发电机功率变送系统优化分析

摘 要：在电力系统自动化程度日益提高的同时，发电机功率作为重要参数之一，在在机组MCS、DEH、ECS等自动化系统中的应用更为广泛。机组控制系统采集到的发电机功率数据的稳定性，不仅影响到设备的稳定运行，对机组的安全也是重要的考验。将传统发电机功率变送器与智能变送装置在可靠性、数据精度、响应时间等方面进行对比分析，剖析传统功率变送器存在的问题及优化的必要性。在发现电厂普遍存在的问题后，某电厂三期1X1000MW机组功率变送系统在装置升级、电源优化、接入回路等方面进行了系统化实施。提高在同等工况下，功率信号传输的稳定及暂态性能，防止因功率波动出现汽门误动情况发生。

关键词：发电机 DEH控制系统;MCS模拟量控制系统;功率变送器;发电机智能变送装置

引 言：某电厂5台发电机的功率变送系统普遍采用的是传统的模拟式功率变送器，利用采集发电机的电压电流量产生模拟量功率信号。有功功率变送器的信号一般送至MCS、DEH和ECS等系统应用。其中ECS将功率信号作用于后台的监控显示，DEH和MCS将有功功率信号作用于机组测量和控制调节的基础依据。

目前的功率变送器在输出精度、响应时间等大部分方面能够满足系统的要求。但发电机地电流电压中存在多次谐波分量、直流谐波分量及非周期分量，可能会引起发电机功率的畸变，最终会导致变送器输出信号与实际功率变化值不符，引起DEH系统中的汽门误动事故，给机组的安全稳定运行带来不良影响。

目前常用的解决方法就是用某一型号的功率变送器去替换现已投运的变送器，但通过对不同型号的功率变送器进行暂态性能的对比试验，也很难得出某一型号功率变送器的性能优于其他型号功率变送器的结论，也不能避免系统故障时发电机自动调节系统不正确动作引起的发电机功率异常大幅度波动。

鉴于此，最佳途径是将传统的模拟功率变送器更换为新型智能功率变送装置，保证功率信号传输的稳定及暂态性能，防止出现汽门误动、系统波动等情况。

1 具体实施步骤及附图

1.1 改造前功率变送器的原理图：

备注：U21、U22、U23为机组三个单相有功功率变送器。

1.2 改造后的智能功率变送装置的原理图如下：

1.3 功率变送系统优化后的分析

将传统的功率变送器改为发电机智能变送装置的输入回路的电流电压回路由原来的单路测量8TA和2TV，改为一组测量8TA和一组保护7TA，2TV和3TV同时输入装置，同时在线运行，可以在装置检测到测量TA在直流分量、二次谐波、高次谐波、零序分量方面出现波动时，自动无扰切换至保护TA，通过自动滤波功能，优化输出数据变化曲线，避免出现波形畸变。

输出回路由原来的单路功率输出，每个装置增加至8个输出通道，输出精度更高，并且每个通道可以根据运行需要，设置为有功功率、无功功率、电流、电压、功率因数、频率等多种模拟分量，可以根据需要进行自主设定，满足多种形式的需要。

某电厂5号机采用的三台装置并联运行方式，给三台装置同时接入GPS对时装置。这样既可以满足机组DEH、MCS系统对于机组数据“三取中”的要求，也可在发生异常时统一时间分别对三个装置根据波形对比DCS历史趋势，进行数据分析

2 功率变送系统优化前后技术对比分析

2.1 现有技术缺点

原来的数字变送器采用的接入一路测量TA，在这组测量TA发生波动时会产生高次谐波，送至DCS、DEH、MCS时的模拟量输出（4～20mA量）发生畸变，当协调控制设定值与实际功率偏差达到设定值（50MW）时，可能引起汽门误动，机组协调控制系统会自动退出。

2.2 解决的技术问题

2.2.1 解决了测量级TA易饱和的问题。常用的变送器使用的测量级TA易饱和，而保护级TA不易饱和。新安装的智能变送装置采用测量级TA和保护级TA同时运行，可选择能自动实现测量级 TA 和保护级TA 自动切换，这样在发生涌流现象或电气故障的瞬间，测量TA会出现波动或质量下降，经装置判断后自动切换到保护级TA，避免因测量TA波动引起输出功率的快速大幅波动，大大提高了系统运行的可靠性。

2.2.2 解决了常用变送器抗干擾能力差得问题。常用的变送器抗干扰能力差，国内有多个电厂因干扰原因造成跳机事故。新安装的智能变送装置具有自动滤波的功能，在发生电气故障或电气操作时，可以自动滤除谐波分量，避免出现畸变。

2.2.3 解决了常用变送器时间常数太大的问题。常用的变送器时间常数在240ms--400ms之间，加上DEH、MCS通道本身的延时，导致保护动作时间在几百毫秒以上，难以满足系统快速反应的要求。当功率变送器输入值发生快速变化时，输出值会发生畸变，国内多个电厂曾因功率变送器输出发生畸变，造成汽轮机汽门误动。新安装的微机型智能变送装置能够显著提高抗干扰能力。新装置的响应时间在40ms以内可有效解决普通的功率变送器相应时间长的问题，满足系统故障快速响应的要求。

2.2.4 解决了二次断线引起功率失真的问题。常用的功率变送器只有一组TV和TA，当TA或者TV断线时，传统的功率变送器无法采取任何闭锁措施，必然导致功率输出跌落。新安装的智能变送装置采用的是两组不同绕组的TV两个不同绕组的TA，当任何一组TA或者TV二次回路断线时，都能自动切换到另外一组未断线的TA或者TV运行，不会对输出功率造成任何影响，解决了传统功率变送器在发生断线后功率失真的问题。

2.3 新技术主要的创新点

2.3.1 采用2路TA和双TV同时输入。新安装的发电机智能变送装置分别接入2组独立的发电机机端TV绕组、1组保护级机端TA绕组、1组测量级机端TA绕组。通过装置自身判别，保证输出稳定的参数，确保机组DEH、MCS调节系统可靠运行。

2.3.2 实现测量TA和保护TA的自动切换，具有良好的暂态性能。在正常运行情况下，变送装置采用测量级TA电流计算，保证0.2级的测量精度。当发生区外故障或涌流时，变送装置采用保护级TA电流进行计算，解决系统故障情况下的暂态特性问题。

2.3.3  装置具备灵敏检测功能，满足高可靠性。由于同时接入了两组TA和两组TV，变送装置可以灵敏检测TV和TA断线，单一TV或TA断线不会影响变送装置输出，满足功率变送高可靠性的要求。

2.3.4 装置具有打印、对时、通讯和动作报告（跳闸报告、自检报告和变位报告）记录功能，还可以对发生故障时的电压、电流和功率波形进行录波记录，方便后续进行分析。

2.3.5 多台装置同时接入GPS时钟系统，对时统一，方便在发生故障时，对照时间记录、故障记录、录波数据等进行综合分析。

2.3.6 作为调节系统的重要参数，大大提高了机组调节系统的可靠性，为机组的长周期运行提供了保障。

2.3.7 智能变送装置同时接入一路交流电源，一路直流电源，构成双电源供电，装置运行的可靠性和稳定性更高。

3 安全经济效益结论分析

1、设备运行一年多以来，随机调取装置的两次切换记录波形进行分析。调取2017年02月26日06时31分20秒发电机智能变送装置发生测量CT与保护CT切换启动装置录波，录波波形如下：

从上图中可以看出，在T1时刻，C相电流的二次谐波大于装置的启动值，而且B相电流变小。功率变化如下图：

上图中紫色的曲线为使用测量电流计算出来的功率曲线，绿色的曲线为发电机智能变送装置切换到保护电流后输出的功率曲线。从图中可以看出，发电机智能变送装置的功率输出改善了很多。改善后的功率二次值变化范围（382.32W～395.32W），折算到功率二次值的变化范围（619.36MW～640.42MW），功率一次值变化最大值是21.06MW。

如果不接保护电流的话，测量电流的功率二次值变化范围（374.86W～398.77W），折算到功率一次值的变化范围（607.26MW～645.99MW），功率一次值最大值波动可达38.73MW，优化后的功率波动值范围减小了17.47MW。

从上图调取的2017年02月26日06时31分至32分的历史趋势可以看出，智能变送装置经过自动滤波和TA切换后，输出的功率信号曲线光滑，并无出现畸波。

2、调取2018年05月04日18时49分37秒发电机智能变送装置测量CT与保护CT切换启动录波，录波波形如下：

从图中可以看出，在T1时刻，测量电流的C相电流一严重畸变。功率变化如下图：

图中紫色的曲线为使用 测量电流计算出来的功率曲线，绿色的曲线为发电机智能变送装置切换到保护电流后输出的功率曲线。从图中可以看出，发电机智能变送装置的功率输出改善了很多。改善后的功率二次值的变化范围（601.32W～637.98W），折算到功率一次值的变化范围（974.14MW～1033.53MW），功率一次值最大值波动可达59.39MW。

如果不接保护电流的话，功率二次值的变化范围（542.686W～617.005W），折算到功率一次值的变化范围（879.15MW～999.55MW），功率一次值最大值波动可达120.4MW，优化后的功率波动值范围减小了61.01MW。

从上图调取2018年05月04日18时49分至50分的DCS历史趋势，发现智能变送装置经过自动滤波和TA切换后，输出的功率信号曲线光滑，与装置优化后曲线一致，并无出现畸波。

3、由此上述分析可见，在系统存在扰动状态下，智能变送装置有功功率等数据输出能够无扰从测量TA切换至保护TA，采用当前的保护电流计算发电机有功功率能更好的躲避系统扰动的影响，避免波形出现畸变。

同时，5号机組功率变送系统优化完成以来，三个发电机智能变送装置送至DEH和MCS的三个有功功率运行稳定性一直很高，没有出现因为智能变送装置输送功率不稳定原因导致调节系统发生波动的情况。

结束语：

目前行业内大部分电厂普遍使用的普通功率变送器的可靠性可以满足日常系统数据监视的需求，但是随着机组容量在不断增大、电网要求不断提高，系统稳定性要求不断提高，用于机组DEH、MCS等控制调节系统中使用却不能越来越高的稳定性和精度要求。

通过优化后的发电机功率变送系统在某电厂5号机组运行情况来看，其先进的技术水平得到验证，特别是数据输出的稳定性和可靠性大大提高。既给接下来的设备改造提供了技术支持，同时发电行业设备的可靠性提高方面又进了一步。

电厂设备需要连续、可靠运行的设备很多，吸收借鉴优秀的设计理念，对设备系统进行优化配置，对厂家来说将带来巨大的效益，对电厂设备管理人员来说也是技术上的巨大进步。

参考文献：

[1]杨涛，黄晓明，宣佳卓. 火电机组有功功率变送器暂态性能分析[J]. 继电保护原理及控制技术的研究与探讨（发电侧），2014：360-364.

[2]南京保合太和电力科技有限公司. BPT9301型发电机智能变送器装置使用说明书，2013.

作者简介：

路海丽 （1989- ）女，助理工程师，从事火力发电厂电气二次设备管理工作.