一种发电机层次化失步保护方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种发电厂共母线并联运行发 电机组群的失步保护方法。
【背景技术】
[0002] 失步振荡可对大型发电机组构成极大的伤害。随着电网的不断发展，电网规模不 断变大，互联程度越来越高，而电网的等值阻抗则越来越小，相比之下大型发电机组阻抗值 较大，一旦发生振荡，振荡中心极有可能位于发变组内部。此时机端电压周期性大幅波动， 将严重影响发电厂的厂用电质量和站内设备安全；振荡过程中定子电流的峰值可能达到三 相短路电流水平，将使大型发电机组遭受电动力、热效应两方面的即时性和累积性损伤。因 此，大型发电机都装设了专门的失步保护以确保机组和电网的安全稳定运行。
[0003] 然而，大机组与电网间的振荡行为复杂，特别是针对多机共母线运行情况，传统失 步保护存在较大的拒动或误动风险，一旦失步保护不正确动作，极有可能加剧振荡情况，恶 化系统稳定运行条件。可见，大型发电机失步保护的重要性极高，且必须兼顾发电机组和电 网的安全需求。
[0004] 对于大型电网中共母线并联运行的多台发电机而言，其失步振荡的特点不同于单 机对无穷大系统失步的情况，存不止一种失步模式，其中单机对外失步和共母机群对外失 步是两种典型的失步模式，传统的失步保护方案整定值确定后不能实时调整，且仅仅考虑 了单机对外失步或者最大并联机组数对外整体失步的情形，这导致其应对多机共母线并联 运行时有诸多的局限性。张项安等作者在电力系统保护与控制2014, 42(07) :97~102"发 电机失步保护整定计算所用的等值联系电抗X (con)研究一一与现行《大型发电机变压器 继电保护整定计算导则》商榷" 一文中，指出在多机共母线运行的机群失步时，传统的失步 保护整定方法极有可能导致保护拒动。不过该文仅仅分析了共母机群对外失步的情况，忽 视了共母并联运行机群出现单机对外失步的可能性，其所提出的应对措施有较大的局限 性。
[0005] 当多机共母线运行的发电厂发生单机失步时，由于不能根据发电厂开机状态调整 失步保护特性，导致当发电厂开机状态与整定预想不同时，失步保护也不能保证动作的可 靠性。
[0006] 综上，对于多机共母线运行的发电机组群而言，不管是共母机群失步还是单机失 步，传统失步保护方案都有明显的局限性，仅仅通过整定值上的调整不能有效应对可能出 现的多种失步模式。在智能电网对韧性电源支撑要求越来越高的背景下，提出更为可靠的 失步保护方案，以适应发电厂机群的不同运行工况，提高失步保护动作的可靠性，极具工程 实际价值。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种发电机组层次化失步保护方 法，其中通过对站域层失步元件以及就地层失步元件的具体结构及其设置方式进行研究和 涉及，实现了有效应对多机共母运行失步振荡的工程性难题，可有效提高失步保护动作的 可靠性，同时实现对发电机组和电网的安全需求的兼顾。
[0008] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种发电层次化失步保护方法， 其特征在于，该方法通过在具备信息融合与交互功能的继电保护系统上设置站域层失步元 件和就地层失步元件来实施，其中
[0009] 所述站域层失步元件作通过站域通信网络，收集各发电机组的相关保护信息，进 行站域层的综合保护判断；
[0010] 所述就地层失步元件为各台发电机就地保护装置，完成就地层各单台机组的失步 保护判断，向通信网络上传其失步判断结果，执行站域层下达的动作任务，按照站域层的统 一决策完成相应动作；
[0011] 该方法具体包括以下步骤：
[0012] (1)由站域层失步元件监测共母线并联运行机群作为整体向外的测量阻抗轨迹， 完成共母机群等值发电机与无穷大系统间失步与否的预判断；
[0013] (2)若所述站域层失步元件认定失步，就地层失步元件应按共母机群失步模式，即 在公式（1)的基础上调整失步保护特性，
[0014] Xsdz= nX s (1)
[0015] 其中Xsdz系统的等值阻抗，η为当前运行状态下的共母线并联运行机组台数，X sS 系统电抗从失步发电机组向线路侧视入；
[0016] 以进一步判断是否发生共母机群失步；
[0017] 仅当共母线所有发电机的就地层失步元件都判定为失步时，才能确定为共母机群 失步；
[0018] 其他情况，所述就地层失步保护元件都按照单机失步模式，即在公式（2)的基础 上调整失步保护动作特性，然后由所述就地层失步元件对各台发电机是否失步进行判断；
[0019]
[0020] 其中X/为发电机阻抗，Xt为主变压器阻抗；
[0021] (3)若所述站域层失步元件判断为非共母机群失步，所述就地层失步元件应按照 单机失步模式调整失步保护动作特性，然后由所述就地层失步元件对各台发电机是否失步 进行判断；
[0022] (4)若发生单机失步，由就地层失步元件迅速切除失步机组，确保发电机组的安全 以及电网的稳定运行；
[0023] 若发生共母机群失步，站域层保护根据失步的具体模式、综合决定保护决策。
[0024] 总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优 占.
[0025] 1、通过设置站域层失步元件以及就地层失步元件，有效解决了多机共母运行失步 振荡的工程性难题；
[0026] 2、通过就地层失步元件可有效提高失步保护动作的可靠性，同时实现对发电机组 和电网的安全需求的兼顾。
【附图说明】
[0027] 图1是大型发电机层次化保护物理结构图；
[0028] 图2是共母线机群失步图；
[0029] 图3是不同系统等值阻抗下机端测量阻抗轨迹图；
[0030] 图4是共母机群对外失步等值电路图；
[0031] 图5是主变高压侧母线失步动作特性图；
[0032] 图6是单机对外失步图；
[0033] 图7是大型发电机层次化保护总体方案图。
【具体实施方式】
[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035] 本发明提出的层次化失步保护方案，针对的是共母线运行发电机群可能发生的两 种典型失步模式，即共母线机群对外失步（简称共母机群失步）和单机对外失步（简称单 机失步）。
[0036] 1、共母线多机并联运行时发生失步振荡的特点
[0037] 并联运行于同一母线的发电机组群，电气联系紧密，发电厂作为一个整体与无穷 大系统之间产生振荡是最典型的失步现象，该种多机对外失步往往表现为以共母线运行机 组集群为单位的整体对外失步。对于这种失步情形，可简称为共母机群失步；另一种典型的 失步模式为单机对外失步，简称为单机失步。当共母线运行的发电机群在某种功率输出配 合下，特别是对于单机输出功率较大的发电机，可能发生动稳失步；另一方面，由于发电机 控制系统的控制错误，也有可能发生发电机单机对外失步。若能有效甄别这两种失步模式 并及时采取相应的措施，将大大提高发电机失步保护动作的可靠性。
[0038] 不同失步模式下的电气特点归纳如下：
[0039] (1)共母机群失步时的电气特点
[0040] 并联运行于同一母线的发电机组群，电气联系紧密，发电厂作为一个整体与无穷 大系统之间产生振荡是最典型的失步现象，该种多机对外失步往往表现为以共母线运行机 组集群为单位的整体对外失步。对于这种失步情形，可简称为共母机群对外失步，为相应的 电路不意图。
[0041] 张项安等作者在电力系统保护与控制2014, 42(07) :97~102 "发电机失步保护 整定计算所用的等值联系电抗X(con)研究一一与现行《大型发电机变压器继电保护整定 计算导则》商榷"一文中，指出在共母机群对外失步时，由于电流助增作用，单台失步发电机 组向外视出测得的系统等值阻抗XSdz (见图2)为：
[0042] Xsdz= nX s (1)
[0043] 式（1)中η为共母线并联运行机组台数。此时，系统等值阻抗Xsdz与开机方式密 切相关，不同并联机组台数下的X sdz差别很大。系统等值阻抗越大，测量阻抗轨迹圆心将不 断上移，阻抗轨迹也会不断上移。图3示出了这种变化，图中仅作出发电机电势i幅值大于 对侧系统电势&的情形。可见，传统的失步保护在共母机群失步时，极有可能拒动。共母机 群失步保护必须根据式（1)改变保护的动作特性。
[0044] (2)共母线并联运行机组群单机对外失步时的电气特点
[0045] 共母线运行发电机群发生单机对外失步时，此时的电路分析如图。图中X/为发 电机阻抗，X t为主变压器阻抗，X s为系统电抗从失步发电机组向线路侧视入，对应于简化两 机振荡系统中的系统等值阻抗。单机对外失步时，该发电机是本侧电源，与失步发电机并联 的其它机组都并入无穷大系统，视为失步振荡的对端电源。
[0046] Xsdz认为是本发变组单元外侧的全部电源阻抗的并联，包含了无穷大系统阻抗Xs 和厂内其它并联运行机组阻抗（X/ +Xt)，即有式（2):
[0047]
[0048] 式（2)中，η为当前运行状态下共母线并联运行机组的台数。由于（X/ +Xt)大概 为乂5的20倍，可见η的取值对X sdz有一定