超高压间隔低负荷测量问题的研究

王顺江

(辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006)

2013年3月18日，辽宁红沿河500 kV核电站送电，16时1号发电机试验性并网发电，出力34 MW，全部由站用变消耗，红沿河500 kV核电站4条线路功率都为零。18时1号发电机停机，站用变所需负荷改由站外线路供，因红南线停运，由红瓦一线、红瓦二线和红瓦三线供，查看500 kV 1号变压器高压侧有功功率和站用变总负荷都为34 MW，红瓦一线、红瓦二线和红瓦三线有功功率都为零，站内500 kV母线出现调度潮流不平衡，红沿河500 kV核电站主接线如图1所示。为深入调查问题原因，检查线路对侧厂站，即瓦房店500 kV变电站，发现红瓦一线、红瓦二线和红瓦三线有功功率也都为零，同时站内500 kV母线调度潮流失去平衡，500 kV瓦房店变的主接线如图2所示。此问题影响了电网运行方式安排和调度决策的执行，降低了辽宁省调调度技术支持系统的可靠性和稳定性，对电网的安全稳定运行极其不利［1－2］。

图1 红沿河核电站主接线图

1 原理分析

为解决超高压间隔低负荷运行的测量问题，对测量精度理论、电力信息精度要求、电力信息采集与处理过程、死区与零漂原理四方面进行分析。

1.1 测量精度理论

测量误差，即测量值与真实值间的差异，各种测量都存在误差。测量误差产生的原因较多，有仪器、人员、环境、计算等因素，可通过各种方法减少误差，但无法避免。误差的表示方式有三种，分别是绝对误差、相对误差和引用误差［3］。

图2 500 kV瓦房店变电站主接

电力系统都采用引用误差表示测量精度，运行中的设备测量量程已固定，因此测量精度与绝对误差成正比。电力系统遥测量主要有电流、电压、有功、无功、功率因数和温度，这些量的误差表示方式如下。

a． 电流

式中:δI为电流引用误差;ΔI为电流互感器一次绝对误差;IM为电流互感器一次最大值，即电流互感器一次量程，现阶段较多采用600 A、800 A、1 200 A、1 500 A、2 000 A、3 000 A和4 000 A;Δi为电流互感器二次绝对误差;im为电流互感器二次最大值，即电流互感器二次量程，现阶段主要采用5 A和1 A。

b． 电压

式中:δU为电压引用误差;ΔU为电压互感器一次绝对误差;UM为电压互感器一次最大值，即电压互感器一次量程，现阶段10 kV、66 kV、110 kV、220 kV、500 kV;Δu为电压互感器二次绝对误差;um为电压互感器二次最大值，即电压互感器二次量程，现阶段主要采用120 V。

c． 有功

式中:δP为有功功率引用误差;ΔP为有功功率一次绝对误差;UM为线电压一次最大值;IM为线电流一次最大值;Δp为有功功率二次绝对误差;um为线电压二次最大值;im为线电流二次最大值。

d． 无功

式中:δQ为无功功率引用误差;ΔQ为无功功率一次绝对误差;UM为线电压一次最大值;IM为线电流一次最大值;Δq为有功功率二次绝对误差;um为线电压二次最大值;im为线电流二次最大值。

e． 功率因数

δcosφ =Δcosφ ×100%

式中:δcosφ为功率因数引用误差;Δcosφ为功率因数绝对误差。

f． 温度

式中:δT为温度引用误差;ΔT为温度绝对误差;TM为温度量程。

1.2 电力信息精度要求

电力信息的精度要求主要分为站内精度要求和远方精度要求，站内精度要求主要针对站内各自动化系统和设备的测量精度，如测控装置、站内监控系统等，测量精度要求较高，其中有功功率和无功功率的引用误差要求不大于0.5%，电流和电压的引用误差要求不大于0.2%，频率的引用误差要求不大于0.01 Hz，温度的引用误差要求不大于0.5%。远方精度要求指各连接主站针对本站测量值的精度要求。根据电力系统各项规定的要求，远方遥测精度要求相对较低，但引用误差也要求不大于 1%［4－6］。

1.3 电力信息采集与处理过程

电力信息的采集与处理过程包括4个阶段。一是通过电流互感器 (TA)和电压互感器 (TV)分别采集电流和电压，将强电转化为弱电或光信号，实现一级隔离，便于信息采集单元的采集与处理。二是进行信息转换，将采集的弱电信号 (0～1 V)通过A/D转换，变成数字信号，将光信号通过合并单元，进行光电转换，直接转化为数字信号;三是经过测控单元的换算形成电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等一二次值;四是通过测控装置液晶、本地监控系统或远方主站进行显示。电力信息采集和处理过程如图3所示［2、7］。

图3 电力信息采集和处理过程图

1.4 死区与零漂原理

死区和零漂被大量的应用于各种信息采集和传输中。死区即被屏蔽的区域，当信息值进入事先约定的范围时，监视者认为其不变或者不去关心。零漂是指被测量实际值为零时展示值的大小。在电力信息采集和传输中死区的应用较为广泛，最为典型的是信息变化死区、信息越限死区和零漂死区。信息变化死区最为常用，先设定变化死区值x，当t时测量，被测值为X，下一次t+Δt时测量，被测值为X+ΔX。如果|ΔX|≤x，那么被测量的展示值和传输值都为X不变，或者不进行刷新和传输。信息越限死区较为复杂，此死区是为解决越限频繁报警而设定，当测量值在临界附近波动运行时，测量值会频繁的越限和恢复，所以设定了越限死区值x，测量限值Xm，当测量值X≥Xm时，报测量值越上限，只有当测量值恢复到X≤Xm－x时，才报测量值越限恢复。零漂死区是所有测量装置必须设置，当测量真值为零时，要求展示的测量值也为零，屏蔽干扰和误差。设定一个死区值x，当测量值X，－ |x| ≤X≤ |x| 时，测量值都为零［5、8、9］。

2 原因分析

目前，各厂家根据电力信息测量误差的要求设计生产测控装置，将电流和电压的零漂门槛值设为0.2%，有功功率和无功功率的零漂门槛值设为0.5%。针对红沿河500 kV核电站送电时出现的问题，本文从线路两侧厂站进行深入分析。

2.1 红沿河500 kV核电站

红沿河500 kV核电站红瓦一线、红瓦二线、红瓦三线、1号主一次的电流互感器变比都为3 000∶1。

a． 4个间隔一次有功功率和无功功率最大值

式中:Pm为有功功率一次最大值;Qm为无功功率一次最大值;U为额定电压;Im为电流最大值。b． 4个间隔一次电流设定的零漂门槛值Ix=0.2% ×Im=0.2% ×3 000=6 A

式中:Ix为设定的电流一次零漂门槛值;Im为电流最大值。

c． 4个间隔一次有功功率和无功功率设定的门槛值

Px=0.5% ×Pm=0.5% ×2 598=12.99 MW

Qx=0.5% ×Qm=0.5% ×2 598=12.99 MW

式中:Px为设定的有功功率一次零漂门槛值;Pm为有功功率一次最大值;Qx为设定的无功功率一次零漂门槛值;Qm为无功功率一次最大值。

当电流小于6 A、有功功率或无功功率小于12.99 MW时，装置采集结果都为零。红沿河500 kV核电站停机反送时，所需负荷34 MW，1号主一次的有功功率34 MW，远大于12.99 MW，因此测控装置正常采集并传送，显示为34 MW。红瓦一线、红瓦二线、红瓦三线有功功率基本相同，约为12 MW，小于12.99 MW，因此装置采集结果为零。

2.2 瓦房店500 kV变电站

电压互感器变比为5000∶1，瓦房店500 kV变电站红瓦一线、红瓦二线、红瓦三线的电流互感器变比为4 000∶1。

a． 3条线路有功功率和无功功率最大值

b． 3条线路一次电流设定的零漂门槛值

Ix=0.2% ×Im=0.2% ×4 000=8 A

c． 3条线路一次有功功率和无功功率设定的门槛值

Px=0.5% ×Pm=0.5% ×3 464=17.32 MW

Qx=0.5% ×Qm=0.5% ×3 464=17.32 MW

瓦房店500 kV变电站3条线路，电流小于8 A、有功功率和无功功率小于17.32 MW时，装置采集结果都为零。红沿河500 kV核电站停机反送时，所需负荷34 MW，每条线路约12 MW，小于17.32 MW，装置采集结果为零。但因存在一定的无功功率，所以电流值大于8 A，能正常采集。

3 解决方案

通过分析，问题根源分别是电流互感器变比过大和零漂门槛值设置过大，解决方案主要从降低零漂门槛值、减少信息干扰、双电流互感器接入和降低电流互感器变比四方面入手。

3.1 降低零漂门槛值

随着自动化技术的不断发展，信息采集装置厂家较多、类型多样，同时信息采集精度较高，甚至都已超过0.05%，但不管是哪个厂家的设备，在低负荷状况下都存在一样的问题，为限制零漂，依照引用误差要求设置了过大的门槛值，电流和电压0.2%，有功功率和无功功率0.5%，实际通过二次采样值进行设置，电流1～2 mA，有功功率和无功功率设成0.18～0.35 W，这样的设置极其不合理，直接导致低负荷较大误差。因此在信息采集装置的设计和生产过程中，应降低零漂门槛值设置。针对变比为4 000∶1的电流互感器，电流一次值1 A对应的二次值为0.25 mA，可以将门槛值设置成0.25 mA，保证电流一次值1 A以上能正确采集。有功功率和无功功率的采集是通过电压电流计算得到，而电压都在核定状况下运行，无须考虑电压门槛值，只考虑电流，最小能采集的有功功率和无功功率二次值为0.017 32 W，换算成一次值为0.086 6 MW，若要求1 MW以上能正确显示，可以设置成0.1W。针对上面的设置，现有设备完全能够满足要求［6、10］。

3.2 减少信息干扰

干扰形成的原因主要包括3个方面。一是空间干扰，即通过电磁波辐射进入系统;二是过程通道干扰，干扰通过与计算机相连接的前向通道、后向通道及与其他主机的相互通道进入;三是供电系统干扰。一般情况下空间干扰在强度上远小于其他两种渠道串入的干扰，而且空间干扰可用良好的屏蔽、正确的接地与高频滤波加以解决。故应重点防止的干扰是电源系统与过程通道的干扰。针对这3个方面干扰，通过外部和内部措施进行解决［11－12］。

3.2.1 外部抗干扰措施

外部抗干扰措施主要有3个方面。一是在机箱电源线入口处安装滤波器或UPS防止电源干扰;二是交流量均经小型中间电压互感器、电流互感器隔离，模拟量、开关量的输入采用光电隔离;三是各设备机壳用铁质材料，必要时采用双层屏蔽，对电场和磁场进行屏蔽。

3.2.2 内部抗干扰措施

内部抗干扰措施主要是通过软件程序和纠错方法去控制，主要体现在对输入采样值进行纠错、对软件运算过程量的核对、对软件程序出轨的自恢复等，其中纠错方法有奇偶校验、循环冗余校验和海明校验较为常用［2、7、12］。

3.3 双电流互感器接入

通过对此问题的分析，发现超高压间隔测量装置只在低负荷时存在问题，因此可为低负荷新装1台电流互感器。如图4所示，横坐标I表示电流互感器一次值，纵坐标i表示电流互感器二次值，新装的电流互感器属性如TA1曲线所示，原电流互感器属性如TA2曲线所示，新电流互感器变比较小，如100∶1、50∶1，原电流互感器变比较大，如4 000∶1、3 000∶1。低负荷状况下，新电流互感器的精度远高于原电流互感器，但当一次电流超过一定值时，新电流互感器饱和，失去线性，而原电流互感器仍保持良好的线性。测控装置同时接入两台电流互感器，设置一定值进行切换，当一次电流低于设定值 (新电流互感器饱和前的某个值)时，采集新电流互感器，当大于设定值时，采集原电流互感器。若新电流互感器变比为100∶1，电流门槛值为0.2%，那么最小能测量到的电流值为Ix=0.2%×100=0.2 A，依据最小电流值计算有功功率和无功功率最小值×500×0.2=173.2 kW=0.173 2 MW，这样就可以解决此问题［13］。

图4 新老电流互感器属性对比

3.4 降低电流互感器变比

现高压间隔采用的电流互感器变比过大，常为4 000∶1、3 000∶1，最小也是2 000∶1，若将电流互感器变比变成4 000∶5、3 000∶5 或2 000∶5，能起到提升精度的目的。假设电流互感器变比从4 000∶1变成4 000∶5。二次值对应的一次值减小5倍，零漂门槛值为二次值，此值对应的一次值降低5倍，从而实现更小一次值的测量，从而解决低负荷测量问题［14］。

4 结束语

经过研究，剖析了问题存在的根源，发现此问题存在面较广，同时依据问题原因，提出了4个解决方案，以供设计、建设、研究等专业人员参考。妥善解决此问题，对提升电网调度运行与管理能力，具有较大的意义。

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