電廠發(fā)電機失步保護與自動化運維工作研究

晉控電力山西長治發(fā)電有限責任公司 景志偉

近年來我國大力推行清潔高效能源體系的建設，也實際建設并投入使用了一批高生產能力的火電、水電機組，取得了較高的生產比例。經過階段性的電力生產，大型機組對工作質量的提升作用逐漸被凸顯出來。大型機組所具有的穩(wěn)定、可靠技術優(yōu)勢，能夠穩(wěn)定輸出電源，保障電網安全性。電網運行環(huán)境較為繁復，發(fā)變機組運行對于安全保護工作的要求也較高。需在工作實踐中進一步提升對大型發(fā)電機的保護動作運維工作的水平，才能使發(fā)變組的實際工作能力滿足電網安全運行的高要求，提升系統(tǒng)與機組工作的安全協(xié)調穩(wěn)定性。

1 發(fā)電機保護與運行維護工作相關概述

電網在安全穩(wěn)定運行的過程中，依賴大型發(fā)電機作為支撐，可保證工作電源穩(wěn)定輸入。這也就意味著，提升發(fā)電機工作安全穩(wěn)定性對于提升電網系統(tǒng)維持性至關重要。與電網系統(tǒng)中基數(shù)較大的小容量機組對比，大型發(fā)電機的繞組結構呈現(xiàn)出很強的復雜性特征，同步電抗、繞組對地電容、電氣時間常數(shù)更高，慣性時間常數(shù)更低。因此，通常情況下大型發(fā)電機的過載能力就相對較弱，而電氣變化過程對安全運行裕度的要求會更高[1]。另一方面，當前社會發(fā)展階段下智能電網發(fā)展迅速，發(fā)展出能夠規(guī)模化接入風能、太陽能等間歇性電源的電力系統(tǒng)，并借助柔性輸電、直流輸電新型輸配電技術以及多樣化的運行方式，在各類社會生產生活中進行廣泛應用。

大型機組承擔著發(fā)電工作的主力職責，為保證發(fā)電效果和效率，應充分發(fā)揮出大型機組的靈活、堅強支撐的作用。而大型發(fā)電機電氣特性、外部電網環(huán)境，決定了發(fā)電機的實際工作的難度其實是較大的。為保證發(fā)電機的正常工作狀態(tài)，一般會采用繼電保護手段來進行安全防護。繼電保護是現(xiàn)階段復雜電網及大型機組環(huán)境下的安全防護需求，其開始逐漸應用自動化技術，將大大降低繼電保護工人的工作壓力，并為繼電系統(tǒng)保護工作增添準確的、穩(wěn)定的保障。當前階段電力企業(yè)為促進自身良好發(fā)展，正在逐漸將繼電保護的自動化技術應用到實際生產建設過程中。繼電保護工作在自動化技術中具體表現(xiàn)為智能化的管理模式，智能技術下的繼電保護工作能盡可能地降低人工控制的依賴，并能達到甚至超過人工控制下的工作質量。

2 傳統(tǒng)發(fā)電機失步振蕩保護動作不足

失步振蕩對發(fā)電機的正常工作會產生較大危害，對大型的發(fā)電機組更是如此。大型發(fā)電機組阻抗值大，一旦出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，振蕩中心的電壓將有大幅波動，顯著降低電質量。振蕩過程會給大型發(fā)電機帶來電動力、熱效應兩方面的損傷。大機組與電網間的振蕩整體呈現(xiàn)出復雜性的特征。若進行的機組切除動作不適合，可誘發(fā)電源缺失問題甚至加劇振蕩，破壞威脅電力系統(tǒng)工作狀態(tài)[2]。失步保護作為關鍵涉網保護，其動作特性、出口策略的要求也較高，應充分考慮并滿足發(fā)電機組、電網保護需求。大體量的互聯(lián)電網系統(tǒng)可能產生各種形式的發(fā)電機失步振蕩。因發(fā)電機的工作效果是借由多臺發(fā)電機相互作用最終呈現(xiàn)出來的，若干同調機群失步振蕩，機群內的多臺發(fā)電機組也保持了同步的動態(tài)特性。網絡、工況、擾動因素，都是會對同調機群數(shù)量、機群機組數(shù)量產生影響的。

對于單臺發(fā)電機而言，要對發(fā)電機失步振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)的情況進行簡化考量?？蓪⑵湟曌鳛楸緜?、對側電源間的振蕩反應。排除外界系統(tǒng)存在多個同調機群因素的前提下，從實質上說這種振蕩反應就是多頻失步，對側多個同調機群均歸為同一無窮大系統(tǒng)。如工作背景是多機系統(tǒng)，會導致本側電源主體產生差異[3]。

多個同調機群出現(xiàn)失步振蕩，典型模式的模式就是單臺發(fā)電機、對側無窮大系統(tǒng)間發(fā)生的失步振蕩，電網擾動引發(fā)的動穩(wěn)崩潰就會導致這種問題出現(xiàn)。一般而言，大型發(fā)電機會和同廠機組在同一母線并聯(lián)運行，發(fā)變組、同廠機組之間的電氣聯(lián)系十分密切。因此在發(fā)電機組真實工作中如多機出現(xiàn)對外失步，通常會呈現(xiàn)整體對外失步的狀況，且失步振蕩現(xiàn)象的發(fā)生時以共母線運行機組集群為單位的。此類失步情形被稱為母機群對外失步。圖1～2示意了發(fā)變組最常見的失步形式[4]。

圖1 單機對外失

圖2 共母機群對外失步

基于就地測量可開展傳統(tǒng)失步保護，將各個機組的整定值確定在相同的水平，在失步保護動作檢測保護下，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機與外部系統(tǒng)間出現(xiàn)失步振蕩且符合設定好的觸發(fā)條件，此時就會觸發(fā)動作出口口令，立即解決發(fā)變組內部的振蕩問題，快速跳閘處理。這樣的保護動作形式，并沒有體現(xiàn)出將發(fā)變組與其并聯(lián)運行機組的失步保護的配合工作觀念。如發(fā)生了以共母機群為單位的失步振蕩現(xiàn)象，則共母機群中的每個機組失步元件都會監(jiān)測到一致的阻抗軌跡，則運行的失步保護動作也是一致的。如對最極端的失步振蕩現(xiàn)象進行設想，就會發(fā)現(xiàn)如果共母機群中的每個機組都進行一致的保護動作，就需同時切除或同時拒動每個機組，又或既不跳閘也不發(fā)信，這樣都不利于電網的穩(wěn)定運行。

3 發(fā)變組失步保護動作實現(xiàn)處理方案

為不斷完善大型發(fā)電機失步保護方案、提升其合理性，應充分考慮到共母機群對外失步形式、單機對外失步形式間的差異。此外，應以現(xiàn)階段實際運行方式大小為參考依據(jù)，調整失步動作區(qū)域邊界，有助于完成后確定多機配合下的動作切機的工作。對不同失步形式和運行方式，得出更具確定性的失步判據(jù)，是第一步要完成的任務。前已述及，在面臨不同失步情形時傳統(tǒng)失步保護從單機視角出發(fā)，保護動作特性的局限性較為突出，僅修改整定值不能正確反應所有失步或非失步情況，僅對本機組的就地電氣量進行收集歸納，保護工作僅可對單臺發(fā)電機進行保護，各臺發(fā)電機之間的保護工作并未進行協(xié)同和配合[5]。

作為大型的發(fā)電機組而言，其所需的失步保護服務要求較高，需失步保護服務同時對同廠并聯(lián)運行的多臺機組保護。制定出科學合理的保護決策，需多臺機組和主變高壓側母線處的測量提供信息支撐，需要并聯(lián)運行機組信息。共母機群對外出現(xiàn)失步現(xiàn)象，保護動作出口指令將下達導各機組，保護動作進行時是在調度指令調控下的[6]。這樣看來要進一步提升對大型發(fā)變機組的失步保護效果，對保護工作實現(xiàn)方案的設計須借助高信息融合度、高交互度的繼電保護系統(tǒng)。而充分利用現(xiàn)階段快速發(fā)展的通信和網絡技術，就可很好地實現(xiàn)這一保護方案設計需求。

為改進發(fā)變機組的失步保護實際效果，可落實新型的發(fā)變機組保護方案。其中包含主變高壓側母線、單臺機組，并在這些部位加裝了失步保護判斷元件。這些失步保護判斷元件的作用，是提供出更加清晰的功能屬性、分布特征。大型發(fā)電機層次化失步保護物理架構分成了底層保護、站域層保護2層。就地層保護中包含了由多臺發(fā)電機就地保護裝置，同傳統(tǒng)保護裝置相比，就地層保護的信息來源更豐富。就地層可采集發(fā)電機就地測量量，可獲取站域層決策的失步動作區(qū)整定值信息和動作指令，以此為依據(jù)給出就地層保護的動作特性的調整信息，執(zhí)行出口動作；就地層保護可通過通信網絡將失步判斷結果傳遞給站域層。

站域層保護是在常規(guī)發(fā)電機工作機制的基礎上新增設的保護裝置。站域層保護可被設置在主變高壓側母線上，發(fā)揮失步保護判斷元件的作用，監(jiān)測共母機群作為整體向外的測量阻抗軌跡，可提前判斷共母機群等值發(fā)電機、無窮大系統(tǒng)有沒有出現(xiàn)失步振蕩現(xiàn)象；站域層保護部分作用是明確并聯(lián)機組的臺數(shù)，參照就地層和站域層失步元件反饋的結果辨識機組失步情況與形式，給出就地層失步元件的動作特性整定值并配合其執(zhí)行功能，對機組安全起到保護作用，避免有過高的電源損失。

4 未來發(fā)電機保護運行維護工作發(fā)展方向

在新的發(fā)展時期，傳統(tǒng)的發(fā)變組保護技術以及對應的技術逐漸與現(xiàn)階段的電力發(fā)展需求變得不相符。因此，在未來的工作任務中應著重展開發(fā)變組保護的自動化創(chuàng)新研究，提升發(fā)變組保護工作對自動化設備、技術的使用能力，為電力企業(yè)制定新的目標規(guī)劃，使企業(yè)更適合未來社會發(fā)展趨勢。

4.1 提升自動化研究中的先進技術水平

自動化的發(fā)電機保護及運行維護工作技術研究，在一定程度上依賴于創(chuàng)新性的技術發(fā)展。為此電力企業(yè)應從自身實際發(fā)展狀況出發(fā)，展望企業(yè)未來的發(fā)展規(guī)劃，細致規(guī)劃接下來在發(fā)電機保護及運維工作中應用的技術，充分考慮多方面影響因素。只有這樣才能讓電力系統(tǒng)中發(fā)電機保護及運維工作的水平得到提升，同電力企業(yè)未來發(fā)展方向更加的契合。

要想在發(fā)展的同時保證自動化技術處于領先水平，企業(yè)需要以自身研究成果為依托，大力引進國內外先進技術，并將這兩部分的內容進行融合，實行技術優(yōu)化與創(chuàng)新。新技術的研發(fā)和創(chuàng)新離不開相應的數(shù)據(jù)資料的記錄和分析的支持。在技術研發(fā)的過程中，數(shù)據(jù)記錄和管理工作，可為發(fā)電機保護及運維工作自動化的研究提供科學化的管理保障。電力企業(yè)應將技術應用的調查結果作為后續(xù)工作的有效參考，并在技術和管理方面改進發(fā)電機保護及運維工作組自動化技術的應用問題。

4.2 強化對發(fā)變組保護裝置的管理

對保護系統(tǒng)中的硬、軟件，開展高質量的管理工作，將有助于促進發(fā)變組保護中自動化技術的發(fā)展。一方面應加大經費投入，及時維修、更換老舊的裝置。合理投入維修經費，可借助網絡信息技術，來監(jiān)測自動化裝置的工作能力，及時發(fā)現(xiàn)裝置出現(xiàn)的問題。有利于提升裝置在自動化控制技術下的反應速度。

另一方面可擴大自動化技術在發(fā)變組保護中的應用范圍。發(fā)電機保護及運維工作所用到的自動化設備，可能缺少足夠大的適用范圍。在某些特殊的工作環(huán)境之下，自動化設備的運行可能被干擾作用所影響，實際運行效率下降。那么如果要想在接下來的工作中繼續(xù)推進發(fā)電機保護及運維工作的自動化發(fā)展，就需將工作所處環(huán)境納入到考慮的范疇中，選用環(huán)境適用性較強的自動化設備，維護自動化發(fā)電機保護、運維開展的穩(wěn)定性。另外電力企業(yè)也要在自身研究工作上投入較大的精力，研究如何提升自動化設備的適用性，讓自動化設備在各種環(huán)境條件下都能起到發(fā)電機保護及運維的作用。

5 結語

結合以上的分析內容，可見對發(fā)電機保護動作及運行維護工作展開深入研究，在實際工作中應用高質量的保護動作、并在未來提升對自動化發(fā)變組保護技術的應用能力，有利于維護電力系統(tǒng)的運行安全，為各類社會生產工作以及居民的日常生活安全、穩(wěn)定地輸送高質量電能，這對社會發(fā)展和社會和諧穩(wěn)定都可起到一定的保護和促進作用。