330MW發電機功率自動跟蹤系統自動退出原因分析

孫偉慶+徐宏濤

摘 要：發電機功率自動跟蹤系統自動退出現象一直影響機組安全穩定可靠掛網運行，嚴重時引起降負荷、跳機等事故，功率自動跟蹤自動退出發生時發電機錄波器沒有記錄，因此依據DCS數據波形分析，從機組CCSP1、CCSP2、 CCSP3送至DCS有功功率、一次調頻、調節級壓力、無功功率、電網頻率、機組頻率、勵磁電流、勵磁電壓、機端電壓、機端電流等影像有功功率因數入手，通過不斷的分析研究，采取措施進行預防，最終找到功率自動跟蹤自動退出的根源。

關鍵詞：波動分析；有功功率；無功功率；自動退出；措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.167

十里泉發電廠裝有兩臺330MW機組（#6機組、#7機組）一臺140MW供熱機組，330MW機組主勵勵磁為哈爾濱JL-1434型勵磁機，DCS系統為GE新華XDPS-400E型控制系統，2013年以來已有數十次AGC、CCS自動系統強制退出，機組降負荷等事故的發生，對機組安全穩定可靠掛網運行產生很大影響，對此問題不斷分析研究采取措施來提高機組運行可靠性；機組有功功率分別由三塊0.2級功率變送器CCSP1、CCSP2、CCSP3分別送至熱控DCS01柜61號DPU 2號站1號卡16點、0號卡16點、2號卡1點的三個獨立卡件上，并取中間值做為機組實時有功功率值使用。無功功率以三臺并網的發電機以AVC無功自動調節系統根據發電機PQ曲線特性按照等功率因數原則下發指令分配無功負荷的。

1 機組自動退出現象

1.1 #7機組功率波動

2015年1月20日10點52分38秒（因受到DCS系統采樣時間500ms約束無法細致分析只能截取到此時間間隔）#7機組AGC未投CCS投入狀態，運行人員反應#7機有功功率突然波動十幾MW，波動時影響發電機功率CCS自動跟蹤退出，查詢DCS數據。（詳見表1）

1.2 #5、#6、#7機組功率波動

2015年2月3日0點37分14秒#7機組AGC未投CCS投入狀態，發電機功率波動時影響CCS自動跟蹤退出，查詢DCS數據CCSP1為270.64MW，CCSP2為270.16MW，CCSP3為270.37MW， 0點37分14秒突然變為CCSP1為306.50MW，CCSP2為343.15MW，CCSP3為314.53MW；#7機無功41.26Mvar突然升高至110.53Mvar，突變幅度69.27Mvar；#7發電機勵磁電流1844.90A升高至1910.36A。#6機組AGC投入狀態，發電機功率波動時影響AGC自動跟蹤退出，查詢數據分析CCSP1為253.16MW，CCSP2為253.13MW，CCSP3為253.16MW，0點37分14秒突然變為CCSP1為244.71MW，CCSP2為243.39MW，CCSP3為246.48MW；#6機無功29.66Mvar突然升高至97.28Mvar，突變幅度67.62Mvar；#6發電機勵磁電流1723.83A升高至1792.49A。#5機組CCS投入狀態，發電機功率波動時影響CCS自動跟蹤退出，查詢數據分析CCSP1為101.16MW，CCSP2為101.52MW，CCSP3為101.39MW，0點37分14秒突然變為CCSP1為99.55MW，CCSP2為99.11MW，CCSP3為103.65MW；#5機無功9.62Mvar突然升高至12.31Mvar，突變幅度2.69Mvar；#5發電機勵磁電流1035.72A升高至1050.38A，波動發生時3臺機組功率自動跟蹤全部退出。（詳見表2）

1.3 #5機組功率波動

2015年2月3日17點37分20秒#5機組CCS投入狀態，發電機功率波動發生時#5機組CCS自動跟蹤自動退出，查詢DCS數據。（詳見表3）。

1.4 #7機組功率波動

2015年3月12日18點53分50秒，#7機組AGC未投CCS投入狀態，運行人員反應#7機有功功率突然波動十幾MW，波動時影響發電機功率CCS自動跟蹤退出，查詢DCS數據。（詳見表4）

2 影響因數

2.1 機務分析

通過以上數據分析這幾次功率波動時間為2 ～ 4 S，圖1一次調頻、調節級壓力、轉速值均未發生太大波動，當輸出功率發生波動時，由于持續時間短，汽輪發電機組的輸入機械功率來不及反應，在波動過程中汽輪機調節汽門開度保持不變，汽輪機調速系統未響應發電機有功功率發生的波動，可以排除汽輪機及調速系統問題。

2.2 電氣分析

以上圖表數據中可以看出功率幾次波動都有機組無功功率突然增大的明顯特征，機組電壓略微降低電流增加頻率保持不變，勵磁電流隨即增加后又恢復的變化特性，機組功率自動跟蹤退出主要原因為無功突然變化所致，在分析之前先來了解下什么是無功功率。

許多用電設備均是根據電磁感應原理工作的，如配電變壓器、電動機等，它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉換和傳遞。在具有電感（或電容）的電路里，電感（或電容）在半周期的時間里把電源的能量變成磁場（或電場）的能量貯存起來，在另外半周期的時間里又把貯存的磁場（或電場）能量送還給電源。

無功功率就是指電力系統中用于電磁能量轉換的那一部分功率，無功功率在電源和負載之間來回傳遞而不被消耗，就像一個LC震蕩電路，充了電的電容向電感放電，電感將電能變成磁場能量，電容放電終止時，電感中的磁場能量又會轉變成電能向電容充電變成電場能量，周而復始，這其中傳遞的就是“無功功率”。

現在問題已經比較清楚了，改變發電機的勵磁電流，就可以改變定子的感應電勢，增大勵磁電流就可以使感應電勢大于端電壓（電動機的端電壓永遠大于感應電勢），從而使發電機的電流超前于端電壓，使發電機發出無功功率。而表中數據說明無功功率突然增加的同時發電機的勵磁電流并未增加多少！圖4中勵磁電流波動并不明顯說明不是勵磁調節器控制的結果。endprint

電力系統的某一時間，負載“消耗”的無功是和發電機“發出”的無功平衡的。一臺機多帶了無功，其他機組的無功負荷就會下降。當負載無功功率增大時，無功電流的增量就會在發電機的電樞反應中起到“去磁作用”，使發電機的感應電勢降低，從而造成系統電壓下降，嚴格的說是降低電壓下達到新的平衡點而已，發電機無功功率突然增加并帶有電壓小幅波動也能說明此問題。

在排除測量誤差因數外，以及當時運行人員的反應廠內電氣設備中沒有任何操作，和勵磁電流隨即增加后又恢復也能說明變化特性，參考圖5圖6線路錄波器波形分析應該是靠近電廠處電網外部設備引起的，（遠處設備應考慮諧波影像）有需要建立交變磁場和感應磁通的設備吸收網上無功所致。

比如帶電投入空載變壓器時，會產生勵磁涌流，其值可達6～8倍額定電流。勵磁涌流開始衰減較快，一般經0.5～1秒即減到0.25～0.5倍額定電流值，上圖中發電機無功曲線的波形逐漸回落也能說明，但全部衰減時間較長，中小變壓器約幾秒，大型變壓器可達10～20秒，（例如圖4中無功衰減時間在8秒左右）變壓器消耗的感性無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功功率約為滿載時的1/3，送電時無功突然大出額定時的幾倍，這也是3臺發電機無功及勵磁電流同時升高幾秒后振蕩收窄回落恢復接近原無功數的數值，的原因之一。再如220kV線路100kM容性無功功率充電功率為13.2Mvar左右，線路送電如同巨大電容充電，吸收容性無功也類似變壓器可以參考表5計算無功功率。

2.3 測量影響

測量為什么出現大幅度波動，先來了解下同步發電機的功角特性，功角特性指發電機的有功功率（P）、無功功率（Q）與發電機電抗（Xd、Xq）、內電動勢（Ed）、機端電壓（U）和功角（δ）的關系特性。

第二項與Ed和δ無關，它代表發電機維持一定端電壓U所需勵磁的無功功率。因為Ed = U*Costδ + Id*Xd，故Q = Ed*Id – Id2*Xd，即供給電網的無功功率等于主磁通轉換的無功功率減去電樞繞組電感的無功損耗。由此可見，增加發電機的勵磁電流（即加大Ed），便可增大發電機的無功輸出。

通過以上表中數據可以看到勵磁電流增加并不明顯，無功反而增加很多，當電網系統波動進入發電機定子后發電機進入暫態過程，這時的功角δ增大，定子的旋轉磁場轉速下降，由于轉子巨大機械能儲備，轉矩不可能瞬間下降，儲備的轉矩動能釋放產生的功角增量，就是有功負荷的波動部分。

原來發電機運行在功角δa，發出有功為Pema，無功功率為Qa，增加機組有功功率，使功角增為δb，隨著功角增大，有功功率便增加，Pema無功功率隨功角增大而減小，由Qa變到Qb，|Qa|<|Qb|，由此可知，有功功率增大越多，無功減少越多，反之無功增加越多有功減少；發電機暫態過程中靜態電樞電流的直軸分量（無功性質）的電樞反應，不影響主磁場的分布；電樞電流的交軸分量（有功性質）的電樞反應，則使主磁場畸變，即定子合成磁場的軸線相對于主磁極磁場軸線偏移一個角度，這個角度就近似等于功角δ。電樞電流的交軸分量愈大，磁場畸變愈大，功角δ也就愈大。

機組有功功率波動波形被發電機CCSP1、CCSP2、CCSP3有功功率變送器在不同時間所采樣，（已知發電機有功功率變送器響應周期小于400ms）3塊變送器的采樣并不是同一周波時間內所采集的，所以在圖2和圖4中看到先有一塊變送器采樣的時間點與功率向下波動周波點一致，此時產生了功率降低的數據，也就是直軸電樞反應（無功）用的磁勢多了，磁勢分給交軸電樞反應來實現有功的部分就少了，有功功率下降，被其中一塊變送器采集，加上系統外設備瞬間吸收大量無功，電樞反應磁勢發生欠磁變化，影響系統電壓小幅下降，AVC系統增加勵磁，增加電樞反應磁勢，此時系統外設備吸收無功開始衰減，直軸電樞反應（無功）用的磁勢少了，磁勢分給交軸電樞反應來實現有功的部分就多了，有功功率升高又被變送器所采集，因此形成采樣功率，也就是圖1至圖4中3個有功功率數值大小及增減不一致的根本原因。

上面講到電力系統中用于電磁能量轉換的那一部分功率叫做無功功率，它在電源和負載之間來回傳遞而不被消耗，經過系統外設備吸收無功逐漸衰減直到飽和平衡，發電機無功逐步降低恢復到接近原來的穩定值。

2.4 電網無功突增量

2015年1月20日10點52分38秒#5機2.25Mvar、#6機8.3 Mvar、#7機13.37 Mvar合計無功增加23.92 Mvar。

2015年2月3日0點37分14秒#5機2.69Mvar、#6機67.62 Mvar、#7機69.27 Mvar合計無功增加139.58 Mvar。

2015年2月3日17點37分20秒#5機1.17 Mvar合計無功增加1.17 Mvar，此次網外無功增加不大沒有影響#6、#7機組。

2015年3月12日18點50分50秒#7機無功增加13.06Mvar。

3 解決方案

正常情況下發電機組跟蹤調度AGC下達的有功負荷指令來調整發電機的運行功率，為了機組安全可靠運行，防止P1、P2、P3功率變送器出現壞損及電氣元件異常而波及到發電機所帶的真實負荷，在P1、P2、P3三個功率采集點上加入了3取1并取中間值做為機組實時有功功率值使用，為了可靠期間并加入功率波動幅值限制（10MW）出現異常并退出負荷自動跟蹤系統。2013年以來已有數十次因為有功功率波動而使AGC、CCS自動系統強制退出，并伴有機組降負荷等事故的發生，為此建議在有功功率波動幅值邏輯判斷的條件上增加無功功率變化的判斷量，例如：有功功率波動幅值超限時并判斷無功是否波動過大的條件，有功功率波動的同時無功也變化即為電網系統設備正常操作，不予退出AGC、CCS自動；反之退出。 無功功率波動幅值定值計算可參考2.4電網無功突增量進行。

2015年2月3日17點37分20秒#5機1.17 Mvar合計無功增加1.17 Mvar，此次只影響#5機沒有影響#6、#7機組。當210十葉線出現圖5中電流異常畸變時原因參考圖7，#5機組在系統中最近，并且無功只有1.17 Mvar，#5機組滿足了無功要求，所以#6、#7機組沒有影響。

4 結束語

在搜集資料形成研究觀點以及修改的過程中，發現許多問題比如#6、#7機組DCS系統的GPS對時問題（相差幾十秒），再如2015年2月3日0點37分14秒#6、#7機組同一時刻卻功率相反等許多細小問題，由于分析數據有限在此不好妄下結論。

參考文獻：

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