一種甩負荷判斷裝置在調速器控制中的應用

尚明宏，董欣未，趙先元

（中國水利電力對外有限公司，北京 100120）

1 概述

南椰2 水電站（Nam Ngiep 2）位于老撾川壙省查爾平原的東南部，為中國在老撾的一個BOOT 項目，電站裝機容量3×60 MW，多年平均發電量為7.2億kW·h。3 臺水輪發電機組與3 臺主變壓器采用單獨單元接線方式，同時在發電機出口和主變壓器出口均裝設斷路器（圖1）。230 kV 母線通過兩回線路送往椰棉變電站。

圖1 南椰2 電站主接線圖

由于老撾電網薄弱，在雨季期間甩負荷情況頻繁出現。在2017 年7 月，就出現了10 起甩負荷工況，均由電網故障引起。其中只有1 起甩負荷時主變出口斷路器跳閘，機組轉速控制在65 Hz 以下并成功轉到空載狀態運行；余下9 起均為電網變電站送出線路的斷路器跳閘，南椰2 水電站機組轉速達到機械過速值（70 Hz），導致機組緊急停機、廠用電源丟失、進水球閥關閉，影響水電站的安全運行。

2 原因分析及對策

通過分析南椰2 電站3 臺機組投運時調速器的空擾波形和出口甩負荷波形（圖2 和圖3），可以確定調速器的PID 控制參數整定適當，在發電機出口3 臺機同甩100%負荷時，機組最高頻率為65 Hz左右，滿足規范和項目實際要求。調速器PID 參數見表1。

圖2 調速器空載擾動波形

圖3 發電機出口甩100%負荷波形圖

表1 調速器PID 控制參數

分析發電機出口甩負荷和電網甩負荷時調速器控制上的差異，主要區別是在發電機出口甩負荷時，調速器通過發電機出口斷路器的接點信號檢測到出口跳閘，直接在程序流程中應用空載開度限制，將導葉開度迅速關閉到空載開限以下[1-3]，并轉頻率模式。而在電網甩負荷瞬間，由于調速器檢測不到機組脫網信號，在頻率高于一定值后（國內電網頻率波動范圍較小，一般設置為50.5 Hz），調速器將控制方式由開度模式轉換到頻率模式，對機組給定頻率和實際頻率的頻差，應用PID 控制算法進行調節。上述控制方式導致調速器關導葉速度較慢，機組轉速迅速上升，達到過速保護整定值而緊急停機。

為了最大范圍地準確判斷甩負荷工況，電站曾將發電機出口斷路器、主變高壓側斷路器和線路出口斷路器輔助接點串、并聯后，開入調速器作為甩負荷的判據（圖4）。該方法最大限度地考慮了電站內部相關斷路器跳閘的甩負荷工況，但仍無法判斷頻發的電網甩負荷工況。

圖4 1 號機調速器出口斷路器信號優化

為了保證電網甩負荷發生時機組安全運行和近區供電的可靠性，采取一種智能裝置快速判斷出電網甩負荷工況，并提供給調速器，成為解決電網甩負荷導致機組機械過速問題的一種有效途徑[4]。

3 甩負荷判斷裝置的實現

通過檢查以前電網甩負荷時的故障錄波圖可以發現，在電網甩負荷出現后一個周期（20 ms）內，發電機定子電流幅值有一個向下的突變量（圖5），隨后發電機電壓的頻率值上升。

圖5 電網甩負荷時定子電壓、電流波形圖

所以，在電網甩負荷判斷裝置中，需要對定子電壓的幅值、相位、頻率值和定子電流的幅值、相位進行采樣計算。同時該裝置具有功率變送器功能。

3.1 裝置硬件部分實現[5]

電網甩負荷裝置硬件系統原理框圖設計見圖6。

圖6 硬件系統原理框圖

在南椰2 電站，發電機出口PT 二次側電壓為110 V，CT 二次側電流為1 A。在電網甩負荷裝置內設計有三相電壓和三相電流對應的6 個微型高精度互感器。電壓互感器和電流互感器輸出的電信號均進入后端的運算放大器，運算放大器輸出的電壓信號進入AD 采樣芯片，進行電壓電流幅值、頻率和相位采樣計算。

用于功率變送器模擬量輸出的核心芯片選用DAC8760，該芯片精度高，滿足功率變送器輸出4～20 mA 需要。

3.2 裝置軟件采樣計算部分實現[5]

電網甩負荷判斷裝置軟件主要包括采樣計算和邏輯判斷2 部分，采樣計算是邏輯判斷的基礎。

程序中主要包括三相定子電流、三相定子電壓和電壓頻率的采樣，還有有功功率、無功功率計算等。

實驗室環境檢測領域包括行業獨立的環境檢測公司（或監測站）和相近行業的監測站，全國與本項目有關的檢測公司（或監測站）有7 430余家[1]．檢測行業的需求源于“認知”，是社會發展催生的新興服務業．2014年，國家提出在環境保護領域開展第三方監測后，全國各地檢測、監測公司迅速發展，之后的2年內全國成立了約1 500家第三方檢測公司．

本裝置對定子電壓、電流信號采用變頻采樣方式。先通過插值算法計算過零點時刻，然后通過過零點時刻計算信號周期，根據計算的信號周期改變采樣頻率，保證在每周期內對交流信號進行24 點采樣。

定子電壓和定子電流幅值計算都采用均方根值算法，對1 個信號周期內連續采樣得到的N個電壓信號和電流信號，按如下公式計算其有效值U和I：

通過S=U·I計算出視在功率；通過同相電壓和電流過零點的時間差計算得到相角。

tV是電壓信號最近的過零點時刻，ti是同相電流信號最近的過零點時刻，φ 為同相電壓和電流的相角差。

通過計算的視在功率和電壓、電流的相角差，可以進一步計算得到有功功率和無功功率。

4 電網甩負荷判斷裝置功能測試

在電網甩負荷裝置開發完成后，對該裝置的功率變送器功能、電網甩負荷判斷功能進行了測試。

4.1 功率變送器功能

原有功功率變送器標準輸入線電壓為100 V，標準輸入電流為1 A，額定輸入功率為173.2 W，輸出電流為4～20 mA。

通過和原功率變送器對比測試，該功率變送器精度優于原功率變送器精度（表2）。為保證通用性，該電網甩負荷裝置的功率變送器有0～20 mA、4～20 mA、0～5 V、1～5 V 等輸出方式。

4.2 電網甩負荷判斷功能

表2 有功功率變送器輸出功能測試

電網甩負荷判斷條件1：

程序流程見圖7（左），其中Isud 為定子電流突變量，Ts為定子電流突變和機組頻率升高到設定值的延時時間（設置為8 s），FreqRej1 為機組頻率上升的定值1（設置為52 Hz）。

電網甩負荷判斷條件2：

程序流程見圖7（右），其中Ih 為定子電流（設置Ih=0.1Ign），FreqRej2 為機組頻率上升的定值2（設置為54 Hz）。

圖7 電網甩負荷判斷流程圖

在機組頻率低于50.5 Hz 后，“電網甩負荷”狀態開出信號復歸。

為保證裝置的通用性和后期近區負荷變化后更改方便，以上所有設置值均可在獨立開發的界面軟件中修改和固化。同時界面軟件中還開發了按照機組實際電壓和電流校準額定值的功能。

按照以上邏輯和條件，用繼電保護儀對裝置進行了測試，甩負荷判斷裝置均正確判斷和輸出電網甩負荷信號。

5 電網甩負荷裝置和調速器的協同控制

電網甩負荷裝置開出的信號，通過繼電器接點開入調速器控制器。信號接入調節器控制器有兩種方式：直接串聯在圖4 中開入調速器控制器或獨立占用一個DI 通道開入控制器。

為了盡可能避免電網甩負荷裝置因硬件問題影響到原斷路器接點開入，保證原斷路器信號可靠性，開入調速器控制器的電網甩負荷信號采用了以下2點：①電網甩負荷裝置的開出接點采用繼電器的常閉接點；②電網甩負荷裝置的開出接點獨立開入調速器控制器的一個DI 通道。

因為電網甩負荷接點獨立開入調速器控制器DI 通道，需要更改調速器程序中的軟件判斷邏輯。調速器軟件邏輯更改見圖8。

圖8 調速器控制程序修改

圖中的%i0.1.2 為控制程序中斷路器信號（見圖4）開入點，%i0.1.8 為電網甩負荷判斷裝置信號的開入點。兩信號進行邏輯與后作為并網運行的狀態（圖9）。

圖9 控制程序修改邏輯

當在機組并網狀態，兩開入信號均為“1”，程序判斷“GCB 合”。出現電網甩負荷工況時，通過定子電流和機組頻率變化，裝置開出電網甩負荷信號，繼電器常閉接點斷開，%i.0.8 由“1”變為“0”，調速器程序中“GCB 合狀態”由“1”變為“0”。調速器控制程序迅速將導葉開度控制在空載開限。在關閉過程中，如果機組頻率降到50.5 Hz 以下時，%i.0.8由“0”變為“1”，調速器控制回到并網狀態（%i0.1.2實際開入），根據開度給定或機組頻率進行調節。保證電網甩負荷瞬間機組快速地過渡到孤網狀態，避免了機組因機械過速導致緊急停機。

電網甩負荷判斷裝置在安裝到調速器電氣控制柜后，進行了各種工況模擬測試，調速器控制正常。隨后進行的電網真實甩負荷試驗中，錄到機組頻率、導葉開度和“電網甩負荷”開出波形如圖10 所示。

圖10 甩75%負荷波形圖

圖10 中，在遠方甩負荷后約500 ms 時，機組頻率達到52 Hz，電網甩負荷判斷裝置開出信號，程序中“GCB 合”由“1”變為“0”，同時調速器開始以最快速度關閉機組導葉。在此過程中，調速器最高頻率達到61.69 Hz。50 s 時機組頻率逐漸下降到50.65 Hz 并在頻率模式運行。由于錄波時間有限，并沒有錄到機組頻率下降到50.5 Hz 以下后，程序中“GCB 合”由“0”變為“1”后的狀態。但檢查確認了電網甩負荷裝置開出信號復位，同時機組正常轉入孤網狀態運行。

6 結語

本文介紹的電網甩負荷判斷裝置，通過采樣發電機定子電流、定子電壓的幅值和頻率，智能、迅速地判斷出遠方電網甩負荷的工況，開入調速器控制器作為甩負荷控制的判據，并在頻率降低到50.5 Hz以下時恢復正常運行狀態。保證了電網甩負荷時，機組正常的過渡到孤網狀態，提高了機組運行的安全性和近區供電的可靠性。