陳 剛 徐國(guó)明 曹 達(dá) 周 乾 陸奇光

（1. 中電國(guó)際蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241009；2. 浙江涵普電力科技有限公司，浙江 海鹽 314300）

隨著我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)不斷發(fā)展，電廠生產(chǎn)過(guò)程的控制規(guī)模不斷擴(kuò)大，運(yùn)行復(fù)雜程度不斷增加，控制過(guò)程要求越加嚴(yán)格，因而對(duì)過(guò)程控制和生產(chǎn)管理提出了越來(lái)越高的要求。分散控制系統(tǒng)（DCS）和數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）就是為此產(chǎn)生的。

DCS系統(tǒng)應(yīng)用到電廠，根據(jù)各種模擬量輸入等信號(hào)，進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)各執(zhí)行部件的控制。

其中的 DEH汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)控制汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)改變進(jìn)汽流量，從而控制汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率，使其滿足電網(wǎng)的要求。

而機(jī)組產(chǎn)生的電能是一個(gè)特殊的產(chǎn)品，其特征表現(xiàn)在電能的生產(chǎn)、傳輸、供應(yīng)和消費(fèi)必須在同一時(shí)刻完成。電力系統(tǒng)的負(fù)荷瞬息萬(wàn)變，根據(jù)負(fù)荷變動(dòng)的特征，可將其變動(dòng)規(guī)律分類(lèi)為幾種不同變化的分量。第一種是幅度變化小、周期短（10s以內(nèi)），一般偶發(fā)性強(qiáng)；第二種是幅度變化較大、周期較長(zhǎng)（10s～3min）的脈動(dòng)負(fù)荷，屬于沖擊性負(fù)荷；第三種是幅度變化大、周期變化緩慢的持續(xù)變動(dòng)負(fù)荷，是生產(chǎn)、生活、氣象的大環(huán)境。

1 機(jī)組功率振蕩故障形成過(guò)程

因連日雷雨的惡劣環(huán)境影響，造成一組250MW機(jī)組輸出功率波動(dòng)，在所接的功率變送器上的模擬量輸出突然上升。模擬量輸入到 DCS系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)判斷出機(jī)組輸出過(guò)大，發(fā)出控制信號(hào)給DEH系統(tǒng)。具體信號(hào)傳遞框圖如圖1所示。

DEH系統(tǒng)的液壓伺服系統(tǒng)發(fā)出閥位控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)伺服板傳送到對(duì)應(yīng)的電液伺服閥，繼而控制活塞位置下移。由于位移傳感器（LVDT）的拉桿和活塞連接，活塞移動(dòng)由位移傳感器位置信號(hào)送入伺服板，直到與閥位指令相平衡時(shí)活塞停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)蒸汽閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)整完畢，完成了電信號(hào)——液壓力——機(jī)械位移的配合動(dòng)作。隨著原始的功率變送器上模擬量輸出的變化，油動(dòng)機(jī)不斷的調(diào)節(jié)蒸汽閥門(mén)的開(kāi)度，機(jī)組的輸出功率也不斷變化。

圖2 液壓伺服系統(tǒng)工作原理框圖

整個(gè)故障的起因是功率變送器監(jiān)測(cè)到機(jī)組功率過(guò)大，其模擬量輸出相應(yīng)上升，導(dǎo)致蒸汽閥門(mén)的關(guān)小，目的是使機(jī)組功率下降到正常水平。然而在此動(dòng)作過(guò)程中，功率變送器再次監(jiān)測(cè)到機(jī)組功率過(guò)小，其模擬量輸出相應(yīng)減小，導(dǎo)致蒸汽閥門(mén)開(kāi)大，使機(jī)組功率上升。經(jīng)過(guò)幾次這樣循環(huán)，產(chǎn)生了一次機(jī)組功率振蕩。此后就不停的有這樣的振蕩，造成了機(jī)組整個(gè)控制系統(tǒng)經(jīng)常動(dòng)作，整個(gè)機(jī)組功率輸出無(wú)法穩(wěn)定。具體流程如圖3所示。

2 常規(guī)功率變送器的原理

機(jī)組的三只功率變送器型號(hào)為FPW-201，為浙江涵普電力科技有限公司（原海鹽普博電機(jī)有限公司）2005年生產(chǎn)，是常規(guī)模擬電路設(shè)計(jì)的功率變送器，本文簡(jiǎn)稱(chēng)常規(guī)功率變送器。

三相功率變送器可分為三相三線（三相二元件）和三相四線（三相三元件）二類(lèi)。其測(cè)量原理是相同的，僅是其接線方式不同。

三相功率變送器實(shí)際上是把二個(gè)（二元件）或三個(gè)（三元件）單相功率變送器的測(cè)量疊加，從而得到三相功率?；驹砜驁D如圖4所示。

在時(shí)分割乘法器中，待測(cè) 50Hz電壓（圖紫色正弦曲線）與高頻1000Hz三角波（圖綠色三角線）經(jīng)過(guò)比較器產(chǎn)生矩形脈沖（PWM脈寬調(diào)制），每個(gè)脈沖的寬度代表電壓的大小，圖可見(jiàn)一個(gè)正弦波的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈寬寬度也是最小，正弦波的最高點(diǎn)對(duì)用的脈寬寬度最大，一個(gè)正弦波被分割成20個(gè)脈沖波；這個(gè)調(diào)制出來(lái)的脈沖輸出去切割電流波形，即用電壓變換后的脈沖寬度，導(dǎo)通這段寬度里的電流，形成的面積（如圖紅色陰影部分，每段脈沖小于 1ms）就是我們所要的測(cè)量的功率值。這個(gè)功率值是機(jī)組功率調(diào)整的基礎(chǔ)。

圖3 機(jī)組功率振蕩流程

圖4 常規(guī)功率變送器基本原理框圖

圖5 時(shí)分割乘法器電路圖

在故障調(diào)查過(guò)程中，對(duì)變送器備品進(jìn)行測(cè)試，輸出紋波含量和響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試情況見(jiàn)表1、表2。

從表可知功率變送器信號(hào)測(cè)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，功率變送器本身未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

圖6 時(shí)分割乘法器波形處理圖

表1 功率變送器備品紋波測(cè)試

表2 功率變送器備品時(shí)間常數(shù)測(cè)試

3 一次涌流對(duì)常規(guī)功率變送器的影響

在對(duì)主變?nèi)珘簺_擊或機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬間勵(lì)磁涌流，并對(duì)電氣二次回路產(chǎn)生諧波功率，可以使功率產(chǎn)生跳變（上升或下降）；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生內(nèi)部短時(shí)故障、接地故障或其他涌流沖擊時(shí)，特別是發(fā)生接地故障時(shí)電流可能為額定的10倍以上，測(cè)量CT的鐵心會(huì)飽和，一般常規(guī)變送器的輸出會(huì)產(chǎn)生無(wú)規(guī)則的畸變。以此可見(jiàn)電力的生產(chǎn)和使用總是暴露在涌流的威脅之下，而各種應(yīng)對(duì)方案也層出不窮。

功率變送器在正常輸入時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，可以推斷是現(xiàn)場(chǎng)的輸入對(duì)功率變送器的影響，才產(chǎn)生了機(jī)組振蕩。對(duì)此，將現(xiàn)場(chǎng)某次故障錄波文件導(dǎo)入繼保儀進(jìn)行故障回放，并將繼保儀輸出的交流電流、電壓輸入到功率變送器查看其輸出波形，波形圖如圖7所示。

圖7中的藍(lán)色波形代表現(xiàn)場(chǎng)的電流，黃色曲線是功率變送器的功率輸出。結(jié)合功率變形器的原理，在一次涌流的影響下，變送器時(shí)分割乘法器中的電壓脈沖寬度沒(méi)有變化，但這段寬度里（小于 1ms）導(dǎo)通的電流幅值特別大，造成那一小段時(shí)間里的功率大增，功率變送器模擬量輸出相應(yīng)大增（黃色曲線波動(dòng)更大）。即由一次涌流的影響，導(dǎo)致了變送器所輸出的功率測(cè)量值比實(shí)際功率值大。如圖8所示，在圖6的基礎(chǔ)上，紅色陰影部分，在幾個(gè)地方的幅度增大了，其面積表示的功率也成倍增加。

圖7 故障錄波和對(duì)應(yīng)模擬功率變送器輸出圖

圖8 有涌流進(jìn)入的時(shí)分割乘法器波形示意圖

同理，當(dāng)電流波動(dòng)中有電流減小時(shí)，功率變送器也會(huì)有比實(shí)際功率值偏小（圖8陰影面積減?。┑那闆r。據(jù)此推論，這一次涌流的影響，超過(guò)了功率變送器正常輸入范圍，使其放大了正常功率的波動(dòng)。即圖7的涌流必定超過(guò)了圖5時(shí)分割乘法器中積分電路的電流（Ia）輸入范圍，這是帶積分器常規(guī)功率變送器不能解決的問(wèn)題。

4 數(shù)字式功率變送器

實(shí)際電力監(jiān)控中，功率變送器可不對(duì)短暫的涌流等偶發(fā)性波動(dòng)進(jìn)行測(cè)量和輸出，為此而設(shè)計(jì)了FPWK-301D數(shù)字式功率變送器，目的是彌補(bǔ)模擬變送器固有特性在實(shí)際使用中對(duì)電流波動(dòng)判斷的不足。

FPWK-301D數(shù)字式功率變送器采用大規(guī)模集成電路，應(yīng)用數(shù)字快速采樣處理技術(shù),集成化程度高，工作更加可靠，具有優(yōu)異的精度、線性度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,抗干擾性強(qiáng)和抗諧波影響能力強(qiáng)。

數(shù)字式的功率變送器原理如圖9所示。

圖9 數(shù)字式變送器原理框圖

由圖10采樣波形可見(jiàn)數(shù)字式變送器，將所要測(cè)量的電壓（或電流）正弦波進(jìn)行采點(diǎn)分割計(jì)算，橫軸將一個(gè)周期分為64塊，每一塊都近似為一個(gè)長(zhǎng)方形，將每一塊的電壓幅值乘以電流幅值再乘以分割成的時(shí)間（50Hz就是 20ms/64點(diǎn)），得到每一塊的功率，再進(jìn)行累加即可。

圖10 數(shù)字式變送器采樣波形圖

數(shù)字式變送器從交流采樣開(kāi)始都由微處理芯片的程序進(jìn)行處理。在芯片的編程處理中，人為的濾除輸入突變信號(hào)，并將穩(wěn)態(tài)的測(cè)量值做窗型濾波，使得變送器的輸出更加穩(wěn)定，受外界突變信號(hào)的干擾影響小。

對(duì) FPWK-301D數(shù)字式功率變送器進(jìn)行測(cè)試，其中輸出紋波含量和響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試情況見(jiàn)表 3、表4。

表3 數(shù)字式功率變送器備品紋波測(cè)試

表4 數(shù)字式功率變送器備品時(shí)間常數(shù)測(cè)試

從表 3、表 4可知數(shù)字式功率變送器信號(hào)測(cè)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且主要性能較常規(guī)變送器更高。

5 數(shù)字式功率變送器使用效果分析

圖 7所示波形是將故障波形用繼保儀輸入到FPW-201有功功率變送器，來(lái)查看波動(dòng)對(duì)功率變送器的影響，藍(lán)色部分波形在某一時(shí)刻有突變，黃色顯示了功率變送器的輸出值。

當(dāng)電流波動(dòng)一次以后，功率變送器輸出幅度有了較大的變化。而之后的電流和功率變送器輸出都變成了振蕩的曲線。

將圖7所用的故障錄波文件，再次用繼保儀回放到 FPWK-301D有功功率變送器，其輸出的波形如圖11所示。

圖11 故障錄波和對(duì)應(yīng)數(shù)字式變送器輸出圖

對(duì)比圖11和圖7可以得出，使用數(shù)字式的變送器，短暫的波動(dòng)被濾波器濾除，而在之后的電流振蕩部分，也是整體抬高不到1%，而不是隨之波動(dòng)，這些都是圖9中電流窗型濾波所能產(chǎn)生的效果。由于數(shù)字式功率變送器的電流濾波對(duì)采樣值良好的處理，變送器的功率輸出基本沒(méi)有受到影響，成功濾除了短時(shí)涌流。試驗(yàn)證明，用上數(shù)字式變送器后，功率變送器輸出值更穩(wěn)定。

6 結(jié)論

本文闡述了機(jī)組功率通過(guò)變送器、DCS系統(tǒng)、DEH系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)的反饋調(diào)整過(guò)程，通過(guò)分析功率變送器原理來(lái)說(shuō)明涌流的影響，揭示了機(jī)組功率振蕩的具體過(guò)程和根本原因。并為此設(shè)計(jì)了FPWK-301D數(shù)字式變送器，此變送器響應(yīng)迅速，工作穩(wěn)定，線性度和精確度好，抗干擾性強(qiáng)。試驗(yàn)證明使用該數(shù)字式功率變送器能濾除短時(shí)涌流等偶發(fā)性負(fù)荷變動(dòng)，彌補(bǔ)了常規(guī)功率變送器的不足。

[1] 謝勇, 王雨. 線路單相接地故障引發(fā)機(jī)組振蕩原因簡(jiǎn)析[J]. 電氣技術(shù), 2013(3): 82-85.

[2] 李立新. 電力變壓器涌流分析[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2007.

[3] 余燕山. 自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）及其實(shí)際應(yīng)用[J]. 浙江電力, 2005, 24(6): 30-32.

[4] 劉媛杰, 樸在林. 基于DCS汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 23(5): 1034-1037.

[5] 龍軍, 吳杰康. 8098單片微機(jī)電量變送器的應(yīng)用[J].廣西電力技術(shù), 1996(2): 31-33.

[6] 王英. 三相功率變送器[J]. 電測(cè)與儀表, 1994, 31(4):22-23.

[7] 付鋼, 李磊. 電磁干擾造成發(fā)電事故的一次典型分析[J]. 山東電力技術(shù), 2008(2): 27-28, 55.