一种发电机励磁限制性能在线判断方法与流程

本发明属于电气工程技术领域，特别是一种发电机励磁限制性能在线判断方法。

背景技术：

随着励磁控制技术的发展和进步，现代大型发电机组的励磁控制系统一般具有多种欠励磁和过励磁限制功能。这些限制功能作为对励磁主控制调节的补充，在必要时对发电机组的运行范围进行限制，确保机组和所连接电力系统的安全稳定运行。

励磁控制系统的限制环节主要包括无功欠励限制、顶值励磁电流限制、转子过励反时限制、定子过流反时限制、VF过激磁限制等。

其中无功欠励限制用于发电机在对应的有功功率下运行时，进相(或吸收)的无功功率不超过相应的允许深度，同时该允许值与当前机端电压值标么值的平方成正比。当发电机无功功率低于前述允许值后，无功欠励限制通过一段较短延时(Tset，一般取0.1sec～0.5sec)后动作，调节器自动增加励磁电流，从而增加发电机的无功功率，使得机组无功功率回到前述限制允许值之上。通过欠励限制，可以防止深度进相后机组与电网失去稳定运行，同时防止长时间深度进相运行导致的定子端部过热，也有利于避免母线电压、厂用电电压过低。

顶值励磁电流限制用于当系统发生故障且励磁系统强励时，通过控制励磁电压来限制励磁电流倍数不超过设定的最大强励倍数Ifmax。一旦强励时励磁电流超过设定的顶值电流值，则调节器立刻减小励磁电压，从而防止励磁电流超过前述最大设定值。在需要励磁系统持续强励时，可将强励电流稳定控制在不超过设定的顶值励磁电流。这样一方面保证了励磁系统的强励能力充分发挥，另一方面防止转子过流损坏。

转子过励反时限制主要考虑在电网系统出现持续性故障需要励磁系统维持较长时间的强励(或过励)工况时，为了防止转子过电流导致的热积累使转子温度过高，破坏转子绝缘而设置此限制。当励磁系统强励使励磁电流超过设定启动值时(if＞Ifact)，通过实时计算当前励磁电流下转子绕组热积累值的方式(即)，在热积累Cf达到设定热容值Cfset时(Cf≥Cfset)，降低励磁电流至长期允许运行值。这样既保证了机组励磁系统对电力系统的强励时间，保障机组过载能力为系统电压提供支撑，同时又保证了转子绕组自身安全。

定子过流反时限制是在发电机定子持续过电流运行后，防止其因过热而导致定子绕组绝缘损坏。与前述转子过励反时限制类似，其限制控制对象为机组定子电流，延时计算逻辑也为热积累量。当定子电流超过设定启动值时(ig＞Iact)后，实时计算当前定子电流下定子绕组热积累值(即)，在热积累Cg达到设定热容值Cgset时(Cg≥Cgset)，定子过电流限制动作，根据当前发电机为滞相或进相运行状态相应的进行减磁或增磁操作，将定子电流控制到允许运行范围内。

励磁VF过激磁限制用于发电机在一定的电压和频率下，防止电压频率比值长时间过大导致机组或主变压器过磁通，防止因过激磁引起绕组、铁芯和相关结构件过热。通过实时测量发电机频率和机端电压值，可计算出VF比值。根据电机及主变压器的允许过激励特性，计算在对应频率和电压下允许运行的时间。一旦在动态调节过程中VF比值实际持续时间达到或超过允许时间后，VF过激磁限制需要动作，励磁调节器发出降低励磁电流的控制命令，随励磁电流降低，机端电压逐渐下降，从而降低激磁磁通，保护机组及主变压器。

上述励磁限制环节的设置既要考虑对电力系统动态调节能力的需要，又要确保机组自身安全运行的需求。比如在系统上出现过电压时，励磁系统需要快速减磁，使机组进相运行吸收大量无功，从而降低系统过电压。但进相深度过大则会引起机组与系统失稳，或者长时间吸收无功较多会导致机组端部铁芯发热、厂用电电压降低引起辅机脱离等问题，故需设置欠励限制防止机组进相深度过大。又如一旦在系统上发生故障、系统电压跌落，为了保证暂态稳定、防止机组失步，励磁系统需要强励从而抬升系统电压，但强励电流倍数不宜超过顶值电流倍数且强励时间不能使转子热容超过转子允许热容值，否则需要限制励磁电流。同理在运行过程中若定子电流长期过流也需要励磁限制动作，防止定子绕组过热引起绕组受损。在系统动态调节过程中，励磁系统实现对电网电压支撑，允许短时出现VF比值超过启动值。但为防止机组及主变过激磁，当VF比值超过启动值时则只能在一定时间下运行，不同VF比值下允许的运行时间由过激磁限制曲线设定，当允许时间结束时励磁VF过激磁限制动作降低机端电压。所以上述励磁限制功能既牵涉到发电机组本体的安全运行，也涉及到机组与电网系统之间的稳定运行，愈发受到电网和电厂方面的共同关注。

目前对发电机励磁系统限制功能测试主要通过现场交接试验进行，缺乏持续监测、在线跟踪和在线判断的方法，从而无法在线判断励磁限制动作性能，影响故障预警和故障预防的及时性，所以加强对发电机组励磁系统限制性能在线监测和判断势在必行。

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，提供一种发电机励磁限制性能在线判断方法，其通过实时采集或接收发电机组主要电气量和励磁限制状态量，通过实时计算从励磁限制的动作正确性、限制有效性和返回正确性三方面判断励磁限制动作性能，以实现对励磁限制性能的在线评价。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种发电机励磁限制性能在线判断方法，其包括如下步骤：设置测量模块，实时采集或接收发电机组主要电气量和励磁限制状态量；分析模块内预设与励磁调节器一致的励磁限制曲线和定值；根据接收的主要电气量和励磁限制状态量实时计算，从励磁限制的动作正确性、限制有效性和返回正确性三方面判断励磁限制动作性能，并在线给出励磁限制性能判断结果。

进一步地，测量模块可通过传感器采集并计算发电机组主要电气量和励磁限制状态量；也可通过快速通讯接收励磁调节器传输的发电机组主要电气量和励磁限制状态量。

进一步地，所述的励磁限制曲线和定值包括：无功欠励限制PQ曲线、顶值励磁电流限制定值、转子/定子过流反时限定值以及VF过激磁限制曲线。

进一步地，判断励磁限制的动作正确性是通过：由获取的电气量和状态量以及预设的励磁限制定值，当调节器的限制状态置位时计算限制被控量的幅值偏差和延时偏差，当幅值条件和延时条件均满足时判断为励磁限制动作正确，反之判断限制动作异常，并输出判断结果。

更进一步地，判断限制动作正确性的幅值条件如下式(1)或(2)，延时条件如下式(3)所示：

过励或过流限制情况，Amea≥Aset+eth 式(1)

或欠励限制情况，Amea＜Aset+eth 式(2)

|Tmea-Tset|＜Tth 式(3)

式(1)或(2)中，Amea为励磁调节器的限制状态置位时限制对象的实测值(状态值变为1)；Aset为限制对象的整定值或启动值；eth为考虑测量误差时允许的偏差，为0.5～1％的额定值；

式(3)中，Tmea为励磁调节器的限制状态置位时表征时间长度的测量量，其测量起点是从限制对象越过限制整定值或启动值开始；Tmea是时间计数值t或者累积的热容值C；Tset为表征限制动作前时间延迟长度的设定量，Tth为允许的延时测量偏差，为5～10％的Tset，或者是时间绝对值(比如50ms)。

进一步地，判断励磁限制的限制有效性是通过：当励磁调节器的限制状态信号置位时启动计数器，计数到指定时间(一般1sec～5sec)时计算限制被控量的幅值偏差，当幅值条件满足时判断为励磁限制有效，反之判断限制无效，并输出判断结果。

更进一步地，判断限制有效性的幅值条件如下：

过励或过流限制情况，Amea(t＝Tsj)＜Aset+eth 式(4)

或欠励限制情况，Amea(t＝Tsj)＞Aset+eth 式(5)

式(4)或(5)中，Amea(t＝Tsj)为计数到指定时间Tsj时限制对象的实测值，Aset为限制对象的整定值或启动值；eth为考虑测量误差时允许的偏差，为0.5～1％的额定值。

进一步地，判断励磁限制的返回正确性是通过：当励磁调节器的限制状态信号复位(状态值变为0)时计算限制被控量的幅值偏差，当幅值条件满足时判断为励磁限制返回正确，反之判断限制返回异常，并输出判断结果。

更进一步地，判断限制返回正确性的幅值条件如下：

过励或过流限制情况，Amea＜Artn+eth 式(6)

或欠励限制情况，Amea＞Artn+eth 式(7)

式(6)或(7)中，Amea为励磁调节器的限制状态信号复位时的限制对象的实测值，Artn为限制对象的限制返回设定值，eth为考虑测量误差时允许的偏差，为0.5～1％的额定值。

本发明具有的有益效果如下：本发明通过实时采集或接收发电机组主要电气量和励磁限制状态量，结合分析模块内预设的励磁限制曲线或定值，通过实时计算判断励磁限制的动作正确性、限制有效性和返回正确性，并在线给出判断结果，实现了对励磁限制性能的在线判断和评价。

附图说明

图1是本发明实施例的实现方案示意图一；

图2是本发明实施例的实现方案示意图二；

图3是本发明实施例的主要步骤示意图；

图4是本发明实施例判断无功欠励限制动作异常的示意图一；

图5是本发明实施例判断无功欠励限制动作异常的示意图二；

图6是本发明实施例判断无功欠励限制动作正常的示意图；

图7是本发明实施例判断无功欠励限制无效的示意图；

图8是本发明实施例判断无功欠励限制有效的示意图；

图9是本发明实施例判断无功欠励限制返回异常的示意图；

图10是本发明实施例判断无功欠励限制返回正常的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进一步详细说明。

本发明提供一种励磁限制性能在线判断方法，该方法包括：设置测量模块，实时采集或接收发电机组主要电气量和励磁限制状态量；分析模块内预设与励磁调节器一致的励磁限制曲线和定值；根据接收的电气量和状态量实时计算，从励磁限制的动作正确性、限制有效性和返回正确性三方面判断励磁限制动作性能，并在线给出励磁限制性能判断结果。

图1为实现该方法的方案示意图一，其中测量模块通过传感器采集机组电气量和励磁状态量。图2为实现该方法的方案示意图二，其中测量模块通过与励磁调节器的快速通讯接收机组电气量和励磁状态量。

图3给出上述励磁限制性能在线判断方法的主要步骤，具体实现过程如下：

步骤1：在分析模块内预设与励磁调节器AVR内一致的励磁限制曲线和定值，包括：无功欠励限制PQ曲线、顶值励磁电流限制定值、转子/定子过流反时限定值以及VF过激磁限制曲线。

无功欠励限制定值包括P-Q限制曲线、延时定值和返回定值三类。限制曲线一般在P-Q平面采用多点PQ坐标连成的折线作为无功功率欠励限制曲线，如(P1,Q1)、(P2,Q2)…(Pn,Qn)，n一般为5～8点。延时定值TQS是指从实测无功功率低于欠励限制曲线上当前有功P对应的无功目标值Qset开始到该限制动作的时间；为了不影响对系统的动态调节，延时定值一般设为0.1sec～0.5sec。返回定值是指励磁无功欠励限制状态复位需要满足的无功条件Qrtn，一般当Q＞Qset+Qrtn时无功欠励限制状态返回。

顶值励磁电流限制定值包括动作整定值、延时定值和返回定值三类。其中动作定值Ifmax又可分为空载顶值电流限制定值(可整定，一般为70％Ifn)和负载顶值电流限制定值(可整定，一般为200％Ifn)。延时定值TIfmax指从实测励磁电流超过顶值电流限制定值开始到该限制动作的时间，对顶值电流限制而言一般为瞬动，即延时定值一般设为0sec。返回定值是指顶值励磁电流限制状态复位需要满足的电流阀值Ifmrtn，一般当If＜Ifmrtn时顶值励磁电流限制状态返回。

转子或定子过流反时限定值包括启动电流值、允许热容值和返回定值三类。其中启动电流值Iact一般设为转子电流/定子电流满足长期运行条件的最大电流值，一般设为1.1倍额定转子电流Ifn或定子电流Ign。当转子或定子电流超过启动值时进行热容量C的累积计算。允许热容值Cset确定了转子/定子电子过电流的反时限特性，当转子/定子电子电流超过启动值后的热容累积达到允许热容值Cset时限制动作，将电流限制到启动值以内。返回定值是指转子/定子过流反时限制状态复位需要满足的电流阀值Ifrtn/Igrtn，一般当If＜Ifrtn或Ig＜Igrtn时转子/定子过流反时限制状态返回。

VF过激磁限制定值包括VF比值H-时间T的多点限制曲线、VF限制启动定值Hact和返回定值Hrtn三类。为了与机组或主变的过激磁特性较好的配合，一般采用VF比值H-时间T的多点折线限制曲线，该曲线限定了在不同的VF比值下允许运行的时间，VF比值H越高则允许时间越短，反之亦然。启动值Hact一般设为电压/频率比值满足长期运行条件的最大值，一般设为1.05～1.1pu。当VF比值H超过启动值Hact时进行允许时间的累积计算。当允许时间结束时限制动作降低励磁电流，从而降低VF比值。返回定值是指VF过激磁限制状态复位需要满足的VF条件Hrtn，一般当H＜Hrtn时VF过激磁限制状态返回。

步骤2：通过测量模块采集传感器输出并计算机组电气量和状态量；也可通过快速通讯接收励磁调节器传输的机组电气量和状态量。

如果通过传感器采集，则测量模块通过机端PT传感器采集三相机端电压，并计算三相机端电压有效值Uga、Ugb和Ugc。通过机端CT传感器采集三相机端电流，并计算三相机端电流有效值Iga、Igb和Igc。计算机组有功功率P、无功功率Q、机端电压频率fre，VF比值。通过设置在励磁回路的直流电压/电流变送器采集转子电压和电流，并计算励磁电压Uf和励磁电流If。测量模块通过开关量输入直接采集励磁限制状态，包括无功欠励限制置位/复位、顶值励磁电流限制置位/复位、转子过励反时限制置位/复位、定子过流反时限制置位/复位以及VF过激磁限制置位/复位。当励磁调节器相应的限制动作时，限制状态置位(变为1)，反之限制状态复位(变为0)。

如果通过快速通讯接收，则测量模块通过与励磁调节器AVR的快速通讯直接接收上述机组电气量和励磁限制状态量。

步骤3：由获取的电气量和状态量以及预设的励磁限制定值，当调节器的限制状态置位时计算限制被控量的幅值偏差和延时偏差，判断励磁限制的动作正确性。当幅值条件和延时条件均满足时判断为励磁限制动作正确，反之判断限制动作异常，并输出判断结果。

判断限制动作正确性的幅值条件和延时条件如下式所示：

Amea≥Aset+eth(过励或过流限制情况)或Amea＜Aset+eth(欠励限制情况)

|Tmea-Tset|＜Tth

上式中，Amea为励磁调节器AVR的限制状态置位时限制对象的实测值，Aset为限制对象的整定值或启动值；eth为考虑测量误差时允许的偏差，一般为0.5％～1％的额定值。

Tmea为励磁调节器AVR的限制状态置位时表征时间长度的测量量，其测量起点是从限制对象越过限制整定值或启动值开始，直至接收到励磁调节器AVR的限制状态置位(状态值变为1)为止；Tmea可以是时间计数值t或者累积的热容值C；

Tset为表征限制动作前时间延迟长度的设定量。Tth为允许的延时测量偏差，一般为5％～10％的Tset，或者是时间绝对值(比如50ms)。

3.1实施例中对于无功欠励限制情况：

多点P-Q限制曲线根据机端电压标么值的平方进行调整。分析模块根据当前机组有功P计算P-Q限制曲线上对应的无功限制目标值Qset。当实测无功值Q低于Qset(即Q＜Qset)时开始时间计时,直到接收到励磁调节器的欠励限制状态置位为止,此计时时间为Tq。TQS为设定的延时定值。

当采集到励磁调节器的无功欠励限制状态信号置位(由0变为1)时，判断下式(15)和(16)是否满足。

Q＜Qset+eth 式(8)

|Tq-TQS|＜Tth 式(9)

其中Tth为允许的时间测量偏差，可取为10％的TQS，或者是时间绝对值(比如50ms)。

若式(8)和(9)都满足，则判断无功欠励限制动作正确；反之若有其一不满足则判断无功欠励限制动作异常；并同步输出判断结果。

3.2实施例中对于顶值励磁电流限制情况：

当实测励磁电流If超过顶值设定值Ifmax(即If＞Ifmax)时开始时间计时,直到接收到励磁调节器的顶值电流限制状态置位为止,此计时时间为Tfm。Tif max为设定的延时定值，一般设为0sec。

当采集到励磁调节器的顶值电流限制状态信号置位(由0变为1)时，判断下式(10)和(11)是否满足。

If＞Ifmax+eth 式(10)

|Tfm-Tif max|＜Tth或|Tfm-0|＜Tth 式(11)

其中Tth为允许的时间测量偏差，可取绝对时间值(比如20ms～50ms)。

若式(10)和(11)都满足，则判断顶值电流限制动作正确；反之若有其一不满足则判断顶值电流限制动作异常；并同步输出判断结果。

3.3实施例中对于转子过励反时限制情况：

一旦实测励磁电流If超过启动值Iact(即If＞Iact)时便进行热容累积计算，热容计算按下式(12)进行，直到接收到励磁调节器的转子过励反时限制状态置位为止。

Cfset为设定的转子允许热容值，一般设为30(即输出2倍励磁电流允许时间10sec)。

当采集到励磁调节器的转子过励反时限制状态信号置位(由0变为1)时，判断下式(13)和(14)是否满足。

If＞Iact+eth 式(13)

|Cf-Cfset|＜Cth 式(14)

其中Cth为允许的热容偏差，可取为5％～10％的Cfset。

若式(13)和(14)都满足，则判断转子过励反时限制动作正确；反之若有其一不满足则判断转子过励反时限制动作异常；并同步输出判断结果。

定子过流反时限制的限制动作正确性判断实现方式与上述转子过励反时限的相同。

3.4实施例中对于VF过激磁限制情况：

一旦实测VF电压频率比值H超过启动值Hact(即H＞Hact)时开始时间计时，直到接收到励磁调节器的VF过激磁限制状态置位为止,此计时时间为Th。THS为VF比值H-时间T的限制曲线设定的对应比值H的延时定值。

当采集到励磁调节器的VF过激磁限制状态信号置位(由0变为1)时，判断下式(15)和(16)是否满足。

H＞Hact+eth 式(15)

|Th-THS|＜Tth 式(16)

其中Tth为允许的时间测量偏差，可取为10％的THS，或者是时间绝对值(比如30ms～50ms)。

若式(15)和(16)都满足，则判断VF过激磁限制动作正确；反之若有其一不满足则判断VF过激磁限制限制动作异常；并同步输出判断结果。

步骤4：当励磁调节器的限制状态信号置位时启动计数器，当计数到指定时间Tsj时(一般1sec～5sec)计算限制被控量的幅值偏差，当幅值条件满足时判断为励磁限制有效，反之判断限制无效，并输出判断结果。

判断限制有效性的幅值条件如下：

Amea(t＝Tsj)＜Aset+eth(需要测量值高于整定值时励磁限制才动作的情况)

或Amea(t＝Tsj)＞Aset+eth(需要测量值低于整定值时励磁限制才动作的情况)

上式中，Amea(t＝Tsj)为计数到指定时间Tsj时限制对象的实测值。

4.1实施例中对于无功欠励限制情况：

当接收到励磁调节器的欠励限制状态置位时，启动限制回调计数器。当计数到指定时间Tsj时(一般设为1sec～5sec)计算无功实测值与限制目标值Qset的偏差，判断下式(17)是否满足。

Q(t＝Tsj)＞Qset+eth 式(17)

若式(24)满足，则表明欠励限制动作后经过Tsj时间，无功值已被调回至限制目标内的安全运行区，故判断无功欠励限制有效；反之判断无功欠励限制无效；并同步输出判断结果。

4.2实施例中对于顶值励磁电流限制情况：

当接收到励磁调节器的顶值电流限制状态置位时，启动限制回调计数器。当计数到指定时间Tsj时(一般设为1sec～5sec)计算励磁电流实测值与顶值限制整定值Ifmax的偏差，判断下式(18)是否满足。

If(t＝Tsj)＜Ifmax+eth 式(18)

若式(25)满足，则表明顶值电流限制动作后经过Tsj时间，励磁电流值已被调回至顶值限制目标内的区域，故判断顶值电流限制有效；反之判断顶值电流限制无效；并同步输出判断结果。

4.3实施例中对于转子过励反时限制情况：

当接收到励磁调节器的转子过励反时限制状态置位时，启动限制回调计数器。当计数到指定时间Tsj时(一般设为1sec～5sec)计算励磁电流实测值与启动值Iact的偏差，判断下式(19)是否满足。

If(t＝Tsj)＜Ifact+eth 式(19)

若式(19)满足，则表明转子过励反时限制动作后经过Tsj时间，励磁电流值已被调回至低于启动值的安全运行区域，故判断转子过励反时限制有效；反之判断转子过励反时限制无效；并同步输出判断结果。

定子过流反时限制的限制有效性判断实现方式与上述转子过励反时限的相同。

4.4实施例中对于VF过激磁限制情况：

当接收到励磁调节器的VF过激磁限制状态置位时，启动限制回调计数器。当计数到指定时间Tsj时(一般设为1sec～5sec)计算VF实际比值H与限制启动值Hact的偏差，判断下式(20)是否满足。

H(t＝Tsj)＜Hact+eth 式(20)

若式(20)满足，则表明VF过激磁动作后经过Tsj时间，VF电压频率比值已被调回至限制启动内的安全运行区，故判断过激磁限制有效；反之判断过激磁限制无效；并同步输出判断结果。

步骤5：当励磁调节器的限制状态信号复位(状态值变为0)时计算限制被控量的幅值偏差，当幅值条件满足时判断为励磁限制返回正确，反之判断限制返回异常，并输出判断结果。

判断限制返回正确性的幅值条件如下：

Amea＜Artn+eth(需要测量值高于整定值时励磁限制才动作的情况)

或Amea＞Artn+eth(需要测量值低于整定值时励磁限制才动作的情况)

上式中，Amea为励磁调节器的限制状态信号复位时的限制对象的实测值。Artn为限制对象的限制返回设定值。

5.1实施例中对于无功欠励限制情况：

当接收到励磁调节器的欠励限制状态复位时，计算无功实测值是否满足限制返回的幅值条件，即判断下式(21)是否满足。

Q＞Qset+Qrtn+eth 式(21)

若式(21)满足，则表明调节器的欠励限制返回时无功值满足限制返回条件，故判断无功欠励限制返回正确；反之判断无功欠励限制返回异常；并同步输出判断结果。

5.2实施例中对于顶值励磁电流限制情况：

当接收到励磁调节器的顶值电流限制状态复位时，计算励磁电流实测值与顶值限制返回值Ifmrtn的偏差，判断下式(22)是否满足。

If＜Ifmrtn+eth 式(22)

若式(29)满足，则表明顶值电流限制返回时励磁电流值满足限制返回条件，故判断顶值电流限制返回正确；反之判断顶值电流限制返回异常；并同步输出判断结果。

5.3实施例中对于转子过励反时限制情况：

当接收到励磁调节器的转子过励反时限制状态复位时，计算励磁电流实测值与限制返回值Ifrtn的偏差，判断下式(23)是否满足。

If＜Ifrtn+eth 式(23)

若式(23)满足，则表明转子过励反时限制返回时励磁电流值满足限制返回条件，故判断转子过励反时限制返回正确；反之判断转子过励反时限制返回异常；并同步输出判断结果。

定子过流反时限制的返回正确性判断实现方式与上述转子过励反时限的相同。

5.4实施例中对于VF过激磁限制情况：

当接收到励磁调节器的VF过激磁限制状态复位时，计算VF实际比值H与限制返回值Hrtn的偏差，判断下式(24)是否满足。

H＜Hrtn+eth 式(24)

若式(31)满足，则表明VF过激磁限制返回时VF电压频率比值满足限制返回条件，故判断过激磁限制返回正确；反之判断过激磁限制返回异常；并同步输出判断结果。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。