CN109872021B - 一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法，包括：基于电磁暂态仿真方法，根据励磁调节器的控制模型框图搭建各型励磁调节器的模型库；根据发变组失磁保护的动作逻辑原理图搭建各型发变组失磁保护的动作逻辑模型库；基于电磁暂态仿真方法搭建电气一次系统仿真模型；根据实际需要评估的励磁调节器型号和发变组失磁保护型号，从步骤1搭建的模型库中选出相应模型和步骤2搭建的动作逻辑模型库及步骤3搭建的电气一次系统仿真模型构成低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型；基于低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型进行低励限制和失磁保护配合动态评估。本发明能够避免出现低励限制器动态调节过程中出现失磁保护误动的风险。

Description

一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法

技术领域

本发明属于电网安全防护技术领域，尤其涉及一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法。

背景技术

随着电网规模的扩张和电网复杂程度的提高，电网面临的安全稳定问题越发突出。合理设置发电机组涉网保护及控制参数，可以充分发挥水电、火电机群的动态调节能力，充分发挥机组支撑电网安全稳定运行的能力，提高电网的安全运行水平。

由于各种原因，在电网发生扰动时有可能出现发变组失磁保护先与励磁的低励限制器动作,低励限制器没能发挥其作用,机组跳闸导致电网电压的控制能力降低。为此电网管理部门在网源协调技术规范中明确规定励磁的低励限制器应先于发变组失磁保护动作。为了确保满足这项要求，相关技术人员开展了低励限制和失磁保护配合情况校验工作，一般采用校核保护定值和低励控制参数的方法，静态校验两者的配合关系。也有采用实际的发变组保护、励磁调节器和动模或数模(例如RTDS)构成仿真系统，动态校验两者的配合关系。

前一种方法采用比较失磁保护静稳圆和低励限制值得位置关系来静态校验两者的配合关系。但在电网扰动过程中，发电机进相导致低励限制器动作后，由于故障类型、低励限制器的控制参数、电网强弱等原因，在其动态调节的过程中，无功功率会在一段时间内出现一定幅度的超出限制值的情况，此时可能有失磁保护误动的风险(如中国专利CN201410019460，一种静态校核低励限制与失磁保护的配合整定方法)。现有技术并没有校验动态过程中保护和限制的配合情况；后一种方法虽然很接近实际情况，但成本高昂，需要RTDS数字仿真系统、实际的励磁调节器和发变组保护装置。需要在RTDS上搭建仿真模型，并和励磁调节器、发变组保护装置形成闭环控制测试系统，再按预定的试验项目进行测试校验，耗时较长，对技术人员的专业水平要求较高，不具备大规模实施的条件(如发电机组涉网保护与励磁控制协调配合研究，华北电力技术2017年第6期)。

发明内容

本发明的目的是提供一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法，针对具体的励磁调节器型号和发变组保护型号，在电磁暂态仿真软件中采用详细的基本元器件搭建仿真测试环境进行低励限制与失磁保护配合的动态评估，避免出现低励限制器动态调节过程中出现失磁保护误动的风险。

本发明提供了一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法，包括：

步骤1，基于电磁暂态仿真方法，根据励磁调节器的控制模型框图搭建各型励磁调节器的模型库；所述模型库包括机端电压控制主环的仿真模型、电力系统稳定器仿真模型、低励限制器的仿真模型；

步骤2，基于电磁暂态仿真方法，根据发变组失磁保护的动作逻辑原理图搭建各型发变组失磁保护的动作逻辑模型库；

步骤3，基于电磁暂态仿真方法搭建电气一次系统仿真模型；所述电气一次系统仿真模型包括由发电机模块、变压器模块、断路器模块、电压互感器模块、电流互感器模块、线路模块、负荷模块仿真得到的相应模型；

步骤4，根据实际需要评估的励磁调节器型号和发变组失磁保护型号，从步骤1搭建的模型库中选出相应模型和步骤2搭建的动作逻辑模型库及步骤3搭建的电气一次系统仿真模型构成低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型；

步骤5，基于低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型进行低励限制和失磁保护配合动态评估。

进一步地，所述步骤4包括：

所述发变组失磁保护的动作逻辑模型库中失磁保护模型的输入机端电压和电流信号由互感器的二次取得，失磁保护的动作出口信号控制断路器模型的开合状态。

进一步地，所述步骤4还包括：

所述励磁调节器的模型库中励磁调节器模型输入机端电压和电流信号由互感器的二次取得，输出控制信号接发电机转子。

进一步地，所述步骤5包括：

按照实际定值设置失磁保护，按照实际控制参数设置励磁调节器电压控制主环、电力系统稳定器、低励限制控制辅环的参数；

设置各仿真环节的初始值，设置仿真流程控制参数；

在不投入励磁低励限制功能的情况下，进行系统扰动仿真计算，调整扰动的大小，确保失磁保护出口动作，确定扰动量的大小；其中，所述扰动为电网电压升高或励磁调节器电压给定的降低；

投入励磁低励限制功能，做同等程度的扰动，若低励限制器有效发挥作用，失磁保护没有出口动作跳开关，判定低励限制和失磁保护配合满足要求；若失磁保护仍然出口动作跳开关，则调整低励限制器参数或失磁保护的参数后再进行上述仿真试验，直至满足要求，至此，完成低励限制和失磁保护配合动态评估工作。

进一步地，所述步骤2包括：

采用电磁暂态仿真方法设计失磁保护的阻抗测量元件，输入为机端三相电压和三相电流，按照阻抗计算公式算出机端测量阻抗Z1，跟据Xa、Xb、Xc计算出异步圆和静稳圆的圆心值Xoa和Xob，采用相量加减法计算以异步圆心和静稳圆心为基点的机端测量阻抗Zoa1，Zob1，计算相量Zoa1和Zob1的幅值，如果小于异步圆和静稳圆的半径则保护出口，经过延时后使断路器模块断开；其中，Xoa＝(Xa+Xb)/2；Xob＝(Xc+Xb)/2；Zoa1＝Z1-Xoa；Zob1＝Z1-Xob。

借由上述方案，通过低励限制和失磁保护动态配合评估方法，针对具体的励磁调节器型号和发变组保护型号，在电磁暂态仿真软件中采用详细的基本元器件搭建仿真测试环境进行低励限制与失磁保护配合的动态评估，能够避免出现低励限制器动态调节过程中出现失磁保护误动的风险。通过合理设置发变组失磁保护的定值和励磁调节器低励限制器的控制参数，可以充分发挥水电、火电机群的动态调节能力，充分发挥机组支撑电网安全稳定运行的能力，提高电网的安全运行水平。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法的流程图；

图2为本发明一实施例中低励限制仿真模型示意图；

图3为本发明一实施例中比例-积分型UEL控制环节示意图；

图4为本发明一实施例中领先-滞后型UEL控制环节示意图；

图5为本发明一实施例中阻抗动作特性示意图；

图6为本发明一实施例中电力系统仿真模型示意图；

图7为本发明一实施例中励磁系统电压控制主环仿真模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参图1所示，本实施例提供了一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法，包括：

步骤S1，基于电磁暂态仿真方法，根据励磁调节器的控制模型框图搭建各型励磁调节器的模型库。

目前主流的励磁调节器型号有unitrol6000、unitrol5000、EX2100、RCS-9410、NES5100、NES6100等。使用电磁暂态仿真软件提供的基本控制计算元件、例如比例单元、一阶滞后单元、超前滞后单元、高通竞比门、低通竞比门、加法器、乘法器等，根据厂家提供的控制模型框图搭建机端电压控制主环的仿真模型、电力系统稳定器仿真模型、低励限制器的仿真模型等

步骤S2，基于电磁暂态仿真方法，根据发变组失磁保护的动作逻辑原理图搭建各型发变组失磁保护的动作逻辑模型库。

目前主流的发变组保护型号有RCS985、DGT801、G60、WFB800、CSC300等。使用电磁暂态仿真软件提供的基本数学计算和逻辑单元、例如比例单元、一阶滞后单元、超前滞后单元、高通竞比门、低通竞比门、加法器、乘法器等，根据厂家提供的发变组失磁保护的动作逻辑原理图搭建保护的仿真计算模型(动作逻辑模型库)。

步骤S3，基于电磁暂态仿真方法搭建电气一次系统仿真模型。

使用电磁暂态仿真软件提供的同步发电机模块、原动机模块、变压器模块、断路器模块、电压互感器模块、电流互感器模块、线路模块、负荷模块等搭建电气系统一次仿真模型。

步骤S4，根据实际需要评估的励磁调节器型号和发变组失磁保护型号，从步骤S1搭建的模型库中选出相应模型和步骤S2搭建的动作逻辑模型库及步骤S3搭建的电气一次系统仿真模型构成低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型。

其中，失磁保护模型的输入机端电压和电流信号由互感器的二次取得，失磁保护的动作出口信号控制断路器模型的开合状态。励磁调节器模型输入机端电压和电流信号由互感器的二次取得，输出控制信号接发电机转子。

步骤S5，基于低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型进行低励限制和失磁保护配合动态评估。

按照实际定值设置失磁保护，按照实际控制参数设置励磁调节器电压控制主环、电力系统稳定器、低励限制控制辅环的参数。设置各仿真环节的初始值，设置仿真流程控制参数，首先不投入励磁低励限制功能，进行系统扰动仿真计算，扰动可以是电网电压升高或励磁调节器电压给定的降低等，调整扰动的大小，确保失磁保护出口动作，此时可以确定扰动量的大小。然后投入励磁低励限制功能，再做同等程度的扰动，如果低励限制器有效发挥作用，失磁保护没有出口动作跳开关，就可认为低励限制和失磁保护配合满足要求。如果失磁保护仍然出口动作跳开关，可通过调整低励限制器参数或失磁保护的参数后再进行上述仿真试验，直至满足要求。至此，完成低励限制和失磁保护配合动态评估工作。

该低励限制和失磁保护动态配合评估方法，针对具体的励磁调节器型号和发变组保护型号，在电磁暂态仿真软件中采用详细的基本元器件搭建仿真测试环境进行低励限制与失磁保护配合的动态评估，能够避免出现低励限制器动态调节过程中出现失磁保护误动的风险。通过合理设置发变组失磁保护的定值和励磁调节器低励限制器的控制参数，可以充分发挥水电、火电机群的动态调节能力，充分发挥机组支撑电网安全稳定运行的能力，提高电网的安全运行水平。

下面对本发明作进一步详细说明。

第一步搭建励磁系统仿真模型。使用电磁暂态仿真软件，例如PSCAD/EMTDC等所提供的比例单元、一阶滞后单元、超前滞后单元、逻辑单元、加法器、乘法器等按照某型号励磁调节器的说明书，搭建低励限制(UEL)的仿真模型如图2所示，左边第一模块为低励磁限制曲线，曲线斜率为K_U，以发电机的有功功率Pt、无功功率Qt以及机端电压Ut为输入量，输出量为UEL控制环节的控制量ΔS；第二个模块为UEL控制环节，本文主要分析研究常见的比例-积分型，如图3所示，和领先-滞后型，如图4所示。其中T_UEL1为UEL的超前时间常数，T_UEL2为UEL的滞后时间常数，K_UEL是UEL的放大倍数。

第二步搭建发变组失磁保护的仿真模型。失磁保护动作逻辑是发电机机端的测量阻抗在进入静稳圆或异步圆时，保护出口跳闸。以汽轮发电机为例，静稳极限阻抗圆、异步边界阻抗圆如图5所示(图中1为异步边界圆，2为汽轮发电机静稳极限圆)，其整定值为：

式中：X_con为发电机与系统间的联系电抗(包括升压变压器阻抗，系统处于最小运行方式)标幺值(以发电机额定容量为基准)；

X'_d、X_d分别为发电机暂态电抗和同步电抗(不饱和值)，标幺值；

U_N、S_N分别为发电机额定电压(kV)和额定视在功率(MVA)。

采用电磁暂态仿真软件的数学函数功能设计失磁保护的阻抗测量元件，输入为机端三相电压和三相电流，按照阻抗计算公式算出机端测量阻抗Z1，跟据Xa、Xb、Xc计算出异步圆和静稳圆的圆心值Xoa和Xob，采用相量加减法计算以异步圆心和静稳圆心为基点的机端测量阻抗Zoa1，Zob1，计算相量Zoa1和Zob1的幅值，如果小于异步圆和静稳圆的半径则保护出口，经过延时模块后使断路器模块断开。

Xoa＝(Xa+Xb)/2；Xob＝(Xc+Xb)/2；Zoa1＝Z1-Xoa；Zob1＝Z1-Xob。

第三步搭建电力系统仿真模型。从电磁暂态仿真软件的模型库中选择发电机模块、变压器模块、断路器模块、电压互感器模块、电流互感器模块、线路模块、负荷模块等搭建电气系统一次仿真模型，如图6所示。

其中，CB1、CB2、CB3、CB4、CB5为断路器模块，TC为电流互感器模块、TV为电压互感器模块、G为发电机模块、M为电动机模块、Z为阻抗负荷模块。

第四步搭建低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型。按照实际励磁调节器型号的电压控制主环的框图，搭建励磁调节器的电压控制主环的仿真模型，如图7所示，其中输入为发电机机端电压UT、电流测量信号IT(无功输入信号QT、有功输入信号PT，转速偏差信号Δω由电压UT和电流IT计算得出)，其输出Uf接到发电机模块的转子端。失磁保护的输入为发电机机端电压、电流测量信号，输出控制断路器的分合状态。

第五步进行低励限制和失磁保护配合动态评估。按照实际定值设置失磁保护，按照实际控制参数设置励磁调节器电压控制主环、电力系统稳定器、低励限制控制辅环的参数。设置各仿真环节的初始值，设置仿真流程控制参数，首先不投入励磁低励限制功能，进行系统扰动仿真计算，扰动为励磁调节器电压给定UTsetpoint的降低等，调整扰动的大小，确保失磁保护出口动作，此时可以确定扰动量的大小。然后投入励磁低励限制功能，再做同等程度的扰动，如果低励限制器有效发挥作用，失磁保护没有出口动作跳开关，就可认为低励限制和失磁保护配合满足要求。如果失磁保护仍然出口动作跳开关，可通过调整低励限制器参数或失磁保护的参数后再进行上述仿真试验，直至满足要求。至此，完成低励限制和失磁保护配合动态评估工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种低励限制和失磁保护动态配合评估方法，其特征在于，包括：

步骤1，基于电磁暂态仿真方法，根据励磁调节器的控制模型框图搭建各型励磁调节器的模型库；所述模型库包括机端电压控制主环的仿真模型、电力系统稳定器仿真模型、低励限制器的仿真模型；

步骤2，基于电磁暂态仿真方法，根据发变组失磁保护的动作逻辑原理图搭建各型发变组失磁保护的动作逻辑模型库；采用电磁暂态仿真方法设计失磁保护的阻抗测量元件，输入为机端三相电压和三相电流，按照阻抗计算公式算出机端测量阻抗Z1，根据Xa、Xb、Xc计算出异步圆和静稳圆的圆心值Xoa和Xob，采用相量加减法计算以异步圆心和静稳圆心为基点的机端测量阻抗Zoa1，Zob1，计算相量Zoa1和Zob1的幅值，如果小于异步圆和静稳圆的半径则保护出口，经过延时后使断路器模块断开；其中，Xoa＝(Xa+Xb)/2；

Xob＝(Xc+Xb)/2；Zoa1＝Z1-Xoa；Zob1＝Z1-Xob；

步骤3，基于电磁暂态仿真方法搭建电气一次系统仿真模型；所述电气一次系统仿真模型包括由发电机模块、变压器模块、断路器模块、电压互感器模块、电流互感器模块、线路模块、负荷模块仿真得到的相应模型；

步骤4，根据实际需要评估的励磁调节器型号和发变组失磁保护型号，从步骤1搭建的模型库中选出相应模型和步骤2搭建的动作逻辑模型库及步骤3搭建的电气一次系统仿真模型构成低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型；所述发变组失磁保护的动作逻辑模型库中失磁保护模型的输入机端电压和电流信号由互感器的二次取得，失磁保护的动作出口信号控制断路器模型的开合状态；所述励磁调节器的模型库中励磁调节器模型输入机端电压和电流信号由互感器的二次取得，输出控制信号接发电机转子；

步骤5，基于低励限制和失磁保护配合动态评估的仿真计算模型进行低励限制和失磁保护配合动态评估，包括：

按照实际定值设置失磁保护，按照实际控制参数设置励磁调节器电压控制主环、电力系统稳定器、低励限制控制辅环的参数；

设置各仿真环节的初始值，设置仿真流程控制参数；

在不投入励磁低励限制功能的情况下，进行系统扰动仿真计算，调整扰动的大小，确保失磁保护出口动作，确定扰动量的大小；其中，所述扰动为电网电压升高或励磁调节器电压给定的降低；

投入励磁低励限制功能，做同等程度的扰动，若低励限制器有效发挥作用，失磁保护没有出口动作跳开关，判定低励限制和失磁保护配合满足要求；若失磁保护仍然出口动作跳开关，则调整低励限制器参数或失磁保护的参数后再进行上述仿真试验，直至满足要求，至此，完成低励限制和失磁保护配合动态评估工作。