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近年來，國內出現多起由于發電機功率變送器輸出的信號發生畸變，導致的保護系統誤動作甚至跳機的情況，對電網造成沖擊嚴重影響到電網的安全運行。本文主要研究了一種新型的功率變送器其既滿足穩態精度要求，也能在系統暫態情況下真實、準確、及時地輸出功率信號，保證機組穩定運行。

 

1  傳統功率變送器介紹

功率變送器是一種將電壓、電流通過運算成功率后變換成以直流4~20mA輸出的設備。它是遠動裝置、熱工DCS等監控系統中#為關鍵的信號來源。電網的安全穩定的運行功率變送器起著非常關鍵的作用，因此其響應速度快、帶負載能力強、機械結構簡單，輸出電壓、電流#好能不隨負載阻抗變化，即要求電測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、電流信號量經過乘法器運算后通過數模轉換器轉換成直流4~20mA信號后輸出；如圖1所示。

1.1 傳統功率變送器缺陷分析

在電網中干擾量小且處于穩態的情況下，傳統變送器能夠提供滿足電測量計量要求的數字信號，但在電網處于暫態的工況下，就會出現很多問題：

（1）由于傳統變送器只有一路電壓、電流采樣回路，當發生采樣回路斷線時，會使發電機功率測量錯誤；

（2）其抗干擾能力弱，容易受到電網波動的干擾，致使輸出功率產生畸變，從而對機組穩定運行造成安全隱患；

（3）暫態特性差，在系統發生暫態狀況下的故障（瞬時故障），其輸出容易失真，會造成保護系統誤動，甚至有可能會造成跳機的事故。

 

2  傳統變送器輸出異常引發的事故

（1）例1：某發電廠500kV線路B相發生瞬時故障時，線路保護動作后3號、4號機組功率保護動作，致使3號、4號機組發生跳閘停機事故。經過原因分析得知：汽輪機的保護功率變送器測量數據失真，保護誤關閉汽機調門，導致發電機輸出功率下降，短時間后，零功率切機誤判斷使2臺660MW機組跳機。

（2）例2：某發電廠3號機組正處于并網升負荷階段時，系統突發B相接地故障，功率切機保護誤動致使機組跳機。經過分析原因是：當系統發生接地故障時發電機功率出現大幅度波動，導致功率切機保護誤動作。

 

3  智能變送器研究

3.1 智能變送器的功能設計

由于傳統變送器有以上功能缺陷，因此需要研究新型的變送器來代替。要求新型變送器不僅滿足傳統變送器在穩態測量精度上的要求還必須可以智能處理暫態情況下的電壓、電流測量問題。智能變送器從設計上采取措施避免傳統變送器采樣回路斷線、抗干擾能力弱、暫態特性差等問題。主要從3個方面著手：

 

（1）采用雙回路設計

用兩組測量回路分別同時測量發電機出口的測量級CT和保護級CT，再通過乘法器、數模轉換器、比較器、濾波器，進行數字信號輸出；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、電流的數值，通過比較兩路電壓信號實時判別電壓輸入是否異常，但系統認定一路輸入發生異常會自動屏蔽錯誤數據，切換另一路功率用于計算及保護，并同時發出報警送到后臺。可有效防止PT斷線引起的功率計算錯誤導致的事故發生。

2）濾波器：根據電廠的實際情況，設計的截止頻率為f=0.4Hz，意味著現場頻率變化高于0.4Hz的電壓、電流輸入量都會被有效抑制，這樣既可以濾除交流干擾信號，又可以使正常電壓、電流變化信號順利通過，以達到濾波的效果。完全符合現場運行的需要。

（3）暫態特性的改進

為克服輸入電流發生失真，可將輸入電流非周期分量過零點發生的時刻延長，使過零點出現在繼電保護裝置發生保護動作之后, 以此可改進變送器的暫態特性。

 

3.2 變送器的算法原理設計

（1）暫態特性的改進算法設計

由于非周期分量是影響變送器暫態特性的重要因素，按直流分量為全偏移考慮，回路中發生短路故障時的輸入電流為：

結合電路等值原理，可推到出方程組：

 

設變送器的的負載為純電阻，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零點時刻為：

由式（5）可知電路時間常數T 2 越大，非周期分量的過零點t 1 越大，因此增大電路時間常數，即可使過零點出現在繼電保護裝置發生保護動作之后，以此可改進變送器的暫態特性。

 

（2）有功功率和無功功率的算法設計

有功功率和無功功率的算法采用全周傅立葉算法設計，當發電機保護級CT的輸出電流>1.2額定電流時，變送器的功率計算電流采用保護級CT電流，其余電流采用測量級，這樣故障情況下功率的準確測量也同時得到了兼顧。功率因數計算公式：

（3）PT斷線算法設計

滿足以下任一條件5s后變送器給出斷線報警信號，條件消失5s后斷線報警信號自動解除：

（1）存在某一線電壓<70V，且某一相電流>0.05In，用于檢測不對稱斷線和三相失壓；

（2）負序電壓>6V，用于檢測不對稱斷線。條件（1）主要是用來判別對稱性三相斷線的，也是對不對稱斷線條件的補充。加上電流閉鎖條件的原因是用來防止變送器在調試過程中誤發告警信號。條件（2）則是專門用于對PT發生不對稱斷線時進行判斷的。

（4）CT斷線算法設計

CT斷線算法設計為三相CT的零序電流>30%的#大相電流，給出斷線報警信號，條件消失5s后斷線報警信號自動解除。

 

4  智能變送器的測試結果

4.1 測試方法

由于現行的檢定規程還沒有對變送器暫態功能的相關測試的規定，只能根據JJG 126-1995《交流電量變換為直流電量電工測量變送器檢定規程》對智能變送器進行電測量數據的測試。

 

4.2 測試結果

通過試驗結果表明，智能變送器功率輸出測試結果完全符合規程要求。見表1。

5  結束語

本文介紹的智能變送器，解決了傳統變送器在暫態情況下容易輸出失真的問題，并且經過測試其功率測量精度完全符合規范要求。