用于具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的方法、系统和计算机可读介质的制作方法
【技术领域】
[0001] 本文所描述的主题涉及发电机的失步保护。尤其是，本文所描述的主题涉及用于 具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的方法、系统和计算机可读介质。
【背景技术】
[0002] 在普通电力系统操作状态下，电力发电机操作在所供给发电机的机械功率基本等 于负载所抽取的电磁功率的状态。当电力系统发生短路故障时，尤其是在连接到发电机的 输电线路上，电磁功率随发电机的输出端电压减小。功率失配，即机械功率和电磁功率之间 的差值，将引起转子加速，如果不对其干预，将损坏发电机。
[0003] 为了避免这种损坏，发电机具有当故障发生时使发电机离线的失步保护机制。此 外，一些发电机具有在故障移除或校正后将发电机与电力系统再同步的再同步系统。然而， 这些发电机中的失步保护机制和再同步系统之间并不协调。因此，即使再同步系统能够将 发电机和负载再同步，失步保护机制可能启动并使发电机离线。所以，没有失步保护机制和 再同步机制之间的协调，将减小具有再同步机制的益处。
[0004] 为了避免这些和其它困难，存在用于具有负载再同步能力的发电机自适应失步保 护的方法、系统和计算机可读介质的需求。
【发明内容】
[0005] 公开了用于具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的方法、系统和计算机 可读介质。根据一个方法，当故障状态发生在由发电机供电的负载上时，估计在再同步之前 由于故障而在发电机中所预期发生的磁极滑动的数目。确定估计的磁极滑动的数目是否超 过阈值。基于估计的磁极滑动的数目是否超过阈值的确定来控制发电机的离线或在线状 ??τ O
[0006] 本文所描述的主题可以以软件结合硬件和/或固件实现。例如，本文所描述的主 题可以通过由处理器执行的软件实现。在一个示例性实施方式中，本文所描述的主题能够 使用具有存储在其上的计算机可执行指令的非临时性计算机可读介质来实施，当该计算机 可执行指令由计算机的处理器执行时控制该计算机执行所述步骤。适用于实施本文所描述 的主题的示例性计算机可读介质，包括非临时性计算机可读介质，例如盘存储设备、芯片存 储设备、可编程逻辑设备和专用集成电路。此外，实现本文所描述的主题的计算机可读介质 可以位于单个设备或计算平台上或者可以分布在多个设备或计算平台上。
【附图说明】
[0007] 现将描述附图的优选实施例，其中：
[0008] 图1是发电机失步保护的典型配置的电路图；
[0009] 图2示出了当磁极滑动发生时视在阻抗移动的图；
[0010] 图3是具有负载再同步系统的发电机的模块图，其在本示例中是集成励磁和涡轮 控制器（IETC);
[0011] 图4是示出了根据本文所描述的主题的一个实施例的具有负载再同步能力的发 电机自适应失步保护的示例性步骤的流程图；
[0012] 图5是根据本文所描述的主题的一个实施例，具有负载再同步能力的发电机自适 应失步保护的系统的模块图；
[0013] 图6是根据本文所描述的主题的一个实施例，具有负载再同步能力的发电机自适 应失步保护的系统的可选实现方式的模块图；
[0014] 图7是示出了根据本文所描述的主题的一个实施例，通过自适应失步保护功能可 以确定的机械功率的近似值的图；
[0015] 图8示出了根据本文所描述的主题的一个实施例，通过自适应失步保护功能用于 加速能量计算的示例性曲线图；以及
[0016] 图9示出了根据本文所描述的主题的一个实施例，通过自适应失步保护功能估计 磁极滑动的数目的示例的电路图。
【具体实施方式】
[0017] 如上所述，用于保护发电机对抗失步的一种现有技术包括测量磁极滑动发生的数 目[3]。当发电机内部产生的电压与由发电机供电的负载的相位相反或相差180度时，磁极 滑动发生。用于对磁极滑动进行计数的一种方法是基于在发电机的端子处测量的视在阻抗 的移动。该视在阻抗是将发电机端子的节点电压和从端子流向负载的负载电流的比值计算 得到的复数。在一个典型实施方式中，如图1所示，从连接到发电机100的端子处的电压传 感器（V)和电流传感器（A)测量节点电压和发电机电流。这些测量值反馈至能够发送跳闸 信号至主发电机断路器（GCB)KM的失步继电器。
[0018] 为了在失步继电器（OOS) 102中对磁极滑动的数目进行计数，视在阻抗的移动可 以映射到继电器的阻抗特性上，其中一个实现方式是图2中线AB所示的直线。图2是电 阻（横轴）相对电抗（纵轴）的图。线AB表示失步继电器102的阻抗特性。通过在发电 机输出端子处的电流传感器和电压传感器测得的视在阻抗包括每次功率振荡发生时以图2 箭头所示方向旋转的线。每次视在阻抗以箭头方向越过线AB时，对磁极滑动进行计数。当 计数值超过预设的阈值，失步继电器102发送跳闸信号至发电机断路器104。
[0019] 针对失步继电器设置磁极滑动的最大数目是基于多个方面考虑的，包括发电机组 的磨损和断裂。需要考虑的另一个因素是由于发电机停机而发生的额外成本。当发电机跳 闸后，需要时间来使它恢复工作，特别是在使用热动力程序驱动发电机原动机时，例如，煤 或石油为燃料的热电站。在该等待时间期间，有时称为最小停机时间，由昂贵的发电单元产 生的替代功率，导致用于电力系统的生产成本的增加。昂贵的单元的示例包括燃气涡轮机。 在一些电力系统中，服务的可靠性和连续性是设置最大允许磁极滑动的数目的主要因素。 发电单元的突然丧失也会带来系统负载-发电不平衡，其将减小系统频率。如果频率低于 可接受值，低频减载系统开始使负载跳闸以阻止即将产生的系统崩溃。因此，由于剩下的系 统无法稳定发电机的功率输出频率而造成的系统崩溃，使得发电机跳闸可能伴随着不期望 的减载或者出现更坏的情况。
[0020] 如上所述，用于失步保护的现有方案中的一个问题是，采用合理设计的负载再同 步系统，例如集成励磁和涡轮控制的系统（下文中为"IETC"），有时发电机可以从多个滑差 操作恢复并回到稳定操作，旨在通过以协调的方式控制励磁机和调节器来改善动态性能和 增强发电机的暂态稳定性。在第W02012/055115号国际专利申请公布中公开了 IETC的一 个示例，在此引入其公开内容的全部作为参考。图3示出了 IETC的一种实现方式。
[0021] 参考图3, IETC 106能够在负载故障发生时再同步发电机100并恢复。故障通常 发生在连接到发电机的输电线上。当该故障通过输电线自带的保护系统的动作被清除或从 电气网络隔离时，发电机的负载恢复。当输入机械功率通过其驱动系统，例如涡轮，供给发 电机100时，IETC 106接收通过发电机100产生的电能，励磁电压和电流。IETC106输出 控制发电机的电气输出的励磁控制信号，以及控制蒸汽涡轮阀门的一个或多个阀门控制信 号，以调节供给发电机的机械功率。
[0022] IETC的一个工作原理是基于高层控制器的测量和内嵌控制算法提供辅助励磁和 涡轮控制信号。自适应性是IETC方案的特征之一。根据故障的严重性和发电机操作模式 计算辅助控制信号，以在轻微扰动下得到更好的振荡阻尼能力，在中等干扰下保证第一振 动稳定性，以及在严重干扰时，在几个磁极滑动之后再同步发电机[1]。
[0023] 如上所述，如果IETC 106和由继电器102实现的失步保护逻辑不协调，当磁极 滑动的数目超过由失步保护逻辑设置的数时，发电机100将经常跳闸离线，导致丧失IETC 106减小失步跳闸风险的潜在好处中的一个。然而，采用合理设置的协调控制，当存在再同 步发电机的可能性时，可以避免不期望的发电机跳闸。此外，如果预料到发电机100将变得 不稳定，发电机100可以较早地跳闸离线。在这种情况下，发电机100可以通过经历长时间 的磁极滑动以防过度磨损。
[0024] 总的来说，至少可以通过本文所描述的主题克服一些问题，包括：
[0025] 1.现有的非自适应失步继电器设置阻止发电机从多个磁极滑动恢复。
[0026] 2.如果单元最终变得不稳定（即，磁极滑动的数目可能是过量的），非适应性设置 使机组暴露至长时间的磨损。
[0027] 3.在发电机停机之后，非适应性设置加速系统崩溃。
[0028] 图4是示出根据本文所描述的主题的一个实施例的具有负载再同步能力的发电 机自适应失步保护的示例性步骤的流程图。参考图4,在步骤1中，IETC处于监测模式以监 测负载故障。在步骤2中，IETC监测故障的发生，例如负载中的短路。在步骤3中，IETC操 作以尝试使发电机与负载再同步。可以基于故障的严重性触发IETC。在步骤4中，估计磁 极滑动的数目。通过以下详细描述的自适应失步保护功能可以估计磁极滑动的数目。在步 骤5中，确定IETC是否能将发电机与负载再同步，例如与发电机连接的配电网。通过对公 式W a「Wd。= 0求解，可以做出步骤5中的确定，其中Wa。是加速能量，以及W d。是减速能量。 如果该方程无解，则IETC不能将发电机与电网再同步。如果数学解存在，再检查解是否现 实。如果数学解不现实，例如当解导致磁极滑动的数目过大时，IETC不会再同步。简言之， 如果W ae-Wd。的解存在并且导致磁极滑动的数目η在合理的范围内，再同步是可能的。
[0029] 在步骤5中，如果确定IETC不能将发电机与电网再同步，发送跳闸信号至发电机 断路器。如果确定IETC可以将发电机与电网再同步，控制前进到步骤7,在步骤7中确定磁 极滑动的数目是否大于失步继电器所使用的阈值。如果磁极滑动的数目大于阈值，控制前 进到步骤8,在步