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第 4 3 卷 第 1 期 2 0 1 5年 1月 1日 电 力 系 统 保 护 与 控 制 P o we r S v s t e m P r o t e c t i o n a n d Co n t r o l V0 1 ． 43 NO． 1 J a n ． 1 ， 2 0 1 5 基于安全 自动装置控制的火电机组改进超速保护 陈兴 华 广东电网公司电力调度控制中心，广东 广州 5 1 0 0 0 0 摘要为解决传统的火电机组超速保护控制特性无法适应不同形态故障对电网、机组的影响，完善其控制策略，加强电网稳 定性、 提高机组设备安全性， 提出一种基于安全自动装置控制的火电机组超速保护。 该保护利用区域稳控系统实现信息采集、 处理和命令分发，实现了安全 自动装置与超速保护两者的精确配合，可达到防止同一供电区域内的多台火电机组超速保护同 时动作的目的。分析结果表明， 该保护在有效提 高电网稳定性的同时， 也确保 了机组原有的安全屏障不受削弱， 可操作性强， 为解决孤网系统高频问题另辟蹊径。 关键词超速保护；安全自动装置；稳控装置；高频；孤 网 I m pr o ve d OPC b y a ut o m a t i c s e c ur i t y de vi c e CHEN Xi ng hu a G u a n g d o n g P o we r Di s p a t c h i n g and C o n t r o l C e n t e r , Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e m tha t t r a d i t i o n a l the r ma l p o we r u n i t o v e r - s p e e d p r o t e c t i o n c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c s c a n n o t a d a p t t o d i ff e r e n t f o rm s o f f a u l t o n t h e g r i d o r t h e u n i t ， a n d t o i mp r o v e t h e c o n t r o l s t r a t e g y , s t r e n g t h e n t h e p o we r g r i d s t a b i l i t y , e n h an c e s e c u r i ty u ni t ， t h i s p a p e r p r e s e n t s a n i mp r o v e d o v e s p e e d p r o t e c t i o n o f the r ma l p o we r un i t b a s e d o n the c o n t r o l o f a u t o ma t i c s a f e ty d e v i c e ． B y c o l l e c t i n g i n f o r ma t i o n ， p r o c e s s i n g and d i s tri b u t i n g t h e c o mma n d s t h r o u g h t h e r e g i o n a l s t a b i l i t y c o n t r o l s y s t e m， t h i s n e w p r o t e c t i o n r e a l i z e s the c o mb i n ati o n o f a u t o mati c s a f e t y d e v i c e a n d o v e s p e e d p r o t e c t i o n ， wh i c h c a n a c h i e v e the p u r p o s e t o p r e v e n t t h e s i mu l t a n e o u s a c t o f o v e s p e e d p r o t e c t i o n u n i t s wi t h i n t h e s a m e r e g i o n ． An a l y s i s i n d i c ate s that t h e n e w p r o t e c t i o n wi t h s t r o n g o p e r a b i l i t y n o t o n l y e n s u r e s t h e o r i g i n a l un i t s a f e ty b a r r i e r f r o m b e i n g we a k e n e d b u t a l s o i mp r o v e s p o we r s y s t e m s t a b i l i ty,wh i c h p r o v i d e a n e w wa y t o s o l v e the p r o b l e m o f a h i g h - f r e q u e n c y i s o l a t e d n e t wo r k s y s t e m， Ke y wo r d s o v e r - s p e e d p r o t e c t i o n c o n t r o l ； a u t o ma t i c - s e c u r i ty d e v i c e ； s e c u r i ty- s t a b i l i ty- c o n tro l d e v i c e ； h i g h fre q u e n c y； i s o l a t e d g r i d 中图分类号 T M7 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 ． 3 4 1 5 2 0 1 5 0 1 ． 0 1 5 0 0 5 0 引言 近年来，随着我国经济的迅猛发展 ，互联电网 送 电规模增大，电网建设步伐加快，各子系统之间 的相互联系越来越强。现代 电力系统朝着大电网、 大机组 的方 向发展，机组和 电网的相互影响 日益增 强。各种先进的安全 自动装置和控制系统被广泛地 应用到电力系统中【 l q J 。 在 “ 厂网分离 ”后的调度管 理机制下，完善机组侧的保护及其控制策略是加强 电网稳定性、确保机组设备安全性的一个十分关键 的环节。 1 传统超速保护原理及局限性 1 ． 1超速保护基本原理 目前大容量汽轮发电机组普遍采用数字 电液调 速系统 DE H，该调速系统具有超速保护控S O O v e r ． s p e e d P r o t e c t i o n C o n t r o l ， OP C 。O P C能在转子超速 时迅速抢断调节系统的控制权，强行将调节汽 门短 时关闭，经过一定的延时，转速恢复正常后，再将 控制权还给调节系统， 因此可以有效地抑制机组超速 。 传统的超速保护包括 1 0 3 ％超速保护和 1 1 0 ％超 速保护。后者是汽轮机最为重要的危急保安保护， 动作正确性和可靠性要求相当高，其逻辑要求简单 明了且相对固定，故不在本文讨论范围之内。对于 前者 ，不 同的生产制造公司控制逻辑各异。比较典 型的控制逻辑如图 1 【 J J 。 图 1是 目前国内的汽轮机制造厂最常见的、应 用最为广泛的 1 0 3 ％超速保护控制逻辑。相 比之下， 国外的汽轮机制造厂的控制逻辑略有不 同，例如有 的在判断转速 的条件上叠加功率差额 的线性化判 陈兴华 基于安全 自动装置控制的火电机组改进超速保护 一1 5 1． 断，有 的则使用转速上升速度 即转速加速度 作为 判别条件等。 l 火 力 I发 电 机 组 汽 笔 盏 墨 藿 I 电 磁 功 率 差 超 过 定 值 】 与 ■ 发电机主开关跳 闸 H 或 -J 超 速 保 1 护 动 作 超过动作门槛 『 火力发 电机组 1 ● ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一 k⋯⋯⋯⋯⋯⋯一J 图 1典型 1 0 3 ％超速保护 动作 及返回逻辑 F i g ． 1 Ac t a n d r e t u m l o g i c o f t y p i c a l 1 0 3 ％ o v e r - s p e e d p r o t e c t i o n 综合而言， 1 0 3 ％超速保护现时普遍只采用机组 本侧信息作为判别条件。 1 ． 2超速保护的隐忧 O P C是一把双刃剑 ，虽能有效抑制汽轮机转子 转速飞升 ， 但如果控制策略和定值配合、设计不当， 则不仅会对机组设备造成损害，而且有可能危及电 网的安全稳定运行p J 。 对于 电力盈余送出电网，系统若 因故障导致其 与主网解列，则故障后其频率将升高。若频率抬升 超过 5 1 ． 5 H z ，而区域 内有多台火 电机组运转中， 则 该火 电机组群的 OP C 有可能同时满足动作条件而 关闭汽轮机调 门，以抑制转速的飞升 。此后，电网 将 由 “ 有功过剩”状态过渡为 “ 有功不足 ”状态， 频率将在冲至顶峰后逐渐回降。待频率恢复至额定 值后，机群 OP C将 陆续满足返回条件 ， 重新打开汽 轮机调门。于是区域电网重新进入 “ 有功过剩 ”的 状态，机组调门重新关闭，并进入 “ 开． 关一 开一 关” 的不断循环，也就是所谓的 “ 乒乓”现象 。机群内 这种各 自为战、无序、频繁往复的控制 ，往往导致 机组轴系和热力系统遭受损害，且令解列 电网失去 保持稳定的机会，最终导致崩溃 。 对于 电力送出地区而言，该 问题尤为突出。电 网越薄弱、电力送出量越大、火电机组数目越多， 频率 “ 超调 ”现象越 明显。因此，机组的超速保护 与电网的安全运行密切相关，完善超速保护不容忽 视 。 1 ． 3现有应对措施及其局限性 现 时，为应对火电机组群 的 “ 乒乓 ”现象，一 般采取以下几种措施。 1 增加 O P C 的动作延时I 。根据事前计算分 析，预判故障情况下区域 电网的功率差额水平。根 据该结果 ， 匹配预期允许 O P C动作的火 电机组， 剩 余火 电机组的 O P C加入长短不等的动作延时， 以期 只通过个别机组 的功率输 出调节，实现紧急情况下 的频率控制。 f 2 调整 O P C 的动作定值L 6 ] ，将区域 内火 电机 组的 O P C动作定值整定错开。 3 长期退 出部分机组的 O P C [ 。 上述三类措施，表面上看虽有可能解决区域 电 网解列后火 电机组群 O P C “ 同关 同开 ”的问题，但 却暴露 出以下几个难 以解决的弊端。 f 1 机组本身的 O P C加入延时、定值调高甚至 退出，设备的安全屏障被削弱，直接影响设备安全 以及厂 内人身安全，机组出线故障造成机组脱网时 的情形尤为明显 。故而上述措施在推进过程 中往往 遇到厂方相当大的阻力 ，成为厂网之间难以调和的 矛盾 。 2 运行方式、潮流水平、机组出力等因素不断 变化 ，如果变化起伏较大，那么事前分析计算的结 果与实际情况的匹配度就难以保证， 造成 O P C定值 整定 困难 ，电网安全性难以保证。 3 O P C是置于 DE H系统中的控制模块 ，其定 值调整不如继保类装置方便，一般需要制造厂商到 现场进行调整，调整后再进行严格测试，工序相较 继保类装置而言比较繁琐。因此，定值调整常态化 的可操作性难 以得到保证。 为此 ，本文着眼于 目前 己广泛应用的安全 自动 装置，提 出一种基于安全 自动装置控制的火电机组 改进超速保护 。 2 安全 自动装置简述 安全 自动装置是指防止电力系统失去稳定和避 免电力系统发生大面积停 电的 自动保护装置，简称 安 自装置 。 它包括安全稳定控制装置、 备 自投装置、 低频低压减载装置、重合闸装置等多种类型。 安全稳定控制装置 简称稳控装置 是 2 1 世纪以 来应用最为广泛的安 自装置之一。它通过不同厂站 装置之问的通信通道f 一般采用光纤通道 实现通信 联系和信息的协调处理， 形成安全稳定控制系统 简 称稳控系统 ，在 电力系统发生故障时实现快速切 机 、切负荷等紧急控制措施。根据稳控装置的不同 角色定位，一般可分为控制站和执行站 。 处于电网薄弱区域的电厂 ，现时都应配有稳控 装置 切机执行站1 ，以确保故障情况下 电网和机组 设备的安全 。本文提 出的改进超速保护，就是基于 1 5 2- 电力 系统保护 与控制 该稳控装置控制。 ～ 一 3 基于安全 自动装置控制的改进超速保护 3 ． 1改进的原则 基于前述现有 O P C存在 的不足， 针对以下原则 提出超速保护的改进思路 1 保持 O P C原有就地控制逻辑功能，确保原 有设备安全屏障基本不受削弱； 2 适应性强， 不同运行方式、潮流水平和机组 出力等 因素的变化情况下，均能对机组作 出准确控 制，确保 电网和机组设备的安全稳定性； 3 能实现信息综合判断， 优化协调区域控制措 施 ； 4 改造方案可操作性强 。 3 ． 2方案总体架构 方案主要利用区域稳控系统实现信息采集、处 理和命令分发 ，总体架构见图 2 。 图 2方案总体架构 F i g ． 2 Ov e r a l l s t r u c t u r e 方案主要包括三个环节改进的 O P C模块 、 切 机执行站和控制站。各环节 的具体作用和实现思路 具体如下。 1 改进 的 O P C模块 。 设计改动包括两个方面 一 是增加两个输入节 点 可采用硬接点1 ，即超速保 护动作信号和超速保护闭锁信号；二是在控制逻辑 上增加对上述 两个输入信号的处理。改进后 的 O P C 动作及返回逻辑详见图 3 。 ． 2 切 机执行站。指安装于 电厂侧 的稳控装置。 主要负责采集电厂侧的机组出力、送 出线路和升压 变潮流等信息，转发给控制站供信息处理。装置既 负责本地控制策略的判别，也负责接受控制站的控 制命令。为实现切除机组、闭锁 O P C和驱动 OP C 等紧急控制措施 ，装置需设置切机 出 口、相应 的 O P C闭锁和动作信号。 3 控制站。是指安装 于枢纽变 电站 的稳控装 置，是整个系统的 “ 大脑”。主要负责采集本站侧 矧 汽 辇 嚣≤H } I 机 组 i 返 回 定 值 f I 时 f 与 囊 誓 l 超 速 保 护 动 作 信 号 图 3改进后的O P C动作及返回逻辑 F i g ． 3 Ac t a n d r e t u r n l o g i c o f i mp r o v e d OPC 的线路和主变潮流等信息，也负责统一收集各执行 站上送的信息。对于收集到的各类信息，根据预设 的控制策略，在系统发生故障时，匹配相应的控制 措施，向各执行站下发相应的控制命令。 4 方案处理 本方案体现 了一个设计理念系统故障 解 列 时各厂 OP C统一协调，非系统故障时各厂 O P C 自行决策。下面分别对几种不同情况下的处理进行 描述。 4 ． 1机组就地故障情况下的处理 机组发生出线或升压变等就地故障导致机组脱 网时，该故障一般不 由稳控系统负责应对，故稳控 系统不会 向机组发出 “ 超速保护动作”或 “ 超速保 护闭锁”信号 。从图 3逻辑框 图可知，机组仅以就 地信息进行 O P C启动和返回的逻辑判别， 与原 O P C 控制逻辑一致 。此时，机组若满足汽轮机机械功率 与发电机 电磁功率差超过定值 动作条件 1 或者发 电机开关跳 闸 动作条件 2 ，则 O P C可直接动作出 口 。 4 ． 2系统发生频率稳定问题时的处理 系统发生预想故障导致区域 电网解列时，控制 站根据故障后系统的功率超额 过剩1 ，匹配相应 的 控制策略，计算应切除的机组容量。由于功率超额 量与系统故障前的运行方式 、潮流水平、机组出力 等息息相关，且往往无法找到一个机组组合能使得 切除量等于功率超额量 ，故控制措施宜以 “ 切除量 最接近功率超额量”作为 目标。另一方面 ，为防止 火 电机群 O P C的 “同关 同开”， 控制站将其余不参 陈兴华 基于安全自动装置控制的火电机组改进超速保护 ．1 5 3． 与切除控制措施的机组列为不允许 OP C 动作的机 组。最后，向各执行站发送相应的 “ 切机”或 “ 超 速保护 闭锁”控制命令 。 执行站装置在收到命令后立即发信至相应的机 组控制单元 ，实施紧急措施控制。其中，对于不允 许 O P C 动作的机组，执行站装置将 向其持续发出 “ 超速保护 闭锁 ”信号。由图 3的逻辑框 图可知， 机组即使满足汽轮机转速超过门槛值 动作条件 3 ， 超速保护仍将无法出口动作。 上述措施执行完毕之后 ，待系统频率恢复至预 设值 ，则控制站向相应的执行站发送 “ 取消超速保 护 闭锁 ”的命令 。执行站收令后停止 向机组发送 “ 超速保护闭锁”信号， 将 O P C控制权交还给机组 D E H。若系统恢复频率仍持续高于预设值 ，则控制 站可根据预想策略继续补切机组 ，直至频率满足运 行要求。 值得注意， 虽然远方命令闭锁 O P C的短时刻机 组设备的安全屏障有所削弱 ，但 由于机组本身仍有 高频保护 、1 1 0 ％危急保安保护等措施，且 OP C屏 蔽时间较短，故设备的安全风险仍完全在可控范围 之内。 4 ． 3系统发生暂态稳定问题时的处理 对 于预想运行方式下可 能导致暂态 失稳 的故 障，控制站可实施控制策略 向指定执行站发送 “ 超 速保护动作”控制命令，执行站收令后持续 向指定 机组发 出 “ 超速保护动作 ”信号。由图 3逻辑框图 可知， 机组 OP C将立即动作出口， 关 闭汽轮机调门， 机组的机械功率将骤降。根据 电力系统暂态稳定分 析理论，系统的减速面积将明显增加，对系统保持 稳定可起到积极作用，O P C动作的机组越多，作用 将越 明显。 上述措施执行完毕之后，待系统潮流平复、相 关指标恢复正 常，则控制站 向相应 的执行站发送 “ 超速保护动作返回”的命令。执行站收令后停止 向机组发送 “ 超速保护动作 ”信号， 将 O P C控制权 交还给机组 D E H，机组也将重新开启汽轮机调 门， 恢复正常运转。 值得注意的是，调门关 闭的时间长，会引起主 汽压力的升高， 触发热工保护动作而跳机【 J ⋯ 。 因此， “ 超速保护动作 ”信号的持续时间应据此加 以考 虑 。 5 应 用 目前 ，该项技术拟在广东电网中试 点应用。可 以预计，推进实施过程中势必遇到不少的困难和风 险。 1 说服电厂方，开展技术改造，实现厂网安全 双赢。由于广东 电网公司已实现在电力系统安全稳 定分析软件 B P A 中加入 O P C仿真模型，故可针对 系统开展不同形态下的故障仿真分析，以仿真分析 结果作为工作开展 的依据。 2 协调汽轮机制造商，对 O P C模块进行软硬 件改造。 由于 O P C模块现 已成为火 电机组安全策略 中的必备模块 ，因此改造的具体实施方案务必确保 其主体逻辑和硬件 的可靠性和正确性。 3 针对电网安全稳定分析和稳定控制结论， 提 出稳控系统策略改造方案，做好稳控系统策略的适 应性改造 。同时，通过严格的调试，确保稳控装置 动作的灵活性、适应性、可靠性和正确性。 6 总结 火 电机组 O P C “ 同关 同开 ”一直是调度运行 的棘手难题 。本文首次提出利用安全 自动装置组成 的安全稳定控制系统实现对机群 O P C的协调处理， 同时确保了 O P C原有就地保护功能不受影 响， 可操 作性强，为解决孤网系统高频 问题另辟蹊径。 参考文献 [ 1 ] 张健铭，毕天姝，刘辉， 等． 孤网运行与频率稳定研究 综述[ J 】 ．电力系统保护与控制， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 1 4 9 1 5 4 ． ZHANG J i a n m i n g ， BI Ti a n s h u， L I U Hu i ， e t a 1 ． Re v i e w o f fr e q u e n c y s t a b i l i t y f o r i s l a n d e d p o we r s y s t e m[ J ] ． P o we r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d C o n t r o l ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 1 4 9 1 5 4 ． [ 2 ] 张培高，李兴源，李政． 孤网频率稳定与控制策略研究 [ J 】 ． 电力系统保护与控制， 2 0 1 2 ， 4 0 1 5 1 4 3 - 1 4 9 ， 1 5 5 ． Z HANG Pe i g a o ，LI Xi n g y u a n ，LI Zh e n g ． Re s e a r c h o n f r e q u e n c y s t a b i l i t y a n d c o n t r o l s t r a t e g y i n i s o l a t e d p o we r g r i d [ J ] ．P o w e r S y e m P r o t e c t i o n and Co n t r o l ，2 0 1 2 ， 4 0 1 5 1 4 3 1 4 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