功率变送器失真导致功率负荷不平衡保护误动作分析

功率变送器失真导致
功率负荷不平衡保护误动作分析
贾光禄】，王小辉2,薛菲2,杨沛豪2
1.山西兴能发电有限责任公司太原030206
2.西安热工研究院有限公司西安710054
摘要：为了防止电网故障、外部线路故障或汽轮发电机组甩负荷导致汽轮发电机组实际输出功率瞬时大幅度降低，避免汽轮发电机组超速，通常设置功率负荷不平衡保护，使汽轮机机械功率和发电机有功功率保持平衡，维持汽轮发电机组运行转速为3000r/min。

针对功率变送器失真导致汽轮发电机组功率负荷不平衡保护误动作故障，分析了保护原理、保护动作逻辑，以及功率变送器失真的各种原因，给出了各种失真原因所对应的案例，并提出了应对措施。

关键词：功率变送器；汽轮发电机；功率负荷不平衡保护；故障
中图分类号：TM933.3文献标志码：B文章编号：1674-540X(2020)04-052-07
Abstract:In order to prevent the real output of the turbo-unit from being greatly reduced due to mains failure,external line failure or load rejection of the turbo-unit,and to avoid overspeeding of the turbo-unit, PLUprotectionisusua l ysetto makethe mechanical power of the steam turbine keeping balance with the active power of the generator and maintain the operating speed of the turbo-unit at3000r/min.Aiming at the malfunction of thePLU protection of the turbo-unit caused by the distortion of the power transmi t er!the protectionprinciple!thelogicoftheprotectionaction!andvariousreasonsforthedistortionofthepower transmitter were analyzed,and the corresponding cases caused by various distortions were given with proposed countermeasures
Key Words：Power Transmitter;Turbo-unit;PLU Protection;Fault
1故障情况
当电网、外部线路出现故障或汽轮发电机组甩负荷时，实际输出功率瞬时大幅度下降，会导致汽轮发电机组转速急剧加快&13'。

为了避免大型汽轮发电机组转速突然加快的风险，通常需要配置超速保护%
在汽轮发电机组超速保护方案中，为了避免汽轮发电机组实际输出功率瞬时大幅度下降对电力系统造成污染，通常采用功率负荷不平衡保护％功率负荷不平衡保护虽然能够维持电力系统平衡，保护电网安全运行，但是由于功率变送器存在测量失真,会导致系统误动作，引起汽轮发电机组跳闸°10'%针对以上问题，近年来功率变送器的升级与优化成为研究的热点&1113'%笔者通过案例对功率变送器失真导致功率负荷不平衡保护误动作进行分析，并提出相应的解决方案％
2功率负荷不平衡保护原理
功率负荷不平衡保护指在电网或者外部线路发生瞬时故障的情况下，系统维持汽轮发电机组和电网暂态稳定的一种保护％
收稿日期：2020年7月
第一作者简介：贾光禄(1973—)，男，本科，助理工程师，主要从事电力系统自动化工作，E-mail:adrianoYH@
在某种原因导致汽轮发电机组实际输出功率瞬 时大幅度下降达到某一限值的情况下，为避免汽轮
发电机组超速，设置功率负荷不平衡保护。

功率负 荷不平衡保护的动作条件是汽轮机机械功率与发电
机有功功率之间的偏差超过设定值，一般为30%〜
40%，且发电机有功功率每10 ms 降低40%以上额
定功率。

保护装置触发功率负荷不平衡保护继电器
动作,快速关闭高压、中压调节阀，关闭持续时间长 短根据电网稳定性、消除故障所需时间、汽轮发电机
组特性容量、负荷指令流量特性线性度等来确定，一 般为0.5〜3s 。

关闭一段时间后，高压、中压调节阀 自动开启。

功率负荷不平衡保护动作的时间比一次 调频晚，但动作的调节幅度比一次调频大。

功率负荷不平衡保护装置原理如图1所示，部 件主要包括测速传感变送器、功率变送器、采集模
块、硬件保护模块。

测速传感 变送器功率变送器
采集模块图1功率负荷不平衡保护装置原理图
汽轮机 转速
发电机 有功功率、汽轮机F
机械功率
硬件保护模块
测速传感变送器用于采集汽轮机转速，功率变
送器用于采集发电机有功功率，采集模块用于采集
汽轮机机械功率。

硬件保护模块与测速传感变送 器、功率变送器、采集模块相连，当汽轮机转速、发电
机有功功率、汽轮机机械功率符合预设条件时生成
保护信号，根据保护信号执行功率负荷不平衡保护。

功率负荷不平衡保护动作逻辑如图2所示。

三 个独立的测速传感器分别采集汽轮机转速，三个独 立的功率变送器分别采集发电机有功功率W T1、
N T2、N T3，三个独立的压力变送器分别采集中压缸
的进汽压力尸1、尸2、尸3。

进行三取二冗余判断，当
发电机有功功率每10 ms 降低40%以上额定功率 时，触发功率负荷不平衡保护继电器动作，快速关闭 高压和中压调节阀%当快速关闭高压和中压调节阀 的时间为几时，可避免汽轮发电机组瞬时故障，并 且当汽轮机功率与发电机负荷小于偏差限制，通常
为40%时,快速打开高压和中压调节阀，维持汽轮 发电机组的系统功率平衡，避免汽轮发电机组并网
开关未断开时，出现电动机运行状态不佳或汽轮发 电机组跳闸的情况%
功率负荷不平衡保护动作条件为：
P j P e -W T1/W T 〉0.4
(1)
每个汽轮机保护模块分别接收一个中压缸的第
一级入口蒸汽压力测点信号和一个发电机功率信
号，采用三取二配置，任何一个模块故障或任何一个 信号故障时，保护均不会动作。

3功率变送器
功率变送器是一种既能测量有功、无功功率，又
能计量有功、无功电能的具有双重功能的测量仪器。

功率变送器可以将输入电压和电流信号变换为与有 功功率、无功功率、功率因数等参数成固定函数关
系，方便二次设备使用的测量信号。

功率变送器按
照输出特点，可以分为模拟量输出功率变送器、数字 量输出功率变送器。

3.1模拟量输出功率变送器
模拟量输出功率变送器工作原理如图 3 所示，
一次转换器通过传输电缆输出与被测参数成函数关
系的模拟量信号，模拟量信号经传输系统与二次仪 表相连。

模拟量输出功率变送器时分割乘法器原理如 图4所示，时分割乘法器切割波形如图5所示。

在时分割乘法器中，待测50 Hz 电压与高频
1 000 Hz 三角波经过比较器，产生矩形脉冲，每个脉
冲的宽度代表电压的大小。

由图5可以看出，正弦 波最低点对应的脉宽最小，正弦波最高点对应的脉 宽最大。

一个正弦波被分割成二十个脉冲波，用调
制出来的脉冲输出切割电流波形，形成的面积就是
测量功率值。

这个功率值是汽轮发电机组功率调整 的基础。

现有汽轮发电机组大多采用模拟量输出功率变 送器，但模拟量输出功率变送器在系统扰动时存在
较大测量误差，会导致功率负荷不平衡保护误动作。

3.2数字量输出功率变送器
数字量输出功率变送器可以分为慢速响应数字 功率变送器和快速响应数字功率变送器，运行原理 如图6所示，一次转换器输出的是与输入电压、电流
信号瞬时值成正比的数字编码信号及运算需要的信 息，传输方式可以是电缆、光纤或无线方式。

数字编
码信号经过传输系统与数字量输入的二次仪表相 连，二次仪表对数字量进行运算处理，可以得到与被
测回路有关的所有参数，如电压有效值、电流有效 值、基波有效值、基波频率、基波有功功率、谐波电
图2功率负荷不平衡保护动作逻辑
图3模拟量输出功率变送器工作原理
压、谐波电流、谐波功率等。

数字量输出功率变送器采样波形如图7所示。

由采样波形可知，数字量输出功率变送器对所要测图4时分割乘法器原理
图5时分分割乘法器切割波形
图6数字量输出功率变送器运行原理
图7数字量输出功率变送器采样波形
量的电压或电流正弦波进行采点分割计算，横轴将
一个周期分为64块，每一块都近似成一个长方形%将每一块的电压幅值乘以电流幅值，再乘以分割后的时间，得到每一块的功率％
数字量输出功率变送器从交流采样开始都由微
处理芯片程序进行处理％在芯片的编程中，人为滤除输入突变信号,并对稳态测量值做滤波处理，使功率变送器的输出更加稳定，受外界突变信号的干扰影响小％
慢速响应数字功率变送器在40〜60ms系统扰
动期间的测量功率高于实际值，当系统发生单相接地、相间短路、接地短路时，功率负荷不平衡保护不
会误动作％当系统发生三相短路时，功率负荷不平衡保护可能误动作，但系统发生三相短路的比例较低220k'及以上电网系统发生三相短路的比例低于2%，电厂升压站及出线发生三相短路的比例接近于零，功率负荷不平衡保护误动作的概率很低％相比模拟量输出功率变送器和慢速响应数字功率变送器，快速响应数字功率变送器在系统扰动时
的测量值更接近实际值％但受内置测量电流互感器比值和相角误差影响，快速响应数字功率变送器也存在测量误差％若电厂不采取功率负荷不平衡保护防误动作措施，快速响应数字功率变送器产生测量误差，仍可能导致功率负荷不平衡保护误动作％
4案例分析
从近十年相关电厂运行情况来看，传统功率变送器主要存在四个方面的问题:抗干扰能力差、暂态特性差、励磁涌流与和应涌流的影响、缺少二次回路断线闭锁功能％
4.1抗干扰能力差
目前，国内外功率变送器产品普遍存在抗电磁
干扰能力差的问题,外部干扰易造成机组误停机％某300MW机组在219MW负荷运行时，因升压站开关操作引起电压电流瞬时干扰，导致机组数字式电液控制系统功率变送器输出大幅突变％数字式电液控制系统内部功率偏差回路大于60MW，导致数字式电液控制系统内部快速负荷返回回路动作，机组功率在23s内由219.54MW快速降低至110MW,后由于透平压比低保护动作，机组跳闸％某600MW机组的功率负荷不平衡保护采用有功功率变送器，在2008年首次启动和运行一年首次大修后启动试验时，多次发生功率负荷不平衡保护误动作，原因皆为试验期间对讲机干扰导致功率变送器输出异常％
4.2暂态特性差
电网出现瞬时故障时，由于功率变送器暂态特性差，导致数字式电液控制系统误调节，造成系统内相关电厂出现功率大幅度波动，从而引发汽门快控
误动作，机组停机％
2009年10月25日发生一起线路故障，导致附
近某电厂600MW机组自动发电控制调频异常动作，机组负荷异常波动，最终退出自动发电控制方式％类似故障在该电厂发生多次，该电厂为发电机变压器线路组接线，与系统变电所距离较近％当系统发生故障时，电厂母线电压有较大幅度降低，同时出现较大故障电流％电流没有明显升高，但电压降
低较大，导致功率变送器采样错误，输出至自动发电控制的功率值与实际功率严重不符。

从录波曲线看，机组功率突然大幅降低甩负荷，导致自动发电控制误动作，最终退出自动运行。

另一起案例，某电厂九号、十号机组汽轮机为东方汽轮机厂制造的N300-16.7/538/538型汽轮机，数字式电液控制系统采用O'ATION产品%2010年某日，九号、十号机组负荷分别为288MW和290 MW,因机械误碰，电厂出线发生C相接地故障，二次重合闸不成功，九号、十号机组几乎同时因数字式电液控制系统中的功率负荷不平衡保护功能动作，导致所有调节汽门快速关闭％九号机组发生主燃料跳闸，十号机组发生发电机逆功率保护动作，均导致汽轮机跳闸％电气侧功率测量数据表明，故障时，两台机组功率波动均没有超过90MW，均不满足使功率负荷不平衡保护动作的条件，但数字式电液控制系统却发出功率负荷不平衡保护动作指令％
4?励磁涌流与和应涌流的影响
许多电厂基本上都是两台或两台以上机组运行，当其中一台机组运行，一台机组做主变压器空投试验或并网时，会产生较大的励磁涌流，也会产生一定的和应涌流，此时，由于受和应涌流中衰减直流分量的影响，正常运行机组的有功功率变送器不能正确传变，导致汽门不停调节，严重时会出现跳闸。

涌流引发机组振荡跳闸过程如图8所示％
瞬时涌流
功率突变
功率变送器
输出功率恢复到正常设定值
功率信号畸
变，大幅上
升或下降
涌流消失跳闸、解列
大幅超限
汽门大幅
关小或开大
输出功率
大幅偏离
设定值
汽门反复
来回调节
功率测量
反馈
汽门再次
大幅调节图8涌流引发机组振荡跳闸过程
2015年5月21日，某厂2X1000MW机组进行四号主变压器冲击，三号机组跳闸％电气与热控人员对三号机组数字式电液控制系统中电气送至热控的三个功率变送器输出信号的趋势进行分析，发现在四号主变压器冲击瞬间，三个功率变送器的输出发生了突变，冲击前三个功率变送器的输出功率分别为404.4MW、404.9MW,405.7MW,输出功率基本一致，在冲击瞬间，三个功率变送器的输出功率分别突变为90.8MW、89.3MW,64.8MW,持续时间1.0s,之后又分别突变为269.2MW、346.6 MW、293.2MW,造成数字式电液控制系统调节出现问题％
2011年12月24日，某2X1000MW机组并网瞬时引起二号机组定子电流增大约10%，二号机组三相有功瞬时波动约20%，造成三个传送至分散控制系统的功率变送器功率信号瞬时波动，分数控制系统采集到的功率反馈信号瞬时偏差大，功率反馈信号质量判断模块判断功率信号故障，使锅炉主控切为手动％
2014年10月，某电厂600MW机组一台主变压器空投时，导致另外一台正在运行的主变压器产生和应涌流，和应涌流中含有明显的衰减直流分量,使发电机机端测量级电流互感器饱和，波形严重畸变，不能正确传变实际电流值％功率变送器由于采样不到正确的暂态电流，无法为发电机功率自动调节系统提供准确的功率计算值，导致汽门不停调节,严重影响机组稳定运行％
2010年5月21日19时左右，某燃气发电厂四号机组在对主变压器全压冲击时，正在满负荷运行的三号机组出现功率超限报警，引起三号机组保护动作而跳闸％事后检查分散控制系统功率记录曲线，发现在跳闸瞬时三号机组反映到分散控制系统的有功功率测量值达625MW,已超出量程上限，而该机组跳闸前各主要参数均未出现异常％
4?缺少二次回路断线闭锁功能
目前，许多电厂功率变送器接入的都是同一组电流互感器、同一组电压互感器或同一电源，当电流互感器、电压互感器断线或电源异常时，不可避免会出现功率失真问题％此外，功率变送器也没有电流互感器和电压互感器断线报警功能％
2015年5月，某电厂1000WM机组跳闸，该厂一号机组已经投入商业运行，正常工作带900 MW负荷，突然出现电压互感器断线，导致电气功率为零，触发热工功率负荷不平衡保护动作，主汽门快关2s后主汽门再打开，再次触发功率负荷不平衡保护动作，造成电网负荷剧烈波动％
需要注意的是，常规的功率变送器只有传变功能，不能进行事件记录，无法进行事故回放，不利于问题分析和排查％
根据国标要求，反应时间应短于400ms,目前功率变送器普遍的反应时间为250〜300ms。

由于
功率变送器的滞后作用，将导致功率负荷不平衡保护动作时间相应滞后，从而错失事故发生初期最关键的动作时机，导致转速超调量大于甩负荷试验时的超调量％
5功率变送器失真应对措施
5.1加装滤波装置
针对谐波干扰引发功率变送器失真问题，可在功率变送器前加装滤波装置，从滤波角度考虑消除谐波干扰％通过加装有源滤波线性放大装置，输出恒流或恒压模拟量，使功率变送器功率传输不失真％5.2降低涌流概率
为了防止励磁涌流与和应涌流造成功率变送器失真导致机组跳闸，电厂机组并网或者空充主变压器时，提前将正在运行的机组数字式电液控制系统自动调节解除，待并网或主变压器空充完成时再将数字式电液控制系统自动调节投入，由此避免涌流的影响％这一措施可降低产生和应涌流的概率％5.3使用数字量输出功率变送器
数字量输出功率变送器的暂态特性及响应速度优于模拟量输出功率变送器，具有以下优点：①具有数字滤波环节；②对功率计算结果进行平滑，减小暂态过程和干扰的影响；③响应时间短于250 ms；④具备录波功能，便于异常分析％将输入量幅值从100%标称功率突然快速提高至200%标称功率，或者突然快速降低至零，持续100ms后快速恢复至100%标称功率，变送器输出的最大改变量不得大于0.5%%施加100%标称功率范围内的输入量保持不变，等待变送器输出稳定后，在任意一相交流电流输入信号中叠加一个直流电流分量，其幅值等于100%标称交流电流，持续100ms后去除该直流电流分量，变送器输出的最大改变量不得大于0.5%。

新建机组和在运机组功率变送器到期更换时，建议选用数字量输出功率变送器％
若机组测量电流互感器无仪表保安系数，且实测伏安特性与P级电流互感器相似，则可采用单通道数字量输出功率变送器，接测量电流互感器％为防止系统扰动时功率负荷不平衡保护误动作，国内部分电厂采用双通道数字量输出功率变送器，接测量电流互感器和保护电流互感器，正常运行时采用测量级电流互感器数据，系统扰动时采用保护电流互感器数据％考虑到数字式电液控制和发电机变压器组保护的重要性，变送器电流互感器和保护电流互感器应独立，变送器接测量级电流互感器和录波器用P级电流互感器，不串联保护电流互感器，以免扩大运行及检修风险％如有条件，变送器与录波器串联的电流互感器可选用TPY级％
5.4措施对比
当发生区外故障时，用于变送器的测量级电流互感器发生饱和，加装滤波装置的功率变送器无法正确传变电流值，导致变送器功率传变信号发生畸变，影响加装滤波装置的功率变送器在某些工业场合的应用％
机组并网或者空充主变压器时，提前解除机组数字式电液控制系统自动调节，待并网或者主变压器空充完成时再将数字式电液控制系统自动调节投入,这种措施只能降低功率变送器失真的概率，同样无法解决区外故障时暂态过程对数字式电液控制系统的影响％
使用数字量输出功率变送器是目前解决功率变送器失真的主要手段，数字量输出功率变送器技术成熟，暂态性能好，响应时间短，抗干扰性能强，已在多个电厂得到应用％
6结束语
笔者介绍了功率负荷不平衡保护原理及动作逻辑，通过案例分析了功率负荷不平衡保护误动作的原因，并且提出了应对措施％采用数字量输出功率变送器，可以有效消除功率负荷不平衡保护误动作的影响因素，避免汽轮机超速，保障电网安全运行％
参考文献
[1]国家能源局.防止电力生产事故的二十五项重点要求
[Z].
[2]王鑫明，王庆，寻志伟，等.应用富氧燃烧技术提高火电
机组调峰能力[J].上海电气技术，2019,12(2)19-22
[3]张利平.汽轮机调节系统工作不稳定原因分析[J].内
蒙古科技与经济,2016(11)(4.
[4]宋铭，叶昭龙，何奉奎.纳雍发电总厂4*300MW机组
OPC功能改造[J].贵州电力技术,2015(11):1-3. [5]姚金环.对FCB若干问题的探讨[J].中国电力，2007,
40(5):59-62.
&6]陆明，杨沛豪,兀鹏越，等.基于相角判别法的主变零差保护回路自校验装置研究[J].电气技术，2019,20(6)：
21-24,29.
(下转第66页)
最好能够发展出核心技术专利；
(3)加大对锂电池研究的投入，出台有利于锂电池行业发展的政策；
(4)构筑具有中国特色的锂电池及关键材料专利结构，做好核心技术申请前的保密工作％
7结束语
近年来，我国已成为全球最大的锂电池消费国,未来锂电池在我国的市场还将进一步扩大％但是,国内研究人员及企业对锂电池知识产权的保护意识还需增强％因此，加强技术研究，保护知识产权成为一项迫在眉睫的工作％建立我国的锂电池专利预警机制，提高我国锂电池企业的核心竞争力，是一项重要工作％
参考文献
:1'屈伟平.我国新能源汽车进入快车道[J].装备机械,2009
(4)
10—15.
[2]徐青，李郝林，曾乐才.锂离子电池关键材料的研究及
发展[J].装备机械,2011(4)(5-61.[3]李淑芝，曾心茁,刘可迅，等.绿色环保电池的心脏——
磷酸铁锂电池专利世界申请状况及分析[C].2011年
中华全国专利代理人协会年会暨第二届知识产权论坛，北京，2011.
[4]陈玉华，余碧涛,付花荣，等.锂离子电池正极材料磷酸
铁锂专利申请情况分析[J].陶瓷学报，2014,35(2)：
193-197.
[5]兰凤崇，李诗成,陈吉清，等.基于专利分析的锂离子动
力电池产业发展趋势[J].科技管理研究,2019,39(12)：
144-150.
[6]王金良，孟良荣.锂离子电池及关键材料知识产权分析
[J].电池工业,2012,17(1)(5-40.
[7]陈文福.锂离子动力电池正极材料在中国专利申请情
况分析[J].云南化工,2019,46(6)(26-128,131. [8]余碧涛，徐国祥，李福遷.磷酸铁锂电池技术中国专利
申请分析[J].科协论坛(下半月),2012(1)(32-135.
[9]张洪斌，曾乐才,廖文俊，等.锂电池产业概况及其在储
能中的应用[J].装备机械,2012(1)(8-44.
[10]刘兴江，冯婵，谭玲生，等.锂离子蓄电池市场、技术动
向与知识产权战略分析[J].电源技术，2005,29(7)
478-481.
(编辑：平平)
(上接第57页)
[7]兀鹏越，杨博，王海涛，等.火电机组零功率保护的应用
研究[J].中国电力,2014,47(9)(07-111.
[8]过小玲，郑渭建.取消东汽机组PLU保护的可行性探
讨[J].浙江电力,2012,31(1)(2-54.
&9]丁浩，沙明.汽轮机功率负荷不平衡控制响应时间分析[J].吉林电力,2011,39(5)(2-13.
[0]朱青国，孙淑莲.功率负荷平衡保护和零功率切机保护
优化的探讨[J].浙江电力,2016,35(8)(6-59.[11]罗宁，何青.功率负荷不平衡保护误动原因分析[J].电
力科学与工程,2017,33(8)(8-53.
[12]李玮.零功率切机保护的技术探讨与论证[J].华北电
力技术,2014(10)(5-20.
[13]张宝，杨涛，项谨，等.电网瞬时故障时汽轮机汽门快控
误动作原因分析[J].中国电力,2014,47(5)25-28,
34
(编辑：启德)
(上接第51页)
[8]王红星.PEMFC流场与电池性能的模拟研究[D].天
津：天津大学，2005.
[9]包宁.质子交换膜燃料电池扩散层变形对流道内水传
输的影响[D].天津：天津大学，2012.[10]王科.质子交换膜燃料电池双极板流场的研究[D].南
京：南京航空航天大学，2007.
(编辑：启德)。