發(fā)電機組涉網(wǎng)保護與限制配合的自動校核

宋 瑋，劉桂林，吳國旸，宋新立，劉燕嘉

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇 南京 210019；3.中國電力科學研究院，北京 100192）

0 引言

電力體制改革改變了過去垂直一體化的管理模式，使得發(fā)電側的獨立性和自由性大為增加。由于現(xiàn)場人員工作任務較重或理論水平欠缺，發(fā)電機組涉網(wǎng)保護與限制的定值參數(shù)通常委托調(diào)試單位和控制系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家自行選擇和設置，有的甚至使用基建部門的調(diào)試定值。由于沒有電力系統(tǒng)分析和運行控制人員的參與，發(fā)電機組涉網(wǎng)保護與限制缺乏和實際電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)。為了加強網(wǎng)源協(xié)調(diào)，提升抗風險能力，防止涉網(wǎng)保護與限制拒動和誤動，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行以及減小故障破壞范圍，需要加強電廠的涉網(wǎng)保護與限制整定值校核和管理工作。

涉網(wǎng)保護與限制是指在發(fā)電機組的繼電保護和勵磁限制中，動作行為和參數(shù)設置與電網(wǎng)運行方式相關，或需要與電網(wǎng)中安全自動裝置相協(xié)調(diào)的部分，主要包括發(fā)電機組過勵保護、失磁保護、過激磁保護和過勵限制、低勵限制、V/Hz限制等。涉網(wǎng)保護與限制之間的協(xié)調(diào)配合是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關鍵因素之一。近年來發(fā)生的多起大停電事故大都源于涉網(wǎng)保護與限制的協(xié)調(diào)配合問題[1-6]。

國內(nèi)外學者對該課題已經(jīng)做了大量的工作[7-18]。文獻[7]對發(fā)電機組失磁保護與低勵限制之間配合整定的不合理問題進行了深入分析，并考慮了進相運行的影響，指出低勵限制的整定只需與靜態(tài)穩(wěn)定圓配合，并針對某一具體電廠提出一套計算方案。文獻[8]針對低勵限制與失磁保護不合理的問題，提出了一套工程使用的方法以及工程應用注意事項，對現(xiàn)場應用具有重要的參考價值。文獻[9-10]指出了部分國產(chǎn)失磁保護反向無功判據(jù)存在的問題，并利用機組進相試驗進行了進一步的分析。文獻[9，11]比較了不同低勵限制器的特點，提出了整定校核的方法和低勵限制曲線設置原則，在工程實際中設置低勵限制功能時具有重要作用。文獻[12-13]論述了進相時失磁保護低電壓判據(jù)的設定及失磁保護與低勵限制的配合整定。文獻[14]研究了低勵限制與失磁保護之間的配合關系，探討了造成兩者配合不協(xié)調(diào)的可能原因。文獻[15]提出了在線校核評估繼電保護的方法，為實現(xiàn)繼電保護自動化打下了基礎，對實現(xiàn)自動化校核繼電保護具有引導作用。文獻[16-17]對發(fā)電機和勵磁機頂值電流瞬時值和過勵反時限限制提出了要求，對勵磁系統(tǒng)中過勵限制與轉子過負荷保護的整定配合進行了研究分析，確定了勵磁變保護與定子過流限制之間的配合關系，為電氣專業(yè)人員設計、整定工作提供了參考。文獻[18-19]分析了發(fā)電機過激磁保護誤動作的原因，提出了一種通過拋物線線性插值方法和有效值概念實現(xiàn)反時限過激磁保護功能的方法，該方法與系統(tǒng)頻率無關，不受諧波和直流分量影響，計算精度較高。

總體而言，目前國內(nèi)外對涉網(wǎng)保護配合關系的研究大都專注于研究某種具體的配合關系，或是針對某臺具體機組進行研究，而在大規(guī)模電力系統(tǒng)全網(wǎng)機組的涉網(wǎng)保護與限制配合關系的自動校核方面，尚缺乏有效的解決方法。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益增大，傳統(tǒng)的校核方式均不能快速實現(xiàn)對一個區(qū)域電網(wǎng)中所有機組涉網(wǎng)保護與限制之間的配合關系進行自動校核。本文基于發(fā)電機組涉網(wǎng)保護與限制之間配合整定的校核原則和方法，開發(fā)了一套能夠適用于發(fā)電機組涉網(wǎng)保護與限制自動校核的軟件，實現(xiàn)了大規(guī)模電網(wǎng)低勵限制與失磁保護，過勵限制、過勵保護與轉子過負荷保護，V/Hz限制與過激磁保護之間配合關系的自動校核。

1 涉網(wǎng)保護與限制協(xié)調(diào)配合校核原理

發(fā)電機組涉網(wǎng)保護和限制間的協(xié)調(diào)配合主要包括低勵限制與失磁保護之間的協(xié)調(diào)配合，過勵限制、過勵保護與轉子過負荷保護之間的協(xié)調(diào)配合，V/Hz限制與過激磁保護之間的協(xié)調(diào)配合關系。下面簡要分析這些涉網(wǎng)保護與限制配合關系的校核原理。

1.1 低勵限制和失磁保護的協(xié)調(diào)配合

低勵限制檢測到機組勵磁水平降低到動作值時，即產(chǎn)生控制作用增大勵磁使機組運行點回到運行范圍，提高機組和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[11]。低勵限制線的設置通常依據(jù)發(fā)電機組進相試驗的結果，在功率坐標系中進行整定，同時注意不能束縛發(fā)電機組的進相運行能力。

失磁保護是在發(fā)電機勵磁突然消失或部分失磁時，采取減出力、滅磁解列或跳閘等方式確保機組本身安全。失磁保護的動作依據(jù)是發(fā)電機的熱穩(wěn)定性和靜態(tài)穩(wěn)定極限等條件，通常在阻抗坐標系中整定。

發(fā)電機組低勵限制應與失磁保護協(xié)調(diào)配合，在任何擾動下的低勵限制靈敏度應高于失磁保護，先于失磁保護動作。

為了正確校核低勵限制與失磁保護的整定配合關系，需要進行功率平面和阻抗平面之間的轉換，例如將失磁保護動作曲線轉換至功率平面，以便與低勵限制擬合曲線比對。如果在阻抗平面上低勵限制擬合曲線上任一點均在失磁保護動作圓之外，或者在功率平面上低勵限制擬合曲線任一點均在失磁保護動作圓對應第四象限的那段弧上，則表明兩者配合關系合理；否則配合存在問題。圖1給出了在阻抗平面上低勵限制與失磁保護之間合理的配合關系示意圖，圖2給出了在功率平面上低勵限制擬合曲線為折線時合理的配合關示意圖。

圖1 R-X平面中涉網(wǎng)保護和限制的正確配合關系Fig.1 Proper coordination relationship between grid-related unit protection and limiter on R-X plane

圖2 P-Q平面中涉網(wǎng)保護和限制的正確配合關系Fig.2 Proper coordination relationship between grid-related unit protection and limiter on P-Q plane

1.2 過勵限制、過勵保護和轉子過負荷保護的協(xié)調(diào)配合

正確的勵磁系統(tǒng)過勵限制和過勵保護可以在保證機組安全運行的前提下最大限度地發(fā)揮機組的作用，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定裕度；發(fā)電機轉子過負荷保護特性則與機組轉子過電流特性一致。正常情況下，過勵限制、過勵保護和發(fā)電機轉子過負荷保護之間應留有級差[16]。

由于過勵限制、過勵保護和轉子過負荷保護的定值參數(shù)均根據(jù)轉子熱效應整定，因此，可在時域平面上擬合這些限制和保護的動作特性曲線，并判別轉子過負荷保護曲線上任一點是否均位于過勵保護曲線之上，過勵保護曲線上任一點是否均位于過勵限制曲線之上。換言之，過勵限制應先于過勵保護動作，過勵保護應先于轉子過負荷保護動作。

1.3 V/Hz限制和過激磁保護的協(xié)調(diào)配合

V/Hz限制通過自動裝置限制鐵芯磁通繼續(xù)增加，過激磁保護通過切機操作阻止過激磁現(xiàn)象繼續(xù)惡化。V/Hz限制與過激磁保護根據(jù)磁通密度限制發(fā)電機過激磁運行，兩者定值參數(shù)對應同一時域平面。故可在時域平面擬合V/Hz限制和過激磁保護動作特性曲線。V/Hz限制應與過激磁保護協(xié)調(diào)配合，V/Hz限制動作特性應與發(fā)變組中發(fā)電機或變壓器過勵磁特性較弱者相匹配；V/Hz限制的靈敏度應高于失磁保護，其先于過激磁保護動作，即在時域平面上過激磁保護曲線應在V/Hz限制動作特性曲線之上。

2 自動校核軟件的開發(fā)

為了實現(xiàn)機組涉網(wǎng)保護與限制之間配合關系的自動校核，首先需要獲取電網(wǎng)的拓撲結構、機組模型參數(shù)和運行參數(shù)，形成基礎的計算數(shù)據(jù)；并搜索電網(wǎng)中的發(fā)電機組，自動建立機組涉網(wǎng)保護、限制索引信息和定值參數(shù)模型；然后根據(jù)配合原則逐一對全網(wǎng)機組的配合關系進行自動校核；最后匯總分析得到校核評估結果。下面詳細介紹涉網(wǎng)保護與限制自動校核的實現(xiàn)方法。

2.1 基礎計算數(shù)據(jù)的形成

在國家電網(wǎng)智能電網(wǎng)調(diào)度技術支持系統(tǒng)D5000中，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)通過遠方數(shù)據(jù)終端采集現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，然后對其進行狀態(tài)估計，形成中間數(shù)據(jù)文件，最后通過數(shù)據(jù)整合將中間數(shù)據(jù)轉化成計算所需的PSASP或BPA格式數(shù)據(jù)。

2.2 索引信息建模

由于電網(wǎng)中機組數(shù)目龐大，涉網(wǎng)保護和限制的關系復雜，直接逐一校核較為困難。本文根據(jù)分層分解的原則將整個電網(wǎng)分解成發(fā)電廠、機組、涉網(wǎng)保護和限制3個層級，各個層級之間的關系如圖3所示。通過層級建模，可以方便、準確地索引到每個保護和限制模型，進行相應的信息存儲和查詢。其中，發(fā)電廠可通過電廠名稱及電廠ID編號唯一確定，發(fā)電機則可通過機組名稱、基準電壓和機組ID編號進行索引。

圖3 發(fā)電機組涉網(wǎng)保護和限制的層級結構圖Fig.3 Hierarchical structure of grid-related unit protection and limiter

2.3 定值表建模

定值是描述保護動作特性的重要參數(shù)，通常以定值表的形式存在。為了實現(xiàn)對全網(wǎng)機組涉網(wǎng)保護與限制的自動校核，需要為每個校核對象建立相應的定值表。定值表模型由保護對象索引信息和定值參數(shù)兩部分組成，其中索引信息用于確定校核對象位置。索引信息和定值參數(shù)共同構成了涉網(wǎng)保護和限制模型與相應定值之間的關聯(lián)映射。表1以失磁保護為例給出了定值表的結構，其中每個定值信息項包含了定值序號、定值名稱、數(shù)據(jù)類型、長度和單位。

表1 失磁保護的定值表格式Table 1 Format of setting table for excitation-loss protection

2.4 校核類型表建模

為了實現(xiàn)自動校核，需要對相應的校核操作進行規(guī)范。表2為相應校核類型的數(shù)據(jù)格式，其中，每行數(shù)據(jù)均表示一個校核操作，包括校核類型和待校核對象；Tune1、Tune2、Tune3 分別表示 3 種配合關系類型。校核類型定義了要實現(xiàn)的校核功能，待校核對象則由索引信息（即電廠名稱、電廠ID、機組名稱、基準電壓、機組ID、保護編號）確定，并通過索引信息實現(xiàn)與定值表的關聯(lián)映射。

表2 校核類型表示例Table 2 Example of check-type table

2.5 自動校核實現(xiàn)流程

自動校核軟件功能結構見圖4。其中，數(shù)據(jù)輸入模塊根據(jù)涉網(wǎng)保護與限制整定值形成定值表，并將定時或在指定時間采集的基礎潮流和保護整定值數(shù)據(jù)經(jīng)D5000狀態(tài)估計以及格式轉換，形成PSASP或BPA格式數(shù)據(jù)。通過機組搜索并統(tǒng)計全網(wǎng)的涉網(wǎng)保護和限制，然后根據(jù)校核類型確定要實現(xiàn)的校核功能。最后，根據(jù)輸出評價信息可方便地統(tǒng)計出全網(wǎng)機組涉網(wǎng)保護與限制的配合狀況。圖5為涉網(wǎng)保護與限制之間配合關系自動校核的詳細流程。

圖4 軟件的系統(tǒng)功能結構圖Fig.4 Functional structure of software system

2.6 人機交互界面

人機交互界面的主要功能為電廠選擇、機組選擇、自動校核選擇、圖形化展示校核結果和清空等。按重要性原則、功能分組原則、分層結構原則設計，可將信息直接反饋給客戶。在人機交互界面中，配合關系校核功能按鈕采用下拉式菜單，設低勵限制與失磁保護、過勵限制與過勵保護、V/Hz限制與過激磁保護3種自動校核功能；電廠、機組、保護和限制選擇功能按鈕可按圖3的層級結構分別列出具體內(nèi)容。

3 算例分析

以某電力系統(tǒng)為例進行算例分析。由于不同機組的校核方法是一樣的，下面僅以該電力系統(tǒng)中某電廠的機組低勵限制與失磁保護之間的配合以及V/Hz限制與過激磁保護之間的配合為例來說明。2臺機組的型號參數(shù)均一致，具體為：額定容量SN=412 MV·A，功率因數(shù) cos φ=0.85（滯后），機端額定電壓UN=24 kV，額定電流IN=9905.5 A，額定轉速nN=3000 r/min。靜態(tài)穩(wěn)定極限圓整定阻抗x1A=2.36 Ω、x1B=-29.49 Ω；低勵限制采用折線型判據(jù)，1號機組低勵限制曲線（0，-82.4）、（123.6，-82.4）、（267.5，-61.8）、（412，0），2 號機組低勵限制曲線（0，-82.4）、（82.4，-82.4）、（247.2，-61.8）、（350.2，0）。 此外，2 臺機組的V/Hz限制和過激磁保護均采用相同的反時限動作特性原理。

圖5 涉網(wǎng)保護與限制之間配合的自動校核流程圖Fig.5 Flowchart of automatic check of coordination between grid-related unit protection and limiter

將失磁保護阻抗圓轉移到功率平面上與低勵限制動作曲線進行比較，在作圖區(qū)畫出兩者在功率平面上的比較曲線，如圖6所示，圖中P、Q均為標幺值?？梢?，低勵限制曲線在失磁保護圓之上，兩者的整定配合關系滿足低勵限制與失磁保護的配合原則，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行能夠發(fā)揮積極作用。

V/Hz限制與過激磁保護整定值均是在時域平面，在作圖區(qū)可畫出兩者動作特性在時域平面上的比較曲線，如圖7所示?？梢?，V/Hz限制動作特性與過激磁保護保護動作特性相重合，不滿足電網(wǎng)運行要求V/Hz限制靈敏度高于過激磁保護的原則，這種情況將會給電網(wǎng)運行帶來安全隱患。

圖6 低勵限制與失磁保護的配合關系Fig.6 Coordination relationship between low-excitation limiter and excitation-loss protection

圖7 V/Hz限制與過激磁保護的配合關系Fig.7 Coordination relationship between V/Hz limiter and over-excitation protection

4 結論

本文探討了發(fā)電機組涉網(wǎng)保護與限制之間協(xié)調(diào)配合關系的原則，并基于全過程仿真程序開發(fā)了發(fā)電機組涉網(wǎng)保護與限制的自動校核軟件，解決了現(xiàn)有仿真程序中缺少發(fā)電機組勵磁限制和涉網(wǎng)保護自動校核功能的問題，可為發(fā)電機組涉網(wǎng)保護與限制的整定和優(yōu)化提供參考。