发电机组涉网保护与限制配合的自动校核

宋 玮，刘桂林，吴国旸，宋新立，刘燕嘉

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.国网江苏省电力公司南京供电公司，江苏 南京 210019；3.中国电力科学研究院，北京 100192）

0 引言

电力体制改革改变了过去垂直一体化的管理模式，使得发电侧的独立性和自由性大为增加。由于现场人员工作任务较重或理论水平欠缺，发电机组涉网保护与限制的定值参数通常委托调试单位和控制系统的生产厂家自行选择和设置，有的甚至使用基建部门的调试定值。由于没有电力系统分析和运行控制人员的参与，发电机组涉网保护与限制缺乏和实际电网之间的协调。为了加强网源协调，提升抗风险能力，防止涉网保护与限制拒动和误动，确保系统安全稳定运行以及减小故障破坏范围，需要加强电厂的涉网保护与限制整定值校核和管理工作。

涉网保护与限制是指在发电机组的继电保护和励磁限制中，动作行为和参数设置与电网运行方式相关，或需要与电网中安全自动装置相协调的部分，主要包括发电机组过励保护、失磁保护、过激磁保护和过励限制、低励限制、V/Hz限制等。涉网保护与限制之间的协调配合是保证系统安全稳定运行的关键因素之一。近年来发生的多起大停电事故大都源于涉网保护与限制的协调配合问题[1-6]。

国内外学者对该课题已经做了大量的工作[7-18]。文献[7]对发电机组失磁保护与低励限制之间配合整定的不合理问题进行了深入分析，并考虑了进相运行的影响，指出低励限制的整定只需与静态稳定圆配合，并针对某一具体电厂提出一套计算方案。文献[8]针对低励限制与失磁保护不合理的问题，提出了一套工程使用的方法以及工程应用注意事项，对现场应用具有重要的参考价值。文献[9-10]指出了部分国产失磁保护反向无功判据存在的问题，并利用机组进相试验进行了进一步的分析。文献[9，11]比较了不同低励限制器的特点，提出了整定校核的方法和低励限制曲线设置原则，在工程实际中设置低励限制功能时具有重要作用。文献[12-13]论述了进相时失磁保护低电压判据的设定及失磁保护与低励限制的配合整定。文献[14]研究了低励限制与失磁保护之间的配合关系，探讨了造成两者配合不协调的可能原因。文献[15]提出了在线校核评估继电保护的方法，为实现继电保护自动化打下了基础，对实现自动化校核继电保护具有引导作用。文献[16-17]对发电机和励磁机顶值电流瞬时值和过励反时限限制提出了要求，对励磁系统中过励限制与转子过负荷保护的整定配合进行了研究分析，确定了励磁变保护与定子过流限制之间的配合关系，为电气专业人员设计、整定工作提供了参考。文献[18-19]分析了发电机过激磁保护误动作的原因，提出了一种通过抛物线线性插值方法和有效值概念实现反时限过激磁保护功能的方法，该方法与系统频率无关，不受谐波和直流分量影响，计算精度较高。

总体而言，目前国内外对涉网保护配合关系的研究大都专注于研究某种具体的配合关系，或是针对某台具体机组进行研究，而在大规模电力系统全网机组的涉网保护与限制配合关系的自动校核方面，尚缺乏有效的解决方法。

随着电网规模的日益增大，传统的校核方式均不能快速实现对一个区域电网中所有机组涉网保护与限制之间的配合关系进行自动校核。本文基于发电机组涉网保护与限制之间配合整定的校核原则和方法，开发了一套能够适用于发电机组涉网保护与限制自动校核的软件，实现了大规模电网低励限制与失磁保护，过励限制、过励保护与转子过负荷保护，V/Hz限制与过激磁保护之间配合关系的自动校核。

1 涉网保护与限制协调配合校核原理

发电机组涉网保护和限制间的协调配合主要包括低励限制与失磁保护之间的协调配合，过励限制、过励保护与转子过负荷保护之间的协调配合，V/Hz限制与过激磁保护之间的协调配合关系。下面简要分析这些涉网保护与限制配合关系的校核原理。

1.1 低励限制和失磁保护的协调配合

低励限制检测到机组励磁水平降低到动作值时，即产生控制作用增大励磁使机组运行点回到运行范围，提高机组和系统的安全稳定性[11]。低励限制线的设置通常依据发电机组进相试验的结果，在功率坐标系中进行整定，同时注意不能束缚发电机组的进相运行能力。

失磁保护是在发电机励磁突然消失或部分失磁时，采取减出力、灭磁解列或跳闸等方式确保机组本身安全。失磁保护的动作依据是发电机的热稳定性和静态稳定极限等条件，通常在阻抗坐标系中整定。

发电机组低励限制应与失磁保护协调配合，在任何扰动下的低励限制灵敏度应高于失磁保护，先于失磁保护动作。

为了正确校核低励限制与失磁保护的整定配合关系，需要进行功率平面和阻抗平面之间的转换，例如将失磁保护动作曲线转换至功率平面，以便与低励限制拟合曲线比对。如果在阻抗平面上低励限制拟合曲线上任一点均在失磁保护动作圆之外，或者在功率平面上低励限制拟合曲线任一点均在失磁保护动作圆对应第四象限的那段弧上，则表明两者配合关系合理；否则配合存在问题。图1给出了在阻抗平面上低励限制与失磁保护之间合理的配合关系示意图，图2给出了在功率平面上低励限制拟合曲线为折线时合理的配合关示意图。

图1 R-X平面中涉网保护和限制的正确配合关系Fig.1 Proper coordination relationship between grid-related unit protection and limiter on R-X plane

图2 P-Q平面中涉网保护和限制的正确配合关系Fig.2 Proper coordination relationship between grid-related unit protection and limiter on P-Q plane

1.2 过励限制、过励保护和转子过负荷保护的协调配合

正确的励磁系统过励限制和过励保护可以在保证机组安全运行的前提下最大限度地发挥机组的作用，从而提高电网的稳定裕度；发电机转子过负荷保护特性则与机组转子过电流特性一致。正常情况下，过励限制、过励保护和发电机转子过负荷保护之间应留有级差[16]。

由于过励限制、过励保护和转子过负荷保护的定值参数均根据转子热效应整定，因此，可在时域平面上拟合这些限制和保护的动作特性曲线，并判别转子过负荷保护曲线上任一点是否均位于过励保护曲线之上，过励保护曲线上任一点是否均位于过励限制曲线之上。换言之，过励限制应先于过励保护动作，过励保护应先于转子过负荷保护动作。

1.3 V/Hz限制和过激磁保护的协调配合

V/Hz限制通过自动装置限制铁芯磁通继续增加，过激磁保护通过切机操作阻止过激磁现象继续恶化。V/Hz限制与过激磁保护根据磁通密度限制发电机过激磁运行，两者定值参数对应同一时域平面。故可在时域平面拟合V/Hz限制和过激磁保护动作特性曲线。V/Hz限制应与过激磁保护协调配合，V/Hz限制动作特性应与发变组中发电机或变压器过励磁特性较弱者相匹配；V/Hz限制的灵敏度应高于失磁保护，其先于过激磁保护动作，即在时域平面上过激磁保护曲线应在V/Hz限制动作特性曲线之上。

2 自动校核软件的开发

为了实现机组涉网保护与限制之间配合关系的自动校核，首先需要获取电网的拓扑结构、机组模型参数和运行参数，形成基础的计算数据；并搜索电网中的发电机组，自动建立机组涉网保护、限制索引信息和定值参数模型；然后根据配合原则逐一对全网机组的配合关系进行自动校核；最后汇总分析得到校核评估结果。下面详细介绍涉网保护与限制自动校核的实现方法。

2.1 基础计算数据的形成

在国家电网智能电网调度技术支持系统D5000中，数据采集与监视控制（SCADA）系统通过远方数据终端采集现场测量数据，然后对其进行状态估计，形成中间数据文件，最后通过数据整合将中间数据转化成计算所需的PSASP或BPA格式数据。

2.2 索引信息建模

由于电网中机组数目庞大，涉网保护和限制的关系复杂，直接逐一校核较为困难。本文根据分层分解的原则将整个电网分解成发电厂、机组、涉网保护和限制3个层级，各个层级之间的关系如图3所示。通过层级建模，可以方便、准确地索引到每个保护和限制模型，进行相应的信息存储和查询。其中，发电厂可通过电厂名称及电厂ID编号唯一确定，发电机则可通过机组名称、基准电压和机组ID编号进行索引。

图3 发电机组涉网保护和限制的层级结构图Fig.3 Hierarchical structure of grid-related unit protection and limiter

2.3 定值表建模

定值是描述保护动作特性的重要参数，通常以定值表的形式存在。为了实现对全网机组涉网保护与限制的自动校核，需要为每个校核对象建立相应的定值表。定值表模型由保护对象索引信息和定值参数两部分组成，其中索引信息用于确定校核对象位置。索引信息和定值参数共同构成了涉网保护和限制模型与相应定值之间的关联映射。表1以失磁保护为例给出了定值表的结构，其中每个定值信息项包含了定值序号、定值名称、数据类型、长度和单位。

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

2.4 校核类型表建模

为了实现自动校核，需要对相应的校核操作进行规范。表2为相应校核类型的数据格式，其中，每行数据均表示一个校核操作，包括校核类型和待校核对象；Tune1、Tune2、Tune3 分别表示 3 种配合关系类型。校核类型定义了要实现的校核功能，待校核对象则由索引信息（即电厂名称、电厂ID、机组名称、基准电压、机组ID、保护编号）确定，并通过索引信息实现与定值表的关联映射。

表2 校核类型表示例Table 2 Example of check-type table

2.5 自动校核实现流程

自动校核软件功能结构见图4。其中，数据输入模块根据涉网保护与限制整定值形成定值表，并将定时或在指定时间采集的基础潮流和保护整定值数据经D5000状态估计以及格式转换，形成PSASP或BPA格式数据。通过机组搜索并统计全网的涉网保护和限制，然后根据校核类型确定要实现的校核功能。最后，根据输出评价信息可方便地统计出全网机组涉网保护与限制的配合状况。图5为涉网保护与限制之间配合关系自动校核的详细流程。

图4 软件的系统功能结构图Fig.4 Functional structure of software system

2.6 人机交互界面

人机交互界面的主要功能为电厂选择、机组选择、自动校核选择、图形化展示校核结果和清空等。按重要性原则、功能分组原则、分层结构原则设计，可将信息直接反馈给客户。在人机交互界面中，配合关系校核功能按钮采用下拉式菜单，设低励限制与失磁保护、过励限制与过励保护、V/Hz限制与过激磁保护3种自动校核功能；电厂、机组、保护和限制选择功能按钮可按图3的层级结构分别列出具体内容。

3 算例分析

以某电力系统为例进行算例分析。由于不同机组的校核方法是一样的，下面仅以该电力系统中某电厂的机组低励限制与失磁保护之间的配合以及V/Hz限制与过激磁保护之间的配合为例来说明。2台机组的型号参数均一致，具体为：额定容量SN=412 MV·A，功率因数 cos φ=0.85（滞后），机端额定电压UN=24 kV，额定电流IN=9905.5 A，额定转速nN=3000 r/min。静态稳定极限圆整定阻抗x1A=2.36 Ω、x1B=-29.49 Ω；低励限制采用折线型判据，1号机组低励限制曲线（0，-82.4）、（123.6，-82.4）、（267.5，-61.8）、（412，0），2 号机组低励限制曲线（0，-82.4）、（82.4，-82.4）、（247.2，-61.8）、（350.2，0）。 此外，2 台机组的V/Hz限制和过激磁保护均采用相同的反时限动作特性原理。

图5 涉网保护与限制之间配合的自动校核流程图Fig.5 Flowchart of automatic check of coordination between grid-related unit protection and limiter

将失磁保护阻抗圆转移到功率平面上与低励限制动作曲线进行比较，在作图区画出两者在功率平面上的比较曲线，如图6所示，图中P、Q均为标幺值。可见，低励限制曲线在失磁保护圆之上，两者的整定配合关系满足低励限制与失磁保护的配合原则，对电网的安全稳定运行能够发挥积极作用。

V/Hz限制与过激磁保护整定值均是在时域平面，在作图区可画出两者动作特性在时域平面上的比较曲线，如图7所示。可见，V/Hz限制动作特性与过激磁保护保护动作特性相重合，不满足电网运行要求V/Hz限制灵敏度高于过激磁保护的原则，这种情况将会给电网运行带来安全隐患。

图6 低励限制与失磁保护的配合关系Fig.6 Coordination relationship between low-excitation limiter and excitation-loss protection

图7 V/Hz限制与过激磁保护的配合关系Fig.7 Coordination relationship between V/Hz limiter and over-excitation protection

4 结论

本文探讨了发电机组涉网保护与限制之间协调配合关系的原则，并基于全过程仿真程序开发了发电机组涉网保护与限制的自动校核软件，解决了现有仿真程序中缺少发电机组励磁限制和涉网保护自动校核功能的问题，可为发电机组涉网保护与限制的整定和优化提供参考。