 誤動的后果，輕則機組振蕩，重則導(dǎo)致機組停機[2]。

跳機事故一：國調(diào)中心2014年5月7日通告，2013年6月，浙江某發(fā)電廠3#、4#機組(660 MW)，因為出線B相接地，發(fā)電機功率變送器輸出畸變，引發(fā)汽機汽門快控誤動，造成3#、4#機組跳閘。

跳機事故二：2014年5月，江蘇某發(fā)電廠1#、2#機組(660 MW)，因為220 kV線路出現(xiàn)故障，發(fā)電機功率變送器輸出畸變，造成1#、2#機組跳閘。

跳機事故三：2015年4月，四川某1 000 MW機組跳閘，因為出現(xiàn)PT兩次側(cè)空開掉，造成了發(fā)電機功率輸出瞬時為零，汽輪機“功率—負荷不平衡保護”保護動作，引發(fā)了省級電網(wǎng)的負荷擺動。

跳機事故四：2015年5月，安徽某電廠3#機組(1 000 MW)進行168試運行，4#主變空投，發(fā)電機功率變送器輸出畸變，造成3#機組跳閘。

跳機事故五：2015年4月重慶某燃機400 MW機組跳機，該廠1#、2#機組滿負荷正常運行，在9點31分時電網(wǎng)出現(xiàn)了一次比較大的擾動，其發(fā)電機參與DEH調(diào)節(jié)的4只有功功率變送器(其邏輯為：3、4比較取大，再和1、2取二，相當(dāng)于四取二)同時變化，出現(xiàn)大幅度的跳水，最后由逆功率保護動作，造成發(fā)電機停機。由于有功功率變送器暫態(tài)特性差，在輸入電流值發(fā)生快速變化時，輸出值發(fā)生嚴重畸變。

2 模擬式功率變送器原理解析

2.1 模擬式功率變送器原理

模擬式功率變送器采用時分割乘法原理，將采集的發(fā)電機出口電壓量和電流量變換成與之線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)直流電流電壓信號，基本原理框圖如1圖所示。

圖1 模擬式功率變送器原理

2.2 模擬式功率變送器功能缺陷分析

在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)情況下，模擬式功率變送器能提供滿足精度要求的功率信號，但是在暫態(tài)工況下，就會有以下缺陷：

1)時間響應(yīng)長，功率輸出固有延時長(普遍在250 ms～300 ms)，瞬時故障發(fā)生時，不能滿足DEH快速響應(yīng)的要求；

2)抗干擾能力弱，易受干擾，導(dǎo)致輸出功率畸變，造成機組不能穩(wěn)定運行；

3)暫態(tài)特性差，對于系統(tǒng)發(fā)生瞬時故障等暫態(tài)狀況下，輸出失真，易造成保護誤動，近年頻繁造成跳機事故；

4)采樣可靠性差，只接入一組PT和一組CT，當(dāng)PT或CT斷線時，導(dǎo)致發(fā)電機功率測量錯誤，且沒有PT和CT斷線報警功能；

5)缺少對異常狀態(tài)記錄功能及裝置自身的故障報警。

3 發(fā)電機智能變送裝置選型

3.1 數(shù)字式智能變送裝置特點

由于模擬式功率變送器有上述功能缺陷，因此在蘇州燃機項目發(fā)電機變送裝置選型時江蘇電力設(shè)計院提出用新型的功率變送裝置，當(dāng)時正在報批的GBT 50063-2017 《電力裝置電測量儀表裝置設(shè)計規(guī)范》6.0.3也確定提出“對于火力發(fā)電廠汽輪發(fā)電機組，參與汽輪機調(diào)節(jié)的功率變送器，還需考慮功率變送器的暫態(tài)特性”。新型的智能功率變送裝置不僅能滿足穩(wěn)態(tài)精度要求，而且具有良好的暫態(tài)傳變特性，滿足準(zhǔn)確性、及時性和穩(wěn)定性要求。

經(jīng)過大量調(diào)研上海利乾研發(fā)的BPT9301系列新型功率變送裝置，原理是基于繼電保護裝置軟硬件平臺，采用模塊化設(shè)計，同時采集發(fā)電機出口兩組電壓和兩組電流(一組測量級CT和一組保護級CT)[3]，通過微處理器運算，實時輸出各種電氣量(如電流、電壓、有功功率、無功功率、負序電流、功率因數(shù)等)。

發(fā)電機智能變送裝置主要特點：除了具有測量功能外，裝置還具有保護功能，裝置可以分析異常工況并發(fā)出動作指令。滿足暫態(tài)特性和變送器精度要求，在正常情況下裝置采用測量輸入數(shù)據(jù)計算，發(fā)生功率突變時裝置采用保護級輸入數(shù)據(jù)進行計算，同時裝置具備判斷CT斷線、PT斷線功能；響應(yīng)時間短，在40 ms之內(nèi)能滿足系統(tǒng)故障快速響應(yīng)的要求；裝置跟系統(tǒng)時鐘同步，具有錄波功能，可以多路輸出?？垢蓴_能力達到嚴酷IV級，軟硬件共同優(yōu)化，國標(biāo)要求繼電保護裝置及安全自動裝置的抗干擾能力為嚴酷III 級；針對電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時故障時，采用切換CT的方式。裝置同時接入一組測量級CT和一組保護級CT(具有發(fā)明專利保護該項功能)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時，智能功率變送裝置可以通過測量電流的增量，從測量級CT切換到保護級CT，使得測量的功率值和真實的功率值相差不大；當(dāng)出現(xiàn)和應(yīng)涌流時，裝置能自動檢測基波分量中的直流分量的含量，作為切換CT的條件，解決了測量級電流互感器暫態(tài)飽和的問題。通過軟件實現(xiàn)測量級CT和保護級CT快速無縫自動切換，具有良好的暫態(tài)特性，能確保發(fā)電機功率自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和 DCS 系統(tǒng)可靠運行不受高溫、高電壓、強磁場環(huán)境影響，可靠性高。同時，裝置可自動起動故障錄波，便于分析事故原因。裝置還具有事件記錄功能，包括裝置自檢信息、保護動作信息及各類操作信息，便于查找及分析。

3.2 數(shù)字式功率變送裝置原理設(shè)計

數(shù)字式功率變送裝置利用A/D采樣將電壓電流模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，按照科學(xué)算法計算出功率等需要的電氣量，最后輸出4～20 mA模擬量至DEH。

3.2.1 功率計算

采用全周傅立葉算法計算有功功率和無功功率，當(dāng)保護級CT的電流大于1.1倍額定電流時，功率計算采用保護級CT電流，否則采用測量級CT電流，這樣同時兼顧正常運行和故障情況下的準(zhǔn)確測量。

算法具有良好的暫態(tài)特性，確保系統(tǒng)短路故障時，功率的準(zhǔn)確測量，為發(fā)電機有功功率自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)可靠運行創(chuàng)造條件。

功率因數(shù)計算公式：

3.2.2 負序電流計算

采用全周傅立葉算法計算負序電流，電流的選取原則同上，兼顧正常運行和故障情況下的準(zhǔn)確測量。

3.2.3 頻率計算

利用發(fā)電機機端電壓，采用全周傅立葉算法準(zhǔn)確計算發(fā)電機頻率。

3.2.4 PT斷線判據(jù)

動作判據(jù)如下：

1)正序電壓小于20 V，且機端任一相電流大于5%In；

2)負序電壓大于2.5 V。

滿足以上任一條件延時10 s發(fā)PT斷線報警信號，異常消失后延時10 s信號自動返回，PT斷線判據(jù)的邏輯如圖2所示。

圖2 PT斷線判據(jù)邏輯

3.2.5 CT斷線判據(jù)

CT斷線判據(jù)針對三相四線制，動作判據(jù)為：三相CT的自產(chǎn)零序電流(3I0)大于25%的最大相電流與5%In之和，延時10 s報警，異常消失后延時10 s返回，CT斷線判據(jù)的邏輯如圖3所示。

圖3 CT斷線判據(jù)邏輯

3.2.6 測量CT與保護CT差流越限

動作判據(jù)：測量CT最大相電流與保護CT最大相電流的差大于測量CT最大相電流的0.05倍，并且測量CT最大相電流大于額定電流的30%。

滿足以上條件延時10 s發(fā)測量CT與保護CT差流越限報警信號，異常消失后延時10 s，信號自動返回，測量CT與保護CT差流越限判據(jù)的邏輯如圖4所示。

圖4 兩組CT差流越限判據(jù)邏輯

3.2.7 逆功率越限

動作判據(jù)如下：

1)測量功率小于額定功率的負0.05倍；

2)保護功率小于額定功率的負0.05倍。

滿足以上任一條件延時10 s發(fā)逆功率越限報警信號，異常消失后延時10 s信號自動返回，逆功率越限判據(jù)的邏輯如圖5所示。

圖5 逆功率判據(jù)邏輯

3.3 智能變送裝置性能

經(jīng)過調(diào)研上海利乾電力科技有限公司采用上述原理，成功研制出數(shù)字式智能變送裝置，并且2015年在國網(wǎng)浙江省電科院進行暫態(tài)特性試驗。

3.3.1 測試方法

對功率變送裝置暫態(tài)特性采取兩種方法：一是對已發(fā)生事故的機組故障錄波數(shù)據(jù)進行回放，對功率變送裝置的輸出進行錄波，觀察功率變送裝置的暫態(tài)輸出特性；二是利用殷圖仿真系統(tǒng)搭建仿真模型，分別模擬單相接地短路、兩相接地短路、相間故障等各種故障類型，將發(fā)電機的電流電壓輸入被檢測的功率變送裝置，并對其輸出進行錄波，觀察在各種類型故障發(fā)生時的暫態(tài)情況下的功率輸出變化特性。

3.3.2 測試結(jié)果

試驗結(jié)果表明，數(shù)字式功率變送裝置暫態(tài)輸出的功率變化趨勢基本與實際功率變化相同，能夠較為真實地反映實際功率變化，兩者的比較如表1所示。

另外，參照最新規(guī)范《電力裝置電測量儀表裝置設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50063-2017)，也可檢驗數(shù)字型變送裝置是否滿足規(guī)范要求。數(shù)字式變送裝置參數(shù)與規(guī)范要求值比較如表2所示。由表2可以看出，數(shù)字式變送裝置完全滿足最新規(guī)范要求，并且具有良好的暫態(tài)特性。

表1 實際功率與功率變送裝置輸出功率比較

表2 數(shù)字式變送裝置參數(shù)與規(guī)范要求值比較

4 智能變送裝置應(yīng)用情況

智能變送裝置已在國內(nèi)300多臺火力發(fā)電機組上運用，解決了以往存在的問題，應(yīng)用效果良好。

前文事故二中的電廠，廠內(nèi)參與SIS、DEH調(diào)節(jié)的模擬式有功功率變送器曾因220 kV起備變充電、線路對側(cè)主變充電及系統(tǒng)故障等原因發(fā)生輸出信號無規(guī)則畸變，導(dǎo)致SIS退出，甚至跳機。自從2015年3月采用上海利乾的智能變送裝置后，經(jīng)歷多次系統(tǒng)故障的考驗，沒有對機組造成任何影響。

前文事故三中的電廠，在2015年5月進行功率變送器改造，采用上海利乾的智能變送裝置不僅徹底解決二次斷線、暫態(tài)特性差等系列問題，而且得益于裝置的其他功能，如斷線告警、故障錄波等，使得廠內(nèi)測量系統(tǒng)變得快速、準(zhǔn)確和簡單。

前文事故四中的電廠在2015年5月168試運行時，因一次回路受到?jīng)_擊造成參與DEH調(diào)節(jié)的模擬式功率變送器失真而跳機。經(jīng)過電廠技術(shù)人員多次論證，選用了上海利乾的智能變送裝置，成功解決了暫態(tài)狀態(tài)下功率輸出失真的問題，從2015年6月投入至今，經(jīng)歷多次系統(tǒng)故障，變送裝置運行良好，機組穩(wěn)定安全。

前文事故五中的燃機電廠在2015年10月改造成上海利乾的智能變送裝置，投運后沒有出現(xiàn)過功率失真的情況，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

為了解決傳統(tǒng)模擬式功率變送器存在的問題，推薦使用上海利乾的智能變送裝置，可以解決模擬式功率變送器暫態(tài)情況下輸出失真的問題，該裝置已在300多臺火力發(fā)電機組上成功應(yīng)用，取得了良好的效果。同時，上海利乾的智能變送裝置在解決暫態(tài)失真問題的基礎(chǔ)上，擴展了許多功能，裝置更加人性化，校驗更簡便，同時有事件記錄功能，方便了運維人員的事件調(diào)查。