張 鵬，尚明宏，趙先元

(中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

0 前 言

在水電站運(yùn)行中，甩負(fù)荷是對水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行造成較大影響的一個(gè)暫態(tài)過程。甩負(fù)荷可能發(fā)生在發(fā)電機(jī)出口斷路器，也可能發(fā)生在電網(wǎng)某個(gè)送出線路斷路器上。與電網(wǎng)解列后的機(jī)組可能不帶負(fù)荷，也可能帶近區(qū)負(fù)荷運(yùn)行。由于電網(wǎng)甩負(fù)荷的復(fù)雜性，導(dǎo)致了機(jī)組最終狀態(tài)的不確定性：機(jī)組可能因過速而緊急停機(jī)，也可能正常轉(zhuǎn)為空載狀態(tài)。

通過調(diào)整適合的調(diào)速器控制模型和參數(shù)，當(dāng)外部事故引起發(fā)電機(jī)出口斷路器跳閘時(shí)，機(jī)組都能正常轉(zhuǎn)換至空載狀態(tài)[1-2]；但當(dāng)接入變電站輸出線路上斷路器跳閘時(shí)，一般都會造成機(jī)組因過速而緊急停機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)跳閘滅磁、廠用電丟失等狀況。

由于國外電網(wǎng)薄弱，多為小網(wǎng)或孤網(wǎng)運(yùn)行，使在國內(nèi)電站已存在的電網(wǎng)甩負(fù)荷導(dǎo)致機(jī)組過速問題，在國外電站表現(xiàn)得更加頻繁和突出。

老撾某中方電站，僅在2017年7月就出現(xiàn)了10起機(jī)組甩負(fù)荷，均由電網(wǎng)故障引起。其中只有1起是電站送出線路差動保護(hù)動作跳出線斷路器，機(jī)組轉(zhuǎn)速控制在65 Hz以下并成功轉(zhuǎn)到空載狀態(tài)運(yùn)行；余下的9起均為接入變電站送出線路斷路器跳閘，機(jī)組轉(zhuǎn)速快速上升到機(jī)械過速值(70 Hz)而緊急停機(jī)，導(dǎo)致電站勵(lì)磁系統(tǒng)跳閘滅磁、廠用電丟失、機(jī)組進(jìn)水球閥關(guān)閉。

在非洲某中方電站，由于整個(gè)電網(wǎng)薄弱，頻繁出現(xiàn)電網(wǎng)低頻現(xiàn)象，引起電站發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁電流過大，保護(hù)動作跳出口斷路器和滅磁開關(guān)，導(dǎo)致SiC滅磁電阻因頻繁、大容量滅磁而過熱損壞。

1 原因分析及對策

分析機(jī)組在發(fā)電機(jī)出口甩負(fù)荷和遠(yuǎn)方電網(wǎng)甩負(fù)荷的差異如下：

水電站調(diào)速控制系統(tǒng)中，只要控制參數(shù)調(diào)整合適，在發(fā)電機(jī)出口甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器通過發(fā)電機(jī)出口斷路器的接點(diǎn)信號檢測到出口跳閘，直接在程序流程中通過改變開度限制值[3- 4]，將導(dǎo)葉開度迅速關(guān)閉到空載開度以下，并轉(zhuǎn)頻率模式運(yùn)行，即能保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不會超過電氣或機(jī)械過速整定值。該電站在發(fā)電機(jī)出口甩100%負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器轉(zhuǎn)頻率模式后短時(shí)間將導(dǎo)葉全關(guān)，機(jī)組頻率最高值<65 Hz(見圖1)。

圖1 發(fā)電機(jī)出口甩負(fù)荷波形

如果發(fā)生電網(wǎng)甩負(fù)荷，短時(shí)間內(nèi)調(diào)速器檢測不到機(jī)組脫網(wǎng)信號，調(diào)速器開度控制模式造成導(dǎo)葉不動，當(dāng)機(jī)組頻率高于52 Hz后(該國外電站電網(wǎng)頻率變化范圍較大，多設(shè)置為52 Hz；國內(nèi)電網(wǎng)頻率波動范圍較小，一般設(shè)置為50.5 Hz)，調(diào)速器控制轉(zhuǎn)頻率模式，通過PID運(yùn)算逐步關(guān)閉導(dǎo)葉，導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升，達(dá)到過速保護(hù)整定值而緊急停機(jī)[5]。造成機(jī)組跳滅磁開關(guān)、廠用電消失以及進(jìn)水閥關(guān)閉等不良后果，給電站的運(yùn)行造成一定的安全隱患。

為了準(zhǔn)確地判斷甩負(fù)荷工況，該電站將發(fā)電機(jī)出口斷路器、主變高壓側(cè)斷路器和線路出口斷路器的輔助接點(diǎn)串聯(lián)后，開入調(diào)速器作為甩負(fù)荷的判據(jù)，但依然不能判斷出電網(wǎng)側(cè)甩負(fù)荷工況。為了保證近區(qū)供電的可靠性和機(jī)組安全，采取一種智能裝置快速判斷出電網(wǎng)甩負(fù)荷、電網(wǎng)低頻等工況，成為解決電網(wǎng)甩負(fù)荷導(dǎo)致機(jī)組過速問題、電網(wǎng)低頻損壞電站設(shè)備問題的一種有效途徑[6]。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

該電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置需要采集發(fā)電機(jī)工況參數(shù)進(jìn)行綜合判斷，包括：發(fā)電機(jī)電壓幅值及頻率、電流幅值及突變量、發(fā)電機(jī)出口斷路器狀態(tài)等。該裝置需要具備功率變送器功能，以滿足調(diào)速器功率控制模式的需要。該裝置還需要具備TCP/IP接口和RS232/RS485接口，以用于裝置調(diào)試和設(shè)置定值。根據(jù)以上功能需求，整個(gè)硬件系統(tǒng)原理框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)原理示意

圖3 定子電壓采樣設(shè)計(jì)原理

2.1 三相電量采樣電路設(shè)計(jì)

該電站中，機(jī)組出口PT變比為10 kV/110 V，CT變比為5 000 A/1 A。在裝置內(nèi)設(shè)計(jì)微型高精度電流互感器和電壓互感器各3個(gè)，其中電流互感器變比為5A/2.5 mA；電壓互感器變比為2 mA/2 mA，采用電流型電壓互感器。電路中設(shè)有5個(gè)10 kΩ高精度電阻將約70 V相電壓信號轉(zhuǎn)換成低于2 mA的電流信號。電壓互感器和電流互感器輸出的電流信號均進(jìn)入后端運(yùn)算放大器LM224。LM224輸出的電壓信號進(jìn)入ADC芯片。見圖3、4。

圖4 定子電流采樣設(shè)計(jì)原理

圖5 DAC8760功能

電量采集的AD轉(zhuǎn)換選用AD7606數(shù)據(jù)采集芯片，支持8通道16位同步數(shù)據(jù)采集的ADC。內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)，可耐受最高±16.5 V電壓。二階抗混疊濾波器，跟蹤保持放大器，靈活的數(shù)字濾波器和串行/并行接口。AD7606采用5 V單電源供電，可以處理±10 V和±5 V真雙極性輸入信號，同時(shí)所有通道均能以高達(dá)200kSPS的吞吐速率采樣。

2.2 模擬量輸出電路設(shè)計(jì)

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的核心芯片選用DAC8760，該芯片精度高，全面集成16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，此轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于滿足工業(yè)過程控制應(yīng)用的需要。這些器件可被設(shè)定為一個(gè)范圍介于4～20 mA，0～20 mA，或0～24 mA的電流輸出；或者作為一個(gè)范圍介于0～5 V，0～10 V，±5 V，或±10 V的電壓輸出，可超出量程范圍10%?？紤]到與調(diào)速器電柜中的原功率變送器輸出一致，在硬件上分別設(shè)計(jì)了兩路電流輸出和兩路電壓輸出。

2.3 通信口設(shè)計(jì)

為了現(xiàn)場調(diào)試和參數(shù)設(shè)置的方便，在電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置中設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信接口。

以太網(wǎng)接口采用了W5200芯片的一體化解決方案。W5200是由已經(jīng)通過考驗(yàn)的全硬件TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物理層的整合而成。其全硬件的TCP/IP協(xié)議棧全程支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE協(xié)議，而且已經(jīng)在各種實(shí)際應(yīng)用中得以證明。W5200使用32 kB緩存作為其數(shù)據(jù)通信內(nèi)存，只需通過使用一個(gè)簡單的socket程序就能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的應(yīng)用，簡化了開發(fā)周期，降低了研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。W5200芯片結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 W5200結(jié)構(gòu)

3 軟件實(shí)現(xiàn)

電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷裝置需要根據(jù)機(jī)組電壓幅值、頻率、機(jī)組電流幅值、電流突變值和斷路器狀態(tài)判斷出電網(wǎng)甩負(fù)荷和電網(wǎng)低頻工況，同時(shí)還要具有功率變送器的功能，所以對上述電量的精度要求較高。采樣方式和計(jì)算方法的選擇決定了裝置實(shí)現(xiàn)上述功能的正確性和可靠性。

3.1 采樣方式和頻率測量

交流電量的采樣通常有定頻采樣和變頻采樣兩種，采樣的精度與采樣的周期關(guān)系密切。為了減少中斷次數(shù)、減少計(jì)算量和保證采樣精度，本裝置采用了變頻采樣，通過插值算法獲取過零點(diǎn)時(shí)刻，然后通過過零點(diǎn)時(shí)刻計(jì)算信號周期，并在周期內(nèi)對交流信號進(jìn)行24點(diǎn)采樣計(jì)算。

現(xiàn)對機(jī)組電壓的頻率測量、同相電壓電流相角差計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)分析如下：

測頻測相的方法如圖7所示，在過零點(diǎn)附近連續(xù)兩次采樣得到V+、V-兩個(gè)值，采樣時(shí)刻分別為t+、t-，如果V+≥0，V-<0，則通過插值計(jì)算可以得到電壓過零點(diǎn)時(shí)刻。

圖7 插值獲取過零點(diǎn)時(shí)刻

(1)

式中，V+、V-是過零點(diǎn)時(shí)刻最近的前后兩個(gè)電壓值；t+、t-分別為采樣到V+、V-的采樣時(shí)刻值。

同一路信號連續(xù)兩個(gè)下降沿過零點(diǎn)的時(shí)間差就是周期。

T=tk-tk-1

(2)

式中，tk是本次信號過零點(diǎn)時(shí)刻；tk-1是上一次信號過零點(diǎn)時(shí)刻；T為計(jì)算出的電量周期。

同一相電壓電流信號相近的兩個(gè)下降沿過零點(diǎn)時(shí)間差可以進(jìn)一步折算成相角差。

(3)

式中，tV是電壓信號最近的過零點(diǎn)時(shí)刻；ti是同相電流信號最近的過零點(diǎn)時(shí)刻；φ是同一相電壓量和電流量的相角差。

3.2 電壓和電流的采樣和功率的計(jì)算

該裝置的軟件程序主要包括定子電流幅值、定子電壓幅值、有功功率的采樣計(jì)算。

電壓和電流采樣都采用均方根值算法，對一個(gè)信號周期內(nèi)連續(xù)采樣得到的N個(gè)電壓信號和電流信號(見圖8)，按如下公式計(jì)算其真有效值U和I。

圖8 電壓和電流信號采樣示意

(4)

(5)

進(jìn)而可以得到視在功率

S=U·I

(6)

而通過此前公式得到的相角差可以進(jìn)一步計(jì)算出有功功率和無功功率。

P=S·cosφ

(7)

Q=S·sinφ

(8)

3.3 電網(wǎng)甩負(fù)荷及電網(wǎng)低頻的判斷邏輯

對電網(wǎng)甩負(fù)荷的判斷，主要包括兩個(gè)狀態(tài)：電網(wǎng)甩負(fù)荷后的暫態(tài)和一段時(shí)間后的孤網(wǎng)穩(wěn)態(tài)。

通過對前期電網(wǎng)甩負(fù)荷時(shí)故障錄波裝置記錄的定子電流波形進(jìn)行分析，定子電流在1個(gè)周期內(nèi)即降到一個(gè)很小的穩(wěn)態(tài)值，隨后機(jī)組頻率快速上升。由此可給出電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷條件如下：

(1)電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷條件1。判據(jù)包括電站斷路器分/合狀態(tài)、定子電流向下突變量Isud、頻率設(shè)定值FreqRej1、頻率上升的延時(shí)時(shí)間Ts。機(jī)組及線路斷路器合的條件下，定子電流向下突變量Isud>0.5Ign，在隨后的延時(shí)時(shí)間Ts(設(shè)置為8 s)內(nèi)，只要機(jī)組頻率上升達(dá)到FreqRej1(設(shè)置為52 Hz)，即開出電網(wǎng)甩負(fù)荷信號。頻率低于50.5 Hz后復(fù)歸信號。

(2)電網(wǎng)甩負(fù)荷判斷條件2。判據(jù)包括電站相關(guān)斷路器分/合狀態(tài)、定子電流值Ih、頻率設(shè)定值FreqRej2。機(jī)組及線路斷路器合的條件下，定子電流Ih<0.1Ign，只要機(jī)組頻率上升達(dá)到FreqRej2(設(shè)置為54 Hz)，即開出電網(wǎng)甩負(fù)荷信號。頻率低于50.5 Hz后復(fù)歸信號。考慮到該電站附近后期還有一個(gè)稀土礦廠的負(fù)荷，甩負(fù)荷的判斷條件可能會發(fā)生改變，以上判據(jù)中的定值可以通過上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)置并保存。

(3)電網(wǎng)低頻判斷條件。判據(jù)包括電站相關(guān)斷路器狀態(tài)、定子電流值Ilow、頻率設(shè)定值Freqlow。機(jī)組及線路斷路器合的條件下，定子電流Ilow>0.8Ign，只要機(jī)組頻率低于Freqlow(設(shè)置為47 Hz)，即開出電網(wǎng)低頻信號。頻率上升到Freqlow+0.5 Hz時(shí)信號復(fù)歸。

3.4 上位機(jī)調(diào)試軟件

為了參數(shù)設(shè)置和調(diào)試方便，開發(fā)了電網(wǎng)甩負(fù)荷裝置相對應(yīng)的上位機(jī)界面軟件。界面軟件基于C++編程語言進(jìn)行編寫，通過以太網(wǎng)接口和裝置通信。

該應(yīng)用程序主要用于相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、電網(wǎng)甩負(fù)荷及低頻工況開出指示、模擬量輸出值顯示、事件記錄和定值設(shè)置等。

應(yīng)用程序包含1個(gè)窗口主界面和3個(gè)子窗口。主窗口實(shí)時(shí)顯示三相電流電壓、頻率、有功功率、無功功率以及三相相位差。電氣量實(shí)時(shí)顯示欄下方是狀態(tài)和故障提示欄(低頻動作/復(fù)歸、甩負(fù)荷動作/復(fù)歸、三相逆序、參數(shù)設(shè)置成功/失敗、PT斷線)。當(dāng)故障發(fā)生，工況變化對應(yīng)的狀態(tài)會提示給用戶。狀態(tài)和故障顯示欄下方是兩路開入，兩路開出和一路模擬量輸出實(shí)時(shí)顯示。主界面底端為4個(gè)按鈕分別為參數(shù)設(shè)置，相位校準(zhǔn)，故障記錄和網(wǎng)絡(luò)連接。

定值設(shè)置界面(見圖9)中包括了輸入裝置的額定定子電壓和額定定子電流值，電網(wǎng)低頻和電網(wǎng)甩負(fù)荷判據(jù)的定值輸入及修改等。

圖9 定值設(shè)置界面

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了一種智能裝置的實(shí)現(xiàn)方法，通過該裝置可以準(zhǔn)確的判斷電網(wǎng)甩負(fù)荷和電網(wǎng)低頻的工況，同時(shí)開出接點(diǎn)給調(diào)速器(電網(wǎng)甩負(fù)荷)和機(jī)組保護(hù)裝置(電網(wǎng)低頻)。通過調(diào)速器的控制，在機(jī)組頻率下降到50.5 Hz后，電網(wǎng)甩負(fù)荷接點(diǎn)復(fù)歸，機(jī)組平穩(wěn)地過渡到孤網(wǎng)工況。該裝置已通過試驗(yàn)驗(yàn)證，正用于國外相關(guān)電站運(yùn)行。