一种火电机组零功率保护系统及其方法与流程

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体地说是一种火力发电厂功率外送通道中断时的发电机组零功率保护系统及其方法。

背景技术：

大型汽轮发电机组容量大、蒸汽参数高、转子转动惯量大，当发生功率外送通道中断时(即电厂全部送出线路均与电网断开)，发电机功率无法送出，如不能及时采取锅炉熄火、主汽门关闭和灭磁等一系列措施，会引发汽轮发电机组超速、蒸汽热力系统超温超压等问题，对机组设备安全构成严重威胁。因此，目前很多火电机组均配置了发电机零功率保护，在发生功率外送通道中断时，零功率保护及时采取措施停机，保证机组安全。

发生功率外送通道中断时，发电机将出现电压上升、电流减小、功率减小、频率上升等典型电气特征，零功率保护即是利用上述电气特征实现其功能判据。目前常用的零功率保护判据在判断发电机由于功率外送通道中断出现的零功率状态时一般不存在问题，但当电厂送出线路发生故障从而引起调门快关动作或引起机组功率发生振荡时，若零功率保护的判据不够完善，零功率保护将发生误动作。近期电力系统中已发生多起零功率保护误动事故。针对零功率保护存在的问题，一些文献中提出了优化的零功率保护判据，但这些判据的优化均没有从根本上解决问题。

因此，有必要研究发电机出现零功率状态的本质电气特征，提出经过优化完善的零功率保护判据，提高发电机组零功率保护运行的可靠性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种火电机组零功率保护系统，以优化完善火电机组零功率保护的判据，提高零功率保护动作的可靠性。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种火电机组零功率保护系统，包括启动判据模块、动作判据模块及出口逻辑模块，

所述的启动判据模块包括电气突变量判据和零功率保护投用判据，所述的电气突变量判据与零功率保护投用判据构成与门逻辑；

所述的电气突变量判据为零功率保护启动判据中的主要判据，由发电机电压突增、电流突降、功率突降相与而成，各判据依次为δu＝ut-ut-20ms>0、δi＝it-it-20ms<0、δp＝pt-pt-20ms<0，式中，δu、δi、δp分别为发电机正序电压突变量、正序电流突变量和功率突变量，ut、it、pt分别为当前时刻t的发电机正序电压、正序电流和功率的有效值，ut-20ms、it-20ms、pt-20ms分别为当前时刻t之前20ms时的发电机正序电压、正序电流和功率的有效值；

所述的出口逻辑模块包括出口判断逻辑、自保持逻辑和出口延时t2。

电厂功率外送通道中断故障发生时，发电机失去系统负载，发电机机端电压将瞬时升高，发电机功率无法送出，发电机电流将瞬时减小，功率同时减小，突变量判据满足动作条件。当电厂外送线路发生故障时刻，发电机电压瞬时降低，发电机电流瞬时增大，突变量判据不满足动作条件。当电厂外送线路故障切除时，发电机电压瞬时升高，电流瞬时减小，这个特征与功率外送通道中断故障发生时发电机的电气特征相同，但线路故障切除时发电机输出功率是瞬时增大的，而功率外送通道中断时发电机输出功率是瞬时减小的，不满足突变量判据中δp＝pt-pt-20ms<0动作条件，因此突变量判据不会满足。由以上分析可知，利用发电机电压突增、电流突降、功率突降相与而成的突变量判据，能够有效区分电厂线路故障切除与功率外送通道中断的情况，有效防止零功率保护在电厂线路故障切除时的误启动与误动作。

进一步地，所述的动作判据模块用于判别发电机是否处于零功率状态，由低功率判据p<pset2和低电流判据ia、b、c<iset相与而成，其中p为发电机功率测量值，pset2为发电机低功率整定值，ia、b、c为发电机各相相电流有效值，iset为发电机低电流整定值。当发电厂功率外送通道中断时，发电机功率无法送出，其输出功率及电流均将减小至接近为零的状态，满足动作判据的动作条件。

进一步地，发电机低功率整定值pset2小于发电机的最低出力，发电机低电流整定值iset小于发电机正常运行时的最小负荷电流。

进一步地，所述的发电机电压突增、电流突降和功率突降动作后均不保持。

进一步地，所述的出口判断逻辑为：当启动判据满足后的150ms内动作判据满足，两者相与形成动作出口信号s；由于启动判据中的突变量判据均不保持，因此启动判据满足后需要保持150ms，在启动判据满足后的150ms内要求发电机功率及电流降至整定值以下；出口信号s与动作判据相与构成自保持功能，在出口延时t2时间内，只要动作判据未复归，零功率保护均将动作出口。

发生由于线路故障或开关偷跳引起的功率外送通道中断故障时，当突变量判据满足后，发电机功率和电流必将在断路器跳开后变为零。一般220kv以上系统的断路器动作时间均小于100ms，为保证可靠性，此处启动判据的保持时间取为150ms。而在一般情况下汽轮机调节汽门关闭时发电机功率将在300ms以上才能减小至零，因此保持时间取150ms可有效区分由于汽轮机调门关闭时引起发电机零功率的情况。

为提高零功率保护动作可靠性，特设置动作延时t2环节，该延时由用户根据现场情况整定。研究发电机出现零功率状态的电气特征，发现其根本特征就是在电压突增电流突降后功率在一定时间内降为零。因此，在启动判据满足后要求150ms内发电机功率及电流降至整定值以下，即给功率和电流的变化规定一个变化率，体现了发电机零功率状态的本质电气特征。该判据可有效防止汽轮机调门关闭后功率逐渐减小导致零功率保护误动作的情况。

进一步地，所述的零功率保护投用判据采用p>pset1，经过延时时间t1动作，瞬时返回；其中，p为发电机功率测量值，pset1为零功率保护投用整定值。

零功率保护投用判据根据发电机功率大小确定是否投入零功率保护功能，当发电机功率p大于零功率保护投用整定值pset1时，零功率保护才投入；而当发电机功率p小于零功率保护投用整定值pset1时，即使发生功率外送通道故障，一般情况下也不会对发电机及机组热力系统产生危害，因此零功率保护不投入。当电网发生故障时有可能导致机组发生振荡，设置延时时间t1的目的是即使零功率保护投用判据躲过电力系统振荡，也能防止出现零功率保护误投用的情况。

进一步地，所述的pset1小于调度对机组要求的最低出力。

进一步地，所述的延时时间t1为5-10秒，以可靠躲过电力系统功率振荡周期。

本发明还提供采用上述火电机组零功率保护系统进行保护的方法，其步骤如下：

1)采集被保护发电机的机端电压u及机端电流i；

2)计算发电机功率p、正序电压突变量δu、正序电流突变量δi和功率突变量δp，其中，

δu＝ut-ut-20ms、δi＝it-t-20ms、δp＝pt-pt-20ms

式中，ut、it、pt分别为当前时刻t时的发电机正序电压、正序电流、功率的有效值；

ut-20ms、it-20ms、pt-20ms分别为当前时刻t之前20ms时的发电机正序电压、正序电流、功率的有效值；

3)若发电机功率p大于零功率保护投入整定值pset1，且满足延时t1，则进行投入零功率保护；若发电机功率p不满足大于pset1且延时t1的条件，则零功率保护无效；

4)在零功率保护投入的情况下，判断电气突变量判据是否满足，即是否同时满足δu>0、δi<0、δp<0的动作条件，若突变量判据满足则进入保持150ms的延时环节，若突变量判据不满足则返回步骤3)；

5)在突变量判据满足后的150ms内判断动作判据是否满足，即在突变量判据满足后的150ms内检查发电机功率及三相电流是否均降至整定值以下，要求发电机功率p<pset2和发电机三相电流ia、b、c<iset同时满足；若突变量判据满足后的150ms内动作判据满足，则动作信号s置1，否则返回步骤3)。

6)动作信号s在满足出口延时t2后，零功率保护将动作出口，若在出口延时t2内动作信号s返回，则零功率保护将不会动作出口，同时返回步骤3)。

本发明具有的有益效果如下：本发明提出了一种更加完善的火电机组零功率保护判据，解决了当电厂送出线路发生故障而引起调门快关动作或引起机组功率发生振荡时零功率保护误动作的情况，提高了发电机零功率保护运行可靠性。

附图说明

图1为本发明保护系统的原理框图；

图2为本发明保护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行完整、清晰的描述。

实施例1

如图1所示的火电机组零功率保护系统，其由启动判据模块、动作判据模块及出口逻辑模块组成。

所述的启动判据模块由电气突变量判据和零功率保护投用判据组成，所述的电气突变量判据与零功率保护投用判据构成与门逻辑。

所述的电气突变量判据为零功率保护启动判据中的主要判据，由发电机电压突增、电流突降、功率突降相与而成，各判据依次为δu＝ut-ut-20ms>0、δi＝it-it-20ms<0、δp＝pt-pt-20ms<0，式中，δu、δi、δp分别为发电机正序电压突变量、正序电流突变量和功率突变量，ut、it、pt分别为当前时刻t的发电机正序电压、正序电流和功率的有效值，ut-20ms、it-20ms、pt-20ms分别为当前时刻t之前20ms时的发电机正序电压、正序电流和功率的有效值。所述的发电机电压突增、电流突降和功率突降动作后均不保持。

所述的零功率保护投用判据采用p>pset1，经过延时时间t1动作，瞬时返回；其中，p为发电机功率测量值，pset1为零功率保护投用整定值。所述的pset1小于调度对机组要求的最低出力，所述的延时时间t1为5-10秒。

所述的动作判据模块用于判别发电机是否处于零功率状态，由低功率判据p<pset2和低电流判据ia、b、c<iset相与而成，其中p为发电机功率测量值，pset2为发电机低功率整定值，ia、b、c为发电机各相相电流有效值，iset为发电机低电流整定值。发电机低功率整定值pset2小于发电机的最低出力，发电机低电流整定值iset小于发电机正常运行时的最小负荷电流。

所述的出口逻辑模块由出口判断逻辑、自保持逻辑和出口延时t2组成。所述的出口判断逻辑为：当启动判据满足后的150ms内动作判据满足，两者相与形成动作出口信号s；由于启动判据中的突变量判据均不保持，因此启动判据满足后需要保持150ms，在启动判据满足后的150ms内要求发电机功率及电流降至整定值以下；出口信号s与动作判据相与构成自保持功能，在出口延时t2时间内，只要动作判据未复归，零功率保护均将动作出口。

实施例2

如图2所示，一种火电机组零功率保护方法，其步骤如下：

1)采集被保护发电机的机端电压u及机端电流i。

2)计算发电机功率p、正序电压突变量δu、正序电流突变量δi和功率突变量δp，其中，

δu＝ut-ut-20ms、δi＝it-it-20ms、δp＝pt-pt-20ms，

式中，ut、it、pt分别为当前时刻t时的发电机正序电压、正序电流、功率的有效值。

ut-20ms、it-20ms、pt-20ms分别为当前时刻t之前20ms时的发电机正序电压、正序电流、功率的有效值。

3)若发电机功率p大于零功率保护投入整定值pset1，且满足一定延时t1，则进行投入零功率保护，并根据图1中的判据进行计算。若发电机功率p不满足大于pset1且延时t1的条件，则零功率保护无效。

4)在零功率保护投入的情况下，判断突变量判据是否满足，即是否同时满足δu>0、δi<0、δp<0的动作条件。若突变量判据满足则进入保持150ms的延时环节，若突变量判据不满足则返回步骤3。

5)在突变量判据满足后的150ms内判断动作判据是否满足，即在突变量判据满足后的150ms内检查发电机功率及三相电流是否均降至整定值以下，要求发电机功率p<pset2和发电机三相电流ia、b、c<iset同时满足。若突变量判据满足后的150ms内动作判据满足，则动作信号s置1，否则返回步骤3。

6)动作信号s在满足出口延时t2(一般为0.5-1秒)后，零功率保护将动作出口，若在出口延时t2内动作信号s返回，则零功率保护将不会动作出口，同时返回步骤3。

在零功率保护投入的情况下，分如下两种情况对零功率保护的动作行为进行说明：

(1)当发生功率外送通道中断故障时

当发电厂功率外送通道中断时，发电机机端电压升高，机端电流减小，发电机功率减小，即

δu＝ut-ut-20ms>0、δi＝it-it-20ms<0、δp＝pt-pt-20ms<0均满足条件，启动判据将满足。

启动判据满足后将保持150ms，在此期间，实时计算发电机功率及发电机相电流大小，由于发电厂外送通道中断，发电机功率无法送出，发电机电流及功率均将减小至零，p<pset2和ia、b、c<iset均将满足，即动作判据满足。

在启动判据满足后的150ms内动作判据满足，因此出口逻辑输出量s将为1，在出口延时整定时间内，发电机电流及功率均将维持为零的状态，动作判据不会返回，零功率保护将动作出口。

(2)当电厂送出线路发生故障从而引起汽轮机调门快关动作时

当线路发生故障时，发电机机端电压瞬时降低，机端电流瞬时降低，不符合零功率保护突变量的条件，因此零功率保护不会启动。线路故障切除时，发电机电压瞬时升高，电流瞬时降低，但其功率是瞬时增加的，也不会满足启动条件，因此，零功率保护也不会启动。

另外，即使由于某种原因造成启动判据满足，而此时刚好发生汽轮机调门快关保护动作，汽轮机调门关闭，发电机功率逐渐减小，但由于本判据要求在启动判据满足后的150ms内发电机功率减小至零，而目前汽轮机调门关闭的时间一般大于300ms，因此无法满足150ms内发电机功率降为零的要求，零功率保护不会动作出口。该方法可以有效避免当电厂送出线路发生故障从而引起汽轮机调门快关动作时零功率保护出现误动作的情况。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。