发电机变送装置的智能化升级选型

周成业

(华能苏州燃机热电有限公司 工程部,江苏 苏州 215000)

近年来，国内火力发电机组发生多起由于发电机功率变送器输出的功率信号发生畸变而导致汽机保护误动，有的甚至造成机组全停，严重影响机组的安全运行。目前，由电气侧传送到DEH侧的4～20 mA功率信号普遍采用模拟式功率变送器，此类变送器在系统稳态时，可提供满足精度要求的功率信号，但当系统发生瞬时故障(如雷击)等情况时，模拟式功率变送器就无法提供准确的功率信号。因此，功率变送器的暂态性能开始引起越来越多人的关注[1]。该文推荐一种新型的数字式功率变送装置，既能满足稳态精度要求，也能在系统暂态情况下真实、准确、及时地输出功率信号，确保机组安全稳定运行。

1 模拟式功率变送器输出失真引发的事故

近年来因为模拟式功率变送器测量偏差，造成的跳机事故时有发生。

一般在DEH系统中，PLU测量电气功率必须依靠发电机有功功率变送器来实现。发电机功率变送器是一个薄弱环节，存在以下问题。

1)抗电磁干扰能力差。某600 MW 机组的功率负荷平衡保护是采用有功功率变送器来实现的。在2008年首次启动和运行1年后，在首次大修后启动试验时，先后发生多次“功率负荷平衡保护”动作跳机的事故，原因皆为试验期间对讲机干扰导

致功率变送器输出异常，曾在空负荷下实测机组瞬间达到700 MW。

2)缺少二次回路断线闭锁。功率变送器不具有电压、电流二次回路发生断线故障的闭锁功能，当发生断线时只会将故障状态如实地转换为功率输出，功率信号失真不可避免。

3)系统振荡误动作。系统振荡时的功率会有剧烈变化，但变送器输出的功率信号与甩负荷事故信号无法区分，极有可能导致保护误动作。

功率变送器存在的这些缺陷，使得PLU 误动的可能性大大增加。而PLU 误动的后果，轻则机组振荡，重则导致机组停机[2]。

跳机事故一：国调中心2014年5月7日通告，2013年6月，浙江某发电厂3#、4#机组(660 MW)，因为出线B相接地，发电机功率变送器输出畸变，引发汽机汽门快控误动，造成3#、4#机组跳闸。

跳机事故二：2014年5月，江苏某发电厂1#、2#机组(660 MW)，因为220 kV线路出现故障，发电机功率变送器输出畸变，造成1#、2#机组跳闸。

跳机事故三：2015年4月，四川某1 000 MW机组跳闸，因为出现PT两次侧空开掉，造成了发电机功率输出瞬时为零，汽轮机“功率—负荷不平衡保护”保护动作，引发了省级电网的负荷摆动。

跳机事故四：2015年5月，安徽某电厂3#机组(1 000 MW)进行168试运行，4#主变空投，发电机功率变送器输出畸变，造成3#机组跳闸。

跳机事故五：2015年4月重庆某燃机400 MW机组跳机，该厂1#、2#机组满负荷正常运行，在9点31分时电网出现了一次比较大的扰动，其发电机参与DEH调节的4只有功功率变送器(其逻辑为：3、4比较取大，再和1、2取二，相当于四取二)同时变化，出现大幅度的跳水，最后由逆功率保护动作，造成发电机停机。由于有功功率变送器暂态特性差，在输入电流值发生快速变化时，输出值发生严重畸变。

2 模拟式功率变送器原理解析

2.1 模拟式功率变送器原理

模拟式功率变送器采用时分割乘法原理，将采集的发电机出口电压量和电流量变换成与之线性关系的标准直流电流电压信号，基本原理框图如1图所示。

图1 模拟式功率变送器原理

2.2 模拟式功率变送器功能缺陷分析

在电网稳态情况下，模拟式功率变送器能提供满足精度要求的功率信号，但是在暂态工况下，就会有以下缺陷：

1)时间响应长，功率输出固有延时长(普遍在250 ms～300 ms)，瞬时故障发生时，不能满足DEH快速响应的要求；

2)抗干扰能力弱，易受干扰，导致输出功率畸变，造成机组不能稳定运行；

3)暂态特性差，对于系统发生瞬时故障等暂态状况下，输出失真，易造成保护误动，近年频繁造成跳机事故；

4)采样可靠性差，只接入一组PT和一组CT，当PT或CT断线时，导致发电机功率测量错误，且没有PT和CT断线报警功能；

5)缺少对异常状态记录功能及装置自身的故障报警。

3 发电机智能变送装置选型

3.1 数字式智能变送装置特点

由于模拟式功率变送器有上述功能缺陷，因此在苏州燃机项目发电机变送装置选型时江苏电力设计院提出用新型的功率变送装置，当时正在报批的GBT 50063-2017 《电力装置电测量仪表装置设计规范》6.0.3也确定提出“对于火力发电厂汽轮发电机组，参与汽轮机调节的功率变送器，还需考虑功率变送器的暂态特性”。新型的智能功率变送装置不仅能满足稳态精度要求，而且具有良好的暂态传变特性，满足准确性、及时性和稳定性要求。

经过大量调研上海利乾研发的BPT9301系列新型功率变送装置，原理是基于继电保护装置软硬件平台，采用模块化设计，同时采集发电机出口两组电压和两组电流(一组测量级CT和一组保护级CT)[3]，通过微处理器运算，实时输出各种电气量(如电流、电压、有功功率、无功功率、负序电流、功率因数等)。

发电机智能变送装置主要特点：除了具有测量功能外，装置还具有保护功能，装置可以分析异常工况并发出动作指令。满足暂态特性和变送器精度要求，在正常情况下装置采用测量输入数据计算，发生功率突变时装置采用保护级输入数据进行计算，同时装置具备判断CT断线、PT断线功能；响应时间短，在40 ms之内能满足系统故障快速响应的要求；装置跟系统时钟同步，具有录波功能，可以多路输出。抗干扰能力达到严酷IV级，软硬件共同优化，国标要求继电保护装置及安全自动装置的抗干扰能力为严酷III 级；针对电网出现瞬时故障时，采用切换CT的方式。装置同时接入一组测量级CT和一组保护级CT(具有发明专利保护该项功能)，当系统发生扰动时，智能功率变送装置可以通过测量电流的增量，从测量级CT切换到保护级CT，使得测量的功率值和真实的功率值相差不大；当出现和应涌流时，装置能自动检测基波分量中的直流分量的含量，作为切换CT的条件，解决了测量级电流互感器暂态饱和的问题。通过软件实现测量级CT和保护级CT快速无缝自动切换，具有良好的暂态特性，能确保发电机功率自动调节系统和 DCS 系统可靠运行不受高温、高电压、强磁场环境影响，可靠性高。同时，装置可自动起动故障录波，便于分析事故原因。装置还具有事件记录功能，包括装置自检信息、保护动作信息及各类操作信息，便于查找及分析。

3.2 数字式功率变送装置原理设计

数字式功率变送装置利用A/D采样将电压电流模拟信号转换为数字信号，按照科学算法计算出功率等需要的电气量，最后输出4～20 mA模拟量至DEH。

3.2.1 功率计算

采用全周傅立叶算法计算有功功率和无功功率，当保护级CT的电流大于1.1倍额定电流时，功率计算采用保护级CT电流，否则采用测量级CT电流，这样同时兼顾正常运行和故障情况下的准确测量。

算法具有良好的暂态特性，确保系统短路故障时，功率的准确测量，为发电机有功功率自动调节系统和DCS系统可靠运行创造条件。

功率因数计算公式：

3.2.2 负序电流计算

采用全周傅立叶算法计算负序电流，电流的选取原则同上，兼顾正常运行和故障情况下的准确测量。

3.2.3 频率计算

利用发电机机端电压，采用全周傅立叶算法准确计算发电机频率。

3.2.4 PT断线判据

动作判据如下：

1)正序电压小于20 V，且机端任一相电流大于5%In；

2)负序电压大于2.5 V。

满足以上任一条件延时10 s发PT断线报警信号，异常消失后延时10 s信号自动返回，PT断线判据的逻辑如图2所示。

图2 PT断线判据逻辑

3.2.5 CT断线判据

CT断线判据针对三相四线制，动作判据为：三相CT的自产零序电流(3I0)大于25%的最大相电流与5%In之和，延时10 s报警，异常消失后延时10 s返回，CT断线判据的逻辑如图3所示。

图3 CT断线判据逻辑

3.2.6 测量CT与保护CT差流越限

动作判据：测量CT最大相电流与保护CT最大相电流的差大于测量CT最大相电流的0.05倍，并且测量CT最大相电流大于额定电流的30%。

满足以上条件延时10 s发测量CT与保护CT差流越限报警信号，异常消失后延时10 s，信号自动返回，测量CT与保护CT差流越限判据的逻辑如图4所示。

图4 两组CT差流越限判据逻辑

3.2.7 逆功率越限

动作判据如下：

1)测量功率小于额定功率的负0.05倍；

2)保护功率小于额定功率的负0.05倍。

满足以上任一条件延时10 s发逆功率越限报警信号，异常消失后延时10 s信号自动返回，逆功率越限判据的逻辑如图5所示。

图5 逆功率判据逻辑

3.3 智能变送装置性能

经过调研上海利乾电力科技有限公司采用上述原理，成功研制出数字式智能变送装置，并且2015年在国网浙江省电科院进行暂态特性试验。

3.3.1 测试方法

对功率变送装置暂态特性采取两种方法：一是对已发生事故的机组故障录波数据进行回放，对功率变送装置的输出进行录波，观察功率变送装置的暂态输出特性；二是利用殷图仿真系统搭建仿真模型，分别模拟单相接地短路、两相接地短路、相间故障等各种故障类型，将发电机的电流电压输入被检测的功率变送装置，并对其输出进行录波，观察在各种类型故障发生时的暂态情况下的功率输出变化特性。

3.3.2 测试结果

试验结果表明，数字式功率变送装置暂态输出的功率变化趋势基本与实际功率变化相同，能够较为真实地反映实际功率变化，两者的比较如表1所示。

另外，参照最新规范《电力装置电测量仪表装置设计规范》(GB/T 50063-2017)，也可检验数字型变送装置是否满足规范要求。数字式变送装置参数与规范要求值比较如表2所示。由表2可以看出，数字式变送装置完全满足最新规范要求，并且具有良好的暂态特性。

表1 实际功率与功率变送装置输出功率比较

表2 数字式变送装置参数与规范要求值比较

4 智能变送装置应用情况

智能变送装置已在国内300多台火力发电机组上运用，解决了以往存在的问题，应用效果良好。

前文事故二中的电厂，厂内参与SIS、DEH调节的模拟式有功功率变送器曾因220 kV起备变充电、线路对侧主变充电及系统故障等原因发生输出信号无规则畸变，导致SIS退出，甚至跳机。自从2015年3月采用上海利乾的智能变送装置后，经历多次系统故障的考验，没有对机组造成任何影响。

前文事故三中的电厂，在2015年5月进行功率变送器改造，采用上海利乾的智能变送装置不仅彻底解决二次断线、暂态特性差等系列问题，而且得益于装置的其他功能，如断线告警、故障录波等，使得厂内测量系统变得快速、准确和简单。

前文事故四中的电厂在2015年5月168试运行时，因一次回路受到冲击造成参与DEH调节的模拟式功率变送器失真而跳机。经过电厂技术人员多次论证，选用了上海利乾的智能变送装置，成功解决了暂态状态下功率输出失真的问题，从2015年6月投入至今，经历多次系统故障，变送装置运行良好，机组稳定安全。

前文事故五中的燃机电厂在2015年10月改造成上海利乾的智能变送装置，投运后没有出现过功率失真的情况，保证了控制系统的稳定运行。

5 结 语

为了解决传统模拟式功率变送器存在的问题，推荐使用上海利乾的智能变送装置，可以解决模拟式功率变送器暂态情况下输出失真的问题，该装置已在300多台火力发电机组上成功应用，取得了良好的效果。同时，上海利乾的智能变送装置在解决暂态失真问题的基础上，扩展了许多功能，装置更加人性化，校验更简便，同时有事件记录功能，方便了运维人员的事件调查。