学术︱对涌流影响功率变送器从而引起机组振荡的研究
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中电国际芜湖发电有限责任公司、浙江涵普电力科技有限公司的研究人员陈刚、徐国明、曹达等，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文，在发电机监测系统中，广泛采用了功率变送器来监测发电机机端、负载端的功率。而发电机机组的内部故障、接地故障和励磁涌流等，这些涌流信号都会影响功率变送器的功率采集。本文分析功率变送器受短暂涌流的影响，阐述造成功率振荡的过程。文末提出一种使用数字式变送器解决方法。
随着我国现代化工业不断发展，电厂生产过程的控制规模不断扩大，运行复杂程度不断增加，控制过程要求越加严格，因而对过程控制和生产管理提出了越来越高的要求。分散控制系统（DCS）和数字电液控制系统（DEH）就是为此产生的。
DCS系统应用到电厂，根据各种模拟量输入等信号，进行逻辑判断，实现对各执行部件的控制。其中的DEH汽轮机数字电液调节系统通过控制汽轮机进汽阀门的开度来改变进汽流量，从而控制汽轮发电机组的转速和功率，使其满足电网的要求。
而机组产生的电能是一个特殊的产品，其特征表现在电能的生产、传输、供应和消费必须在同一时刻完成。电力系统的负荷瞬息万变，根据负荷变动的特征，可将其变动规律分类为几种不同变化的分量。第一种是幅度变化小、周期短（10秒以内），一般偶发性强；第二种是幅度变化较大、周期较长（10秒至3分钟）的脉动负荷，属于冲击性负荷；第三种是幅度变化大、周期变化缓慢的持续变动负荷，是生产、生活、气象的大环境。
1 机组功率振荡故障形成过程
因连日雷雨的恶劣环境影响，造成一组250MW机组输出功率波动，在所接的功率变送器上的模拟量输出突然上升。模拟量输入到DCS系统，DCS系统判断出机组输出过大，发出控制信号给DEH系统。具体信号传递框图如图1.
图1 功率信号传递框图图
DEH系统的液压伺服系统发出阀位控制信号，经过伺服板传送到对应的电液伺服阀，继而控制活塞位置下移。由于位移传感器（LVDT）的拉杆和活塞连接，活塞移动由位移传感器位置信号送入伺服板，直到与阀位指令相平衡时活塞停止运动。此时蒸汽阀门的开度调整完毕，完成了电信号——液压力——机械位移的配合动作。随着原始的功率变送器上模拟量输出的变化，油动机不断的调节蒸汽阀门的开度，机组的输出功率也不断变化。
图2 液压伺服系统工作原理框图
整个故障的起因是功率变送器监测到机组功率过大，其模拟量输出相应上升，导致蒸汽阀门的关小，目的是使机组功率下降到正常水平。然而在此动作过程中，功率变送器再次监测到机组功率过小，其模拟量输出相应减小，导致蒸汽阀门开大，使机组功率上升。
经过几次这样循环，产生了一次机组功率振荡。此后就不停的有这样的振荡，造成了机组整个控制系统经常动作，整个机组功率输出无法稳定。具体流程如图3。
图3 机组功率振荡流程
2 常规功率变送器的原理
机组的三只功率变送器型号为FPW-201，为浙江涵普电力科技有限公司（原海盐普博电机有限公司）2005年生产，是常规模拟电路设计的功率变送器，本文简称常规功率变送器。三相功率变送器可分为三相三线(三相二元件)和三相四线(三相三元件)二类。其测量原理是相同的，仅是其接线方式不同。
三相功率变送器实际上是把二个(二元件)或三个(三元件)单相功率变送器的测量叠加，从而得到三相功率。基本原理框图如图4。
图4 常规功率变送器基本原理框图
在时分割乘法器中，待测50HZ电压（图紫色正弦曲线）与高频1000HZ三角波（图绿色三角线）经过比较器产生矩形脉冲（PWM脉宽调制），每个脉冲的宽度代表电压的大小，图可见一个正弦波的最低点对应的脉宽宽度也是最小，正弦波的最高点对用的脉宽宽度最大，一个正弦波被分割成20个脉冲波；这个调制出来的脉冲输出去切割电流波形，即用电压变换后的脉冲宽度，导通这段宽度里的电流，形成的面积（如图红色阴影部分，每段脉冲小于1ms）就是我们所要的测量的功率值。这个功率值是机组功率调整的基础。
图5 时分割乘法器电路图
图6 时分割乘法器波形处理图
在故障调查过程中，对变送器备品进行测试，输出纹波含量和响应时间的测试情况如表1、表2。
表1 功率变送器备品纹波测试
表2 功率变送器备品时间常数测试
从表可知功率变送器信号测量符合标准要求，功率变送器本身未发现问题。
3 一次涌流对常规功率变送器的影响
在对主变全压冲击或机组并网时，会产生瞬间励磁涌流，并对电气二次回路产生谐波功率，可以使功率产生跳变（上升或下降）；当电网发生内部短时故障、接地故障或其他涌流冲击时，特别是发生接地故障时电流可能为额定的10倍以上，测量CT的铁芯会饱和，一般常规变送器的输出会产生无规则的畸变。以此可见电力的生产和使用总是暴露在涌流的威胁之下，而各种应对方案也层出不穷。
功率变送器在正常输入时没有出现问题，可以推断是现场的输入对功率变送器的影响，才产生了机组振荡。对此，将现场某次故障录波文件导入继保仪进行故障回放，并将继保仪输出的交流电流、电压输入到功率变送器查看其输出波形，波形图如图7。
图7 故障录波和对应模拟功率变送器输出图
图7中的蓝色波形代表现场的电流，黄色曲线是功率变送器的功率输出。结合功率变形器的原理，在一次涌流的影响下，变送器时分割乘法器中的电压脉冲宽度没有变化，但这段宽度里（小于1ms）导通的电流幅值特别大，造成那一小段时间里的功率大增，功率变送器模拟量输出相应大增（黄色曲线波动更大）。
即由一次涌流的影响，导致了变送器所输出的功率测量值比实际功率值大。如图8所示，在图6的基础上，红色阴影部分，在几个地方的幅度增大了，其面积表示的功率也成倍增加。
图8 有涌流进入的时分割乘法器波形示意图
同理，当电流波动中有电流减小时，功率变送器也会有比实际功率值偏小（图8阴影面积减小）的情况。据此推论，这一次涌流的影响，超过了功率变送器正常输入范围，使其放大了正常功率的波动。即图7的涌流必定超过了图5时分割乘法器中积分电路的电流（Ia）输入范围，这是带积分器常规功率变送器不能解决的问题。
4 数字式功率变送器
实际电力监控中，功率变送器可不对短暂的涌流等偶发性波动进行测量和输出，为此而设计了FPWK-301D数字式功率变送器，目的是弥补模拟变送器固有特性在实际使用中对电流波动判断的不足。
FPWK-301D数字式功率变送器采用大规模集成电路,应用数字快速采样处理技术,集成化程度高，工作更加可靠，具有优异的精度、线性度和长期稳定性,抗干扰性强和抗谐波影响能力强。
数字式的功率变送器原理如图9所示。
图9 数字式变送器原理框图
图10 数字式变送器采样波形图
由图10采样波形可见数字式变送器，将所要测量的电压（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，每一块都近似为一个长方形，将每一块的电压幅值乘以电流幅值再乘以分割成的时间（50hz就是20ms/64点），得到每一块的功率，再进行累加即可。
数字式变送器从交流采样开始都由微处理芯片的程序进行处理。在芯片的编程处理中，人为的滤除输入突变信号，并将稳态的测量值做窗型滤波，使得变送器的输出更加稳定，受外界突变信号的干扰影响小。
对FPWK-301D数字式功率变送器进行测试，其中输出纹波含量和响应时间的测试情况如表3、表4。
表3 数字式功率变送器备品纹波测试
表4 数字式功率变送器备品时间常数测试
从表可知数字式功率变送器信号测量符合标准要求，且主要性能较常规变送器更高。
5 数字式功率变送器使用效果分析
如图7所示波形是将故障波形用继保仪输入到FPW-201有功功率变送器，来查看波动对功率变送器的影响，蓝色部分波形在某一时刻有突变，黄色显示了功率变送器的输出值。
当电流波动一次以后，功率变送器输出幅度有了较大的变化。而之后的电流和功率变送器输出都变成了振荡的曲线。
将图7所用的故障录波文件，再次用继保仪回放到FPWK-301D有功功率变送器，其输出的波形如图11所示。
图11 故障录波和对应数字式变送器输出图
对比图11和图7可以得出，使用数字式的变送器，短暂的波动被滤波器滤除，而在之后的电流振荡部分，也是整体抬高不到1%，而不是随之波动，这些都是图9中电流窗型滤波所能产生的效果。由于数字式功率变送器的电流滤波对采样值良好的处理，变送器的功率输出基本没有受到影响，成功滤除了短时涌流。试验证明，用上数字式变送器后，功率变送器输出值更稳定。
6 结论
本文阐述了机组功率通过变送器、DCS系统、DEH系统、液压伺服系统的反馈调整过程，通过分析功率变送器原理来说明涌流的影响，揭示了机组功率振荡的具体过程和根本原因。并为此设计了FPWK-301D数字式变送器，此变送器响应迅速，工作稳定，线性度和精确度好，抗干扰性强。试验证明使用该数字式功率变送器能滤除短时涌流等偶发性负荷变动，弥补了常规功率变送器的不足。
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