电厂发电机失步保护与自动化运维工作研究

2022-03-18晋控电力山西长治发电有限责任公司景志伟

电力设备管理 2022年3期

晋控电力山西长治发电有限责任公司景志伟

近年来我国大力推行清洁高效能源体系的建设，也实际建设并投入使用了一批高生产能力的火电、水电机组，取得了较高的生产比例。经过阶段性的电力生产，大型机组对工作质量的提升作用逐渐被凸显出来。大型机组所具有的稳定、可靠技术优势，能够稳定输出电源，保障电网安全性。电网运行环境较为繁复，发变机组运行对于安全保护工作的要求也较高。需在工作实践中进一步提升对大型发电机的保护动作运维工作的水平，才能使发变组的实际工作能力满足电网安全运行的高要求，提升系统与机组工作的安全协调稳定性。

1 发电机保护与运行维护工作相关概述

电网在安全稳定运行的过程中，依赖大型发电机作为支撑，可保证工作电源稳定输入。这也就意味着，提升发电机工作安全稳定性对于提升电网系统维持性至关重要。与电网系统中基数较大的小容量机组对比，大型发电机的绕组结构呈现出很强的复杂性特征，同步电抗、绕组对地电容、电气时间常数更高，惯性时间常数更低。因此，通常情况下大型发电机的过载能力就相对较弱，而电气变化过程对安全运行裕度的要求会更高[1]。另一方面，当前社会发展阶段下智能电网发展迅速，发展出能够规模化接入风能、太阳能等间歇性电源的电力系统，并借助柔性输电、直流输电新型输配电技术以及多样化的运行方式，在各类社会生产生活中进行广泛应用。

大型机组承担着发电工作的主力职责，为保证发电效果和效率，应充分发挥出大型机组的灵活、坚强支撑的作用。而大型发电机电气特性、外部电网环境，决定了发电机的实际工作的难度其实是较大的。为保证发电机的正常工作状态，一般会采用继电保护手段来进行安全防护。继电保护是现阶段复杂电网及大型机组环境下的安全防护需求，其开始逐渐应用自动化技术，将大大降低继电保护工人的工作压力，并为继电系统保护工作增添准确的、稳定的保障。当前阶段电力企业为促进自身良好发展，正在逐渐将继电保护的自动化技术应用到实际生产建设过程中。继电保护工作在自动化技术中具体表现为智能化的管理模式，智能技术下的继电保护工作能尽可能地降低人工控制的依赖，并能达到甚至超过人工控制下的工作质量。

2 传统发电机失步振荡保护动作不足

失步振荡对发电机的正常工作会产生较大危害，对大型的发电机组更是如此。大型发电机组阻抗值大，一旦出现振荡现象，振荡中心的电压将有大幅波动，显著降低电质量。振荡过程会给大型发电机带来电动力、热效应两方面的损伤。大机组与电网间的振荡整体呈现出复杂性的特征。若进行的机组切除动作不适合，可诱发电源缺失问题甚至加剧振荡，破坏威胁电力系统工作状态[2]。失步保护作为关键涉网保护，其动作特性、出口策略的要求也较高，应充分考虑并满足发电机组、电网保护需求。大体量的互联电网系统可能产生各种形式的发电机失步振荡。因发电机的工作效果是借由多台发电机相互作用最终呈现出来的，若干同调机群失步振荡，机群内的多台发电机组也保持了同步的动态特性。网络、工况、扰动因素，都是会对同调机群数量、机群机组数量产生影响的。

对于单台发电机而言，要对发电机失步振荡现象出现的情况进行简化考量。可将其视作为本侧、对侧电源间的振荡反应。排除外界系统存在多个同调机群因素的前提下，从实质上说这种振荡反应就是多频失步，对侧多个同调机群均归为同一无穷大系统。如工作背景是多机系统，会导致本侧电源主体产生差异[3]。

多个同调机群出现失步振荡，典型模式的模式就是单台发电机、对侧无穷大系统间发生的失步振荡，电网扰动引发的动稳崩溃就会导致这种问题出现。一般而言，大型发电机会和同厂机组在同一母线并联运行，发变组、同厂机组之间的电气联系十分密切。因此在发电机组真实工作中如多机出现对外失步，通常会呈现整体对外失步的状况，且失步振荡现象的发生时以共母线运行机组集群为单位的。此类失步情形被称为母机群对外失步。图1～2示意了发变组最常见的失步形式[4]。

图1 单机对外失

图2 共母机群对外失步

基于就地测量可开展传统失步保护，将各个机组的整定值确定在相同的水平，在失步保护动作检测保护下，发现发电机与外部系统间出现失步振荡且符合设定好的触发条件，此时就会触发动作出口口令，立即解决发变组内部的振荡问题，快速跳闸处理。这样的保护动作形式，并没有体现出将发变组与其并联运行机组的失步保护的配合工作观念。如发生了以共母机群为单位的失步振荡现象，则共母机群中的每个机组失步元件都会监测到一致的阻抗轨迹，则运行的失步保护动作也是一致的。如对最极端的失步振荡现象进行设想，就会发现如果共母机群中的每个机组都进行一致的保护动作，就需同时切除或同时拒动每个机组，又或既不跳闸也不发信，这样都不利于电网的稳定运行。

3 发变组失步保护动作实现处理方案

为不断完善大型发电机失步保护方案、提升其合理性，应充分考虑到共母机群对外失步形式、单机对外失步形式间的差异。此外，应以现阶段实际运行方式大小为参考依据，调整失步动作区域边界，有助于完成后确定多机配合下的动作切机的工作。对不同失步形式和运行方式，得出更具确定性的失步判据，是第一步要完成的任务。前已述及，在面临不同失步情形时传统失步保护从单机视角出发，保护动作特性的局限性较为突出，仅修改整定值不能正确反应所有失步或非失步情况，仅对本机组的就地电气量进行收集归纳，保护工作仅可对单台发电机进行保护，各台发电机之间的保护工作并未进行协同和配合[5]。

作为大型的发电机组而言，其所需的失步保护服务要求较高，需失步保护服务同时对同厂并联运行的多台机组保护。制定出科学合理的保护决策，需多台机组和主变高压侧母线处的测量提供信息支撑，需要并联运行机组信息。共母机群对外出现失步现象，保护动作出口指令将下达导各机组，保护动作进行时是在调度指令调控下的[6]。这样看来要进一步提升对大型发变机组的失步保护效果，对保护工作实现方案的设计须借助高信息融合度、高交互度的继电保护系统。而充分利用现阶段快速发展的通信和网络技术，就可很好地实现这一保护方案设计需求。

为改进发变机组的失步保护实际效果，可落实新型的发变机组保护方案。其中包含主变高压侧母线、单台机组，并在这些部位加装了失步保护判断元件。这些失步保护判断元件的作用，是提供出更加清晰的功能属性、分布特征。大型发电机层次化失步保护物理架构分成了底层保护、站域层保护2层。就地层保护中包含了由多台发电机就地保护装置，同传统保护装置相比，就地层保护的信息来源更丰富。就地层可采集发电机就地测量量，可获取站域层决策的失步动作区整定值信息和动作指令，以此为依据给出就地层保护的动作特性的调整信息，执行出口动作；就地层保护可通过通信网络将失步判断结果传递给站域层。

站域层保护是在常规发电机工作机制的基础上新增设的保护装置。站域层保护可被设置在主变高压侧母线上，发挥失步保护判断元件的作用，监测共母机群作为整体向外的测量阻抗轨迹，可提前判断共母机群等值发电机、无穷大系统有没有出现失步振荡现象；站域层保护部分作用是明确并联机组的台数，参照就地层和站域层失步元件反馈的结果辨识机组失步情况与形式，给出就地层失步元件的动作特性整定值并配合其执行功能，对机组安全起到保护作用，避免有过高的电源损失。

4 未来发电机保护运行维护工作发展方向

在新的发展时期，传统的发变组保护技术以及对应的技术逐渐与现阶段的电力发展需求变得不相符。因此，在未来的工作任务中应着重展开发变组保护的自动化创新研究，提升发变组保护工作对自动化设备、技术的使用能力，为电力企业制定新的目标规划，使企业更适合未来社会发展趋势。

4.1 提升自动化研究中的先进技术水平

自动化的发电机保护及运行维护工作技术研究，在一定程度上依赖于创新性的技术发展。为此电力企业应从自身实际发展状况出发，展望企业未来的发展规划，细致规划接下来在发电机保护及运维工作中应用的技术，充分考虑多方面影响因素。只有这样才能让电力系统中发电机保护及运维工作的水平得到提升，同电力企业未来发展方向更加的契合。

要想在发展的同时保证自动化技术处于领先水平，企业需要以自身研究成果为依托，大力引进国内外先进技术，并将这两部分的内容进行融合，实行技术优化与创新。新技术的研发和创新离不开相应的数据资料的记录和分析的支持。在技术研发的过程中，数据记录和管理工作，可为发电机保护及运维工作自动化的研究提供科学化的管理保障。电力企业应将技术应用的调查结果作为后续工作的有效参考，并在技术和管理方面改进发电机保护及运维工作组自动化技术的应用问题。

4.2 强化对发变组保护装置的管理

对保护系统中的硬、软件，开展高质量的管理工作，将有助于促进发变组保护中自动化技术的发展。一方面应加大经费投入，及时维修、更换老旧的装置。合理投入维修经费，可借助网络信息技术，来监测自动化装置的工作能力，及时发现装置出现的问题。有利于提升装置在自动化控制技术下的反应速度。

另一方面可扩大自动化技术在发变组保护中的应用范围。发电机保护及运维工作所用到的自动化设备，可能缺少足够大的适用范围。在某些特殊的工作环境之下，自动化设备的运行可能被干扰作用所影响，实际运行效率下降。那么如果要想在接下来的工作中继续推进发电机保护及运维工作的自动化发展，就需将工作所处环境纳入到考虑的范畴中，选用环境适用性较强的自动化设备，维护自动化发电机保护、运维开展的稳定性。另外电力企业也要在自身研究工作上投入较大的精力，研究如何提升自动化设备的适用性，让自动化设备在各种环境条件下都能起到发电机保护及运维的作用。