一種網(wǎng)源協(xié)調(diào)中有功功率變送器暫態(tài)特性指標(biāo)評(píng)價(jià)方法

徐明宇，王 冰，崔佳鵬，陳曉光，武國良

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.哈爾濱智能熱電設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

網(wǎng)源之間能量平衡關(guān)系是由電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷需求和機(jī)組輸出功率一致性所決定的，穩(wěn)定這種網(wǎng)源之間能量動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系需要依靠機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)[1]。目前大型發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率的測(cè)量是采用3臺(tái)有功功率變送器輸出的中值作為參與發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制的最終測(cè)量值，所以有功功率變送器的精度對(duì)平衡網(wǎng)源間的能力關(guān)系至關(guān)重要[2]。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，有功功率變送器只需滿足穩(wěn)態(tài)情況下的測(cè)量精度要求，而對(duì)諸如線路或主變壓器故障等暫態(tài)情況下的測(cè)量并無相關(guān)要求，JJG 126—1995《交流電量變換為直流電量電工測(cè)量變送器》僅僅規(guī)定變送器響應(yīng)時(shí)間一般為400 ms以內(nèi)，其他并沒有詳細(xì)規(guī)定[3]。當(dāng)電網(wǎng)功率快速變化時(shí)，有功功率變送器受自身算法及動(dòng)態(tài)特性所限，無法準(zhǔn)確反映網(wǎng)源之間的功率變化[4]，造成火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)等情況，嚴(yán)重情況將會(huì)影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5]。因此，有必要對(duì)有功功率變送器的暫態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，掌握其暫態(tài)響應(yīng)特性規(guī)律，提出其暫態(tài)特性評(píng)價(jià)方法，以確定其輸出信號(hào)在機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的相對(duì)適用性[6]。

本文利用電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置(ADPSS)搭建典型發(fā)電廠仿真模型，通過設(shè)置不同故障錄取有功功率變送器暫態(tài)變化波形，分析其變化規(guī)律，結(jié)合火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，總結(jié)有功功率變送器暫態(tài)性能評(píng)價(jià)方法。

1 暫態(tài)故障模型

本文利用收集的實(shí)際數(shù)據(jù)在ADPSS仿真軟件中搭建典型發(fā)電機(jī)組模型，在線路出線最近端設(shè)置不同類型金屬性故障，具體仿真模型如圖1所示。1號(hào)發(fā)電機(jī)定子電壓和電流的采集是通過ADPSS的物理接口箱和功率放大器實(shí)現(xiàn)的，有功功率變送器將接收到的信號(hào)傳遞給電量記錄分析儀，并變換為有功功率值，分析對(duì)比與實(shí)際錄取的有功功率曲線的差異。

圖1 仿真模型

2 故障分析

故障時(shí)實(shí)際有功功率及7臺(tái)有功功率變送器測(cè)取有功功率的暫態(tài)變化如表1所示(P7由于暫態(tài)特性較差，這里不作記錄)。

在AN瞬時(shí)故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組有功功率波動(dòng)起始時(shí)間為0.179 s，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間為2.03 s，持續(xù)1.851 s，在此項(xiàng)故障過程中功率波動(dòng)最大值和最小值分別為故障前功率的127.85%和63.342%。

在AN永久故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組有功功率波動(dòng)起始時(shí)間為0.195 s，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間為2.615 s，持續(xù)2.420 s，在此項(xiàng)故障過程中功率波動(dòng)最大值和最小值分別為故障前功率的138.418%和48.157%。

在AB永久故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組有功功率波動(dòng)起始時(shí)間為0.195 s，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間為2.430 s，持續(xù)2.235 s，在此項(xiàng)故障過程中功率波動(dòng)最大值和最小值分別為故障前功率的135.831%和47.185%。

從數(shù)據(jù)分析可以看出，相間故障整個(gè)波動(dòng)過程與瞬時(shí)單相接地極為類似，時(shí)間和波動(dòng)值較為接近，只不過相間故障整個(gè)波動(dòng)過程稍長一點(diǎn)，波谷值也稍低一些。

在ABN永久故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組有功功率波動(dòng)起始時(shí)間為0.179 s，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間為2.401 s，持續(xù)2.222 s，在此項(xiàng)故障過程中功率波動(dòng)最大值和最小值分別為故障前功率的137.04%和32.811%。從數(shù)據(jù)分析可以看出，相比相間故障，相間接地故障時(shí)功率波動(dòng)的趨勢(shì)較為一致，但波動(dòng)范圍更大一些。

表1 待測(cè)有功功率變送器功率波動(dòng)指標(biāo)

在ABC永久故障發(fā)生時(shí)，機(jī)組有功功率波動(dòng)起始時(shí)間為0.180 s，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間為2.750 s，持續(xù)2.570 s，在此項(xiàng)故障過程中功率波動(dòng)最大值和最小值分別為故障前功率的142.801%和0.101%。

從數(shù)據(jù)分析可以看出，三相故障與其他類型故障在功率波動(dòng)的趨勢(shì)上基本一致，但是三相故障時(shí)的功率波動(dòng)范圍最大，波谷值幾乎下降到0，波峰則產(chǎn)生在波動(dòng)的后半階段，即第二次峰值。

3 有功功率變送器與機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

3.1 DEH控制系統(tǒng)

各發(fā)電廠通過使用汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和功率的調(diào)節(jié)，使其能夠滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，其中汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)器是DEH系統(tǒng)中最為核心的部分。調(diào)節(jié)器的主要作用是調(diào)整汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，從而使汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、主汽門前的壓力、負(fù)荷能夠達(dá)到要求。進(jìn)汽量的調(diào)整主要通過控制高、中壓調(diào)門的開度實(shí)現(xiàn)的。另外，調(diào)節(jié)器可以通過限制高排溫度和高壓葉片壓力實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)功能的保護(hù)，并具備通過快速增減出力實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)偏離頻率的修正和調(diào)整的能力，不僅能夠保證廠用電在機(jī)組受到大擾動(dòng)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，也使得汽輪機(jī)能夠在額定轉(zhuǎn)速下安全穩(wěn)定運(yùn)行[7]。

3.2 有功功率變送器測(cè)量值與DEH控制系統(tǒng)

有功功率變送器是DEH中重要的測(cè)量組成部分，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器相應(yīng)的模塊和自動(dòng)設(shè)備接收的發(fā)電機(jī)實(shí)際負(fù)荷PEL為有功功率變送器所測(cè)量數(shù)值PEL1、PEL2、PEL3實(shí)際負(fù)荷值的中間值。模塊會(huì)監(jiān)視3個(gè)實(shí)際負(fù)荷值PEL1、PEL2、PEL3的有效性和準(zhǔn)確度，并將失效信息STPEL1/2/3輸出到運(yùn)行和監(jiān)控系統(tǒng)。1個(gè)實(shí)際值失效或偏差過大，選用剩下2個(gè)值的大值輸出；2個(gè)實(shí)際值失效，選用未失效實(shí)際值；3個(gè)實(shí)際值均失效，選用替代值SV。最終所產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)實(shí)際負(fù)荷值將進(jìn)入到相應(yīng)的邏輯中參與相關(guān)的控制與保護(hù)[8]。

3.3 有功功率變送器測(cè)量值與DEH甩負(fù)荷保護(hù)

突發(fā)故障引起的斷路器或線路跳閘都會(huì)造成正常運(yùn)行的機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷事故，此時(shí)汽輪機(jī)的輸入能量和輸出能量無法實(shí)現(xiàn)平衡，以至于造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，甚至出現(xiàn)汽輪機(jī)超速情況的發(fā)生?？紤]汽輪機(jī)超速造成的嚴(yán)重后果，所以通過對(duì)DEH配置超速安保系統(tǒng)，來防止汽輪機(jī)超速情況的發(fā)生。一般比較先進(jìn)的DEH具備識(shí)別機(jī)組甩負(fù)荷的能力。為有效防止汽輪機(jī)超速事故的發(fā)生，通過調(diào)門的迅速關(guān)閉實(shí)現(xiàn)機(jī)組由負(fù)荷控制模式轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速控制模式，同時(shí)也保證了汽輪機(jī)恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組可以在空載或維持常用電的狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。甩負(fù)荷識(shí)別功能LAW將甩負(fù)荷分為兩種方式。

第一種方式是短甩負(fù)荷，即瞬時(shí)負(fù)荷中斷KU，機(jī)組的功率信號(hào)出現(xiàn)瞬時(shí)降低的負(fù)荷量超過甩負(fù)荷識(shí)別極限值GPLSP，一般來講，瞬間降低功率值約為額定功率的40%，即可認(rèn)為機(jī)組發(fā)生瞬時(shí)負(fù)荷中斷KU。

第二種方式是長甩負(fù)荷LAW，同時(shí)滿足以下4個(gè)條件觸發(fā)短甩負(fù)荷KU且延時(shí)2 s后觸發(fā)5 s定寬脈沖長甩負(fù)荷LAW信號(hào)：

a.GP2EB(2倍的廠用負(fù)荷)>實(shí)際負(fù)荷；

b.GP2EB(2倍的廠用負(fù)荷)<(有效負(fù)荷設(shè)定值-實(shí)際負(fù)荷)

c.GPNEG(逆功率值)<實(shí)際負(fù)荷；

d.在發(fā)電機(jī)出口開關(guān)和主變高壓側(cè)開關(guān)閉合后延時(shí)3 s內(nèi)。

瞬時(shí)負(fù)荷中斷信號(hào)KU為150 ms定寬脈沖，該信號(hào)發(fā)出后，會(huì)快速關(guān)閉調(diào)門(調(diào)門的快速關(guān)閉并不是由KU直接決定的，而是由閥位指令與調(diào)門閥位偏差過大所觸發(fā)的)，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)能量輸入的減少，有效降低轉(zhuǎn)速的飛升量。KU在短時(shí)間內(nèi)多次中斷會(huì)造成調(diào)門開關(guān)頻繁動(dòng)作，所以在KU信號(hào)觸發(fā)后，通過設(shè)定7 s的定寬脈沖閉鎖，使得RS觸發(fā)器復(fù)位端為1，避免KU的多次中斷。長甩負(fù)荷LAW觸發(fā)后會(huì)切換機(jī)組運(yùn)行方式為轉(zhuǎn)速控制器帶負(fù)荷運(yùn)行，按照負(fù)荷-轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由操作員設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)速從而達(dá)到控制功率的目的[9]。

4 有功功率變送器暫態(tài)特性評(píng)價(jià)方法分析

有功功率變送器暫態(tài)特性不好引發(fā)瞬時(shí)負(fù)荷中斷KU(所謂的短甩負(fù)荷，機(jī)組調(diào)門快關(guān))動(dòng)作時(shí)，機(jī)組調(diào)門短暫關(guān)閉再放開。此時(shí)，如果機(jī)組配有零功率保護(hù)或相關(guān)熱工保護(hù)邏輯，則可能觸發(fā)零功率保護(hù)或相關(guān)熱工保護(hù)邏輯動(dòng)作使得機(jī)組誤動(dòng)解列。

KU判定條件為突然出現(xiàn)負(fù)荷干擾大于負(fù)荷跳變限值GPLSP(約為70%額定負(fù)荷)，并滿足：

a.實(shí)際負(fù)荷大于逆功率值(一般最大為3%額定負(fù)荷)；

b.實(shí)際負(fù)荷小于2倍廠用電負(fù)荷限值(一般為10%額定負(fù)荷)；

c.負(fù)荷控制偏差大于2倍廠用電負(fù)荷限值(一般為10%額定負(fù)荷)；

d.機(jī)組已并網(wǎng)。

假如有功功率變送器在系統(tǒng)故障時(shí)，暫態(tài)特性不好，不能反映真實(shí)的功率變化，則使機(jī)組DEH不能快速、準(zhǔn)確調(diào)節(jié)機(jī)組出力。如變送器功率暫態(tài)特性不好，功率畸變滿足上述KU動(dòng)作條件，則會(huì)造成機(jī)組保護(hù)邏輯誤動(dòng)，造成機(jī)組解列跳機(jī)，可以用KU的動(dòng)作條件來判定變送器的暫態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。

根據(jù)如上條件對(duì)比表1進(jìn)行判斷，P1在AB、ABN故障時(shí)功率下降過低，滿足上述條件，可能造成KU動(dòng)作，導(dǎo)致零功率保護(hù)或相關(guān)熱工邏輯誤動(dòng)作，造成機(jī)組解列，對(duì)電網(wǎng)安全產(chǎn)生一定影響。

5 結(jié)束語

a.本文以ADPSS仿真軟件為主要研究平臺(tái)，搭建了典型電廠模型，通過模擬故障對(duì)有功功率變送器進(jìn)行了暫態(tài)特性分析。

b.通過對(duì)火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究，分析出KU動(dòng)作條件，從而提出評(píng)價(jià)有功功率變送器暫態(tài)特性優(yōu)劣的具體指標(biāo)。

c.對(duì)比分析評(píng)價(jià)指標(biāo)與錄取的暫態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)幾臺(tái)測(cè)試的有功功率變送器暫態(tài)特性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

有功功率變送器暫態(tài)特性優(yōu)劣關(guān)系到機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以有功功率變送器在入網(wǎng)前應(yīng)該對(duì)其暫態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)其可滿足電網(wǎng)功率突變情況下的功率測(cè)量要求。