交流采样测量装置在抽水蓄能机组中的应用研究

施宏亮，张顺仁

(上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090)



交流采样测量装置在抽水蓄能机组中的应用研究

施宏亮，张顺仁

(上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090)

结合抽水蓄能机组发电停机过程中逆功率现象的试验发现，造成该机组发电停机逆功率现象的主要原因是：交流采样测量装置在电压电流变化迅速、三相电流不平衡的情况下，输出有功功率存在较大延时和误差。依据此装置校验规程提出了抽水蓄能机组监控系统中使用的交流采样测量装置存在检验不足问题。

交流采样测量装置；抽水蓄能机组；三相不平衡；有功功率

抽水蓄能机组因其出力响应迅速、调节方式灵活，已成为现代电网不可或缺的调峰填谷手段。抽水蓄能机组具有发电和抽水可逆运行的特点，由于工况转换频繁，计算机监控系统的顺序控制必须具备较高的准确性和自动化，以保证机组的安全稳定运行。

在实现自动化的过程中，最关键的环节是数据采集，其中机组的电测量信号主要由交流采样测量装置或传统电测量变送器采集，这些电测量信号不仅用作监控后台显示，部分数据还作为机组顺控逻辑的重要判据。通过交流采样测量装置进行数据采集、转换、计算后得到的电压、电流、有功、无功、频率、功率因数等数据有着较高的准确度和稳定性。

1 交流采样测量装置的基本原理

交流采样法是按一定规律对被测交流信号量的瞬时值进行采样，经软件按一定的数学算法进行数值处理，从而获得被测量信号。采样所得的信号要经过A/D转换器转换成数字量，而A/D转换需要一定的时间才能完成，为使被变换量在转换过程中保持不变，采集器必须和保持器配合，在两次采样的间隔内，保持器输出的信号保持不变。原理如图1所示。

图1 交流采样示意图Fig.1 AC sampling diagram

从示意图上可知，一条光滑的被测正弦信号被一条阶梯状曲线所代替，误差主要有两项：第一，时间上连续的数据被时间上离散的数据所代替产生的误差，主要取决于A/D转换器的速率和处理器的运算能力。第二，由A/D转换器的位数引起的量子化误差，这是对连续电压、电流量化产生的误差[2]。理论上数据采样频率越高，就越接近被测信号，准确度越高。

交流采样的算法较多，笔者介绍交流信号有功功率的积分算法，三相有功功率也是基于单相功率测得，单相有功功率的计算公式如下：

(1)

其中u(t)、i(t)为交流电压、电流的瞬时值，T为交流信号的周期。

对式(1)的连续信号进行离散化处理，可得：

(2)

同理，三相有功功率的算法为：

(3)

将式(3)的连续信号离散化，可得：

(4)

对于对称三相三线制电路中，由于：

iA+iB+iC=0

(5)

三相有功功率的计算可简化为：

(6)

2 某抽水蓄能电站机组逆功率现象试验

2.1 试验概况

某抽水蓄能电站装有4台单机容量为250 MW的单级混流可逆式水泵水轮机组，自投运以来，一直存在发电停机过程中短时逆功率现象，即当机组发电停机过程中有功功率下降为0后未分闸，又从电网吸收有功功率的现象。虽然调试期间就发现该问题，但一直未能找出真正原因，对机组负荷调节和网频调节极为不利，且极易影响机组使用寿命[3]。

该电站发电停机顺控流程中主要步骤为：当监控系统收到发电停机令后，快速关闭导叶降负荷，在负荷下降的过程中，当监控顺控流程检测到机组有功功率<10%且无功功率<5%或导叶关闭且无功功率<5%时，由监控系统发分GCB令，实现发电停机。

顺控流程中功率判据是由交流采样测量装置采集机端电压、机端电流，经计算后将所有数据通过Modbus传输至监控ALSPA CE2000 CPU模块，监控系统再由ALSPA CE2000 AO模块将功率等信号传送至其他后台。该电站所用的交流采样测量装置型号为PECA 301(进口)，除通信接口外，还配有3路功率模拟量输出(4～20 mA)，其主要测量参数如表1所示。交流采样测量装置每年都进行周期检验，检验结果合格。

表1 交流采样测量装置测量参数表Tab.1 AC sampling measurement device measurement parameters

本次试验为该电站4号机组，测点布置：机端电压、机端电流、机组有功(通过采集机端电压电流计算得出)、导叶开度、分GCB令、交流采样测量装置输出有功模拟量(简称：交采有功)、监控系统AO模块输出有功模拟量(简称：监控有功)，信号全部接入高频采集器(仪器准确度优于0.2级，采样频率51.2 kHz)。

2.2 试验分析

4号机发电运行(有功功率150 MW、无功功率1 Mvar)一段时间后正常停机，停机曲线如图2所示。停机过程中，有功从150MW下降至0大约13 s，根据顺控判据，有功下降至25 MW时，监控应发分GCB令，但从图2分析，有功下降至25 MW时，监控系统并未发分GCB令，有功继续下降直至0后，变为从电网吸收有功(逆功率)，逆功率持续运行约2.8 s后才分GCB，机组最大逆功率约74 MW。停机过程中当满足顺控停机判据(有功为24.9MW，无功0.8 Mvar，导叶开度20%时)至监控实际发分GCB令延迟约3.5 s。

图2 4号机组发电停机过程Fig.2 Standstill process of Unit 4 generator

对交流采样测量装置有功模拟量输出(4～20 mA)、监控系统AO模块有功输出(4～20 mA)进行对比，发现其有功输出波形存在明显阶梯状，如图3所示。对“交采功率”和“监控功率”波形进行分析可知，交流采样测量装置模拟量输出的有功，幅值明显滞后机组实际有功，且信号输出呈阶梯状，每个阶梯持续约600～700 ms，当交采有功下降至50 MW左右时突然突变为-50 MW。对应的监控AO模块输出有功，幅值滞后交采有功，每个阶梯持续约1.5～1.8 s，当监控AO输出有功下降至80 MW左右时突然突变为-50 MW。由此可判断交采功率滞后实际功率，监控功率滞后交采功率，当监控系统检测到有功判据满足发电停机条件时，是在有功突变的时刻，结合交流采样原理，确定造成机组逆功率运行的原因为交流采样测量装置数据输出存在延时和误差。

图3 发电停机各功率采样对比Fig.3 Comparison of active power sampling during generator to standstill

图4 发电停机机端电压、机端电流对比Fig.4 Comparison of voltages & currents during standstill of generator

由于交流采样测量装置只采集机端电压、电流，故对机组三相电压、三相电流进行分析，如图4所示，发现三相电压幅值相等相位对称，但三相电流幅值存在偏差，选取停机前至发电停机过程中电流有效值进行比较，如表2所示，A相电流(IA)最小，B相电流(IB)最大。由交流采样测量装置的参数可知，在三相不平衡系统，计算周期为325 ms(三相平衡系统为180 ms)，由于4号机组机端三相电流的不平衡，使得交流采样测量装置运算周期增加，再加上通信延迟，使机组未能在实际功率<10%时分闸。

表2 4号机组停机过程中电流有效值对比Tab.2 Comparison of the current effective value of during standstill of Unit 4 generator

3 交流采样测量装置检验

目前交流采样测量装置的检验主要依据《交流采样测量装置校验规范》(简称规范)和《交流采样测量装置运行检验管理规程》(简称规程)。检验类型分为投运前检验和周期检验。针对由不平衡电流引起的交流采样测量装置误差和延时检验，主要有两点：

第一，不平衡电流对三相有功功率、无功功率引起的改变量检验(投运前检验)。检验方法：在参比条件下，输入三相平衡电压电流，调整电流使其为较高标称值的一半，测定有功功率和无功功率输出值，记为EX，断开任一相电流，调整其他两相电流，保持其有功或无功功率输入的初始值不变，测定此时输出值，记为EXC，计算不平衡电流引起的改变量如式(7)所示：

(7)

式中：AF为输出基准值[4]。

第二，响应时间试验(投运前检验和周期检验)。检验方法：电测量输入回路施加一个信号，使其从标称值的10%变到100%或从100%变到10%，观察显示数值变化，记录施加信号至数值变化的时间。规程要求此时间，在交流采样测量装置就地显示屏显示时不大于1 s，在交流采样测量装置维护端口输出显示时不大于2 s，在当地主站、模拟主站显示时不大于3 s[5]。

但投运后的的交流采样测量装置所测的电压、电流不可能是标称值，因而对投运前的校验要求就更为严格，针对不平衡电流引起的误差和延时的检测并不能真正符合现场实际运行情况，并没有有效的检验方法定量记录和分析，因此，目前现场校验还是以(规范要求)外观检查、绝缘电阻测量、基本误差校验为主。

4 结语

通过对交流采样测量装置的试验研究，解决了困扰该电站多年的机组发电停机逆功率的问题。虽然该电站的交流采样测量装置每年都会送检，检验结果也都合格，但就是这个“合格”的检验结果，造成该电站寻找问题原因的方向错误，对机组本身、出口断路器(GCB)的寿命、电网功率调节品质都造成了一定影响。针对抽水蓄能电站监控系统中使用的交流采样测量装置，因其使用环境的特殊，对准确度和响应速度要求更严格，对现场检验方法也提出了更高要求。

[1] 彭煜民.抽水蓄能机组工况转换与顺序控制[J].水电站机电技术，2007，(02)：4-5.

[2] 卢有龙.交流采样测量装置在电力系统中的应用[J].电力设备，2005，(07)：17-18.

[3] 林祖建.抽水蓄能机组调试主要问题分析与处理[C]//抽水蓄能电站工程建设文集，2015.

[4] 国家电网公司. Q/GDW 1899-2013，交流采样测量装置校验规范[S].北京：国家电网公司，2013.

[5] 国家电网公司. Q/GDW 140-2006，交流采样测量装置运行检验管理规程[S].北京：国家电网公司，2006.

Application research of AC sampling measurement device in pumped storage unit

SHI Hong-liang,ZHANG Shun-ren

(Shanghai Minghua Electric Power Technology Engineering Co.,Ltd,Shanghai 200090,China)

Combining with the emergence of reverse power during a pumped storage unit from generator to standstill mode,the main reason of power reverse is that the AC sampling measurement device has lager delay and error in the output active power when the voltage and current change rapidly and the three-phase current is not balanced. Finally,according to the device calibration procedures,there is a problem that the device used in the monitoring system of the pumped storage unit has insufficient inspection.

AC sampling measurement device; Pumped storage unit; Three-phase imbalanced; Active power

2016-12-03

施宏亮(1986-)，男，助理工程师，学士。

TV743

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1674-8646(2017)06-0060-03