摘 要： 介紹一種新型智能變送器，其具有良好的暫態(tài)性能，無(wú)論在暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)的情況下都可快速準(zhǔn)確地反映電壓、電流及功率信號(hào)，避免傳統(tǒng)變送器由于沒(méi)有良好的暫態(tài)性能，而導(dǎo)致汽機(jī)保護(hù)誤動(dòng)，甚至跳機(jī)的情況。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)多起由于發(fā)電機(jī)功率變送器輸出的信號(hào)發(fā)生畸變，導(dǎo)致的保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作甚至跳機(jī)的情況，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。本文主要研究了一種新型的功率變送器其既滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)精度要求，也能在系統(tǒng)暫態(tài)情況下真實(shí)、準(zhǔn)確、及時(shí)地輸出功率信號(hào)，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。
1 傳統(tǒng)功率變送器介紹
功率變送器是一種將電壓、電流通過(guò)運(yùn)算成功率后變換成以直流4~20mA輸出的設(shè)備。它是遠(yuǎn)動(dòng)裝置、熱工DCS等監(jiān)控系統(tǒng)中#為關(guān)鍵的信號(hào)來(lái)源。電網(wǎng)的安全穩(wěn)定的運(yùn)行功率變送器起著非常關(guān)鍵的作用，因此其響應(yīng)速度快、帶負(fù)載能力強(qiáng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出電壓、電流#好能不隨負(fù)載阻抗變化，即要求電測(cè)量變送器具有接近恒壓、恒流的特性。功率變送器的工作原理是將輸入的電壓、電流信號(hào)量經(jīng)過(guò)乘法器運(yùn)算后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流4~20mA信號(hào)后輸出；如圖1所示。
1.1 傳統(tǒng)功率變送器缺陷分析
在電網(wǎng)中干擾量小且處于穩(wěn)態(tài)的情況下，傳統(tǒng)變送器能夠提供滿(mǎn)足電測(cè)量計(jì)量要求的數(shù)字信號(hào)，但在電網(wǎng)處于暫態(tài)的工況下，就會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題：
（1）由于傳統(tǒng)變送器只有一路電壓、電流采樣回路，當(dāng)發(fā)生采樣回路斷線時(shí)，會(huì)使發(fā)電機(jī)功率測(cè)量錯(cuò)誤；
（2）其抗干擾能力弱，容易受到電網(wǎng)波動(dòng)的干擾，致使輸出功率產(chǎn)生畸變，從而對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成安全隱患；
（3）暫態(tài)特性差，在系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)狀況下的故障（瞬時(shí)故障），其輸出容易失真，會(huì)造成保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)，甚至有可能會(huì)造成跳機(jī)的事故。
2 傳統(tǒng)變送器輸出異常引發(fā)的事故
（1）例1：某發(fā)電廠500kV線路B相發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，線路保護(hù)動(dòng)作后3號(hào)、4號(hào)機(jī)組功率保護(hù)動(dòng)作，致使3號(hào)、4號(hào)機(jī)組發(fā)生跳閘停機(jī)事故。經(jīng)過(guò)原因分析得知：汽輪機(jī)的保護(hù)功率變送器測(cè)量數(shù)據(jù)失真，保護(hù)誤關(guān)閉汽機(jī)調(diào)門(mén)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率下降，短時(shí)間后，零功率切機(jī)誤判斷使2臺(tái)660MW機(jī)組跳機(jī)。
（2）例2：某發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組正處于并網(wǎng)升負(fù)荷階段時(shí)，系統(tǒng)突發(fā)B相接地故障，功率切機(jī)保護(hù)誤動(dòng)致使機(jī)組跳機(jī)。經(jīng)過(guò)分析原因是：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)發(fā)電機(jī)功率出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，導(dǎo)致功率切機(jī)保護(hù)誤動(dòng)作。
3 智能變送器研究
3.1 智能變送器的功能設(shè)計(jì)
由于傳統(tǒng)變送器有以上功能缺陷，因此需要研究新型的變送器來(lái)代替。要求新型變送器不僅滿(mǎn)足傳統(tǒng)變送器在穩(wěn)態(tài)測(cè)量精度上的要求還必須可以智能處理暫態(tài)情況下的電壓、電流測(cè)量問(wèn)題。智能變送器從設(shè)計(jì)上采取措施避免傳統(tǒng)變送器采樣回路斷線、抗干擾能力弱、暫態(tài)特性差等問(wèn)題。主要從3個(gè)方面著手：
（1）采用雙回路設(shè)計(jì)
用兩組測(cè)量回路分別同時(shí)測(cè)量發(fā)電機(jī)出口的測(cè)量級(jí)CT和保護(hù)級(jí)CT，再通過(guò)乘法器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器、濾波器，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)輸出；如圖2所示。
（2）增加抗干擾功能
主要從硬件和軟件著手增加設(shè)備的抗干擾功能。在硬件上增加比較器和濾波器。
1）比較器：用于比較兩路輸入電壓、電流的數(shù)值，通過(guò)比較兩路電壓信號(hào)實(shí)時(shí)判別電壓輸入是否異常，但系統(tǒng)認(rèn)定一路輸入發(fā)生異常會(huì)自動(dòng)屏蔽錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，切換另一路功率用于計(jì)算及保護(hù)，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警送到后臺(tái)。可有效防止PT斷線引起的功率計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致的事故發(fā)生。
2）濾波器：根據(jù)電廠的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的截止頻率為f=0.4Hz，意味著現(xiàn)場(chǎng)頻率變化高于0.4Hz的電壓、電流輸入量都會(huì)被有效抑制，這樣既可以濾除交流干擾信號(hào)，又可以使正常電壓、電流變化信號(hào)順利通過(guò)，以達(dá)到濾波的效果。完全符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的需要。
（3）暫態(tài)特性的改進(jìn)
為克服輸入電流發(fā)生失真，可將輸入電流非周期分量過(guò)零點(diǎn)發(fā)生的時(shí)刻延長(zhǎng)，使過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)在繼電保護(hù)裝置發(fā)生保護(hù)動(dòng)作之后, 以此可改進(jìn)變送器的暫態(tài)特性。
3.2 變送器的算法原理設(shè)計(jì)
（1）暫態(tài)特性的改進(jìn)算法設(shè)計(jì)
由于非周期分量是影響變送器暫態(tài)特性的重要因素，按直流分量為全偏移考慮，回路中發(fā)生短路故障時(shí)的輸入電流為：
結(jié)合電路等值原理，可推到出方程組：
設(shè)變送器的的負(fù)載為純電阻，則L 1 =0，由式（2）推到得出式（3）、式（4）：
由式（4）可知變送器輸入電流非周期分量的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻為：
由式（5）可知電路時(shí)間常數(shù)T 2 越大，非周期分量的過(guò)零點(diǎn)t 1 越大，因此增大電路時(shí)間常數(shù)，即可使過(guò)零點(diǎn)出現(xiàn)在繼電保護(hù)裝置發(fā)生保護(hù)動(dòng)作之后，以此可改進(jìn)變送器的暫態(tài)特性。
（2）有功功率和無(wú)功功率的算法設(shè)計(jì)
有功功率和無(wú)功功率的算法采用全周傅立葉算法設(shè)計(jì)，當(dāng)發(fā)電機(jī)保護(hù)級(jí)CT的輸出電流>1.2額定電流時(shí)，變送器的功率計(jì)算電流采用保護(hù)級(jí)CT電流，其余電流采用測(cè)量級(jí)，這樣故障情況下功率的準(zhǔn)確測(cè)量也同時(shí)得到了兼顧。功率因數(shù)計(jì)算公式：
（3）PT斷線算法設(shè)計(jì)
滿(mǎn)足以下任一條件5s后變送器給出斷線報(bào)警信號(hào)，條件消失5s后斷線報(bào)警信號(hào)自動(dòng)解除：
（1）存在某一線電壓<70V，且某一相電流>0.05In，用于檢測(cè)不對(duì)稱(chēng)斷線和三相失壓；
（2）負(fù)序電壓>6V，用于檢測(cè)不對(duì)稱(chēng)斷線。條件（1）主要是用來(lái)判別對(duì)稱(chēng)性三相斷線的，也是對(duì)不對(duì)稱(chēng)斷線條件的補(bǔ)充。加上電流閉鎖條件的原因是用來(lái)防止變送器在調(diào)試過(guò)程中誤發(fā)告警信號(hào)。條件（2）則是專(zhuān)門(mén)用于對(duì)PT發(fā)生不對(duì)稱(chēng)斷線時(shí)進(jìn)行判斷的。
（4）CT斷線算法設(shè)計(jì)
CT斷線算法設(shè)計(jì)為三相CT的零序電流>30%的#大相電流，給出斷線報(bào)警信號(hào)，條件消失5s后斷線報(bào)警信號(hào)自動(dòng)解除。
4 智能變送器的測(cè)試結(jié)果
4.1 測(cè)試方法
由于現(xiàn)行的檢定規(guī)程還沒(méi)有對(duì)變送器暫態(tài)功能的相關(guān)測(cè)試的規(guī)定，只能根據(jù)JJG 126-1995《交流電量變換為直流電量電工測(cè)量變送器檢定規(guī)程》對(duì)智能變送器進(jìn)行電測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)試。
4.2 測(cè)試結(jié)果
通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果表明，智能變送器功率輸出測(cè)試結(jié)果完全符合規(guī)程要求。見(jiàn)表1。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹的智能變送器，解決了傳統(tǒng)變送器在暫態(tài)情況下容易輸出失真的問(wèn)題，并且經(jīng)過(guò)測(cè)試其功率測(cè)量精度完全符合規(guī)范要求。
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