CN105048636A - 一种发电机层次化失步保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应对多台发电机共母线并联运行方式的大型发电机层次化失步保护方案，属于电力系统继电保护技术领域。现有技术中不能应对共母线并联机群的失步情况；本发明通过设置站域层失步元件和就地层失步元件，实时监测发电机状态，综合判断共母线并联运行机组是否发生失步振荡以及失步模式，进而依据实际共母线运行的发电机台数和失步模式，实时调整就地层各发电机失步保护的动作特性，并从站域层的角度优化失步保护的切机策略。本层次化失步保护方案较好地解决了传统失步保护方案无法有效应对多机共母运行失步振荡的工程性难题，可有效提高失步保护动作的可靠性，同时实现对发电机组和电网的安全需求的兼顾。

Description

一种发电机层次化失步保护方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种发电厂共母线并联运行发电机组群的失步保护方法。

背景技术

失步振荡可对大型发电机组构成极大的伤害。随着电网的不断发展，电网规模不断变大，互联程度越来越高，而电网的等值阻抗则越来越小，相比之下大型发电机组阻抗值较大，一旦发生振荡，振荡中心极有可能位于发变组内部。此时机端电压周期性大幅波动，将严重影响发电厂的厂用电质量和站内设备安全；振荡过程中定子电流的峰值可能达到三相短路电流水平，将使大型发电机组遭受电动力、热效应两方面的即时性和累积性损伤。因此，大型发电机都装设了专门的失步保护以确保机组和电网的安全稳定运行。

然而，大机组与电网间的振荡行为复杂，特别是针对多机共母线运行情况，传统失步保护存在较大的拒动或误动风险，一旦失步保护不正确动作，极有可能加剧振荡情况，恶化系统稳定运行条件。可见，大型发电机失步保护的重要性极高，且必须兼顾发电机组和电网的安全需求。

对于大型电网中共母线并联运行的多台发电机而言，其失步振荡的特点不同于单机对无穷大系统失步的情况，存不止一种失步模式，其中单机对外失步和共母机群对外失步是两种典型的失步模式，传统的失步保护方案整定值确定后不能实时调整，且仅仅考虑了单机对外失步或者最大并联机组数对外整体失步的情形，这导致其应对多机共母线并联运行时有诸多的局限性。张项安等作者在电力系统保护与控制2014,42(07)：97～102“发电机失步保护整定计算所用的等值联系电抗X(con)研究——与现行《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》商榷”一文中，指出在多机共母线运行的机群失步时，传统的失步保护整定方法极有可能导致保护拒动。不过该文仅仅分析了共母机群对外失步的情况，忽视了共母并联运行机群出现单机对外失步的可能性，其所提出的应对措施有较大的局限性。

当多机共母线运行的发电厂发生单机失步时，由于不能根据发电厂开机状态调整失步保护特性，导致当发电厂开机状态与整定预想不同时，失步保护也不能保证动作的可靠性。

综上，对于多机共母线运行的发电机组群而言，不管是共母机群失步还是单机失步，传统失步保护方案都有明显的局限性，仅仅通过整定值上的调整不能有效应对可能出现的多种失步模式。在智能电网对韧性电源支撑要求越来越高的背景下，提出更为可靠的失步保护方案，以适应发电厂机群的不同运行工况，提高失步保护动作的可靠性，极具工程实际价值。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种发电机组层次化失步保护方法，其中通过对站域层失步元件以及就地层失步元件的具体结构及其设置方式进行研究和涉及，实现了有效应对多机共母运行失步振荡的工程性难题，可有效提高失步保护动作的可靠性，同时实现对发电机组和电网的安全需求的兼顾。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种发电层次化失步保护方法，其特征在于，该方法通过在具备信息融合与交互功能的继电保护系统上设置站域层失步元件和就地层失步元件来实施，其中

所述站域层失步元件作通过站域通信网络，收集各发电机组的相关保护信息，进行站域层的综合保护判断；

所述就地层失步元件为各台发电机就地保护装置，完成就地层各单台机组的失步保护判断，向通信网络上传其失步判断结果，执行站域层下达的动作任务，按照站域层的统一决策完成相应动作；

该方法具体包括以下步骤：

(1)由站域层失步元件监测共母线并联运行机群作为整体向外的测量阻抗轨迹，完成共母机群等值发电机与无穷大系统间失步与否的预判断；

(2)若所述站域层失步元件认定失步，就地层失步元件应按共母机群失步模式，即在公式(1)的基础上调整失步保护特性，

X_Sdz＝nX_S(1)

其中X_Sdz系统的等值阻抗，n为当前运行状态下的共母线并联运行机组台数，X_S为系统电抗从失步发电机组向线路侧视入；

以进一步判断是否发生共母机群失步；

仅当共母线所有发电机的就地层失步元件都判定为失步时，才能确定为共母机群失步；

其他情况，所述就地层失步保护元件都按照单机失步模式，即在公式(2)的基础上调整失步保护动作特性，然后由所述就地层失步元件对各台发电机是否失步进行判断；

$X_{Sdz}=X_S\left|\right|\frac{{X_d}^{\′}+X_T}{n-1}---\left(2\right)$

其中X_d’为发电机阻抗，X_T为主变压器阻抗；

(3)若所述站域层失步元件判断为非共母机群失步，所述就地层失步元件应按照单机失步模式调整失步保护动作特性，然后由所述就地层失步元件对各台发电机是否失步进行判断；

(4)若发生单机失步，由就地层失步元件迅速切除失步机组，确保发电机组的安全以及电网的稳定运行；

若发生共母机群失步，站域层保护根据失步的具体模式、综合决定保护决策。

总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过设置站域层失步元件以及就地层失步元件，有效解决了多机共母运行失步振荡的工程性难题；

2、通过就地层失步元件可有效提高失步保护动作的可靠性，同时实现对发电机组和电网的安全需求的兼顾。

附图说明

图1是大型发电机层次化保护物理结构图；

图2是共母线机群失步图；

图3是不同系统等值阻抗下机端测量阻抗轨迹图；

图4是共母机群对外失步等值电路图；

图5是主变高压侧母线失步动作特性图；

图6是单机对外失步图；

图7是大型发电机层次化保护总体方案图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出的层次化失步保护方案，针对的是共母线运行发电机群可能发生的两种典型失步模式，即共母线机群对外失步(简称共母机群失步)和单机对外失步(简称单机失步)。

1、共母线多机并联运行时发生失步振荡的特点

并联运行于同一母线的发电机组群，电气联系紧密，发电厂作为一个整体与无穷大系统之间产生振荡是最典型的失步现象，该种多机对外失步往往表现为以共母线运行机组集群为单位的整体对外失步。对于这种失步情形，可简称为共母机群失步；另一种典型的失步模式为单机对外失步，简称为单机失步。当共母线运行的发电机群在某种功率输出配合下，特别是对于单机输出功率较大的发电机，可能发生动稳失步；另一方面，由于发电机控制系统的控制错误，也有可能发生发电机单机对外失步。若能有效甄别这两种失步模式并及时采取相应的措施，将大大提高发电机失步保护动作的可靠性。

不同失步模式下的电气特点归纳如下：

(1)共母机群失步时的电气特点

并联运行于同一母线的发电机组群，电气联系紧密，发电厂作为一个整体与无穷大系统之间产生振荡是最典型的失步现象，该种多机对外失步往往表现为以共母线运行机组集群为单位的整体对外失步。对于这种失步情形，可简称为共母机群对外失步，为相应的电路示意图。

张项安等作者在电力系统保护与控制2014,42(07)：97～102“发电机失步保护整定计算所用的等值联系电抗X(con)研究——与现行《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》商榷”一文中，指出在共母机群对外失步时，由于电流助增作用，单台失步发电机组向外视出测得的系统等值阻抗XSdz(见图2)为：

X_Sdz＝nX_S(1)

式(1)中n为共母线并联运行机组台数。此时，系统等值阻抗X_Sdz与开机方式密切相关，不同并联机组台数下的X_Sdz差别很大。系统等值阻抗越大，测量阻抗轨迹圆心将不断上移，阻抗轨迹也会不断上移。图3示出了这种变化，图中仅作出发电机电势幅值大于对侧系统电势的情形。可见，传统的失步保护在共母机群失步时，极有可能拒动。共母机群失步保护必须根据式(1)改变保护的动作特性。

(2)共母线并联运行机组群单机对外失步时的电气特点

共母线运行发电机群发生单机对外失步时，此时的电路分析如图。图中X_d’为发电机阻抗，X_T为主变压器阻抗，X_S为系统电抗从失步发电机组向线路侧视入，对应于简化两机振荡系统中的系统等值阻抗。单机对外失步时，该发电机是本侧电源，与失步发电机并联的其它机组都并入无穷大系统，视为失步振荡的对端电源。

X_Sdz认为是本发变组单元外侧的全部电源阻抗的并联，包含了无穷大系统阻抗X_S和厂内其它并联运行机组阻抗(X_d’+X_T)，即有式(2)：

$X_{Sdz}=X_S\left|\right|\frac{{X_d}^{\′}+X_T}{n-1}---\left(2\right)$

式(2)中，n为当前运行状态下共母线并联运行机组的台数。由于(X_d’+X_T)大概为X_S的20倍，可见n的取值对X_Sdz有一定影响，而传统方法整定时一般取n为运行的最大值，这导致在实际开机数较少时，保护拒动可能性较大。因此，为适应发电厂各种开机运行情况，单机失步保护的整定必须按式(2)来确定一发变组单元外侧的系统阻抗。

2、本发明所提大型发电机层次化失步保护方案具体如下：

层次化保护的结构框图如图1所示，站域层失步保护元件设置于发电机变压器高压侧母线，通过层次化继电保护通信网络，与设置于各发电机机端的就地层失步保护元件交换保护信息，从而实现层次化应对多机共母线并联运行情况下的失步振荡。

(1)设置站域层失步元件和就地层失步保护元件，点面结合，构建层次化失步保护运行机制。

层次化失步保护的一大要点是站域层和就地层保护元件相互配合，监测共母线运行的发电机是否发生失步，并判断具体的失步模式。

通过站域层失步元件和就地层失步元件两者的配合，综合判断失步振荡发生与否以及失步的模式，进而实时调整站域层、就地层失步元件的动作特性。本方案建立在一个具备信息融合与交互功能的继电保护系统上，借助现今成熟的通信和网络技术，工程实现难度不大。

站域层保护是层次化失步保护系统在现有发电机保护装置基础上新增设的一层。其主要功能之一监测共母线并联运行机群作为整体向外的测量阻抗轨迹，完成共母机群等值发电机与无穷大系统间失步与否的预判断。此外，站域层保护依赖其信息枢纽地位，承担失步保护的整体决策单元：通过断路器接点位置信息获取并联机组台数，依据就地层失步元件和站域层失步元件的判断结果，辨识机组失步情况和失步形式，给出就地层失步元件的动作特性整定值；并根据失步情况，综合系统稳定控制措施、远方调度指令等网侧信息，以保障机组安全、减少电源损失为目标，决策动作出口方案，并交由就地层执行。

就地层保护由现有各台发电机就地保护装置构成，完成就地层各单台机组的失步保护判断，向通信网络上传其失步判断结果，执行站域层下达的动作任务，按照站域层的统一决策完成如告警、切机等动作。与传统保护装置不同的是，就地层保护的信息来源及其与之交互更为丰富。就地层保护不仅仅采集发电机就地测量值，还从数据通信网络获取站域层决策的失步动作区整定值信息和动作指令，据此调整就地层保护的动作特性，执行有关出口动作；同时，借由通信网络告知站域层就地层的失步判断结果。

(2)层次化监测、判断失步振荡模式。

发生共母机群对外失步时，所有共母线并联运行机组的功角同步变化。在失步前各机组运行工况接近的条件下，各机组暂态电势差别不大，有理由认为在失步振荡过程中各机组的机端电量保持相同的变化规律。因此可将共母机群等效为一等值发电机组，等值电路图如图4。

图4中等值发电机组的发电机阻抗X_d'_dz为Xd’/n，变压器阻抗X_Tdz为X_T/n。于是，共母机群对外失步可视为单机对外失步振荡问题，此时视在阻抗测量点无法设置在等值发电机机端，只能位于主变高压侧母线处。注意，由于采用等值机的分析，系统等值阻抗XSdz就是无穷大系统阻抗X_S。

共母线机群失步等价于上述等值机失步，采用三阻抗元件失步保护基本原理，可得主变高压侧母线失步判断元件动作特性图，如图5。保留原失步保护中遮挡器阻抗元件Z₁、透镜圆阻抗元件Z₂，以及最小振荡周期的考虑，去掉电抗线，原因是振荡中心位置的判断可交由单机对外失步保护完成。图中坐标原点代表主变高压侧母线。对应于图4等值电路图，A点代表对侧无穷大系统，B点代表本侧等值发电机，C点代表主变低压侧。则Z_A为等值发电机组与对侧系统间的系统等值阻抗XSdz，Z_B为等值发电机组阻抗，包含主变压器阻抗Z_C(即X_Tdz)和等值发电机阻抗X_d'_dz。

当发生共母机群对外失步时，相当于等值机组与无穷大系统间失步，主变高压侧母线处测量阻抗轨迹能够完整穿越上述失步元件动作区域，确保保护出口。但在单机对外失步或仅同步振荡时，该发电机与其它并联运行机组的机端电量变化特性明显不同，前述等值机变换不一定成立，可能出现误判为共母机群对外失步的情况。

可见，为甄别共母机群对外失步和单机对外失步，须由主变高压侧母线失步元件进行预判，若其认定失步，且此时各台发电机按考虑了电流助增作用的失步判据也认定失步，方可判定发生共母机群失步。

因此，若站域层失步元件初步判定为共母机群失步，由就地层失步元件作进一步的验证：即只有就地层失步元件判定出所有发电机共母机群对外失步时，才能最终确定共母机群对外失步模式成立，除此之外的所有情况，就地层失步元件按照单机对外失步模式调整失步保护动作特性。

(3)失步保护元件的实时调整。

1)共母机群失步时的失步元件动作特定调整

若站域层失步元件初步判定发生共母机群对外失步，就地层失步元件应按共母机群失步模式调整失步保护特性，以进一步判断是否发生共母机群失步。此时就地层失步元件应按照共母机群对外失步模式整定各台发电机的失步保护动作特性。

由式(1)确定发电机组外侧系统的等值阻抗，其中n为共母线并联运行发电机的实际台数。在此基础上调整就地层失步保护元件的动作特性。当仅当共母线所有发电机的就地层失步元件都判定为失步时，才能确定为共母机群对外失步。其他情况，就地层失步保护元件都按照单机对外失步模式调整失步保护动作特性。

2)若判断为非共母机群失步，就地层失步元件应按照单机失步模式调整保护动作特性。

此时，就地层各发电机的失步保护元件应在式(2)的基础上，调整各自的失步保护动作特性。式(2)中n代表着共母线并联运行的发电机实际台数，整定灵活性高，可有效提高判据的准确度。

(4)根据共母发电机群的具体失步模式，综合发电厂和网侧信息，实现分层次的切机策略。

若发生单机失步，由就地层失步元件迅速切除失步机组，确保发电机组的安全以及电网的稳定运行。

若发生共母机群失步，站域层保护根据失步的具体模式、发电厂站域信息和网侧信息，从涉网保护的角度，综合决定保护决策。

本发明所提大型发电机层次化失步保护方案参见图7。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种发电机层次化失步保护方法，其特征在于，该方法由继电保护系统来实施，该保护系统包括站域层失步保护元件以及就地层失步保护元件；

所述站域层失步元件通过站域通信网络，基于站内各发电机组的相关保护信息，依赖其信息枢纽地位，承担失步保护的整体决策单元；

所述就地层失步元件装设于所述各发电机组机端，为所述各发电机组就地保护装置，完成就地层所述各单台机组的失步保护判断，向所述通信网络上传其失步判断结果，按照所述站域层失步保护元件的统一决策，执行相应的动作；

该方法具体包括以下步骤：

(1)将共母线并联运行机群作为整体等效成一等值机，由所述站域层失步元件监测共母线并联运行机群作为整体对外的测量阻抗轨迹，完成共母机群等值发电机与无穷大系统间失步与否的预判断；若判断失步则执行步骤(2)；若判断未失步则执行步骤(4)；

(2)所述就地层失步元件按共母机群失步模式，即在公式(1)的基础上调整失步保护特性，

X_Sdz＝n·X_S(1)

其中X_Sdz系统的等值阻抗；X_S为系统电抗从失步发电机组向线路侧视入；n为共母线并联运行机组台数，由当前运行状态决定，以便获取最有动作特性；

(3)再由就地层失步元件判断各发电机失步与否，若共母线所有发电机的就地层失步元件都判定为失步时，则最终判断共母机群失步；若不是共母线所有发电机的就地层失步元件都判定为失步，则执行步骤(4)；

(4)所述就地层失步保护元件都按照单机失步模式，即在公式(2)的基础上调整失步保护动作特性，然后由所述就地层失步元件对各台发电机是否失步进行判断；

$X_{Sdz}=X_S\left|\right|\frac{{X_d}^{\′}+X_T}{n-1}---\left(2\right)$

其中X_d’为发电机暂态电抗，X_T为主变压器阻抗；

(5)若发生单机失步，由所述就地层失步元件迅速切除失步机组，确保发电机组的安全以及电网的稳定运行；若发生所述共母机群失步，所述站域层保护根据失步的具体模式、综合决定保护决策。