功率負(fù)荷平衡保護(hù)和零功率切機(jī)保護(hù)優(yōu)化的探討

朱青國(guó)，孫淑蓮

（1.浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 317109；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

功率負(fù)荷平衡保護(hù)和零功率切機(jī)保護(hù)優(yōu)化的探討

朱青國(guó)1，孫淑蓮2

（1.浙能臺(tái)州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺(tái)州 317109；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

針對(duì)幾起發(fā)電機(jī)功率負(fù)荷平衡保護(hù)和零功率切機(jī)保護(hù)的誤動(dòng)事件，分析零功率切機(jī)保護(hù)和功率負(fù)荷平衡保護(hù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出選用智能型功率變送器及零功率切機(jī)保護(hù)定值整定原則，并探討零功率切機(jī)保護(hù)和功率負(fù)荷平衡保護(hù)優(yōu)化應(yīng)用的新思路，提高保護(hù)運(yùn)行可靠性。

零功率切機(jī)；功率負(fù)荷平衡保護(hù)；智能變送器；整定

為防止電力輸送通道突然中斷故障，發(fā)電機(jī)KU（零功率切機(jī)裝置），已被廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠。另外，目前大型汽輪機(jī)組DEH（電液調(diào)節(jié)）控制系統(tǒng)一般配有PLU（功率負(fù)荷平衡保護(hù)），在檢測(cè)到發(fā)電機(jī)功率快速下降、突變到一定程度時(shí)，觸發(fā)保護(hù)性調(diào)節(jié)功能。零功率切機(jī)保護(hù)近幾年的運(yùn)行情況不甚理想，功率負(fù)荷平衡保護(hù)在區(qū)外系統(tǒng)故障的沖擊下也屢屢出現(xiàn)誤動(dòng)。

1 功率負(fù)荷平衡保護(hù)和零功率切機(jī)保護(hù)

功率負(fù)荷平衡保護(hù)在檢測(cè)到發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷量大于等于40%額定負(fù)荷，進(jìn)入汽輪機(jī)的熱負(fù)荷和發(fā)電機(jī)負(fù)荷之間的不平衡值大于等于40%額定負(fù)荷，并且發(fā)電機(jī)電流的減少值大于等于每10 ms 40%額定電流時(shí)，保護(hù)動(dòng)作快速關(guān)閉調(diào)閥，以便盡早抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升，通過(guò)該保護(hù)觸發(fā)DEH系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能，使汽輪機(jī)不跳閘。

零功率切機(jī)裝置是針對(duì)大型機(jī)組在雙回線線間故障或桿塔故障、輸出線路全部跳閘、對(duì)側(cè)變電站母線故障或全站停電等原因，造成發(fā)電廠輸電通道斷開(kāi)時(shí)，防止汽輪機(jī)超速進(jìn)行快速停機(jī)的保護(hù)裝置，利用純電氣量的變化特征構(gòu)成邏輯判據(jù)，動(dòng)作后，迅速切換廠用電并發(fā)電機(jī)滅磁，同時(shí)關(guān)閉汽輪機(jī)主汽門(mén)。

可以看出功率負(fù)荷平衡保護(hù)和零功率切機(jī)保護(hù)都屬于預(yù)超速保護(hù)，前者主要是用來(lái)提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能，快速關(guān)閉調(diào)閥，后者為保護(hù)熱力設(shè)備不受損壞而快速出口停機(jī)，功率負(fù)荷平衡保護(hù)應(yīng)先于零功率切機(jī)動(dòng)作。

2 功率負(fù)荷平衡保護(hù)和零功率切機(jī)保護(hù)異常運(yùn)行情況

例1：某發(fā)電廠受電側(cè)變電站一條線路發(fā)生瞬時(shí)單相接地故障跳閘，在單跳重合后，9號(hào)、10號(hào)機(jī)組PLU保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，最后導(dǎo)致2臺(tái)機(jī)組的程序逆功率動(dòng)作，分別跳開(kāi)220 kV開(kāi)關(guān)。檢查分析發(fā)現(xiàn)：電網(wǎng)系統(tǒng)故障的沖擊造成電氣功率突降并未達(dá)到PLU的動(dòng)作條件，只是功率變送器在系統(tǒng)故障狀態(tài)下輸入量存在非周期分量，變送器輸出發(fā)生突變而導(dǎo)致PLU誤動(dòng)的。

例2：某發(fā)電廠500 kV線路B相瞬時(shí)故障時(shí)，線路保護(hù)動(dòng)作后766 ms，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組零功率保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致3號(hào)、4號(hào)機(jī)組跳閘停機(jī)事故。分析原因是：汽輪機(jī)KU保護(hù)功率變送器測(cè)量失真，KU保護(hù)誤關(guān)汽機(jī)調(diào)門(mén)，造成發(fā)電機(jī)輸出功率下降，數(shù)百毫秒后，零功率切機(jī)誤判斷跳開(kāi)2臺(tái)660 MW機(jī)組。

例3：某發(fā)電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)正處并網(wǎng)升負(fù)荷階段，有功功率未到達(dá)零功率切機(jī)投入功率設(shè)定值工況下，系統(tǒng)發(fā)生B相接地故障，零功率切機(jī)保護(hù)誤動(dòng)切機(jī)。分析原因是：當(dāng)時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)發(fā)電機(jī)出力出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，零功率切機(jī)保護(hù)誤動(dòng)出口。

3 功率負(fù)荷平衡保護(hù)與零功率切機(jī)保護(hù)運(yùn)行中存在問(wèn)題

（1）功率負(fù)荷平衡保護(hù)的功率測(cè)量環(huán)節(jié)可靠性差。在系統(tǒng)故障等暫態(tài)工況下，用于測(cè)量發(fā)電機(jī)功率的測(cè)量級(jí)TA飽和、常規(guī)功率變送器輸出突變，導(dǎo)致功率負(fù)荷平衡保護(hù)誤動(dòng)。

（2）零功率切機(jī)邏輯判據(jù)存在漏洞，在系統(tǒng)故障時(shí)會(huì)誤動(dòng)出口，無(wú)法識(shí)別功率突降原因是汽輪機(jī)關(guān)閉調(diào)門(mén)還是輸電通道中斷。

（3）定值設(shè)定困難。零功率切機(jī)保護(hù)中電氣量變化受系統(tǒng)動(dòng)態(tài)影響較大，而且現(xiàn)行的繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則中也沒(méi)有這方面的內(nèi)容。

可以看出邏輯判據(jù)不完善、定值不合適，是造成零功率切機(jī)動(dòng)作正確率低的主要原因；功率負(fù)荷平衡保護(hù)邏輯設(shè)置過(guò)于簡(jiǎn)單，當(dāng)功率測(cè)量環(huán)節(jié)出問(wèn)題，保護(hù)立即誤動(dòng)出口。功率測(cè)量回路除了測(cè)量TA和功率變送器本身在區(qū)外故障大電流下無(wú)法正常工作外，常規(guī)功率變送器還存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力差、自檢功能和TA/TV斷線報(bào)警閉鎖功能不具備等問(wèn)題。

因此，有主張取消該保護(hù)，理由是該保護(hù)提高大電網(wǎng)穩(wěn)定的作用會(huì)越來(lái)越小。但隨著特高壓交直流線路的不斷投運(yùn)，特高壓線路故障引起功率潮流突變，系統(tǒng)短路故障引起的甩負(fù)荷，對(duì)作為特高壓網(wǎng)架中主要電源的大型汽輪發(fā)電機(jī)組提出了更高的承擔(dān)系統(tǒng)穩(wěn)定的要求。

4 功率負(fù)荷平衡保護(hù)優(yōu)化措施

目前較為常見(jiàn)方法是增加轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min的閉鎖條件作為防誤動(dòng)措施，這樣實(shí)際上功率平衡保護(hù)功能基本上被屏蔽了。因此應(yīng)該從改善功率信號(hào)采集系統(tǒng)，增加功率測(cè)量環(huán)節(jié)故障閉鎖功能入手，將常規(guī)功率變送器更換為一種智能功率變送器。

南瑞繼保PCS988P智能功率變送器可以同時(shí)采集TA的保護(hù)和測(cè)量電流，采用功率計(jì)算電流無(wú)縫切換技術(shù)，32微處理器和雙DSP的硬件結(jié)構(gòu)，多個(gè)處理器并行工作，將發(fā)電機(jī)功率實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換直流輸出。同時(shí)裝置具有自檢功能和TA/TV斷線報(bào)警功能，這大大提高了功率信號(hào)采集的正確性，能有效克服采用時(shí)分割乘法器的原理將交流電壓電流量轉(zhuǎn)換為4～20 mA輸出的常規(guī)功率變送器存在的缺陷。

某電科院對(duì)例2中B相瞬時(shí)性接地故障的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，觀察PCS988P功率變送器裝置的暫態(tài)輸出特性。測(cè)試結(jié)論是：功率變送器裝置暫態(tài)輸出功率變化趨勢(shì)與實(shí)際功率變化相同，實(shí)際功率變化時(shí)間為70 ms，功率變送器為80 ms，兩者基本接近，從現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，功率變送器能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)采集數(shù)據(jù)及測(cè)量級(jí)數(shù)據(jù)的無(wú)縫切換，且響應(yīng)時(shí)間為70 ms，相比于常規(guī)變送器200 ms響應(yīng)時(shí)間，大大改善了采集的實(shí)時(shí)性。

PCS988P功率變送器已應(yīng)用于多個(gè)發(fā)電廠中，第一臺(tái)投運(yùn)為2014年5月，到目前為止無(wú)不良動(dòng)作行為記錄。因此在功率測(cè)量環(huán)節(jié)可靠性提高的情況下，可以考慮取消轉(zhuǎn)速大于3 018 r/min的閉鎖條件或者適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速的閉鎖條件，轉(zhuǎn)速整定值可取大于正常運(yùn)行時(shí)最大轉(zhuǎn)速、不大于零功率切機(jī)保護(hù)中的轉(zhuǎn)速判據(jù)。

5 零功率切機(jī)裝置優(yōu)化措施

5.1 優(yōu)化邏輯判據(jù)

從上述誤動(dòng)案例可以看出，保護(hù)裝置存在的共性問(wèn)題是忽略了發(fā)生輸出通道中斷時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)迅速上升的特點(diǎn)，沒(méi)有利用發(fā)電機(jī)頻率突增這個(gè)電氣特征，動(dòng)作判據(jù)中沒(méi)有頻率判據(jù)，啟動(dòng)判據(jù)中頻率判據(jù)與電壓、電流判據(jù)是或門(mén)關(guān)系，以南瑞繼保RCS985UP裝置為例，改進(jìn)前邏輯如圖1，當(dāng)滿(mǎn)足電壓突增條件時(shí)，啟動(dòng)元件就能出口。

圖1 改進(jìn)前啟動(dòng)判據(jù)

因此為防止誤動(dòng)，改進(jìn)后邏輯在啟動(dòng)判據(jù)中增加1條發(fā)電機(jī)頻率大于50.2 Hz的判據(jù)，在電壓突增或電流突降的同時(shí)要滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)頻率大于50.2 Hz，這樣可以有效防止功率輸送通道未中斷時(shí),區(qū)外故障保護(hù)頻繁啟動(dòng)而誤動(dòng)出口，改進(jìn)后邏輯如圖2。

圖2 改進(jìn)后啟動(dòng)判據(jù)

對(duì)于啟動(dòng)判據(jù)中的電壓突增判據(jù)，定值較難設(shè)定，因?yàn)殡妷鹤兓拇笮〔粌H與當(dāng)時(shí)運(yùn)行機(jī)組的負(fù)荷有關(guān)，還取決于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的性能，如果勵(lì)磁調(diào)節(jié)過(guò)快或零功率切機(jī)出口時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都可能會(huì)造成零功率切機(jī)拒動(dòng)，因此改進(jìn)措施之二是在啟動(dòng)判據(jù)中增加了電流突降判據(jù)，可有效防止電壓突增不能正常啟動(dòng)時(shí)保護(hù)拒動(dòng)情況。

5.2 優(yōu)化零功率切機(jī)保護(hù)設(shè)定值

零功率切機(jī)保護(hù)裝置是由啟動(dòng)判據(jù)、動(dòng)作判據(jù)、閉鎖判據(jù)3部分組成。啟動(dòng)判據(jù)由電壓突增、電流突降、頻率突增、過(guò)頻和功率投入等元件組成；動(dòng)作判據(jù)由低功率、電流突降和低電流等元件構(gòu)成；閉鎖判據(jù)由正序電壓、負(fù)序電壓等元件構(gòu)成。下面以某發(fā)電廠2臺(tái)1 000 MW機(jī)組配置的南瑞繼保RCS985UP裝置為例介紹整定原則。

5.2.1 起動(dòng)判據(jù)的整定

（1）零功率切機(jī)保護(hù)投入功率Psef1整定依據(jù)。在機(jī)組輸出功率小于整定值時(shí)，機(jī)組即使發(fā)生功率突降，對(duì)熱力設(shè)備不構(gòu)成安全威脅，故該設(shè)定值應(yīng)小于調(diào)度低出力，可根據(jù)機(jī)組最小運(yùn)行出力，取30%～40%額定功率。

（2）電壓突增定值的整定依據(jù)。按機(jī)組帶最小功率時(shí)發(fā)生突降后，無(wú)功功率在發(fā)電機(jī)電抗和主變壓器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主變）電抗上的電壓消失，引起主變高壓側(cè)和發(fā)電機(jī)機(jī)端正序電壓的突升，考慮短時(shí)間發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器來(lái)不及反應(yīng)，設(shè)定值ΔUset可按電壓突增量有1.2～2.0倍靈敏度整定，建議發(fā)電機(jī)突增設(shè)定值按1.2倍靈敏度計(jì)算，主變突增量設(shè)定按1.5倍靈敏度計(jì)算。

（3）頻率突增定值的整定依據(jù)。頻率突增的大小與機(jī)組當(dāng)時(shí)運(yùn)行的負(fù)荷大小和機(jī)組的慣性常數(shù)有關(guān)。首先需要計(jì)算機(jī)組慣性常數(shù)M，再根據(jù)M計(jì)算機(jī)組在功率突降過(guò)程中頻率的突增值df/dt，考慮頻率在上升過(guò)程中調(diào)速系統(tǒng)的作用，頻率突增元件應(yīng)有較高的靈敏系數(shù)，則設(shè)定值（Δf/Δt）set可取3～4倍的靈敏系數(shù)。

（4）過(guò)頻定值。避開(kāi)電網(wǎng)周波波動(dòng)的影響，可取50.3 Hz。

5.2.2 動(dòng)作判據(jù)

（1）發(fā)電機(jī)正向低功率定值整定。應(yīng)大于發(fā)電機(jī)僅帶廠用電時(shí)最大功率，小于發(fā)電機(jī)最低出力。

（2）主變和發(fā)電機(jī)正序電流突降定值整定。電流的突變量是功率突降前的負(fù)荷電流Ifh在特定時(shí)間窗內(nèi)的變化量，按：計(jì)算，其中負(fù)荷電流按保護(hù)投入功率時(shí)對(duì)應(yīng)的主變高壓側(cè)和發(fā)電機(jī)機(jī)端電流計(jì)算，時(shí)間常數(shù)τ，與二次電纜長(zhǎng)度、截面、電流互感器剩磁有關(guān)，根據(jù)相關(guān)資料可取0.2，特定時(shí)間窗保護(hù)裝置固定為0.2 s。

（3）主變、發(fā)電機(jī)低電流定值：設(shè)定值按小于投入功率電流，大于高壓廠變最大負(fù)荷電流整定。

5.2.3 閉鎖判據(jù)

（1）正序電壓定值。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，零功率切機(jī)保護(hù)被閉鎖，按躲開(kāi)正常運(yùn)行時(shí)最低電壓整定，取80%～85%額定電壓。

（2）負(fù)序電壓閉鎖定值。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，零功率切機(jī)保護(hù)被閉鎖，按躲開(kāi)正常運(yùn)行最大負(fù)序電壓整定，一般取0.06～0.08Un。

5.2.4 出口時(shí)間和出口方式

出口時(shí)間可取0.05～0.1 s，出口方式為跳開(kāi)主變高中壓側(cè)斷路器并閉鎖合閘，滅磁、關(guān)主氣門(mén)、啟動(dòng)快切裝置。

6 零功率切機(jī)保護(hù)與功率負(fù)荷平衡保護(hù)的進(jìn)一步優(yōu)化

南瑞繼保PCS988P發(fā)電機(jī)功率變送器裝置的開(kāi)發(fā)平臺(tái)UAPC與微機(jī)保護(hù)裝置通用，采用的硬件結(jié)構(gòu)、采集的電氣量與微機(jī)型零功率切機(jī)保護(hù)完全相同，目前微機(jī)保護(hù)的軟/硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，具有靈活配置、易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，因此設(shè)想在零功率切機(jī)保護(hù)裝置上稍加改動(dòng)，增加功率直流輸出功能，功率負(fù)荷平衡保護(hù)的功率采集任務(wù)由零功率切機(jī)保護(hù)裝置來(lái)完成，這樣可以取消功率變送器，減少現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備，又可以降低TA和TV的二次負(fù)載，而且簡(jiǎn)化了二次回路。

進(jìn)一步設(shè)想，如果DEH系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)表征汽輪機(jī)熱負(fù)荷的模擬量輸出，將該模擬量送入零功率切機(jī)保護(hù)裝置中，那么零功率切機(jī)保護(hù)可以替代功率負(fù)荷平衡保護(hù)，微機(jī)型零功率切機(jī)保護(hù)裝置的采樣周期、計(jì)算速度、抗干擾性等都大大優(yōu)于原功率負(fù)荷平衡保護(hù)，特別是對(duì)于裝置故障自檢、斷線閉鎖、系統(tǒng)振蕩判別保護(hù)裝置都已有非常成熟的判據(jù)，相對(duì)于原功率變送器和功率負(fù)荷平衡保護(hù)要完善得多，大大降低誤動(dòng)幾率。對(duì)于允許孤島運(yùn)行的機(jī)組在發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷后可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)功能與關(guān)閉主汽門(mén)功能的配合，保護(hù)裝置一時(shí)限出口調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的調(diào)門(mén)，二時(shí)限出口關(guān)閉主汽門(mén)。

7 結(jié)語(yǔ)

功率負(fù)荷平衡保護(hù)和零功率切機(jī)保護(hù)的誤動(dòng)，往往造成幾臺(tái)機(jī)組同時(shí)切除，因此提高其運(yùn)行可靠性顯得尤為重要。目前，各制造廠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況，在不斷完善零功率切機(jī)保護(hù)的判據(jù)，智能變送器也在近幾年陸續(xù)有制造廠研發(fā)并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。按本文提出的零功率切機(jī)保護(hù)的整定原則整定的保護(hù)裝置，在某發(fā)電廠 1號(hào)、2號(hào)機(jī)組50%和100%4次甩負(fù)荷試驗(yàn)中進(jìn)行考驗(yàn)，均能正確動(dòng)作，但還需在運(yùn)行中經(jīng)受進(jìn)一步的考驗(yàn)。

[1]邵夢(mèng)橋，張建俠.發(fā)電機(jī)零功率保護(hù)切機(jī)邏輯研究[J].貴州電力技術(shù)，2015（1）∶62-64.

[2]周傅峻，林彤.500 kV系統(tǒng)單相瞬時(shí)故障引起2臺(tái)機(jī)組跳閘的原因分析[J].浙江電力，2014（10）∶28-31.

[3]兀鵬越，安欣，伍剛，等.電氣零功率保護(hù)改善汽機(jī)超速保護(hù)性能探討[C]//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)，2013.

（本文編輯：楊 勇）

Discussion on Optimization of Power Load Unbalance Protection and Zero-power Tripping Protection

ZHU Qingguo1，SUN Shulian2

（1.Zhejiang Zheneng Taizhou Second Power Generation Co.，Ltd.，Taizhou Zhejiang 317109，China；2.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

Aiming at several misoperation incidents of power load unbalance protection and zero-power tripping protection of generator，the paper analyzes the problems in their application and puts selection of intelligent power transmitter and setting principle of zero-power tripping protection；besides，it discusses a new idea for application optimization of zero-power tripping protection and power load unbalance protection.

zero-power tripping；power load unbalance protection；intelligent transmitter；setting

TM773

B

1007-1881（2016）08-0056-04

2016-07-08

朱青國(guó)（1968），男，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠管理及技術(shù)工作。