对涌流影响功率变送器从而引起机组振荡的研究

1、对涌流影响功率变送器从而 引起机组振荡的研究 浙江涵普电力科技有限公司 R 在发电机功率监控系统中，广泛采用了功率变送器来监测发电机机端和 负载端的功率。而发电机组的外围线路故障、内部故障和主变全压冲击等会 引起励磁涌流干扰信号，继而影响功率变送器的功率测量。 本文分析功率变送器受短暂涌流的影响造成机组功率振荡的过程及原因， 并提出了采用数字式功率变送器的解决方案。 内容摘要 一、背景 发电机是现代生产活动中的重要设备。为保证发电机的稳定运行，在发电 机监控系统中，广泛采用功率变送器来测量发电机机端和负载端的功率，以供 监控系统进行数据分析处理并采取适当的控制。因此功率变送器输出信号的正 确与

2、稳定对于发电机的稳定运行有着重要意义。 随着我国现代化进程的不断推进，对于电力的需求越来越大，国内运行投 产的大型发电机组数量日趋增多。发电机容量的增大，使得发电机对电网的影 响也在增大。原先一些因为机组容量小而掩盖的问题会逐渐暴露出来。这对电 厂的稳定生产提出了更高的要求。 用电需求 不断增大 发电机组 容量增大 机组 对电网 影响增大 稳定生产 难度增加 近几年来，各地电厂在进行对主变全压冲击等操作，或者外围线路发生 故障、投切超大负荷时，陆续出现邻近发电机组的功率振荡甚至跳机等故障。 浙江涵普电力科技有限公司作为国内著名变送器生产厂家，也陆续收到了部 分电厂的这类问题反馈。这些情况引起了

3、各地电厂和浙江涵普公司的重视。 机组功率 振荡甚至 跳机故障 外围线路 发生故障 对主变 全压冲击 投切 超大负荷 二、案例分析 案例一 、华能浙江某电厂机组振荡事件 案例一 、华能浙江某电厂机组振荡事件 事件经过：华能浙江某电厂共4台1000MW机组。2009年8月15日16时 左右，#1、#2、#3机组正在运行，三个机组负荷分别是680MW、 640MW 、630MW。之后当地突然出现雷暴天气，16时21分，各机组DCS 系统出现报警，500kV玉岭5430线第一、二套分相电流差动保护及后备距 离I段保护动作，玉岭5430线B相接地故障报警，5012、5013开关B相跳闸， 之后重合闸成功

4、，B相瞬时接地电流最大达20510A，持续时间约50ms。 在故障起始至开关重合闸期间，#1机组有功负荷由685MW瞬间降至 -30MW，然后回升至618MW。#2机组有功负荷由646MW瞬间降至 35.9MW，然后回升至540MW。 事件分析与结论：事件发生后，电厂随即对当日机组功率振荡及#1、#2 机组调门关闭相关数据和波形曲线进行收集与分析。从电气继电保护动作情况 和相关波形记录分析看，电气保护动作行为及故障录波的电气量均正常。故障 后的机组振荡原因可能是送至热工DEH的功率变送器或热工的控制逻辑有异常。 根据数据分析，#1、#2机组DEH历史记录中的功率数据变化幅度明显比 电气侧历史记

5、录中的大。因此认定DEH侧控制逻辑接收到的功率信号有异常。 对现场功率变送器备品测试时，在输入平衡的三相电压、电流信号时，结 果符合要求。而用故障时的录波测量数据进行测试时，变送器两组输出信号分 别在故障初期存在突增和突降现象，说明功率变送器在B相接地故障导致出现 涌流时的测量存在问题。功率变送器的这一测量问题可能是该事件的原因之一。 华能浙江某电厂机组振荡事件: 防范措施： 1、针对#1、#2机组DEH中功率测量环节问题，联系相关DEH设备厂家对热工 DEH逻辑及控制参数进行进一步的梳理与完善。 2、修改功率变送器输出参数，由单向4-20mA修改为双向4-12-20mA。 3、适当降低负荷干

6、扰控制逻辑中的控制定值，防止负荷中断控制回路失效。 4、探讨目前单纯使用模拟量功率信号作为汽门快控逻辑触发信号的合理性， 尽量从机网协调的角度考虑该快控逻辑的必要性。 华能浙江某电厂机组振荡事件: 案例二、福建某燃气发电厂跳机事件 事件经过：2010年5月21日晚7时左右，福建某燃气发电厂#4机组在对主 变全压冲击时，正在满负荷运行的#3机组出现功率超限报警，引起#3机组保 护动作而跳机。 事件分析与结论：事后检查当时的TCS功率记录曲线，发现在跳机瞬间#3 机组反应到TCS逻辑控制系统的有功功率测量值达625MW，已超出量程上限。 而该机组跳机前各主要参数均未出现异常。 福建某燃气发电厂跳机

7、事件: 电厂组织福建省电力试验研究院及东方自控公司、东方电机厂的专家分 析讨论，会议最终认为，跳机是因为#4机组对主变全压冲击时，产生了较大 的励磁涌流，对电气二次回路造成较大干扰，使功率变送器测量产生较大突 变。根据数据记录，当时这种瞬间突变使#3机组的功率变送器输出达到 625MW，而TCS逻辑控制系统中没有信号质量的判断逻辑，于是TCS系统误 判为#3机组功率超限，最终造成了#3机组跳机。 防范措施： 1、建议功率变送器输出信号增加滤波环节，具体时间参数等待计算确定。 2、在TPS保护逻辑中对功率信号进行质量判断，若信号异常突变则自动切除 该保护。 福建某燃气发电厂跳机事件: 除上述两个

8、案例外，江苏启东吕泗港电厂、江苏太仓协鑫电厂和国华徐州 发电厂也先后向浙江涵普公司反馈过类似的机组振荡问题，浙江涵普公司还专 门去电厂与现场专家们一起探讨故障原因。 这三家电厂的现象和原因类似，都是在大型机组并网时，产生较大瞬间励 磁涌流，对电气二次回路产生干扰，使功率跳变，导致功率变送器的测量不可 避免地产生无规则的畸变（并非变送器质量问题），使得发电机功率调节系统 产生误判，导致调节系统失调产生振荡，严重时还会造成跳机故障。 其他电厂: 经过对多家电厂的现场故障检查和分析，在电厂大型机组并网或外围线路 出现故障时，会产生较大瞬间励磁涌流。可以确定，这些情况会对电气二次回 路产生较大干扰，使

9、电厂其它正常运行的机组功率变送器因检测到一定的谐波 功率而发生突变，使干扰进一步被放大了。那么，为什么这种突变会被常规模 拟变送器放大呢，这就要从常规模拟式功率变送器的原理来具体分析。 分析: 三、常规功率变送器原理 发电发电机组常用的功率变送器型号为FPW-201，采用常规纯模拟电路设计， 本文简称常规功率变送器。 三相功率变送器按接方式，可分为三相三线(三相二元件)和三相四线(三相 三元件)两类。其测量原理是相同的，仅是接线方式不同。 三相功率变送器实际上是把两个(二元件)或三个(三元件)单相功率变送器 的测量相加，从而得到三相总功率。基本原理框图如图1。 图1 常规功率变送器基本原理框图

10、 图图1中的中的时分割乘法器电路原理如图2所示。 图2 时分割乘法器电路图 常规功率变送器原理 在时分割乘法器中，如图3所示，待测50Hz电压（图3紫色正弦曲线） 与高频1000Hz三角波（图3绿色三角线）经过比较器产生矩形脉冲（PWM 脉宽调制），每个脉冲的宽度代表某一时刻电压的幅值。 图3 时分割乘法器波形处理图 常规功率变送器原理 图3中可见，正弦波的最低点对应的脉宽宽度最小，正弦波的最高点对 应的脉宽宽度最大，一个正弦波被分割成20个脉冲波；这个调制出来的脉 冲输出去切割电流波形，即用电压变换后的脉冲宽度，去切割这段脉冲宽度 里的电流波形，再经过RC电路积分得到的面积（如图3红色阴影部

11、分，每段 脉冲小于1ms），就是我们所要测量的功率值。这个功率值是机组功率调整 的基础。 常规功率变送器原理 故障调查过程中，对变送器备品进行测试，纹波含量和响应时间的测试结 果如表1、表2。从表中可知功率变送器信号测量符合标准要求，本身没有问题。 允许值(%) 输入标称值(%)试验要求 纹 波 含 量(%) 结论样 品 编 号 123 0.32100峰-峰值0.030.020.02合格 允许值(ms)试验要求 试 验 结 果(ms) 结论样 品 编 号 123 400ms 0%90%250280275 合格 100%10%260295285 表1 功率变送器备品纹波测试 表2 功率变送器备品

12、时间常数测试 常规功率变送器原理 四、一次涌流对常规功率变送器的影响 为了分析问题查找原因，我们将某电厂的故障录波数据文件导入继保仪， 通过继保仪的录波回放功能，将故障时的三相信号输入变送器进行故障回放， 并用示波器监视故障电流和变送器的输出波形的变化，结果如图4所示。 图4中，下面的蓝色波形代表现场的电流，上面的黄色曲线是功率变送器 的功率输出。从图4中可以看到，当瞬间涌流发生后，电流信号及变送器输出 均发生了剧烈的振荡。 图4 故障录波和对应模拟功率变送器输出波形 故障阶段 输出突变 功率输出跟 随电流振荡 变送器输出 输入电流 一次涌流对常规功率变送器的影响 结合功率变送器的原理，在一次

13、涌流的影响下，变送器时分割乘法器中的 电压脉冲宽度没有变化，但这段宽度里（小于1ms）导通的电流幅值特别大， 而且出现涌流时产生了大量谐波功率，这些影响造成那一小段时间里的功率大 增，功率变送器模拟量输出也相应突增（图4黄色曲线波动更大）。 一次涌流对常规功率变送器的影响 如图5所示，红色阴影部分在某几个地方的幅度增大了，其面积表示的功 率也成倍增加，尽管当时该机组实际基波功率并没有那么大。 图5 有涌流进入的时分割乘法器波形示意图 一次涌流对常规功率变送器的影响 同理，当电流波动中有电流减小时，功率变送器也会有比实际功率值偏小 （图5阴影面积减小）的情况。据此推论，这一次涌流的影响，超过了功

14、率变 送器正常输入范围，使其放大了正常功率的波动。即图4的涌流对图5时分割乘 法器中积分电路的电流（Ia）产生了巨大的影响，而这种影响对于模拟电路的 常规功率变送器（带有RC积分电路）是不能消除的。 在模拟电路RC积分回路中，当输入为阶跃信号（近视于方波）时，对应 的输出称为阶跃响应，其RC充放电的电压、电流变化规律取决于电路结构和 电路参数。 一次涌流对常规功率变送器的影响 如图6所示，RC积分回路的充放电过程可以分为三种：过阻尼(图6中浅 蓝色线)、欠阻尼(图6中绿色线)和临界阻尼(图6中红色线) 图6 RC电路三种充放电过程 过阻尼 欠阻尼 临界阻尼 一次涌流对常规功率变送器的影响 从图

15、7放大图中可以看到，当RC参数处于欠阻尼状态（图7绿色线）时， 其阶跃响应被放大，输出的阶跃跳变产生过充现象（向上或向下均会产生过 充现象），其幅值远远大于其输入的阶跃信号。 图7 RC电路三种充电过程的放大图 过阻尼 欠阻尼 临界阻尼 一次涌流对常规功率变送器的影响 在理想的一定频率的方波信号作用下，通过调整电路参数，可以使电路工 作在临界阻尼状态(理想状态)。这种状态下，不仅输出的波形平坦，而且响应 时间也较短。 然而，现场实际的情况很复杂，当有涌流冲击时，其信号的频率成分中夹 带着很多不同次数的谐波量，无法保证电路始终工作在临界阻尼状态，而大多 工作在欠阻尼状态。而如果使电路工作在过阻尼

16、状态，则电路的响应时间又会 很长。变送器的国家标准及鉴定规程中要求响应时间小于400ms，而且其基本 误差试验也是要求在稳定的参比条件下进行。 所以，常规模拟变送器既要满足瞬态响应又要满足稳态测量是非常困难的， 电路原理可能会相当复杂，相应的综合成本也会相当高。 一次涌流对常规功率变送器的影响 五、FPWK301D数字式功率变送器 目前微处理器技术越来越成熟，采用数字技术来设计产品已经是一种趋势， 因此，我公司已通过数字技术来解决这一问题，相信未来的变送器标准肯定也 会作一定的修正，设计院的设计思路也会作出调整。 浙江涵普电力科技有限公司为此专门设计了FPWK-301D/FPWK-201D型

17、数字式功率变送器。 该型变送器全面满足并优于 GB/T13850国家标准，其响应时间小于 250毫秒；而且在GB/T13850国家标准的 基础上增加了励磁涌流与直流分量引起的改 变量指标，并修定了Q/HPD30-2007企业标 准。 FPWK301D数字式功率变送器 规定将输入量幅值从100%的标称功率突然 快速增加到200%的标称功率，或者突然快速减 小到0，持续100 ms后快速恢复到100%的标称 功率，变送器输出的最大改变量不得超过0.5%； Q/HPD30-2007 企业标准新规定： 规定施加100%的标称功率范围内的输入量保 持不变，等待变送器输出稳定后，在任意一相交 流电流输入信

18、号中叠加一个直流电流分量，其幅 值等于100%的标称交流电流，持续100 ms后去 除该直流电流分量，变送器输出的最大改变量不 得超过0.5%。 Q/HPD30-2007 企业标准新规定： 该型变送器全面满足并优于GB/T13850国家标准，其响应时间小于250毫 秒；而且在GB/T13850国家标准的基础上增加了励磁涌流与直流分量引起的 改变量指标。具体如下： 规定将输入量幅值从100%的标称功率突然快速增加到200%的标称功率， 或者突然快速减小到0，持续100 ms后快速恢复到100%的标称功率，变送器 输出的最大改变量不得超过0.5%； 规定施加100%的标称功率范围内的输入量保持不变

19、，等待变送器输出稳 定后，在任意一相交流电流输入信号中叠加一个直流电流分量，其幅值等于 100%的标称交流电流，持续100 ms后去除该直流电流分量，变送器输出的 最大改变量不得超过0.5%。 FPWK-301D/FPWK-201D数字式功率变送器采用大规模集成电路,应用 数字快速采样处理技术，集成化程度高，工作更加可靠，具有优异的准确度、 线性度和长期稳定性，抗干扰性强，抗谐波影响能力强。在EMC试验中按 GB/T 17626最严酷等级进行试验，确保变送器在恶劣环境下的可靠运行。 数字式的功率变送器原理如图8所示。 图8 数字式变送器原理框图 FPWK301D数字式功率变送器 数字式变送器从

20、交流采样开始就由微处理芯片的程序进行处理。其功率测 量值是对电压、电流直接进行交流采样得到的数字量直接相乘后得到，不存在 RC积分电路的阶跃响应问题。而且在芯片编程的软件算法中，利用程序判断 剔除短暂的异常突变信号，再将测量到的功率数值做窗型滑动滤波，使得变送 器的输出更加稳定，受外界突变信号干扰的影响特别小。 FPWK301D数字式功率变送器 对FPWK-301D/FPWK-201D数字式功率变送器进行测试，其中输出纹波 含量和响应时间的测试结果如表3、表4。结果显示该型变送器信号测量符合并 优于国家标准，且主要性能指标较常规变送器更好。 允许值 (%) 输入标称值 (%) 试验要求 纹 波

21、 含 量(%) 结论样 品 编 号 123 0.32100峰-峰值0.010.020.01合格 允许值(ms)试验要求 试 验 结 果(ms) 结论样 品 编 号 123 400ms 0%180175185 合格 100%195185190 表3 数字式功率变送器纹波测试 表4 数字式功率变送器时间常数测试 FPWK301D数字式功率变送器 六、数字式功率变送器使用效果测试验证 上面的图4所示波形，是将故障信号波形用继保仪输入到FPW-201常规 功率变送器，然后查看涌流对功率变送器的影响，可以看到，图4蓝色部分波 形在某一时刻有突变，图4黄色曲线显示了功率变送器的输出值。当电流波动 一次以后

22、，功率变送器输出幅度有了较大的变化。而之后的电流和功率变送 器输出都变成了振荡的曲线。 我们将图4所用的故障录波文件，再次用继保仪将故障信号输入到FPWK- 301D/FPWK-201D数字式功率变送器中，其输出的波形如图9所示。 从图9可以看出，数字式功率变送器的输出，在输入同样的故障信号 时，短暂的波动被滤除，而在之后的电流振荡部分，也是整体抬高不到 0.5%，而不是随之波动。抗扰动的性能明显优于常规功率变送器。 图9 故障录波和对应数字式变送器输出图 变送器输出 电流输入 故障时输出平稳 振荡阶段 输出略微抬升 数字式功率变送器使用效果测试验证 另外我们在测试时还加入交流或直流突变信号，以观察其滤波效果。 测试1：先给数字功率变送器输入正常范围内的功率，等变送器输出 稳定后，把功率瞬间增加到200%标称功率，并持续100ms，然后恢复到 之前正常范围内的功率，观察这段时间内功率输出是否会产生较大变化。 测试结果如图10： 图10 功率突增到200%的标称功率的测试结果 变送器输出 输入电流 扰动输入(200%) 正常输入 扰动输入时输 出仍保持稳定 数字式功率变送器使用效果测试验证 测试2：先给数字功率变送器输入正常范围内的功率，等变送器输出 稳定后，把功率瞬间突降到0，并持续100ms，然后恢复到之前正常范围