發變組全微機智能測量優化一次調頻設計分析

摘要：隨著電力系統對火電機組一次調頻性能要求的提高，傳統的調頻方式已無法滿足現代電網的需求。通過對現有一次調頻技術的分析，提出了采用發電機轉速進行一次調頻的新方法。詳細介紹了微機型智能測量裝置的特點及其在功率計算、負序電流計算、電壓互感器（Potential"Transformer，PT）斷線判據、電流互感器（Current"Transformer，CT）斷線判據、測量CT與保護CT差流越限、逆功率越限等方面的原理設計。通過實際測試驗證了智能變送裝置的高性能，并展示了其在一次調頻采樣中的高精度頻率測試結果，以期為提高電網頻率穩定性和發電機組的運行效率提供技術支持。

關鍵詞：高精度""一次調頻""微機型智能變送裝置"精準調控"暫態特性

Design"Anylysis"of"Primary"Frequency"Regulation"Optimization"for"Full"Microcomputer"Intelligent"Measurement"for"Generator"Transformer"Units

QIN"Guilin"1"ZHANGnbsp;Haixia"2"JIN"Zhaoan"2"KE"Deiqu"2"BI"Ruiliang"3

<！--[if ！supportLists]-->（1."<！--[endif]-->1.CHN"Energy"Zhejiang"Zhoushan"Power"Generation"Co.，"Ltd.，"Zhoushan，"Zhejiang"Province，"316100"China;"2.Shanghai"Ligan"Power"Technology"Co.，"Ltd.，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"210032"China;"3.Nanjing"Institute"of"Technology，"Nanjing，"Jiangsu"Province，"211167"China

Abstract："With"the"increasing"demands"on"the"primary"frequency"regulation"performance"of"thermal"power"units"in"the"power"system，"traditional"frequency"regulation"methods"can"no"longer"meet"the"needs"of"modern"power"grids."A"new"method"of"primary"frequency"regulation"using"generator"is"propsed，"through"the"analysis"of"existing"primary"frequency"regulation"technologies."This"article"provides"a"detailed"introduction"to"the"characteristics"of"the"microcomputer-based"intelligent"measurement"devices，"along"with"their"principle"design"in"aspects"such"as"power"calculation，"negative"sequence"current"calculation，"Potential"Transformer（PT）"line"break"criteria，"Current"Transformer（CT）"line"break"criteria，"measurement"CT"and"protection"CT"differential"current"limit"violation，"and"reverse"power"limit"violation."The"high"performance"of"the"intelligent"transmitter"device"has"been"verified"through"actual"testing，"and"its"high-precision"frequency"test"results"in"primary"frequency"regulation"sampling"have"been"demonstrated，"hoping"to"provide"technical"support"for"improving"the"stability"of"the"power"grid"frequency"and"the"operational"efficiency"of"the"generator"units.

Key"Words："High"precision;"Primary"frequency"regulation;"Microcomputer-based"intelligent"transmitter;"Precise"regulation;"Transient"characteristics

頻率的異常波動對電力系統的安全和穩定運行構成了重大威脅，從歷史上的多起大規模停電事件來看，頻率的異常波動往往加劇了事故的嚴重性。為了保持電力系統的穩定性，電網運營商普遍要求發電廠具備一次調頻能力，并且隨著電網結構的日益復雜化，對火電廠一次調頻功能的期望也在不斷提高。火電機組的一次調頻性能通常通過一系列靜態參數（如調頻死區、調差系數）、動態參數（如響應時間、調節速度）、調頻貢獻度等指標來衡量[1]。

通過采用先進的智能變送裝置直接采集電網頻率，可以實現與調度考核信號源的一致性，為電廠的數字電液控制系統（Digital"Electro-Hydraulic"Control"System，DEH）側提供快速、準確的有功功率信號和高精度的頻率信號，從而實現調節精準達到穩定電網頻率，確保電力系統的安全運行。

在電力系統的運行中，頻率的穩定是至關重要的。頻率的異常波動不僅會影響電力系統的穩定性，還可能導致電力供應的中斷，甚至引發連鎖反應，造成更大規模的停電事故。因此，電網運營商對發電廠的一次調頻能力有著嚴格的要求，以確保在電網負荷變化時能夠及時調整發電量，維持電網頻率的穩定[2]。

控制系統用的有功功率與直采電網的頻率信號直接影響應并網電廠一次調頻的響應能力，因此，國能浙江公司舟山電廠三期2×660"MW擴建工程采用發變組全微機智能測量優化一次調頻設計方案，借鑒目前在電廠廣泛運用的微機型智能變送裝置的原理和功能，本文選用微機智能測量方案進行設計。

1""火電機組的一次調頻

1.1""一次調頻的概述

汽輪機的DEH能夠在不調整負荷設定值的情況下，對電網中的微小負荷波動做出快速響應。系統通過監測汽輪機的轉速變化，自動調整閥門開度，從而改變發電機的輸出功率，以適應電網負荷的瞬時變化，確保電網頻率的均衡。這種能力，即一次調頻，是維持電網頻率恒定在50"Hz的關鍵機制。在電網頻率出現波動時，連接到電網的發電設備會自動調節其發電輸出，以減少頻率偏差。DEH系統中的一次調頻功能通過將汽輪機的轉速偏差轉換為相應的功率調節信號，以補償流量，幫助調節電網頻率回到標準值。

1.2 采用發電機轉速一次調頻目前的現狀

當前，火電發電設備在進行一次調頻操作時，面臨著響應電網負載變化的多重挑戰，有時這些挑戰還可能觸發大規模的考核事件。這些問題主要涉及調頻響應的不同步、電網考核與火電機組測量信號的不一致性、電廠PMU故障導致的時鐘同步問題，以及鍋爐燃燒對機組實際負荷的影響。

理論上，電網頻率的變化應該領先于火電機組的轉速變化，但在實際操作中，許多機組的轉速測量依賴于磁阻探頭，這些探頭通常設計有60個齒，可能會導致轉速反饋出現較大的誤差和延遲。這些探頭的抗干擾能力較弱，容易受到電磁干擾，從而影響頻率信號的準確性。

在電力系統中，火電機組的一次調頻功能至關重要，以維持電網頻率的穩定。然而，當前的調頻死區設定在2"r/min，這在實際操作中往往導致機組響應不夠及時，出現幅度不足或延遲。降低這一閾值雖能提升響應速度，但也可能增加調門操作頻率，從而引發安全隱患，如EH油泄漏和LVDT裝置磨損。此外，DCS系統提供的頻率信號，盡管可用，卻因量程和精度限制，難以滿足快速響應的要求。因此，需要對調頻策略進行優化，以提高機組的調頻效率和安全性。

為了解決這些問題，國內外已經采取了多種處理方法，但這些方法往往只是暫時的解決方案。通過對多家電廠的調研，發現在過去五年中，約有1000臺火力發電機組為了提高一次調頻的精準度，選擇了使用微機型智能變送裝置。這些裝置能夠提供獨立的三個控制用功率信號和直接采集的高精度電網頻率信號。

在國網浙江省電力有限公司的科技項目《基于抑制電力系統低頻振蕩的火電機組控制方式優化》中，研究證實了直接采集高精度電網頻率信號可以提高一次調頻的響應速度。許多案例表明，在強迫振蕩發生時，由機端電網頻率轉換的轉速信號的振蕩幅度明顯小于汽輪機轉速信號的振蕩幅度。如果一次調頻回路設置了限幅，或者邏輯設計未能有效抑制異常情況下汽輪機轉速的突升，可以考慮將一次調頻回路中的轉速信號替換為電網頻率信號。這樣的措施可以減少火電機組參與強迫振蕩的可能性，降低振蕩能量和破壞程度【3】。

2""微機機型智能測量裝置的原理及設計

2.1"機型智能測量裝置特點

上海利乾電力科技有限公司開發的新型微機型智能變送裝置，具備優異的暫態響應特性，能有效確保PLU、KU、OPC控制系統的功率測量精確性。根據《電力裝置電測量儀表裝置設計規范》（GB/T"50063—2017）6.0.3節的規定"“火力發電廠的汽輪發電機組所用功率變送器必須考慮其暫態特性【4】，以滿足調節信號精準的需求。此裝置不僅滿足了穩態下的精度標準，還具備出色的暫態響應能力，完全符合準確性、及時性和穩定性的標準。

該智能變送裝置依托于先進的繼電保護技術和硬件平臺，采用模塊化設計，同步采集兩路電壓和兩路電流信號（包括測量級和保護級Current"Transformer）【5】，通過微處理器進行實時計算，輸出包括電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數等在內的多種電氣參數。

該設備具備以下特性：

（1）遵循瞬態特性和精確度標準，標準操作模式下依賴于測量級數據，而在功率急劇變化時，則自動切換到保護級數據以進行計算。

（2）設備具有迅速反應的能力，其響應時間不超過40ms，足以滿足系統故障的即時處理需求。

（3）在電力系統發生瞬時故障時，通過改變電流互感器（Current"Transformer簡寫CT）的配置，結合測量級和保護級CT，確保了功率測量的精確性。

（4）設備能夠自動識別直流分量，并將其作為切換CT的依據，有效解決了測量級CT在瞬態過程中可能出現的飽和問題。

（5）在軟件的控制下，CT能夠迅速且無縫地切換，確保了發電機功率自動調節系統和分布式控制系統（DCS）的穩定運行，即使在極端的高溫、高壓和強磁場條件下，也展現出了卓越的可靠性。

調頻采樣設備可同時采集兩路高壓側電壓和電流信號，實時計算并提供有功功率、無功功率及精確頻率數據至DCS系統。其頻率測量的精確度在49.8～50.2"Hz的范圍內達到0.2%，且能有效抵御諧波的干擾【5】。

2.2微機型變送裝置原理設計

微機型變送裝置通過A/D轉換技術，將電壓和電流的模擬信號轉化為數字信號，并通過精確的算法計算出所需的電氣參數，如功率，最終將處理結果以4～20"mA的模擬信號形式輸出至DEH系統。

2.2.1"功率的計算方法

本裝置采用全周期傅立葉變換算法來精確計算有功功率和無功功率。在電流超過保護級CT額定值1.1倍的情況下，系統會自動切換至保護級CT的電流數據進行功率計算，而在正常條件下則使用測量級CT的電流數據。這種設計確保了在正常運行和故障狀態下都能進行精確的功率測量。

該算法的暫態響應特性優異，能夠在系統發生短路等故障時，確保功率測量的準確性。功率因數計算公式：

2.2.2"負序電流計算

利用全周期傅立葉分析法來確定負序電流，選擇電流數據時遵循與之前相同的標準，確保在各種運行條件下均能獲得精確的測量結果。

2.2.3"頻率計算

一次調頻采樣裝置利用直采主變高壓側（電網側）電壓，采用全周傅立葉算法準確計算主變高壓側（電網側）頻率，頻率的精度在49.8～50.2Hz范圍內并達到0.2%等級。

2.2.4"PT斷線判據

動作判據如下：

（1）正序電壓降至20V以下，同時發電機端任一相的電流超過其額定值的5%。

（2）負序電壓超過2.5V。

只要滿足上述條件之一，系統將在延時10s后發出變壓器高壓側斷線報警。當異常情況解除后，報警信號將在另一個10s延時后自動取消。相關的邏輯流程詳見圖2。

2.2.5"CT斷線判據

對于三相四線制系統，CT斷線判定基于以下條件：當三相CT產生的自產零序電流（3I0）超過最大相電流的25%與額定電流（In）的5%之和時，系統將在10s后觸發報警。一旦異常狀況解除，報警將在10s后自動解除。

2.2.6測量CT與保護CT差流越限

動作判據：

當測量用CT的最大相電流與保護用CT的最大相電流之間的差異超過測量用CT最大相電流的5%，并且測量用CT的最大相電流超過了其額定值的30%。

在滿足上述條件后，系統將在10s后發出測量CT與保護CT之間的電流差異越限的報警。一旦異常情況得到解決，報警信號將在10s后自動復位。相關的判定邏輯見圖4所示。

2.2.7逆功率越限

動作判據：

（1）實測功率降至其額定值的-0.05倍以下。

（2）保護功率降至其額定值的-0.05倍以下。

任一條件成立時，系統將在10s后觸發逆功率超限報警。當異常情況解除后，報警將在10s后自動【5】。逆功率超限的判斷邏輯詳見圖5。

3智能變送裝置性能

采用上述原理，上海利乾電力科技有限公司的微機型發電機智能變送裝置，在國網浙江省電科院做了暫態特性試驗經驗。一次調頻采樣裝置在國家輸配電安全控制設備質量監督檢驗中心、國網電力科學研究院有限公司實驗驗證中心的型式檢驗項目里特別對一次調頻需求的高精度窄量程49.8～50.2Hz頻率信號做了相關型式檢驗。

3.1測試方法

利用殷圖仿真系統對微機型智能功率變送裝置的暫態響應進行建模，仿真模擬了包括單相接地、兩相接地以及相間短路在內的多種故障情景。在此過程中，將發電機的電流和電壓信號輸入到功率變送裝置中，并記錄其輸出波形。通過這種方式，可以詳細觀察到在不同故障類型發生時，功率變送裝置在暫態過程中的輸出變化特征。

3.2測試結果

見表1通過試驗結果表明，數字式功率變送裝置暫態輸出的功率變化趨勢基本與實際功率變化相同，能夠較為真實地反映實際功率變化【6】。

3.3.3一次調頻采樣裝置高精度頻率測試結果

見表2對一次調頻采樣裝置輸入49.8～50.2Hz的不同頻率信號做型式檢驗，測量試結果基本均是0偏差級【7】，型式檢驗結果說明一次調頻采樣裝置高精度窄量程、頻率誤差極小。

4""微機智能測量優化一次調頻設計運用

電網頻率的波動通常在±0.05"Hz范圍內，可能導致汽輪機閥門在運行中出現快速大幅擺動，特別是在采用順序閥控制方式時【8】。如果閥門位置不當，可能會引起嚴重的振動，甚至導致EH油管路泄漏，造成停機事故。因此，根據機組特性和電網需求調整調頻參數是至關重要的，以確保對電網頻率變化的快速響應和機組的安全穩定運行。

對于超臨界火電機組，它們通常在滑壓模式下運行，在低負荷階段可能會遇到一次調頻響應緩慢和幅度不足的問題。為了解決這些問題，國能浙江舟山三期擴建項目設計時直接采用電網頻率信號來優化一次調頻過程，并使用符合暫態特性和精度要求的智能變送裝置來優化功率及頻率測量。

經過深入研究和與浙江省電力設計院的討論，國能浙江舟山三期擴建項目決定采用全微機智能測量技術來優化一次調頻。具體實施方案包括在控制屏內安裝三臺BPT9301智能變送裝置，這些裝置負責發電機的所有測量信號，并為調節系統提供三個獨立的有功功率信號。這些裝置的顯著優點包括快速響應（小于40ms）、卓越的抗干擾能力、良好的暫態特性，以及采用雙PT和雙CT設計，有效解決了傳統變送器在二次斷線判據方面的不足。

還安裝了三臺BPT9301FA高精度一次調頻采樣裝置，用于處理主變、勵磁變和高廠變的信號。這些裝置采用傅立葉算法，能夠實時計算并精確測量頻率（20ms內），精度達到千分之一。裝置與全廠的時間同步，特別是與PMU裝置的時間標校一致【9】。每臺裝置提供一路獨立的主變高壓側電網頻率信號，這些信號具有快速響應、高精度和與電網同源的特點，有助于避免汽機側的低頻振蕩。在一次調頻操作期間，裝置還能進行錄波，詳細記錄調頻過程。

5""結論

控制系統用的有功功率及直采電網的頻率信號直接影響應并網電廠一次調頻的響應能力，機組一次調頻的響應及穩定運行，信號的采樣目前已有很多并網電廠為了機組一次調頻的及時響應改造選用了微機型智能變送裝置，微機型智能變送裝置的采樣信號滿足調頻響應時間短，且優良的暫態特性滿足機組穩定運行控制用功率信號可靠的需求。因此國能浙江公司舟山電廠三期2×660MW擴建工程采用發變組全微機智能測量優化一次調頻設計方案，借鑒目前在電廠廣泛運用的微機型智能變送裝置的原理和功能，既滿足現行的標準及規程規范也滿足穩態精度要求，也能在系統暫態情況下真實、準確、及時地輸出功率、頻率信號，保證DEH控制控制系統動作采樣功率信號可各靠、網源頻率信號精度高。這種策略結合了熱工控制的優化，有效增強了電廠一次調頻的效能，有助于電網頻率的穩定。例如：在國能浙江舟山三期擴建項目中采用了全微機型智能變送裝置，投產后能確保了發變組部分的電網頻率和功率信號采集的準確性和可靠性，從而提升了功率調節的穩定性，減少了一次調頻的考核事件。

微機智能變送裝置在頻率采樣信源和原理方面與同步測量裝置均實現一致后，實現了一次調頻頻率采樣精度得到提升，機組一次調頻動作合格率上升，減少了一次調頻考核的發生量，投產后必然可提升項目的發電效益。此外，該技術的應用在電力系統故障發生時具備良好的功率快速瞬變切換性能以及良好的抗干擾性，當測量PT發生慢熔異常時及時預警，降低了采樣失真誤退AGC的風險，提高了AGC功率調節的穩定性和控制精度，同時智能化設計也讓運維更便捷。因此本文推薦新建項目有必要在設計時采用發變組全微機智能測量優化一次調頻設計方案運用，這樣可以滿足機組投運電網對機組一次調頻響應的要求，屏面簡單，微機智能變送裝置有事件記錄的錄波功能，微機智能變送裝置具有B碼對時功能和系統時間對應，讓后期的運維更智能簡便。

參考文獻

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