一种网源协调中有功功率变送器暂态特性指标评价方法

徐明宇，王 冰，崔佳鹏，陈晓光，武国良

(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.哈尔滨智能热电设计院，黑龙江 哈尔滨 150090)

网源之间能量平衡关系是由电网实际负荷需求和机组输出功率一致性所决定的，稳定这种网源之间能量动态平衡关系需要依靠机组协调控制系统来实现[1]。目前大型发电机实际输出功率的测量是采用3台有功功率变送器输出的中值作为参与发电机组协调控制的最终测量值，所以有功功率变送器的精度对平衡网源间的能力关系至关重要[2]。

根据相关技术规范，有功功率变送器只需满足稳态情况下的测量精度要求，而对诸如线路或主变压器故障等暂态情况下的测量并无相关要求，JJG 126—1995《交流电量变换为直流电量电工测量变送器》仅仅规定变送器响应时间一般为400 ms以内，其他并没有详细规定[3]。当电网功率快速变化时，有功功率变送器受自身算法及动态特性所限，无法准确反映网源之间的功率变化[4]，造成火电机组协调控制系统发生设备误动或拒动等情况，严重情况将会影响电网的安全稳定运行[5]。因此，有必要对有功功率变送器的暂态响应特性进行相关测试，掌握其暂态响应特性规律，提出其暂态特性评价方法，以确定其输出信号在机组协调控制系统的相对适用性[6]。

本文利用电力系统全数字仿真装置(ADPSS)搭建典型发电厂仿真模型，通过设置不同故障录取有功功率变送器暂态变化波形，分析其变化规律，结合火电机组协调控制系统的调节特性，总结有功功率变送器暂态性能评价方法。

1 暂态故障模型

本文利用收集的实际数据在ADPSS仿真软件中搭建典型发电机组模型，在线路出线最近端设置不同类型金属性故障，具体仿真模型如图1所示。1号发电机定子电压和电流的采集是通过ADPSS的物理接口箱和功率放大器实现的，有功功率变送器将接收到的信号传递给电量记录分析仪，并变换为有功功率值，分析对比与实际录取的有功功率曲线的差异。

图1 仿真模型

2 故障分析

故障时实际有功功率及7台有功功率变送器测取有功功率的暂态变化如表1所示(P7由于暂态特性较差，这里不作记录)。

在AN瞬时故障发生时，机组有功功率波动起始时间为0.179 s，达到稳态时间为2.03 s，持续1.851 s，在此项故障过程中功率波动最大值和最小值分别为故障前功率的127.85%和63.342%。

在AN永久故障发生时，机组有功功率波动起始时间为0.195 s，达到稳态时间为2.615 s，持续2.420 s，在此项故障过程中功率波动最大值和最小值分别为故障前功率的138.418%和48.157%。

在AB永久故障发生时，机组有功功率波动起始时间为0.195 s，达到稳态时间为2.430 s，持续2.235 s，在此项故障过程中功率波动最大值和最小值分别为故障前功率的135.831%和47.185%。

从数据分析可以看出，相间故障整个波动过程与瞬时单相接地极为类似，时间和波动值较为接近，只不过相间故障整个波动过程稍长一点，波谷值也稍低一些。

在ABN永久故障发生时，机组有功功率波动起始时间为0.179 s，达到稳态时间为2.401 s，持续2.222 s，在此项故障过程中功率波动最大值和最小值分别为故障前功率的137.04%和32.811%。从数据分析可以看出，相比相间故障，相间接地故障时功率波动的趋势较为一致，但波动范围更大一些。

表1 待测有功功率变送器功率波动指标

在ABC永久故障发生时，机组有功功率波动起始时间为0.180 s，达到稳态时间为2.750 s，持续2.570 s，在此项故障过程中功率波动最大值和最小值分别为故障前功率的142.801%和0.101%。

从数据分析可以看出，三相故障与其他类型故障在功率波动的趋势上基本一致，但是三相故障时的功率波动范围最大，波谷值几乎下降到0，波峰则产生在波动的后半阶段，即第二次峰值。

3 有功功率变送器与机组协调控制系统

3.1 DEH控制系统

各发电厂通过使用汽轮机数字电液控制系统(DEH)实现汽轮发电机组转速和功率的调节，使其能够满足电网安全稳定运行的要求，其中汽轮机的调节器是DEH系统中最为核心的部分。调节器的主要作用是调整汽轮机的进汽量，从而使汽轮机的转速、主汽门前的压力、负荷能够达到要求。进汽量的调整主要通过控制高、中压调门的开度实现的。另外，调节器可以通过限制高排温度和高压叶片压力实现汽轮机调节功能的保护，并具备通过快速增减出力实现对电网偏离频率的修正和调整的能力，不仅能够保证厂用电在机组受到大扰动时稳定运行，也使得汽轮机能够在额定转速下安全稳定运行[7]。

3.2 有功功率变送器测量值与DEH控制系统

有功功率变送器是DEH中重要的测量组成部分，汽轮机调节器相应的模块和自动设备接收的发电机实际负荷PEL为有功功率变送器所测量数值PEL1、PEL2、PEL3实际负荷值的中间值。模块会监视3个实际负荷值PEL1、PEL2、PEL3的有效性和准确度，并将失效信息STPEL1/2/3输出到运行和监控系统。1个实际值失效或偏差过大，选用剩下2个值的大值输出；2个实际值失效，选用未失效实际值；3个实际值均失效，选用替代值SV。最终所产生的发电机实际负荷值将进入到相应的逻辑中参与相关的控制与保护[8]。

3.3 有功功率变送器测量值与DEH甩负荷保护

突发故障引起的断路器或线路跳闸都会造成正常运行的机组发生甩负荷事故，此时汽轮机的输入能量和输出能量无法实现平衡，以至于造成汽轮机转速快速上升，甚至出现汽轮机超速情况的发生。考虑汽轮机超速造成的严重后果，所以通过对DEH配置超速安保系统，来防止汽轮机超速情况的发生。一般比较先进的DEH具备识别机组甩负荷的能力。为有效防止汽轮机超速事故的发生，通过调门的迅速关闭实现机组由负荷控制模式转换为转速控制模式，同时也保证了汽轮机恢复到额定转速时，机组可以在空载或维持常用电的状态下安全稳定运行。甩负荷识别功能LAW将甩负荷分为两种方式。

第一种方式是短甩负荷，即瞬时负荷中断KU，机组的功率信号出现瞬时降低的负荷量超过甩负荷识别极限值GPLSP，一般来讲，瞬间降低功率值约为额定功率的40%，即可认为机组发生瞬时负荷中断KU。

第二种方式是长甩负荷LAW，同时满足以下4个条件触发短甩负荷KU且延时2 s后触发5 s定宽脉冲长甩负荷LAW信号：

a.GP2EB(2倍的厂用负荷)>实际负荷；

b.GP2EB(2倍的厂用负荷)<(有效负荷设定值-实际负荷)

c.GPNEG(逆功率值)<实际负荷；

d.在发电机出口开关和主变高压侧开关闭合后延时3 s内。

瞬时负荷中断信号KU为150 ms定宽脉冲，该信号发出后，会快速关闭调门(调门的快速关闭并不是由KU直接决定的，而是由阀位指令与调门阀位偏差过大所触发的)，实现汽轮机能量输入的减少，有效降低转速的飞升量。KU在短时间内多次中断会造成调门开关频繁动作，所以在KU信号触发后，通过设定7 s的定宽脉冲闭锁，使得RS触发器复位端为1，避免KU的多次中断。长甩负荷LAW触发后会切换机组运行方式为转速控制器带负荷运行，按照负荷-转速的对应关系，由操作员设置目标转速从而达到控制功率的目的[9]。

4 有功功率变送器暂态特性评价方法分析

有功功率变送器暂态特性不好引发瞬时负荷中断KU(所谓的短甩负荷，机组调门快关)动作时，机组调门短暂关闭再放开。此时，如果机组配有零功率保护或相关热工保护逻辑，则可能触发零功率保护或相关热工保护逻辑动作使得机组误动解列。

KU判定条件为突然出现负荷干扰大于负荷跳变限值GPLSP(约为70%额定负荷)，并满足：

a.实际负荷大于逆功率值(一般最大为3%额定负荷)；

b.实际负荷小于2倍厂用电负荷限值(一般为10%额定负荷)；

c.负荷控制偏差大于2倍厂用电负荷限值(一般为10%额定负荷)；

d.机组已并网。

假如有功功率变送器在系统故障时，暂态特性不好，不能反映真实的功率变化，则使机组DEH不能快速、准确调节机组出力。如变送器功率暂态特性不好，功率畸变满足上述KU动作条件，则会造成机组保护逻辑误动，造成机组解列跳机，可以用KU的动作条件来判定变送器的暂态响应指标。

根据如上条件对比表1进行判断，P1在AB、ABN故障时功率下降过低，满足上述条件，可能造成KU动作，导致零功率保护或相关热工逻辑误动作，造成机组解列，对电网安全产生一定影响。

5 结束语

a.本文以ADPSS仿真软件为主要研究平台，搭建了典型电厂模型，通过模拟故障对有功功率变送器进行了暂态特性分析。

b.通过对火电机组协调控制系统的研究，分析出KU动作条件，从而提出评价有功功率变送器暂态特性优劣的具体指标。

c.对比分析评价指标与录取的暂态数据，对几台测试的有功功率变送器暂态特性进行了分析评价。

有功功率变送器暂态特性优劣关系到机组协调控制系统能否安全稳定运行，所以有功功率变送器在入网前应该对其暂态特性进行测试，确认其可满足电网功率突变情况下的功率测量要求。