火电机组有功功率变送器应用分析_杨涛

第6期 0引言 传统的模拟式有功功率变送器在火电机组中 应用十分广泛 其采集发电机电压电流量 利用 时分割乘法器原理产生模拟量功率信号 1 有功功 率变送器的功率信号一般被送至系统DCS 分别 被ECS MCS和DEH系统等应用 其中ECS将 功率信号用于监控后台显示 MCS与DEH将功率 信号作为其测量及控制的基础 GB T 13850 交流 电量转换为模拟量或数字信号的电测量变送器 中对功率变送器的输出精度 响应时间等稳态性 能指标有明确规定 目前常用功率变送器的输出 精度 响应时间等均能够满足要求 但标准对于 变送器的暂态性能 电网发生故障时变送器输出量 的特性 并没有要求 变送器产品也不考虑暂态性 能 实际上 国内火电机组已发生多起电网故障 时由于功率变送器输出畸变导致DEH中汽门快控 误动作的事故 有些情况下还造成多台机组的停 机 后果相当严重 2 4 在以往的应用中一般没有 生产厂家或电厂用户关注功率变送器的暂态性能 但在功率变送器引起多起汽门快控误动事故后 其暂态性能开始引起越来越多的关注 一些电厂 已开始着手解决该问题 对传统的变送器进行改 造 目前 对于模拟式功率变送器的暂态性能和 畸变原因不够了解 模拟式功率变送器是否需要 改造及如何改造也是需要解决的问题 因此有必 要对传统的有功功率变送器进行暂态性能分析 找出功率变送器发生输出畸变的原因 并根据模 拟式功率变送器及新型功率变送装置的特点对火 电机组中变送器具体应用进行分析 1暂态特性分析 利用殷图仿真系统搭建仿真模型 在发电厂 出线上分别设置单相 相间 相间接地 三相短 路等各种故障类型 测试变送器在各种情况下的 暂态输出 试验结果及分析如下 1 1不同故障类型 对于某一型号的功率变送器 在各种故障形 式下对其进行了暂态性能测试 现以AN单相接 地短路 BC相间短路 CAN两相接地短路 ABC 三相短路时为例 对实际功率波形与变送器输出 波形进行说明 见图1 由图1可以看出 在各种 故障类型下 实际功率波形与变送器输出波形都 存在差别 这种差别主要表现在2个方面 1 从 波形上看 实际功率波形为U型 宽度为120 ms 左右 而变送器输出波形基本为抛物线形 宽度 为280 ms左右 2 两者变化的大小也有较大差 别 对实际功率波形与变送器输出波形均以其功 率最小值的点进行比较 下同 变送器输出与实 际功率波形存在较大的不同 例如 AN和BN单 相接地故障时 发电机实际功率减小20 本文中 的功率变化量均是以故障前稳态功率为参考的相 对值 但该变送器实际输出在AN故障时减小 7 在CN故障时减小36 综合以上2点 可 知 在电网发生扰动 主变投切等 或故障时 变 收稿日期 2016 01 15 作者简介 杨涛 1978 男 山东济宁人 高级工程师 从事电力系统及其自动化研究 E mail power forward 摘要 对火电机组常用的模拟式功率变送器进行了暂态特性分析 发现各种型号的模拟式功率变送器均不 具备良好的暂态性能 在电网发生故障或扰动时其输出信号将发生畸变 可能导致机组汽门误动作 通过分 析指出了响应时间过长与内部小电流互感器 TA 饱和是模拟式功率变送器输出波形畸变的原因 介绍了一 种新型的功率变送装置 对功率变送器应用及改造中存在的问题进行了分析 指出当机组DEH系统中含有 汽门快关功能时 须用新型的功率变送装置替代传统的功率变送器 以解决汽门快关误动作问题 关键词 火电机组 有功功率变送器 暂态性能 中图分类号 TK264 2 文献标志码 BDOI 10 11930 j issn 1004 9649 2016 06 053 04 中 国 电 力 ELECTRIC POWER 第49卷 第6期 2016年6月 Vol 49 No 6 Jun 2016 火电机组有功功率变送器应用分析 杨涛 黄晓明 宣佳卓 国网浙江省电力公司电力科学研究院 浙江 杭州310014 发 电 53 第49卷中 国 电 力 送器输出波形存在畸变 不能完全真实地反映实 际功率变化的情况 1 2不同型号功率变送器 在殷图仿真系统搭建的仿真模型中设置各种 故障 电厂常用型号的功率变送器输出结果变化 值如表1所示 表1中最大值 最小值是指在同 一故障类型下不同故障相别及故障时刻情况下的 最大值与最小值 由表1中数据可知 在各种故 障情况下 所有被测功率变送器的功率输出均不 能完全真实地与实际功率变化保持一致 有些变 送器在某些情况下会将实际功率的变化值放大 在另外的故障情况下会将实际功率变化值缩小 如表1中变送器1 2 3 而有些变送器在所有 故障情况下均会缩小实际功率变化值 如表1中 变送器5 另外 根据表1中测试结果可知 功 率变送器的输出结果变化没有规律可循 因此也 难以判断出哪个型号的功率变送器暂态性能相较 于其他变送器暂态性能更优 1 3不同接线方式 功率变送器有三相四线制及三相三线制两种 接线方式 在单相接地故障下 对同一厂家及不 同厂家的两种接线方式变送器均进行了测试 测 试结果如表2所示 表2中变送器1 2分别为三 相四线制及三相三线制 为同一厂家产品 变送 器3 4分别为三相四线制及三相三线制 为不同 厂家产品 发电机实际功率下降20 由表2中 数据分析可知 变送器1功率下降值小于或等于 变送器2功率下降值 但两者的功率下降值均不 等于20 对于变送器3 4 变送器4在BN故 障时的功率下降值反而小于变送器3 并且在三 种故障情况下功率变化值较为平均 因此 即使 对于同一厂家产品 也不能得出三相四线制变送 器暂态性能优于三相三线制变送器的结论 2应用分析 2 1畸变原因分析 对目前常用的各种模拟式有功功率变送器进 行了暂态性能测试 综合测试结果来看 无论在 何种故障情况下 目前常用的各种型号的功率变 送器在电网发生故障时其输出功率信号均不能完 全真实且实时地反映发电机实际功率变化 主要 存在3个方面的问题 1 变送器输出波形不能完全拟合实际功率 波形 即输出波形与实际功率波形形状不同 2 当电网发生故障或出现扰动时 变送器 输出会缩小实际功率变化值 3 当电网发生故障或出现扰动时 变送器 输出会放大实际功率变化值 上述问题 1 2 是由于模拟式功率变送器 响应时间过长引起 模拟式功率变送器的响应时 间一般为250 ms 而高压电网故障时的切除时间 一般小于100 ms 变送器响应速度导致其无法准 确反应发电机波形的快速变化 从而出现输出波 图1不同故障类型下实际功率与变送器输出波形 Fig 1Waves of actual power and transducer output in different faults 表1不同型号变送器输出下降值 Table 1Output reduction of different types of transducers 故障类型 实际功 率下降 变送器1 最大值 变送器1 最小值 变送器2 最大值 变送器2 最小值 变送器3 最大值 单相接地20427151029 相间短路401059801494 两相接地529117842290 三相短路92130100147110128 故障类型 实际功 率下降 变送器3 最小值 变送器4 最大值 变送器4 最小值 变送器5 最大值 变送器5 最小值 单相接地201016886 相间短路40244618157 两相接地52394271810 相间短路9210346203322 表2不同接线方式下变送器输出下降值 Table 2Reduction of transducer output in different connection modes 故障类型 变送器1 功率下降值 变送器2 功率下降值 变送器3 功率下降值 变送器4 功率下降值 AN故障99725 BN故障17283616 CN故障191928 发 电发 电 54 第6期 形不能拟合实际功率波形且输出值小于实际值 上述问题 3 应是由于变送器内部小电流互 感器 TA 饱和引起 传统功率变送器要求保证稳 态情况下的输出精度 内部小TA一般采用测量 级TA 测量级TA励磁曲线拐点较低 不考虑TA 饱和问题 一般在稳态电流大于1 2倍TA额定电 流时即会出现饱和 TA饱和分为由大容量稳态对 称电流引起的稳态饱和与短路电流中混合有非周 期分量引起的暂态饱和 5 6 在电网发生扰动或故 障时 故障电流幅值一般将超过内部小TA的稳 态饱和电流值 另外 故障电流中一般均含有一 定成分的非周期分量 这也将引起小TA的暂态 饱和 传统的模拟式功率变送器一般采用时分割乘 法器原理 对一个周期内的瞬时功率值相加后取 平均值 其实质是全功率的有效值 7 8 从其原理 分析看 即使发电机电压电流中存在谐波分量及 非周期分量 其功率值也不应该出现放大实际功 率变化量的情况 因此 变送器发生功率畸变的 实际原因应该是故障电流过大或含有的非周期分 量导致了变送器内小TA的饱和 从而使参与计 算的电流量畸变 导致变送器输出信号放大了实 际功率变化值 如果要解决模拟式功率变送器暂 态特性不良的问题 那么须考虑变送器内部小TA 的饱和问题 2 2接线方式的影响 值得指出的是三相四线制功率变送器暂态性 能并不比三相三线制功率变送器暂态性能更好 可以从对上述测试结果的分析中得出该结论 同 时三相四线制功率变送器的暂态性能优于三相三 线制的想法也是缺乏理论基础的 故用三相四线 制变送器取代三相三线制功率变送器的方法并不 可取 实际运行中有种观点认为三相三线制功率 变送器在电网发生故障时 由于发电机机端电流 不再平衡 故三相三线制功率变送器不能真实反 映发电机功率 而实际上 只要发电机机端电流 不存在零序分量 三相三线制变送器的测量理论 基础就是成立的 目前大型发电机中性点均采用 高阻接地方式 机端不存在零序电流 故三相三 线制变送器理论上在电网故障时是可以测量发电 机有功功率的 2 3应用中存在的问题 在火电机组中 有功功率变送器的功率信号 一般有3个用途 分别用于ECS MCS DEH系 统 这些系统中的功能应用一般只要求功率变送 器提供满足精度要求的稳态功率信号 对于变送 器的暂态性能并没有要求 但是当DEH系统中含 有KU PLU等汽门快关功能时 其要求变送器应 有良好的暂态性能 在电网发生故障或扰动时也 能够真实地反映实际功率的变化 由上述的暂态 性能分析可知 传统模拟式变送器存在暂态情况 下波形畸变问题 无法满足要求 因此 当DEH 系统中无KU PLU等汽门快关功能时 传统的模 拟式有功功率变送器仍能满足运行需要 无需改 造 当DEH系统含有KU PLU等汽门快关功能 时 传统的模拟式有功功率变送器在电网故障或 扰动时的输出功率信号畸变可能会导致KU PLU 误动作 给机组安全稳定运行带来影响 据了解 这种电网故障或扰动时由于变送器原因导致调节 门动作的情况已经在多台运行机组中出现 严重 时引起了机组跳机事故 因此 当DEH系统含有 KU PLU等汽门快关功能时 为防止汽门误动事 故 应将传统的模拟式功率变送器改造为具备良 好暂态性能的新型的功率变送装置 2 4解决方案 由于目前常用的模拟式功率变送器暂态性能 均存在问题 用某一型号变送器去替换 改造 已 投入运行的功率变送器的做法是不应该提倡的 因为即使对不同型号变送器进行暂态性能对比试 验 也很难能够得出某型功率变送器的暂态性能 优于其他功率变送器的结论 目前 解决该问题 的最根本途径是将传统的模拟式功率变送器替换 为新型功率变送装置 新型功率变送装置应能够 真实反映功率实际变化 具备良好的暂态性能 同时还应在稳态情况下具备良好的输出精度 这 样才能彻底解决该问题 目前这种新型的功率变 送装置已经获得了应用 如果暂时无法对变送器 进行改造 应考虑给DEH中的汽门快控增加辅助 判据或退出该功能 防止可能出现的汽门快控误 动情况 2 5新型功率变送装置 新型的功率变送装置原理如图2所示 其通 过A D采集电压电流量 利用功率算法计算有功 功率值 输出4 20 mA模拟量 相比传统的模拟 式功率变送器 新型的功率变送装置存在两个优 点 一是较为完善地解决了TA饱和问题 值得 指出的是当电网发生故障时 变送器内部小TA 与机组TA的测量绕组均存在饱和可能 因此即 使 变 送 器 内 部 小TA采 用 了 抗 饱 和 能 力 强 的 小 TA 也依然无法解决机组TA测量绕组饱和的问 题 为解决该问题 必须将机组TA的保护绕组 及测量绕组均引入功率变送装置并根据运行状态 进行切换 在稳态情况下利用测量绕组电流进行 功率计算以保证测量精度 当电网发生故障时 功率变送装置切换至保护绕组电流进行功率计算 故障消失后再次切换至测量绕组电流 这种措施 杨涛等 火电机组有功功率变送器应用分析 发 电发 电 55 第49卷中 国 电 力 是传统的模拟式变送器无法实现的 二是新型功 率变送装置的响应时间较快 一般小于30 ms 能够较为真实地反映实际功率的波形变化 对于 实际功率波形的拟合度较高 新型的功率变送装 置在稳态情况下能够提供精度满足要求的功率信 号 在电网故障或扰动时能够保证输出信号的暂 态特性 是一种良好的解决方案 3结论 传统的模拟式功率变送器均不具备良好的暂 态性能 在电网发生故障或扰动时 其输出信号 将发生畸变现象 当DEH中无KU PLU等汽门 快关功能时 传统的模拟式功率变送器仍能满足 运行需要 但当DEH中含有KU PLU等汽门快关 功能时 应利用新型的功率变送装置代替传统的 模拟式功率变送器 以保证功率信号的稳态精度 及暂态特性 防止出现汽门误动事故 参考文献 1 钱伟康 方宗达 影响时分割乘法器准确度的主要因素分析 J 上海理工大学学报 2002 24 3 268 271 QIANWeikang FANGZongda Analysisonmainfactors influencing accuracy of time division multiplier J University of Shanghai for Science and Technology 2002 24 3 268 271 2 张宝 杨涛 项谨 等 电网瞬时故障时汽轮机汽门快控误动作 原因分析 J 中国电力 2014 47 5 18 22 ZHANG Bao YANG Tao XIANG Jin et al The cause analysis of steam turbine valve control misoperation caused by grid instantaneous fault J Electric Power 2014 47 5 18 22 3 过小玲 郑渭建 取消东汽机组PLU保护的可行性探讨 J 浙 江电力 2013 1 52 54 GUO Xiaoling ZHENG Weijian Exploration on feasibility of canceling Dongqi unit PLU protection J Zhejiang Electric Power 2013 1 52 54 4 田丰 陈兴华 罗向东 等 完善机组涉网控制提高电网可靠性 J 电力系统及其自动化学报 2010 22 1 116 119 TIAN Feng CHEN Xinghua LUO Xiangdong et al Perfect of unit control functions with grid to improve reliability of grid J Proceedings of the CSU EPSA 2010 22 1 116 119 5 袁宇波 变压器差动保护理论分析 D 南京 东南大学 2006 6 景敏慧 孔霄迪 覃松涛 等 P类电流互感器饱和原因分析及 对策 J 电力系统自动化 2007 31 21 94 97 JING Minhui KONG Xiaodi QIN Songtao et al Cause analysis onthesaturationofPclasscurrenttransformersandits countermeasures J Automation of Electric Power Systems 2007 31 21 94 97 7 樊丽琴 张保会 葛耀中 有功功率实时计算方法及其应用分 析 J 电力系统及其自动化学报 1994 6 1 9 18 FAN Liqin ZHANG Baohui GE Yaozhong Analysis of active power real time 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