曹 媛

(河北農(nóng)業(yè)大學,河北 保定 071001)

大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)下發(fā)電機過勵磁限制與勵磁繞組過負荷保護的配合研究

曹 媛

(河北農(nóng)業(yè)大學,河北 保定 071001)

闡述發(fā)電機組過勵磁限制與勵磁繞組過負荷配合失當造成大電網(wǎng)事故的案例,分析勵磁繞組過負荷保護和過勵限制反時限特性配合關系。利用電網(wǎng)穩(wěn)定計算結(jié)果找出失去配合的機組,給出一種優(yōu)化的配合方式,對優(yōu)化前后機組勵磁電流和系統(tǒng)電壓情況進行計算比較,證明了優(yōu)化方案的有效性。

發(fā)電機;過勵限制;勵磁繞組過負荷保護;無功電壓

0 引言

隨著我國大規(guī)模超/特高壓交直流互聯(lián)電網(wǎng)的快速發(fā)展,各種電力系統(tǒng)新設備和新技術(shù)不斷投產(chǎn)和應用,系統(tǒng)的動態(tài)行為變得更加復雜,這使得發(fā)生在暫態(tài)過程之后的中長期動態(tài)穩(wěn)定問題日趨突出并逐步受到電力系統(tǒng)研究人員的高度重視。

以1996年8月10日美國大停電為例,過勵磁限制/保護配合問題是造成事故發(fā)生的根本原因[1]。該事件中初期,麥克耐瑞所在網(wǎng)區(qū)內(nèi)一些重要線路開斷造成此區(qū)域電壓較低,電廠通過自動勵磁控制提供盡可能大的無功功率,使電壓恢復,此時轉(zhuǎn)子電流由于強勵等持續(xù)升高,超過允許發(fā)熱量,而這些發(fā)電機勵磁系統(tǒng)過勵限制/保護、發(fā)電機轉(zhuǎn)子過流保護設計、配合不當,過勵限制在沒有將勵磁電流降到安全值之前,過勵保護誤動將13臺發(fā)電機切除。

1 過負荷保護與過勵限制的反時限配合關系

發(fā)電機本身的轉(zhuǎn)子過負荷保護按照轉(zhuǎn)子熱特性來整定配置,如果AVR過勵限制整定與轉(zhuǎn)子熱特性不匹配,過勵限制動作特性曲線將與轉(zhuǎn)子熱特性曲線及轉(zhuǎn)子過負荷保護曲線存在交叉,則頂值勵磁電流持續(xù)時間要小于轉(zhuǎn)子繞組許可時間,限制發(fā)電機發(fā)揮作用,不利于系統(tǒng)穩(wěn)定;低倍數(shù)勵磁電流持續(xù)時間遠大于轉(zhuǎn)子繞組許可時間,不利于轉(zhuǎn)子繞組的安全。若發(fā)電機配備轉(zhuǎn)子過負荷保護,則在低過勵倍數(shù)情況下發(fā)電機轉(zhuǎn)子過負荷保護將搶先動作,跳開發(fā)電機組,使系統(tǒng)在緊急情況下失去發(fā)電機有功功率和無功出力支撐,加劇系統(tǒng)工況惡化程度[2]。

過勵限制器等效發(fā)熱反時限特性如式下:式中:B為發(fā)電機組過勵限制熱容量限值;If為轉(zhuǎn)子勵磁電流與轉(zhuǎn)子額定電流之比;t為過勵磁限制時間。

當按照強勵倍數(shù)(Ifset)和強勵時間(tset)按照2倍10 s整定時,即把t=10、If=2代入式(1)反推得到:過勵限制熱容量定值B=28.975。

根據(jù)DL/T 1309-2013《大型發(fā)電機組涉網(wǎng)保護技術(shù)規(guī)范》[3]規(guī)定,發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組應具有不低于下式規(guī)定的過負荷能力:

式中:33.75為轉(zhuǎn)子繞組過熱常數(shù),Ifd為以額定勵磁電流Ifn為基準的勵磁電流標幺值,t為勵磁電流Ifd對應的允許持續(xù)時間。

根據(jù)式(2),可以得出轉(zhuǎn)子過負荷保護反時限特性:

對比式(1)和式(3)2個反時限特性,兩者選取的轉(zhuǎn)子繞組過熱常數(shù)不相等,長期允許的勵磁電流倍數(shù)不同。雖然轉(zhuǎn)子過負荷保護的過熱時間常數(shù)相對大,但選用的長期允許勵磁電流倍數(shù)小,故難以保證動作時間長于過勵限制的時間。

2 大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)中長期穩(wěn)定水平的涉網(wǎng)保護分析

針對現(xiàn)行發(fā)電機過勵限制/過負荷保護動作特性存在的問題及對互聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來的隱患,應該在保證機組安全基礎上盡量發(fā)揮發(fā)電機電壓支撐作用,修正涉網(wǎng)保護整定方法[4-6]。通過故障仿真分析驗證可有效解決現(xiàn)行保護整定存在的缺陷,提高互聯(lián)電網(wǎng)中長期安全穩(wěn)定運行水平。方法步驟如下:

a.建立包含發(fā)電機過勵限制/保護模型的大電網(wǎng)全過程仿真分析數(shù)據(jù)模型。

b.建立研究區(qū)域電網(wǎng)故障分析故障集。

c.通過仿真分析選出相應故障后電網(wǎng)內(nèi)處于過勵狀態(tài)的發(fā)電機組。

d.分析現(xiàn)有發(fā)電機過勵限制/過負荷保護模型存在的問題及對電網(wǎng)中長期穩(wěn)定的影響。

e.分析不同發(fā)電機過勵限制/過負荷保護模型整定參數(shù)對失配區(qū)間的影響。

f.提出發(fā)電機過勵限制/過負荷保護整定配合修正方法。

g.驗證整定配合合理的發(fā)電機過勵限制/保護特性對提高電網(wǎng)中長期穩(wěn)定水平的有效性。

2.1 建模仿真分析

建立大規(guī)模互聯(lián)電網(wǎng)包含發(fā)電機過勵限制/保護模型的全過程仿真分析數(shù)據(jù)模型,包含勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù),過勵磁限制裝置參數(shù)和轉(zhuǎn)子過負荷保護模型參數(shù)的發(fā)電機動態(tài)模型。建立計及過勵限制和轉(zhuǎn)子保護動作的電力系統(tǒng)全過程動態(tài)仿真(FDS)程序數(shù)據(jù)模型。

使用所建立的仿真程序模型,對所要研究的電網(wǎng)區(qū)域做較大擾動故障,并篩選出能夠使研究區(qū)域內(nèi)發(fā)電機進入過勵磁狀態(tài)的故障作為仿真算例對涉網(wǎng)保護參數(shù)整定進行研究。

將確定的故障進行全過程仿真分析,篩選出對應故障情況下處于過勵狀態(tài)下的發(fā)電機組。以下以河北省南部電網(wǎng)為例,在銀東直流雙極閉鎖故障條件下篩選出過勵倍數(shù)超過過勵限制/轉(zhuǎn)子過負荷保護動作門檻值(1.05)的機組。故障后研究區(qū)域內(nèi)發(fā)電機勵磁電流倍數(shù)如表1所示。其中超過過勵限制動作門檻值的機組為衡水G3、G4。

表1 故障后研究區(qū)域內(nèi)發(fā)電機過勵倍數(shù)

2.2 整定參數(shù)對失配區(qū)間影響分析

針對相應故障情況,分析發(fā)電機過勵磁和過負荷保護動作時間特性曲線關系。針對現(xiàn)行過勵限制和轉(zhuǎn)子過負荷保護動作時間特性公式,處于過勵狀態(tài)的發(fā)電機組,機組失配區(qū)間和機組勵磁電流對應關系,分析機組發(fā)生轉(zhuǎn)子過負荷保護搶先動作切機對系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響。

轉(zhuǎn)子反時限保護時間特性與轉(zhuǎn)子本身熱容量特性曲線配合良好,而現(xiàn)行勵磁調(diào)節(jié)器過勵限制動作時間特性曲線則存在低過勵倍數(shù)下動作過慢,導致轉(zhuǎn)子過負荷保護搶先動作于切機而嚴重惡化系統(tǒng)運行工況的問題。

對確定的機組進行過勵限制/過負荷保護整定參數(shù)進行調(diào)整,確定不同參數(shù)對失配區(qū)間以及發(fā)電機無功支撐能力的影響。通過對現(xiàn)行過勵限制器動作邏輯中的可調(diào)節(jié)參數(shù)進行調(diào)整,研究在不改變過勵限制器動作邏輯的前提下對其動作特性配合情況進行改良的可能性。

現(xiàn)行過勵限制模塊可供更改參數(shù)為Ifset和tset,即其所確定的過勵限制熱容量進行調(diào)整。理想的保護整定關系應為轉(zhuǎn)子反時限保護為過勵磁限制的后備,嘗試改變現(xiàn)行Ifset和tset整定值,使對應過勵限制時間特性公式中的熱容量定值B減小。修改后過勵限制時間特性公式為:

不同整定值的動作時間特性曲線如圖1所示,可見相對于現(xiàn)行2倍10 s整定方案的失配區(qū)間OC,更改為2倍8 s或2倍5 s后的失配區(qū)間OB、OA相對減小,但失配問題依然存在,并不能從根源上解決問題。且過小的過勵限制熱積累定值限制了發(fā)電機緊急狀態(tài)下短時過載能力的發(fā)揮,不利于系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和恢復。

圖1 不同整定值下過勵限制動作時間特性曲線

經(jīng)過對過勵限制/轉(zhuǎn)子反時限保護時間特性公式以及各整定參數(shù)的分析,發(fā)電機過勵限制和轉(zhuǎn)子保護產(chǎn)生配合不當問題的根源在于過勵限制和轉(zhuǎn)子過負荷保護選擇的長期允許電流Ifdn不同,在過勵限制中Ifdn取1.05倍額定勵磁電流,在轉(zhuǎn)子過負荷保護中取1.0。這個差別是過勵限制和轉(zhuǎn)子反時限過負荷保護曲線存在交叉的根本原因。

3 發(fā)電機過勵限制/過負荷保護整定配合修正方法及驗證

3.1 修正方法

根據(jù)發(fā)電機過勵磁限制和轉(zhuǎn)子反時限保護的動作時間特性公式及動作參數(shù),提出一種能夠在保證發(fā)電機安全的基礎上盡量發(fā)揮機組無功支撐能力的過勵磁限制/轉(zhuǎn)子過負荷保護配合整定解決方法。

導則規(guī)定的發(fā)電機過勵限制/轉(zhuǎn)子過負荷保護的時間特性公式須同轉(zhuǎn)子熱特性曲線公式良好配合,采取修正過勵限制時間特性公式的發(fā)電機保護修正方法。即將過勵限制模型中的長期允許電流由1.05倍Ifdv修正為1.0倍Ifdv。對應到實際設備以瑞士ABB Unitrol 5000型數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器41307-6型過勵限制器為例,即將模型中P1301參數(shù)由1.05修正為1.0。

41307-6型過勵限制器模型動作時間公式為:

修正后整定合理的過勵限制時間特性曲線如圖2所示。

圖2 過勵限制/轉(zhuǎn)子過負荷保護時間特性曲線

3.2 驗證分析

通過對相應故障情況下動作時間特性公式修正前失配情況和修正后配合良好情況下的全過程仿真分析,對比研究故障后區(qū)域內(nèi)500 k V母線電壓及脫網(wǎng)機組數(shù)量。驗證了所提出的整定配合方法能夠和轉(zhuǎn)子熱容量曲線配合良好,確保發(fā)電機安全,且能夠在緊急情況下保證發(fā)電機并網(wǎng)運行,充分發(fā)揮發(fā)電機無功支撐能力維持系統(tǒng)電壓,提高電網(wǎng)中長期穩(wěn)定運行水平。

對過勵限制/轉(zhuǎn)子過負荷保護配合問題的研究,以河北/山東電網(wǎng)為研究對象,為區(qū)域內(nèi)發(fā)電機組同時配備AVR過勵磁限制和轉(zhuǎn)子過負荷保護。以銀東直流雙極閉鎖引起長南線低電壓自動解列故障方式下的發(fā)電機過勵限制/過負荷保護動作情況及其對電網(wǎng)穩(wěn)定性影響。故障前銀東直流輸送功率為4 000 MW長南線北送5 400 MW,故障后潮流轉(zhuǎn)移至石北-辛安-聊城線并引起附近地區(qū)電壓偏低。

配合不當?shù)倪^勵磁限制/過負荷保護會在發(fā)電機低過勵水平時出現(xiàn)過勵限制動作時限遠大于轉(zhuǎn)子保護情況從而引起轉(zhuǎn)子保護搶先作用于切除發(fā)電機。實際仿真過程中故障發(fā)生后初期僅有冀衡水機組勵磁電流超過1.05 p.u.,其他機組并未達到過勵限制/過負荷保護啟動值。但在轉(zhuǎn)子過負荷保護在328 s動作與切除衡水機組后,機組脫網(wǎng)引起的大量有功/無功損失加劇系統(tǒng)工況的惡化程度。進而依次引起滄州、滄東機組轉(zhuǎn)子過負荷保護動作切機,最終導致冀西柏、冀邯峰、冀邢南等主力機組過負荷保護動作脫網(wǎng)從而導致電壓崩潰?？梢?保護整定值不合理將直接造成事故蔓延擴大。配合不當情況下切除機組如表2所示,研究區(qū)域500 k V母線電壓及機組勵磁電流如圖3、圖4所示。

表2 現(xiàn)行整定方案配合不當情況下動作時序

圖3 修正前500 k V系統(tǒng)母線電壓

圖4 修正前機組勵磁電流曲線

配合合理情況下500 k V彭村站附近衡水機組在故障后提高勵磁電流并高于1.05倍額定勵磁電流的等效反時限熱量積分啟動值,并在故障發(fā)生900 s后過勵磁限制器動作于降低勵磁電流至額定值,如表3所示。此時發(fā)生過勵限制機組并未脫網(wǎng),依然為系統(tǒng)提供一定有功/無功支撐,系統(tǒng)電壓穩(wěn)定于較高水平?？梢?整定合理的過勵磁限制能夠在充分挖掘機組無功支撐潛力的基礎上保護設備安全,相較于保護切機動作,對電網(wǎng)穩(wěn)定性沖擊較小。研究區(qū)域500 k V母線電壓及機組勵磁電流如圖5和圖6所示

表3 修正方案配合合理情況下動作時序

圖5 修正后500 k V系統(tǒng)母線電壓

4 結(jié)論

a.發(fā)電機的過勵磁限制與過負荷保護配合不當,將在發(fā)電機低過勵水平時出現(xiàn)過勵限制動作時限遠大于轉(zhuǎn)子保護情況,從而引起轉(zhuǎn)子保護搶先作用于切除發(fā)電機。

圖6 修正后機組勵磁電流曲線

b.過勵限制和轉(zhuǎn)子過負荷保護選擇的長期允許電流Ifdoc不同,是過勵限制和轉(zhuǎn)子反時限過負荷保護曲線存在交叉的根本原因。

c.采用統(tǒng)一的長期允許電流Ifdoc,合理選擇動作曲線后,可以實現(xiàn)過勵限制與轉(zhuǎn)子反時限過負荷保護的較好配合。

d.整定合理的過勵磁限制能夠在充分發(fā)揮機組無功支撐潛力的基礎上保護設備安全,相較于保護切機動作,對電網(wǎng)穩(wěn)定性沖擊較小。

[1] 盧衛(wèi)星,舒印彪,史連軍.美國西部電力系統(tǒng)1996年8月10日大停電事故[J].電網(wǎng)技術(shù),1996(9):40-42.

[2] DL/T 684-1999,大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則[S].

[3] DL/T 1309-2013,大型發(fā)電機組涉網(wǎng)保護技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 王維儉,侯炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎[M].2版.北京:水利電力出版社,1989.

[5] 高春如.大型發(fā)電機組繼電保護整定計算與運行技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2006.

[6] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].2版.北京:中國電力出版社,2002.

本文責任編輯：王洪娟

Coordination of Over Excitation Limiter and Excition Winding Overload Protection for Large-scale Interconnected Power System

Cao Yuan
(Agricultural University of Hebei Province,Baoding 071001,China)

This paper expounds an accident owing to inappropriate coordination of the over excitation limiter and excition winding overload protection.Analysis the coordination of the over excitation limiter and excition winding overload protection.Using power system calculation finds appropriate generator units.Presents a new method for their coordination.Comparing the charicristic of the excitating current and Reactive voltage,it is concluded that the proposed scheme is efficacious.

generator;over excitation limiter;excition winding overload protection;reactive voltage

TM732

A

1001-9898(2017)02-0011-05

20170306

曹 媛(1996-),女,河北農(nóng)業(yè)大學電氣工程及其自動化專業(yè)在讀本科,研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。