發電機功率變送系統優化分析

摘 要：在電力系統自動化程度日益提高的同時，發電機功率作為重要參數之一，在在機組MCS、DEH、ECS等自動化系統中的應用更為廣泛。機組控制系統采集到的發電機功率數據的穩定性，不僅影響到設備的穩定運行，對機組的安全也是重要的考驗。將傳統發電機功率變送器與智能變送裝置在可靠性、數據精度、響應時間等方面進行對比分析，剖析傳統功率變送器存在的問題及優化的必要性。在發現電廠普遍存在的問題后，某電廠三期1X1000MW機組功率變送系統在裝置升級、電源優化、接入回路等方面進行了系統化實施。提高在同等工況下，功率信號傳輸的穩定及暫態性能，防止因功率波動出現汽門誤動情況發生。

關鍵詞：發電機 DEH控制系統;MCS模擬量控制系統;功率變送器;發電機智能變送裝置

引 言：某電廠5臺發電機的功率變送系統普遍采用的是傳統的模擬式功率變送器，利用采集發電機的電壓電流量產生模擬量功率信號。有功功率變送器的信號一般送至MCS、DEH和ECS等系統應用。其中ECS將功率信號作用于后臺的監控顯示，DEH和MCS將有功功率信號作用于機組測量和控制調節的基礎依據。

目前的功率變送器在輸出精度、響應時間等大部分方面能夠滿足系統的要求。但發電機地電流電壓中存在多次諧波分量、直流諧波分量及非周期分量，可能會引起發電機功率的畸變，最終會導致變送器輸出信號與實際功率變化值不符，引起DEH系統中的汽門誤動事故，給機組的安全穩定運行帶來不良影響。

目前常用的解決方法就是用某一型號的功率變送器去替換現已投運的變送器，但通過對不同型號的功率變送器進行暫態性能的對比試驗，也很難得出某一型號功率變送器的性能優于其他型號功率變送器的結論，也不能避免系統故障時發電機自動調節系統不正確動作引起的發電機功率異常大幅度波動。

鑒于此，最佳途徑是將傳統的模擬功率變送器更換為新型智能功率變送裝置，保證功率信號傳輸的穩定及暫態性能，防止出現汽門誤動、系統波動等情況。

1 具體實施步驟及附圖

1.1 改造前功率變送器的原理圖：

備注：U21、U22、U23為機組三個單相有功功率變送器。

1.2 改造后的智能功率變送裝置的原理圖如下：

1.3 功率變送系統優化后的分析

將傳統的功率變送器改為發電機智能變送裝置的輸入回路的電流電壓回路由原來的單路測量8TA和2TV，改為一組測量8TA和一組保護7TA，2TV和3TV同時輸入裝置，同時在線運行，可以在裝置檢測到測量TA在直流分量、二次諧波、高次諧波、零序分量方面出現波動時，自動無擾切換至保護TA，通過自動濾波功能，優化輸出數據變化曲線，避免出現波形畸變。

輸出回路由原來的單路功率輸出，每個裝置增加至8個輸出通道，輸出精度更高，并且每個通道可以根據運行需要，設置為有功功率、無功功率、電流、電壓、功率因數、頻率等多種模擬分量，可以根據需要進行自主設定，滿足多種形式的需要。

某電廠5號機采用的三臺裝置并聯運行方式，給三臺裝置同時接入GPS對時裝置。這樣既可以滿足機組DEH、MCS系統對于機組數據“三取中”的要求，也可在發生異常時統一時間分別對三個裝置根據波形對比DCS歷史趨勢，進行數據分析

2 功率變送系統優化前后技術對比分析

2.1 現有技術缺點

原來的數字變送器采用的接入一路測量TA，在這組測量TA發生波動時會產生高次諧波，送至DCS、DEH、MCS時的模擬量輸出（4～20mA量）發生畸變，當協調控制設定值與實際功率偏差達到設定值（50MW）時，可能引起汽門誤動，機組協調控制系統會自動退出。

2.2 解決的技術問題

2.2.1 解決了測量級TA易飽和的問題。常用的變送器使用的測量級TA易飽和，而保護級TA不易飽和。新安裝的智能變送裝置采用測量級TA和保護級TA同時運行，可選擇能自動實現測量級 TA 和保護級TA 自動切換，這樣在發生涌流現象或電氣故障的瞬間，測量TA會出現波動或質量下降，經裝置判斷后自動切換到保護級TA，避免因測量TA波動引起輸出功率的快速大幅波動，大大提高了系統運行的可靠性。

2.2.2 解決了常用變送器抗干擾能力差得問題。常用的變送器抗干擾能力差，國內有多個電廠因干擾原因造成跳機事故。新安裝的智能變送裝置具有自動濾波的功能，在發生電氣故障或電氣操作時，可以自動濾除諧波分量，避免出現畸變。

2.2.3 解決了常用變送器時間常數太大的問題。常用的變送器時間常數在240ms--400ms之間，加上DEH、MCS通道本身的延時，導致保護動作時間在幾百毫秒以上，難以滿足系統快速反應的要求。當功率變送器輸入值發生快速變化時，輸出值會發生畸變，國內多個電廠曾因功率變送器輸出發生畸變，造成汽輪機汽門誤動。新安裝的微機型智能變送裝置能夠顯著提高抗干擾能力。新裝置的響應時間在40ms以內可有效解決普通的功率變送器相應時間長的問題，滿足系統故障快速響應的要求。

2.2.4 解決了二次斷線引起功率失真的問題。常用的功率變送器只有一組TV和TA，當TA或者TV斷線時，傳統的功率變送器無法采取任何閉鎖措施，必然導致功率輸出跌落。新安裝的智能變送裝置采用的是兩組不同繞組的TV兩個不同繞組的TA，當任何一組TA或者TV二次回路斷線時，都能自動切換到另外一組未斷線的TA或者TV運行，不會對輸出功率造成任何影響，解決了傳統功率變送器在發生斷線后功率失真的問題。

2.3 新技術主要的創新點

2.3.1 采用2路TA和雙TV同時輸入。新安裝的發電機智能變送裝置分別接入2組獨立的發電機機端TV繞組、1組保護級機端TA繞組、1組測量級機端TA繞組。通過裝置自身判別，保證輸出穩定的參數，確保機組DEH、MCS調節系統可靠運行。

2.3.2 實現測量TA和保護TA的自動切換，具有良好的暫態性能。在正常運行情況下，變送裝置采用測量級TA電流計算，保證0.2級的測量精度。當發生區外故障或涌流時，變送裝置采用保護級TA電流進行計算，解決系統故障情況下的暫態特性問題。

2.3.3 ?裝置具備靈敏檢測功能，滿足高可靠性。由于同時接入了兩組TA和兩組TV，變送裝置可以靈敏檢測TV和TA斷線，單一TV或TA斷線不會影響變送裝置輸出，滿足功率變送高可靠性的要求。

2.3.4 裝置具有打印、對時、通訊和動作報告（跳閘報告、自檢報告和變位報告）記錄功能，還可以對發生故障時的電壓、電流和功率波形進行錄波記錄，方便后續進行分析。

2.3.5 多臺裝置同時接入GPS時鐘系統，對時統一，方便在發生故障時，對照時間記錄、故障記錄、錄波數據等進行綜合分析。

2.3.6 作為調節系統的重要參數，大大提高了機組調節系統的可靠性，為機組的長周期運行提供了保障。

2.3.7 智能變送裝置同時接入一路交流電源，一路直流電源，構成雙電源供電，裝置運行的可靠性和穩定性更高。

3 安全經濟效益結論分析

1、設備運行一年多以來，隨機調取裝置的兩次切換記錄波形進行分析。調取2017年02月26日06時31分20秒發電機智能變送裝置發生測量CT與保護CT切換啟動裝置錄波，錄波波形如下：

從上圖中可以看出，在T1時刻，C相電流的二次諧波大于裝置的啟動值，而且B相電流變小。功率變化如下圖：

上圖中紫色的曲線為使用測量電流計算出來的功率曲線，綠色的曲線為發電機智能變送裝置切換到保護電流后輸出的功率曲線。從圖中可以看出，發電機智能變送裝置的功率輸出改善了很多。改善后的功率二次值變化范圍（382.32W～395.32W），折算到功率二次值的變化范圍（619.36MW～640.42MW），功率一次值變化最大值是21.06MW。

如果不接保護電流的話，測量電流的功率二次值變化范圍（374.86W～398.77W），折算到功率一次值的變化范圍（607.26MW～645.99MW），功率一次值最大值波動可達38.73MW，優化后的功率波動值范圍減小了17.47MW。

從上圖調取的2017年02月26日06時31分至32分的歷史趨勢可以看出，智能變送裝置經過自動濾波和TA切換后，輸出的功率信號曲線光滑，并無出現畸波。

2、調取2018年05月04日18時49分37秒發電機智能變送裝置測量CT與保護CT切換啟動錄波，錄波波形如下：

從圖中可以看出，在T1時刻，測量電流的C相電流一嚴重畸變。功率變化如下圖：

圖中紫色的曲線為使用 測量電流計算出來的功率曲線，綠色的曲線為發電機智能變送裝置切換到保護電流后輸出的功率曲線。從圖中可以看出，發電機智能變送裝置的功率輸出改善了很多。改善后的功率二次值的變化范圍（601.32W～637.98W），折算到功率一次值的變化范圍（974.14MW～1033.53MW），功率一次值最大值波動可達59.39MW。

如果不接保護電流的話，功率二次值的變化范圍（542.686W～617.005W），折算到功率一次值的變化范圍（879.15MW～999.55MW），功率一次值最大值波動可達120.4MW，優化后的功率波動值范圍減小了61.01MW。

從上圖調取2018年05月04日18時49分至50分的DCS歷史趨勢，發現智能變送裝置經過自動濾波和TA切換后，輸出的功率信號曲線光滑，與裝置優化后曲線一致，并無出現畸波。

3、由此上述分析可見，在系統存在擾動狀態下，智能變送裝置有功功率等數據輸出能夠無擾從測量TA切換至保護TA，采用當前的保護電流計算發電機有功功率能更好的躲避系統擾動的影響，避免波形出現畸變。

同時，5號機組功率變送系統優化完成以來，三個發電機智能變送裝置送至DEH和MCS的三個有功功率運行穩定性一直很高，沒有出現因為智能變送裝置輸送功率不穩定原因導致調節系統發生波動的情況。

結束語：

目前行業內大部分電廠普遍使用的普通功率變送器的可靠性可以滿足日常系統數據監視的需求，但是隨著機組容量在不斷增大、電網要求不斷提高，系統穩定性要求不斷提高，用于機組DEH、MCS等控制調節系統中使用卻不能越來越高的穩定性和精度要求。

通過優化后的發電機功率變送系統在某電廠5號機組運行情況來看，其先進的技術水平得到驗證，特別是數據輸出的穩定性和可靠性大大提高。既給接下來的設備改造提供了技術支持，同時發電行業設備的可靠性提高方面又進了一步。

電廠設備需要連續、可靠運行的設備很多，吸收借鑒優秀的設計理念，對設備系統進行優化配置，對廠家來說將帶來巨大的效益，對電廠設備管理人員來說也是技術上的巨大進步。

參考文獻：

[1]楊濤，黃曉明，宣佳卓. 火電機組有功功率變送器暫態性能分析[J]. 繼電保護原理及控制技術的研究與探討（發電側），2014：360-364.

[2]南京保合太和電力科技有限公司. BPT9301型發電機智能變送器裝置使用說明書，2013.

作者簡介：

路海麗 （1989- ）女，助理工程師，從事火力發電廠電氣二次設備管理工作.