高铁谐波对电厂自动协调控制的影响及策略优化

高铁谐波对电厂自动协调控制的影响及策略优化

童志华1冯虎贲2

（1.大唐华银金竹山火力发电分公司湖南省冷水江市417505；2.华润电力投资有限公司华南分公司广州511458）

摘要：本文结合事件过程中电压、电流的变化，分析功率变送器输出畸变的原因并提出相关预防措施，保证功率的安全、可靠切换，为电厂合理、有效运用发电机智能变送装置提供参考。

关键词：功率变送器；干扰；谐波；自动协调控制

1引言

随着电力系统自动化程度的提高，发电厂分布式控制系统（DCS）、汽轮机数字电液控制系统（DEH）、自动电压控制（AVC）、自动发电控制（AGC）、协调控制等自动化设备得到广泛应用。发电机功率（含有功、无功功率）作为其中的一个重要参数，其可靠、稳定不但直接影响到自动化设备的运行，而且对发电机组的安全运行也有十分重要的影响。近年我国高铁线路的大量开通，电气化铁路负荷具有单相性、非线性、随机性和波动性，引起电网电压波动、谐波、负序等电能质量问题导致功率变送器输出发生畸变，从而直接导致机组跳闸或自动化装置退出。

2传统型功率变送器存在的问题

该公司机组有功功率信号取自发电机功率变送器，配置浙江某公司的FPW-201型有功功率变送器，准确级为0.2级，通过硬接线方式送至DCS，机组变送器屏内已实现有功功率变送器二次回路独立，电压分别取自1YH、2YH、3YH，电流分别取自中性点侧4LH、机端侧5LH、6LH。MCS、DEH所需有功功率信号分别取至六个不同的变送器，在逻辑中实现三取中，通过不同控制电缆分别送至DCS，DEH系统中测量电气功率必须依靠发电机有功功率变送器来实现，参与机组协调控制。存在以下问题：

（1）抗电磁干扰能力差。600MW机组的功率负荷平衡保护是采用有功功率变送器来实现的，首次启动和运行1年后首次大修后启动试验时，先后发生多次功率负荷变化导致动作跳机的事故，原因皆为试验期间对讲机干扰导致功率变送器输出异常，曾在空负荷下实测机组瞬间达到700MW。

（2）缺少二次回路断线闭锁。功率变送器不具有电压-电流二次回路发断线故障的闭锁功能，当发生断线时只会将故障状态如实地转换为功率输出，功率信号失真不可避免。

（3）电网暂态电压扰动导致误动作。电力系统暂态电压扰动（瞬时电压上升或下降）特征指标是幅值、持续时间、瞬时值/时间。产生的主要原因通常是电网或用电设备发生雷击、外力短路故障，同时一些用电设备（如大容量电动机）启动、突然加负荷、电力系统中储能设备（电容器、电抗器）及电源断路器的正常操作也会造成电网电压瞬时下降。这种暂态的电压扰动对普通的用电负荷产生的影响并不大。但对敏感性负荷以及要求严格的用电负荷影响非常严重。因此，针对该干扰在供电侧和用户侧从电能质量的角度对问题进行了分析，并采取多种治理措施。但对发电厂而言，该扰动的电压不是作为供电电源，而是直接参与了实时控制的协调控制系统，并干扰了该系统的正常运行。

3事件过程

2014年某厂220KV升压站增加金湍线间隔，由于金湍线所接高铁负荷为单相大功率整流负荷，使系统内谐波分量大大增加。

2015年11月23日17点54分37秒，机组正常运行中，机组有功功率从362MW突降至326MW，持续时间1秒，机组协调控制自动退出。通过对异常发生时电气量波形分析发现，发电机功率波动时为尖顶波。波长较短且含有较多成分的直流分量，由于机组协调响应不可能在短时间内完成如此大的功率变化。从DCS录取波形画面可以看出，有功负荷及电流波动后，汽轮机调门动作，因此排除本次异动是调门抖动原因造成，功率变送器输出受干扰所致。电网侧意外瞬时干扰产生高次谐波导致送至DCS、DEH的模拟量输出（4～20mA量）发生畸变，当协调控制设定值与实际功率偏差翻设定值（50MW）时，机组协调自动退出。机组参数情况如下图所示：

有功功率异常波动时电压波形无明显变化，电流波形严重畸变。通过故障录波器自带的谐波软件分析，含有明显的衰减谐波分量，导致发电机机端给功率变送器用的测量级CT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，严重影响机组稳定运行。

上图数据中二次谐波分量达到20%。远超过GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》第4条，110kV谐波电压限值中奇次谐波电压含有率不超过1.6%，偶次谐波电压含量不超过0.8%的标准。因此本次功率异常极有可能是由于电流谐波分量影响变送器计算造成变送器输出出现误差数据造成。

经核对历史趋势发现，接入高铁负荷后，220KV系统内机组出现过两次有功功率变送器的输出突变。2014年10月1日17点54分37秒，MCS中涉及的三个有功功率信号，一个功率值增加，两个功率值减少，取中间值后，机组有功功率从362MW突降至326MW，持续时间1秒，有功功率波动为36MW；2015年11月26日有功率波动为16MW。

4措施及建议

①、220KV网络继电保护室内加装电能质量在线监测装置，加强对电能品质的日常管理。

②、仔细检查各变送器模拟量输出电缆屏蔽线是否可靠接地，尤其是送至DCS、DEH机柜的功率变送器电缆应独立。

③、送至DCS、DEH机柜的有功功率变送器误差方向应一致，且在合格范围内，防止因功率偏差大而影响机组正常调节或由因此而导致的跳机事故。

④、建议对机组协调控制的功率信号采取适当的延时，以避免功率信号受谐波干扰波动而致机组协调或AGC自动功能退出。

⑤、建议热控专业对各有功功率点进行认真核对排查，并在DCS“退出自动协调控制功能”逻辑中增加“发电机有功功率变化速率快”条件，当此条件满足时，可认为是电气操作或故障引起的干扰，不退出自动协调控制功能。该有功功率变化速率定值建议按躲过发电机正常调节值15MW/min整定，可取20Mtwmin。据此可防止再次发生波动时出现不可控的意外事件。

⑥、在热控逻辑中增加“TV断线闭锁”条件，即在发电机功率发生突变时，如无“TV断线闭锁”发生，则自动协调控制功能不必退出。仅在TV发生断线（如熔丝熔断或二次开关跳闸）且功率突变时，自动退出协调控制功能。

⑦、采用微机式智能变送装置，抗干扰能力达到继电保护装置相同的级别。装置接入发电机2组PT电压和2组CT（一组测量级CT和一组保护级CT）电流，根据电气故障特征由软件实现测量级CT和保护级CT自动切换，测量级CT保证稳态情况下的测量精度，保护级CT保证暂态情况下（区外故障或和应涌流时）的传变精度，具有良好的暂态特性，响应时间小于40ms，确保发电机功率自动调节系统和DCS系统可靠运行。

5结束语

通过对发电机智能变送装置的改造，实现测量级CT和保护级CT快速无缝自动切换，解决了高铁负荷对机组自动协调控制的影响，确保发电机功率自动调节系统和DCS系统可靠运行，为电厂合理、有效运用智能变送装置提供了参考。

参考文献：

[1]上海利乾电力科技有限公司，BPT9301发电机智能变送装置说明书，2014.

[2]杨涛，黄晓明，宣佳卓。火电机组有功功率变送器暂态性能分析，2014.

作者简介：

童志华高级工程师，现供职于大唐华银金竹山火力发电分公司控制部。

冯虎贲中级工程师、继电保护二级技师，现供职于华润电力投资有限公司