一种发电机失步保护性能评估方法和评估系统与流程

本发明涉及电力系统领域，更具体涉及一种基于仿真的发电机失步保护性能评估方法和评估系统。

背景技术：
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现代大型发电机组均以单元接线方式接入电网，发电机和主变的电抗较大，与之相连的系统等值电抗相对较小，在机组近区发生故障扰动引起功角失步问题时，失步振荡中心往往位于发电机机端附件，一方面因失步振荡电流幅值与三相短路电流相当，会对发电机造成热的和力的损伤；另一方面，电厂电压会周期性的严重下降，发电厂内部部分发电机制动，存在停机停炉、炉管过热或炉膛爆炸等风险。发电机失步保护用于及时切除已失步的发电机避免上述问题的发生。失步保护动作原理不尽相同，但核心问题是判别故障扰动下机组是否失步，以及振荡中心是否位于发变组内部，一般通过在阻抗平面定义动作区，根据机端测量阻抗穿越动作区的情况进行判别。随着具有厂网分开、引入市场化等特点的电力体制变革，失步保护方案的整定工作目前由电厂负责，基于相关技术规定完成失步保护整定方案，但电厂人员对电力系统整体运行和稳定特性缺乏足够的认识，缺乏失步保护整定方案对电力系统运行和故障扰动场景适应性的有效评估方法，不能及时发现可能存在的安全隐患。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种发电机失步保护性能评估方法和评估系统，考虑电力系统运行方式的设置、机组运行工况的设置、典型故障扰动场景的设 置三个重要方面，评估失步保护配置方案的有效性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种发电机失步保护性能评估方法，包括：

建立影响发电机失步保护动作特性的元件仿真数据模型；

设定用于评估发电机失步保护性能的电力系统运行方式和机组出力；

设置典型故障扰动场景；

通过时域仿真评估发电机失步保护配置方案。

本发明提供的一种发电机失步保护性能评估方法，所述元件仿真数据模型包括电机励磁系统模型、调速系统模型和失步保护模型。

本发明提供的一种发电机失步保护性能评估方法，所述运行方式为设定规划水平年的大负荷运行方式；将评估对象的机组出力设定为满出力水平。

本发明提供的另一优选的一种发电机失步保护性能评估方法，所述典型故障扰动场景为设置不会导致机组失步的轻微短路故障，在发电机的主变压器高压侧设置瞬时性的三相短路，短路持续时间典型值为0.02s-0.1s。

本发明提供的再一优选的一种发电机失步保护性能评估方法，所述典型故障扰动场景为设置导致机组失步且振荡中心位于发变组内部的严重短路故障，在发电机的主变压器高压侧设置瞬时性的三相短路，短路持续时间典型值为0.3s-1s。

本发明提供的又一优选的一种发电机失步保护性能评估方法，所述典型故障扰动场景为设置机组的机电振荡模式的阻尼水平被削弱发生低频振荡故障，修改励磁系统的电力系统稳定器的增益值，并在发电机机端设置瞬时性的三相短路，短路持续时间典型值为0.02-0.1s。

本发明提供的又一优选的一种发电机失步保护性能评估方法，所述发电 机失步保护配置方案的评估判断标准为：当在不会导致机组失步的轻微短路故障场景下，发电机机端测量阻抗不会穿越阻抗区，发电机失步保护不出口切机；当在低频振荡故障场景下，发电机机端测量阻抗不会穿越阻抗区，发电机失步保护不出口切机；当在导致机组失步且振荡中心位于发变组内部的严重短路故障场景下，发电机机端测量阻抗会穿越阻抗区，发电机失步保护出口切机；所述保护配置方案在3个故障场景下均正确响应则判定其良好和有效，只要有一个故障场景未正确响应则判定其存在安全隐患，予以修正。

本发明提供的一种发电机失步保护性能评估系统，包括：

建立模型模块，建立影响发电机失步保护动作特性的元件仿真数据模型；

设定模块，设定用于评估发电机失步保护性能系统的运行方式和机组出力；

故障扰动场景模块，设置典型故障扰动场景；

评估模块，通过时域仿真评估发电机失步保护配置方案。

本发明提供的又一优选的一种发电机失步保护性能评估系统，所述系统还包括仿真模块，根据用户需求仿真所述故障扰动场景，记录发电机机端测量阻抗轨迹。

本发明提供的一种发电机失步保护性能评估系统，所述故障扰动场景模块包括存储模块和选取模块；所述存储模块用于存储已设置的故障扰动场景；所述选取模块根据用户需求提取相应的故障扰动场景。

本发明提供的一种发电机失步保护性能评估系统，所述评估模块包括判断模块，根据所述仿真模块的计算结果与所述判断模块中的判断标准进行对比，从而对所述发电机失步保护配置方案进行评估。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明提供的技术方案计及了发电机失步保护相关重要元件的调节特性和动作特性，考虑了系统运行方式的设置、机组运行工况的设置、典型故障扰动场景的设置三个重要方面；

2、本发明提供的技术方案通过时域仿真评估失步保护配置方案的有效性，可及时发现配置方案的缺陷和问题，防止参数设置不合理的失步保护的配置方案投入电网使用，给电厂及电网的第三道防线带来安全隐患；

3、本发明提供的技术方案考虑实际电力系统对运行的安全性和稳定性极高的要求，克服现场试验的方法难以评估失步保护配置方案的问题；

4、本发明提供的技术方案评估结果可为失步保护选型、参数优化提供重要参考；

5、本发明提供的技术方案具有评估准确、考虑因素全面、操作简单方便等优点；

6、本发明提供的技术方案具有较高的实用价值和良好的市场前景。

附图说明

图1为本发明技术方案提供的发电机功角曲线图；

图2为本发明实施例提供的三机系统网架结构图；

图3为本发明技术方案提供的方法的流程图。

图4为本发明技术方案提供的三元件型失步保护模型图；

图5为本发明技术方案提供的双遮挡器型失步保护模型图；

图6为本发明技术方案提供的发电机典型励磁系统传递函数框图；

图7为本发明技术方案提供的典型PSS模型传递函数框图；

图8为本发明技术方案提供的汽轮发电机组典型调速控制系统传递函数 框图；

图9为本发明实施例提供的在发电机G1的主变高压侧设置短延时的三相短路故障下机端测量阻抗轨迹与失步保护动作区的关系图；

图10为本发明实施例提供在发电机G1的主变高压侧设置长延时的三相短路故障下机端测量阻抗轨迹与失步保护动作区关系图；

图11为本发明实施例提供对发电机G1改变PSS增益后发生低频振荡故障下机端测量阻抗轨迹与失步保护动作区关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例以一个三机互联系统为例，电网结构如图2所示，评估发电机G1的失步保护性能，它配置有国内主流的三元件型失步保护和双遮挡器型失步保护，保护定值参数见表1和表2。根据本例的发明提供的一种发电机失步保护性能评估方法，如图3所示的流程图进行评估。

表1 发电机G1三元件型失步保护定值参数表

表2 发电机G1双遮挡器失步保护定值参数表

步骤A：建立与发电机失步保护动作特性相关的重要元件仿真数据模型，包括：三元件型失步保护和双遮挡器型失步保护的保护模型图如图3和图4所示；励磁系统为广泛采用的自并励静止励磁系统，其模型结构如图5所示；励磁系统的电力系统稳定器(PSS)采用IEEE 2B型，其模型结构如图6所示；汽轮发电机组调速控制系统采用DEH类型，其模型结构如图7所示。

步骤B：设定规划水平年的大负荷运行方式为评估失步保护性能的运行方式，将评估对象机组的出力设定为满出力水平。通过这种设定，待评估机组的运行点在功角曲线的位置较为靠上，如图1所示P_T1、P_T2分别为低出力点和高出力点，初始功角δ₁＜δ₂,对应临界失稳功角δ_1C＞δ_2C,即高出力点距离失稳边界较近，在同样故障扰动下易于发生失步情况，失步保护动作的可能性比低出力工况时大。在三机系统中，规划水平年大负荷水平设置为1520MW，待评估发电机G1为额定600MW机组，设置其出力为600MW满发状态。

步骤C：设置3种典型故障扰动场景。

1)设置不会导致机组失步的轻微短路故障，在发电机G1主变高压侧设置瞬时性的三相短路，短路持续时间为0.1s。

2)设置导致机组失步且振荡中心位于发变组内部的严重短路故障，在发电机G1主变高压侧设置瞬时性的三相短路，短路持续时间为0.5s。

3)设置发电机G1机电振荡模式的阻尼水平被削弱发生低频振荡故障，修改励磁系统的PSS增益值，由50修改为-50，并在机端设置瞬时性的三相短路，短路持续时间为0.1s。

步骤D：根据典型故障扰动场景的仿真计算结果，评估发电机失步配置保护方案的有效性。

1)不会导致机组失步的轻微短路故障

在发电机G1升压变的高压侧设置三相短路经短延时0.1s后短路消失的故障，因故障扰动轻微，发电机G1未失步，机端测量阻抗轨迹没有穿越失步保护动作区，两种类型的失步保护均未出口切机，响应正确。两种类型失步保护与发电机G1机端测量阻抗轨迹关系如图9所示。

2)导致机组失步且振荡中心位于发变组内部的严重短路故障

在发电机G1升压变的高压侧设置三相短路经长延时0.5s后短路消失的故障，发电机G1失步。发电机机端阻抗轨迹穿越失步保护的动作区，三元件型失步保护1.44s动作出口切机，双遮挡器型失步保护1.62s动作出口切机，失步保护响应正确。两种类型失步保护与发电机G1机端测量阻抗轨迹关系如图10所示。

3)机组相关的机电振荡模式的阻尼水平被削弱发生低频振荡故障

将发电机G1的PSS增益由正常值50修改为-50，并在发电机G1升压变的高压侧设置三相短路经短延时0.1s后短路消失的故障，此故障激发起发电机G1的0.75Hz频率的低频振荡，机端测量阻抗轨迹没有穿越失步保护动作区，两种类型的失步保护均未出口切机，响应正确。两种类型失步保护与 发电机G1机端测量阻抗轨迹关系如图11所示。

因此，本实施例中仿真结果表明发电机G1配置的失步保护方案性能良好。

本发明还提供了一种发电机失步保护性能评估系统，包括：

建立模型模块，建立影响发电机失步保护动作特性的元件仿真数据模型；

设定模块，设定用于评估发电机失步保护性能系统的运行方式和机组出力；

故障扰动场景模块，设置典型故障扰动场景；

评估模块，通过时域仿真评估发电机失步保护配置方案。

所述系统还包括仿真模块，根据用户需求仿真所述故障扰动场景，记录发电机机端测量阻抗轨迹。

所述故障扰动场景模块包括存储模块和选取模块；所述存储模块用于存储已设置的故障扰动场景；所述选取模块根据用户需求提取相应的故障扰动场景。

所述评估模块包括判断模块，根据所述仿真模块的计算结果与所述判断模块中的判断标准进行对比，从而对所述发电机失步保护配置方案进行评估。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。