勵磁涌流引起發電機功率變送器測量誤差的原因分析及改進措施

李 惠徐小川于學偉/.包頭第一熱電廠.哈爾濱友盛科技有限公司

勵磁涌流引起發電機功率變送器測量誤差的原因分析及改進措施

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隨著電力系統自動化程度的提高，發電廠自動化設備得到廣泛應用。發電機功率作為其中的一個重要參數，其可靠性、穩定性不但直接影響自動化設備的運行，而且對發電機組的安全運行也產生著十分重要的影響。本文闡述了關于主變壓器投運時產生的勵磁涌流及和應涌流對發電機功率測量的影響及改進方法。從而使變送器在發生勵磁涌流影響時能更加準確地測量出發電機功率變化。

發電機；勵磁涌流；和應涌流；功率變送器

引言

功率變送器作為發電機組的重要測量元件之一，其測量準確性、抗擾動能力及可靠性直接關系到發電機組能否穩定運行。對于大容量機組如600MW以上的發電機組，其DEH系統和DCS系統的負荷調節、控制是根據發電機出口的功率測量值和給定的指令值來進行邏輯判斷，從而對水、煤、風、汽的入口量進行調節，最終實現對機組的負荷調節。當發電機出口的有功功率值發生大的非正常的波動時，可直接導致發電機的出力發生大的變化，甚至打閘，DCS系統退出CCS控制模式，AGC、AVC系統退出自動模式等等。

1.勵磁涌流形成的原因及危害[2]

變壓器勵磁涌流是指變壓器全電壓充電或零起升壓時，在其繞組中產生的暫態電流。產生勵磁涌流的原因是：變壓器投入前鐵芯中的剩余磁通與變壓器投入時工作電壓產生的磁通方向相同時，其總磁通量遠遠超過鐵芯的飽和磁通量，因此產生較大的涌流，其中最大峰值可達到變壓器額定電流的6～8倍。勵磁涌流將在差動回路中引起很大的不平衡電流，可能導致保護的誤動作。通過對勵磁涌流波形的分析，其有以下特點：含有很大的非周期分量，使曲線偏向時間軸的一側；含有大量的高次諧波，其中二次諧波所占比重最大。勵磁涌流的危害性包括：(1)誘發鄰近正在運行機組的主變產生和應涌流而誤跳閘，造成大面積停電；(2)引起合閘變壓器的繼電保護裝置誤動，使變壓器的投運失敗；(3)造成系統電壓驟升或驟降，影響其它電氣設備正常工作；(4)勵磁涌流中的非周期分量可能導致測量和保護CT磁路被過度磁化，降低測量精度和繼電保護裝置的正確動作率。

2010年5月21日，中海福建燃機#3機組(395MW)跳閘，原因是#4主變全電壓沖擊合閘時致#3發電機功率變送器輸出發生畸變。2011年12月24日國華徐州#2機組（1000MW）跳閘，原因是#1機并網瞬間，導致#2發電機功率變送器輸出發生畸變。2013年10月21日，大唐呂四電廠#2機組(600MW)協調控制自動退出，原因是東洲變電站（距呂四電廠約40Km）主變空載合閘致#2機功率變送器輸出發生畸變[3]。

2．勵磁涌流對功率變送器測量的影響

2.1功率變送器測量原理

功率變送器基本都采用時分割乘法器測量原理，時分割乘法器的特點是：測量頻率較低，線性度，一般用于測量精度要求較高的場合。功率變送器的工作原理如圖（1）所示，可見時分割乘法器在整個變送器測量過程中起到至關重要的作用。時分割乘法器的工作原理是：一個對被測量進行調寬和調幅的工作過程，圖（2）是時分割乘法器的工作原理框圖，圖中運算放大器A和電容C1組成積分器，對R1和R2輸入的電流做求和積分，VR+和VR-是兩個基準電壓，開關S是受比較器控制而同時動作的模擬開關，積分器輸出的電壓和三角波發生器產生的三角波電壓經過比較器比較，當積分器輸出電壓大于三角波的電壓時，開關S接VR+，反之接VR-，乘法器輸出的E0得到的幅值為±EY的方波經低通濾波后的直流成分。

圖1 功率變送器工作原理框圖

圖2 時分割乘法器工作原理框圖

2.2 涌流引起的測量誤差

2.2.1 高次諧波引起的誤差。

在基波條件下有h=1,則對第k份分割時有：

則在2π周期內功率的平均值可表示為：

同理可得在相同調制頻率F下h次諧波的平均功率為：

其中h為高次諧波次數，Uh、Ih分別為h次諧波時電壓、電流的有效值，hφ電壓與電流之間的相位角。如果令：

由式（5）可以看出Kh僅與諧波次數和調制頻率有關，則式（4）可改寫為：

式（6）中Phs為h次諧波功率的理論值，由此可得時分割乘法器在h次諧波時計量誤差的表達式為：

則基波中疊加多次諧波時，功率變送器的計量誤差為：

2.2.2非周期分量的影響

假定被輸入的電壓或電流信號為如下形式。

式（9）中I0和τ分別為衰減的非周期直流分量的幅值和時間常數， Ih、φh為h次諧波分量幅值和初相角，ω為基波信號的角頻率。

由式（9）可以看出直流分量I0可使電壓或電流曲線偏向時間軸的一側，從而導致功率測量值偏離標準值[1][2]。

3．改進措施

從以上的分析看，發生涌流時產生的諧波功率及非周期分量產生的功率突變并非發電機發出的真實功率，因此傳統的模擬乘法器構成的功率變送器在發生勵磁涌流或和應涌流時已經無法準確、真實地測量出發電機實際輸出的功率值。在這種情況下，采用CPU進行數據處理的數字智能型功率變送器就展示出其強大的優勢了。由此我們設計出了一款新的數字智能型功率變送器RGHD-103，其測量原理如圖3所示，內置高速A/D轉換器及高性能的CPU。變送器對電壓或電流每個周波進行高速采樣，采用點數為128點，數字濾波方式，去除高次諧波及非周期分量的影響，計算出當前的基波功率值，通過與穩態時的功率測量值對比，CPU可判斷出當前系統是否發生涌流現象，并根據該機組DEH的調節特性，采取相應的措施，從而使變送器的輸出更加穩定，降低受外界信號突變的干擾影響[4]。

圖3 智能型功率變送器測量原理

4．結論

本文通過對勵磁涌流產生的條件、勵磁涌流的分量組成、時分割乘法器的測量原理及產生涌流時諧波分量、非周期分量對功率變送器測量精度的影響進行分析，得出了發生涌流時機組功率測量不準確的原因，并給出了相應的解決方案。RGHD-103型智能功率變送器響應速度快、工作穩定、抗干擾能力強，既具備常規功率變送器的高精度又能濾除勵磁涌流或和應涌流所產生的暫態負荷波動，從而提高了DEH協調系統的的可靠性及穩定性。

[1]羅勇，王奕等. 和應涌流引起發電機差動保護誤動原因分析及其改進措施[J]. 廣東電力，2011, (4): 42-45.

[2]方剛，高仕斌，林國松，杜晟等. 一種提高消除衰減周期分量響應速度的交流采樣數據修正方法[J]. 電力系統繼電保護與控制 , 2009, (20):61-64.

[3]陳剛，徐國明等. 基于涌流影響功率變送器引起的機組震蕩研究[J]. 電氣技術，2015, (10):68-71.

[4]Joseph Yiu，宋巖 譯，ARM Corrtecx-M3權威指南[M].北京航空航天大學出版社，2009.7

[5]王永虹，徐煒，郝立平.ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京:航空航天大學出版社,2008.7.

李惠（1976-），女（漢族），本科，工程師，從事電力系統工程及其自動化方面的研究。