电网甩负荷判断装置的实现方法

张 鹏，尚明宏，赵先元

(中国水利电力对外有限公司，北京 100120)

0 前 言

在水电站运行中，甩负荷是对水轮发电机组安全运行造成较大影响的一个暂态过程。甩负荷可能发生在发电机出口断路器，也可能发生在电网某个送出线路断路器上。与电网解列后的机组可能不带负荷，也可能带近区负荷运行。由于电网甩负荷的复杂性，导致了机组最终状态的不确定性：机组可能因过速而紧急停机，也可能正常转为空载状态。

通过调整适合的调速器控制模型和参数，当外部事故引起发电机出口断路器跳闸时，机组都能正常转换至空载状态[1-2]；但当接入变电站输出线路上断路器跳闸时，一般都会造成机组因过速而紧急停机、励磁系统跳闸灭磁、厂用电丢失等状况。

由于国外电网薄弱，多为小网或孤网运行，使在国内电站已存在的电网甩负荷导致机组过速问题，在国外电站表现得更加频繁和突出。

老挝某中方电站，仅在2017年7月就出现了10起机组甩负荷，均由电网故障引起。其中只有1起是电站送出线路差动保护动作跳出线断路器，机组转速控制在65 Hz以下并成功转到空载状态运行；余下的9起均为接入变电站送出线路断路器跳闸，机组转速快速上升到机械过速值(70 Hz)而紧急停机，导致电站励磁系统跳闸灭磁、厂用电丢失、机组进水球阀关闭。

在非洲某中方电站，由于整个电网薄弱，频繁出现电网低频现象，引起电站发电机组励磁电流过大，保护动作跳出口断路器和灭磁开关，导致SiC灭磁电阻因频繁、大容量灭磁而过热损坏。

1 原因分析及对策

分析机组在发电机出口甩负荷和远方电网甩负荷的差异如下：

水电站调速控制系统中，只要控制参数调整合适，在发电机出口甩负荷时，调速器通过发电机出口断路器的接点信号检测到出口跳闸，直接在程序流程中通过改变开度限制值[3- 4]，将导叶开度迅速关闭到空载开度以下，并转频率模式运行，即能保证发电机转速不会超过电气或机械过速整定值。该电站在发电机出口甩100%负荷时，调速器转频率模式后短时间将导叶全关，机组频率最高值<65 Hz(见图1)。

图1 发电机出口甩负荷波形

如果发生电网甩负荷，短时间内调速器检测不到机组脱网信号，调速器开度控制模式造成导叶不动，当机组频率高于52 Hz后(该国外电站电网频率变化范围较大，多设置为52 Hz；国内电网频率波动范围较小，一般设置为50.5 Hz)，调速器控制转频率模式，通过PID运算逐步关闭导叶，导致机组转速迅速上升，达到过速保护整定值而紧急停机[5]。造成机组跳灭磁开关、厂用电消失以及进水阀关闭等不良后果，给电站的运行造成一定的安全隐患。

为了准确地判断甩负荷工况，该电站将发电机出口断路器、主变高压侧断路器和线路出口断路器的辅助接点串联后，开入调速器作为甩负荷的判据，但依然不能判断出电网侧甩负荷工况。为了保证近区供电的可靠性和机组安全，采取一种智能装置快速判断出电网甩负荷、电网低频等工况，成为解决电网甩负荷导致机组过速问题、电网低频损坏电站设备问题的一种有效途径[6]。

2 硬件实现

该电网甩负荷判断装置需要采集发电机工况参数进行综合判断，包括：发电机电压幅值及频率、电流幅值及突变量、发电机出口断路器状态等。该装置需要具备功率变送器功能，以满足调速器功率控制模式的需要。该装置还需要具备TCP/IP接口和RS232/RS485接口，以用于装置调试和设置定值。根据以上功能需求，整个硬件系统原理框图设计如图2所示。

图2 硬件系统原理示意

图3 定子电压采样设计原理

2.1 三相电量采样电路设计

该电站中，机组出口PT变比为10 kV/110 V，CT变比为5 000 A/1 A。在装置内设计微型高精度电流互感器和电压互感器各3个，其中电流互感器变比为5A/2.5 mA；电压互感器变比为2 mA/2 mA，采用电流型电压互感器。电路中设有5个10 kΩ高精度电阻将约70 V相电压信号转换成低于2 mA的电流信号。电压互感器和电流互感器输出的电流信号均进入后端运算放大器LM224。LM224输出的电压信号进入ADC芯片。见图3、4。

图4 定子电流采样设计原理

图5 DAC8760功能

电量采集的AD转换选用AD7606数据采集芯片，支持8通道16位同步数据采集的ADC。内置模拟输入箝位保护，可耐受最高±16.5 V电压。二阶抗混叠滤波器，跟踪保持放大器，灵活的数字滤波器和串行/并行接口。AD7606采用5 V单电源供电，可以处理±10 V和±5 V真双极性输入信号，同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样。

2.2 模拟量输出电路设计

数模转换电路的核心芯片选用DAC8760，该芯片精度高，全面集成16位数模转换器(DAC)，此转换器设计用于满足工业过程控制应用的需要。这些器件可被设定为一个范围介于4～20 mA，0～20 mA，或0～24 mA的电流输出；或者作为一个范围介于0～5 V，0～10 V，±5 V，或±10 V的电压输出，可超出量程范围10%。考虑到与调速器电柜中的原功率变送器输出一致，在硬件上分别设计了两路电流输出和两路电压输出。

2.3 通信口设计

为了现场调试和参数设置的方便，在电网甩负荷判断装置中设计了以太网通信接口。

以太网接口采用了W5200芯片的一体化解决方案。W5200是由已经通过考验的全硬件TCP/IP协议栈、以太网网络层和物理层的整合而成。其全硬件的TCP/IP协议栈全程支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE协议，而且已经在各种实际应用中得以证明。W5200使用32 kB缓存作为其数据通信内存，只需通过使用一个简单的socket程序就能实现以太网的应用，简化了开发周期，降低了研发风险。W5200芯片结构如图6所示。

图6 W5200结构

3 软件实现

电网甩负荷判断装置需要根据机组电压幅值、频率、机组电流幅值、电流突变值和断路器状态判断出电网甩负荷和电网低频工况，同时还要具有功率变送器的功能，所以对上述电量的精度要求较高。采样方式和计算方法的选择决定了装置实现上述功能的正确性和可靠性。

3.1 采样方式和频率测量

交流电量的采样通常有定频采样和变频采样两种，采样的精度与采样的周期关系密切。为了减少中断次数、减少计算量和保证采样精度，本装置采用了变频采样，通过插值算法获取过零点时刻，然后通过过零点时刻计算信号周期，并在周期内对交流信号进行24点采样计算。

现对机组电压的频率测量、同相电压电流相角差计算进行详细分析如下：

测频测相的方法如图7所示，在过零点附近连续两次采样得到V+、V-两个值，采样时刻分别为t+、t-，如果V+≥0，V-<0，则通过插值计算可以得到电压过零点时刻。

图7 插值获取过零点时刻

(1)

式中，V+、V-是过零点时刻最近的前后两个电压值；t+、t-分别为采样到V+、V-的采样时刻值。

同一路信号连续两个下降沿过零点的时间差就是周期。

T=tk-tk-1

(2)

式中，tk是本次信号过零点时刻；tk-1是上一次信号过零点时刻；T为计算出的电量周期。

同一相电压电流信号相近的两个下降沿过零点时间差可以进一步折算成相角差。

(3)

式中，tV是电压信号最近的过零点时刻；ti是同相电流信号最近的过零点时刻；φ是同一相电压量和电流量的相角差。

3.2 电压和电流的采样和功率的计算

该装置的软件程序主要包括定子电流幅值、定子电压幅值、有功功率的采样计算。

电压和电流采样都采用均方根值算法，对一个信号周期内连续采样得到的N个电压信号和电流信号(见图8)，按如下公式计算其真有效值U和I。

图8 电压和电流信号采样示意

(4)

(5)

进而可以得到视在功率

S=U·I

(6)

而通过此前公式得到的相角差可以进一步计算出有功功率和无功功率。

P=S·cosφ

(7)

Q=S·sinφ

(8)

3.3 电网甩负荷及电网低频的判断逻辑

对电网甩负荷的判断，主要包括两个状态：电网甩负荷后的暂态和一段时间后的孤网稳态。

通过对前期电网甩负荷时故障录波装置记录的定子电流波形进行分析，定子电流在1个周期内即降到一个很小的稳态值，随后机组频率快速上升。由此可给出电网甩负荷判断条件如下：

(1)电网甩负荷判断条件1。判据包括电站断路器分/合状态、定子电流向下突变量Isud、频率设定值FreqRej1、频率上升的延时时间Ts。机组及线路断路器合的条件下，定子电流向下突变量Isud>0.5Ign，在随后的延时时间Ts(设置为8 s)内，只要机组频率上升达到FreqRej1(设置为52 Hz)，即开出电网甩负荷信号。频率低于50.5 Hz后复归信号。

(2)电网甩负荷判断条件2。判据包括电站相关断路器分/合状态、定子电流值Ih、频率设定值FreqRej2。机组及线路断路器合的条件下，定子电流Ih<0.1Ign，只要机组频率上升达到FreqRej2(设置为54 Hz)，即开出电网甩负荷信号。频率低于50.5 Hz后复归信号。考虑到该电站附近后期还有一个稀土矿厂的负荷，甩负荷的判断条件可能会发生改变，以上判据中的定值可以通过上位机软件进行设置并保存。

(3)电网低频判断条件。判据包括电站相关断路器状态、定子电流值Ilow、频率设定值Freqlow。机组及线路断路器合的条件下，定子电流Ilow>0.8Ign，只要机组频率低于Freqlow(设置为47 Hz)，即开出电网低频信号。频率上升到Freqlow+0.5 Hz时信号复归。

3.4 上位机调试软件

为了参数设置和调试方便，开发了电网甩负荷装置相对应的上位机界面软件。界面软件基于C++编程语言进行编写，通过以太网接口和装置通信。

该应用程序主要用于相关实时数据显示、电网甩负荷及低频工况开出指示、模拟量输出值显示、事件记录和定值设置等。

应用程序包含1个窗口主界面和3个子窗口。主窗口实时显示三相电流电压、频率、有功功率、无功功率以及三相相位差。电气量实时显示栏下方是状态和故障提示栏(低频动作/复归、甩负荷动作/复归、三相逆序、参数设置成功/失败、PT断线)。当故障发生，工况变化对应的状态会提示给用户。状态和故障显示栏下方是两路开入，两路开出和一路模拟量输出实时显示。主界面底端为4个按钮分别为参数设置，相位校准，故障记录和网络连接。

定值设置界面(见图9)中包括了输入装置的额定定子电压和额定定子电流值，电网低频和电网甩负荷判据的定值输入及修改等。

图9 定值设置界面

4 结 论

本文详细介绍了一种智能装置的实现方法，通过该装置可以准确的判断电网甩负荷和电网低频的工况，同时开出接点给调速器(电网甩负荷)和机组保护装置(电网低频)。通过调速器的控制，在机组频率下降到50.5 Hz后，电网甩负荷接点复归，机组平稳地过渡到孤网工况。该装置已通过试验验证，正用于国外相关电站运行。