摘要： 在发电机功率监控系统中，广泛采用了功率变送器来监测发电机机端和负载端的功率。而发电机组的外围线路故障、内部故障和主变全压冲击等会引起励磁涌流干扰信号，继而影响功率变送器的功率测量。本文提出传统功率变送器因励磁涌流产生输出信号变化的原因。
1 背景
发电机是现代生产活动中的重要设备。为保证发电机的稳定运行，在发电机监控系统中，广泛采用功率变送器来测量发电机机端和负载端的功率，以供监控系统进行数据分析处理并采取适当的控制。因此功率变送器输出信号的正确与稳定对于发电机的稳定运行有着重要意义。
近几年来，各地电厂在进行对主变全压冲击等操作，或者外围线路发生故障、投切超大负荷时，陆续出现邻近发电机组的功率振荡甚至跳机等故障。
案例一：华能浙江某电厂共 4 台 1000MW 机组。2009 年 8 月 15 日 16 时左右，#1、#2、#3 机组正在运行，三个机组负荷分别是 680MW、640MW、630MW。之后当地突然出现雷暴天气，16 时 21 分，各机组 DCS 系统出现报警，500kV 玉岭 5430 线第一、二套分相电流差动保护及后备距离 I 段保护动作，玉岭 5430 线 B 相接地故障报警，5012、5013 开关 B 相跳闸，之后重合闸成功，B 相瞬时接地电流最大达 20510A，持续时间约 50ms。在故障起始至开关重合闸期间，#1 机组有功负荷由 685MW 瞬间降至-30MW，然后回升至618MW。#2 机组有功负荷由646MW 瞬间降至 35.9MW，然后回升至 540MW。
对现场功率变送器备品测试时，在输入平衡的三相电压、电流信号时，结果符合要求。而用故障时的录波测量数据进行测试时，变送器两组输出信号分别在故障初期存在突增和突降现象，说明功率变送器在 B 相接地故障导致出现涌流时的测量存在问题。功率变送器的这一测量问题可能是该事件的原因之一。
案例二、福建某燃气发电厂跳机事件。
事件经过：2010 年 5 月 21 日晚 7 时左右，福建某燃气发电厂 #4 机组在对主变全压冲击时，正在满负荷运行的 #3 机组出现功率超限报警，引起 #3 机组保护动作而跳机。
事件分析与结论：事后检查当时的 TCS 功率记录曲线，发现在跳机瞬间 #3 机组反应到 TCS 逻辑控制系统的有功功率测量值达 625MW，已超出量程上限。而该机组跳机前各主要参数均未出现异常。最终认为，跳机是因为 #4机组对主变全压冲击时，产生了较大的励磁涌流，对电气二次回路造成较大干扰，使功率变送器测量产生较大突变。根据数据记录，当时这种瞬间突变使 #3 机组的功率变送器输出达到 625MW，而 TCS 逻辑控制系统中没有信号质量的判断逻辑，于是 TCS 系统误判为 #3 机组功率超限，最终造成了 #3 机组跳机。
京科电厂在运行期间当系统发生故障时，DCS 显示机组负荷从 210MW 瞬间上升至 240MW，发电机负序电流增加至 900A，虽然没有造成机组解列，但隐患一直存在。事后检查电气设备均无异常，结合故障录波器综合分析，系统冲击引起的励磁涌流对变送器影响所致。
2 原因查找及处理方法
在电厂大型机组并网或外围线路出现故障时，会产生较大瞬间励磁涌流。可以确定，这些情况会对电气二次回路产生较大干扰，使电厂其它正常运行的机组功率变送器因检测到一定的谐波功率而发生突变，使干扰进一步被放大了。那么，为什么这种突变会被常规模拟变送器放大呢，这就要从常规模拟式功率变送器的原理来具体分析。以我厂发变组变送器屏使用的功率变送器型号为例，型号为为 FPW-201，采用常规纯模拟电路设计，本文简称常规功率变送器。
三相功率变送器按接方式，可分为三相三线（三相二元件）和三相四线（三相三元件）两类。其测量原理是相同的，仅是接线方式不同。三相功率变送器实际上是把两个（二元件）或三个（三元件）单相功率变送器的测量相加，从而得到三相总功率。基本原理框图如图 1。
图 1 中的时分割乘法器电路原理如图 2 所示。在时分割乘法器中，如图 3 所示，待测 50Hz 电压（图3 紫色正弦曲线） 与高频 1000Hz 三角波（图 3 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某一时刻电压的幅值。
图 3 中可见，正弦波的最低点对应的脉宽宽度最小，正弦波的最高点对应的脉宽宽度最大，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，去切割这段脉冲宽度里的电流波形，再经过 RC 电路积分得到的面积（如图 3 红色阴影部分，每段脉冲小于 1ms），就是我们所要测量的功率值。这个功率值是机组功率调整的基础。
图 4 中，下面的蓝色波形代表现场的电流，上面的黄色曲线是功率变送器的功率输出。从图 4 中可以看到，当瞬间涌流发生后，电流信号及变送器输出均发生了剧烈的振荡。
结合功率变送器的原理，在模拟电路 RC 积分回路中，当输入为阶跃信号（近视于方波）时，对应的输出称为阶跃响应，其 RC 充放电的电压、电流变化规律取决于电路结构和电路参数。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，而且出现涌流时产生了大量谐波功率，这些影响造成那一小段时间里的功率大增，功率变送器模拟量输出也相应突增（图 4 黄色曲线波动更大）。
如图 5 所示，红色阴影部分在某几个地方的幅度增大了，其面积表示的功率也成倍增加，尽管当时该机组实际基波功率并没有那么大。
3 整改措施
①联系相关 DEH 设备厂家对热工 DEH 逻辑及控制参数进行进一步的梳理与完善。
②功率变送器输出信号增加滤波环节。
③增加变送器的抗励磁涌流的能力。
在理想的一定频率的方波信号作用下，通过调整电路参数，可以使电路工作在临界阻尼状态（理想状态）。这种状态下，不仅输出的波形平坦，而且响应时间也较短。然而，现场实际的情况很复杂，当有涌流冲击时，其信号的频率成分中夹带着很多不同次数的谐波量，无法保证电路始终工作在临界阻尼状态，而大多工作在欠阻尼状态。而如果使电路工作在过阻尼状态，则电路的响应时间又会很长。变送器的国家标准及鉴定规程中要求响应时间小于400ms，而且其基本误差试验也是要求在稳定的参比条件下进行。
采用微处理器技术，通过数字技术来实现功率计算。功率测量值是对电压、电流直接进行交流采样得到的数字量直接相乘后得到，不存在 RC 积分电路的阶跃响应问题。而且在芯片编程的软件算法中，利用程序判断剔除短暂的异常突变信号，再将测量到的功率数值做窗型滑动滤波，使得变送器的输出更加稳定。
4 结束语
由于瞬间励磁涌流对电气二次回路产生较大干扰，使电厂其它正常运行的机组功率变送器因检测到一定的谐波功率而发生突变。通过采用数字式功率变送器，提高变送器的线性度和准确度高，增强抗干扰性。
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