本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)領域，更具體涉及一種基于仿真的發(fā)電機失步保護性能評估方法和評估系統(tǒng)。

背景技術：
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現(xiàn)代大型發(fā)電機組均以單元接線方式接入電網，發(fā)電機和主變的電抗較大，與之相連的系統(tǒng)等值電抗相對較小，在機組近區(qū)發(fā)生故障擾動引起功角失步問題時，失步振蕩中心往往位于發(fā)電機機端附件，一方面因失步振蕩電流幅值與三相短路電流相當，會對發(fā)電機造成熱的和力的損傷；另一方面，電廠電壓會周期性的嚴重下降，發(fā)電廠內部部分發(fā)電機制動，存在停機停爐、爐管過熱或爐膛爆炸等風險。發(fā)電機失步保護用于及時切除已失步的發(fā)電機避免上述問題的發(fā)生。失步保護動作原理不盡相同，但核心問題是判別故障擾動下機組是否失步，以及振蕩中心是否位于發(fā)變組內部，一般通過在阻抗平面定義動作區(qū)，根據機端測量阻抗穿越動作區(qū)的情況進行判別。隨著具有廠網分開、引入市場化等特點的電力體制變革，失步保護方案的整定工作目前由電廠負責，基于相關技術規(guī)定完成失步保護整定方案，但電廠人員對電力系統(tǒng)整體運行和穩(wěn)定特性缺乏足夠的認識，缺乏失步保護整定方案對電力系統(tǒng)運行和故障擾動場景適應性的有效評估方法，不能及時發(fā)現(xiàn)可能存在的安全隱患。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)電機失步保護性能評估方法和評估系統(tǒng)，考慮電力系統(tǒng)運行方式的設置、機組運行工況的設置、典型故障擾動場景的設 置三個重要方面，評估失步保護配置方案的有效性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：一種發(fā)電機失步保護性能評估方法，包括：

建立影響發(fā)電機失步保護動作特性的元件仿真數(shù)據模型；

設定用于評估發(fā)電機失步保護性能的電力系統(tǒng)運行方式和機組出力；

設置典型故障擾動場景；

通過時域仿真評估發(fā)電機失步保護配置方案。

本發(fā)明提供的一種發(fā)電機失步保護性能評估方法，所述元件仿真數(shù)據模型包括電機勵磁系統(tǒng)模型、調速系統(tǒng)模型和失步保護模型。

本發(fā)明提供的一種發(fā)電機失步保護性能評估方法，所述運行方式為設定規(guī)劃水平年的大負荷運行方式；將評估對象的機組出力設定為滿出力水平。

本發(fā)明提供的另一優(yōu)選的一種發(fā)電機失步保護性能評估方法，所述典型故障擾動場景為設置不會導致機組失步的輕微短路故障，在發(fā)電機的主變壓器高壓側設置瞬時性的三相短路，短路持續(xù)時間典型值為0.02s-0.1s。

本發(fā)明提供的再一優(yōu)選的一種發(fā)電機失步保護性能評估方法，所述典型故障擾動場景為設置導致機組失步且振蕩中心位于發(fā)變組內部的嚴重短路故障，在發(fā)電機的主變壓器高壓側設置瞬時性的三相短路，短路持續(xù)時間典型值為0.3s-1s。

本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種發(fā)電機失步保護性能評估方法，所述典型故障擾動場景為設置機組的機電振蕩模式的阻尼水平被削弱發(fā)生低頻振蕩故障，修改勵磁系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的增益值，并在發(fā)電機機端設置瞬時性的三相短路，短路持續(xù)時間典型值為0.02-0.1s。

本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種發(fā)電機失步保護性能評估方法，所述發(fā)電 機失步保護配置方案的評估判斷標準為：當在不會導致機組失步的輕微短路故障場景下，發(fā)電機機端測量阻抗不會穿越阻抗區(qū)，發(fā)電機失步保護不出口切機；當在低頻振蕩故障場景下，發(fā)電機機端測量阻抗不會穿越阻抗區(qū)，發(fā)電機失步保護不出口切機；當在導致機組失步且振蕩中心位于發(fā)變組內部的嚴重短路故障場景下，發(fā)電機機端測量阻抗會穿越阻抗區(qū)，發(fā)電機失步保護出口切機；所述保護配置方案在3個故障場景下均正確響應則判定其良好和有效，只要有一個故障場景未正確響應則判定其存在安全隱患，予以修正。

本發(fā)明提供的一種發(fā)電機失步保護性能評估系統(tǒng)，包括：

建立模型模塊，建立影響發(fā)電機失步保護動作特性的元件仿真數(shù)據模型；

設定模塊，設定用于評估發(fā)電機失步保護性能系統(tǒng)的運行方式和機組出力；

故障擾動場景模塊，設置典型故障擾動場景；

評估模塊，通過時域仿真評估發(fā)電機失步保護配置方案。

本發(fā)明提供的又一優(yōu)選的一種發(fā)電機失步保護性能評估系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括仿真模塊，根據用戶需求仿真所述故障擾動場景，記錄發(fā)電機機端測量阻抗軌跡。

本發(fā)明提供的一種發(fā)電機失步保護性能評估系統(tǒng)，所述故障擾動場景模塊包括存儲模塊和選取模塊；所述存儲模塊用于存儲已設置的故障擾動場景；所述選取模塊根據用戶需求提取相應的故障擾動場景。

本發(fā)明提供的一種發(fā)電機失步保護性能評估系統(tǒng)，所述評估模塊包括判斷模塊，根據所述仿真模塊的計算結果與所述判斷模塊中的判斷標準進行對比，從而對所述發(fā)電機失步保護配置方案進行評估。

和最接近的現(xiàn)有技術比，本發(fā)明提供技術方案具有以下優(yōu)異效果

1、本發(fā)明提供的技術方案計及了發(fā)電機失步保護相關重要元件的調節(jié)特性和動作特性，考慮了系統(tǒng)運行方式的設置、機組運行工況的設置、典型故障擾動場景的設置三個重要方面；

2、本發(fā)明提供的技術方案通過時域仿真評估失步保護配置方案的有效性，可及時發(fā)現(xiàn)配置方案的缺陷和問題，防止參數(shù)設置不合理的失步保護的配置方案投入電網使用，給電廠及電網的第三道防線帶來安全隱患；

3、本發(fā)明提供的技術方案考慮實際電力系統(tǒng)對運行的安全性和穩(wěn)定性極高的要求，克服現(xiàn)場試驗的方法難以評估失步保護配置方案的問題；

4、本發(fā)明提供的技術方案評估結果可為失步保護選型、參數(shù)優(yōu)化提供重要參考；

5、本發(fā)明提供的技術方案具有評估準確、考慮因素全面、操作簡單方便等優(yōu)點；

6、本發(fā)明提供的技術方案具有較高的實用價值和良好的市場前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明技術方案提供的發(fā)電機功角曲線圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的三機系統(tǒng)網架結構圖；

圖3為本發(fā)明技術方案提供的方法的流程圖。

圖4為本發(fā)明技術方案提供的三元件型失步保護模型圖；

圖5為本發(fā)明技術方案提供的雙遮擋器型失步保護模型圖；

圖6為本發(fā)明技術方案提供的發(fā)電機典型勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖；

圖7為本發(fā)明技術方案提供的典型PSS模型傳遞函數(shù)框圖；

圖8為本發(fā)明技術方案提供的汽輪發(fā)電機組典型調速控制系統(tǒng)傳遞函數(shù) 框圖；

圖9為本發(fā)明實施例提供的在發(fā)電機G1的主變高壓側設置短延時的三相短路故障下機端測量阻抗軌跡與失步保護動作區(qū)的關系圖；

圖10為本發(fā)明實施例提供在發(fā)電機G1的主變高壓側設置長延時的三相短路故障下機端測量阻抗軌跡與失步保護動作區(qū)關系圖；

圖11為本發(fā)明實施例提供對發(fā)電機G1改變PSS增益后發(fā)生低頻振蕩故障下機端測量阻抗軌跡與失步保護動作區(qū)關系圖。

具體實施方式

下面結合實施例對發(fā)明作進一步的詳細說明。

實施例1：

本實施例以一個三機互聯(lián)系統(tǒng)為例，電網結構如圖2所示，評估發(fā)電機G1的失步保護性能，它配置有國內主流的三元件型失步保護和雙遮擋器型失步保護，保護定值參數(shù)見表1和表2。根據本例的發(fā)明提供的一種發(fā)電機失步保護性能評估方法，如圖3所示的流程圖進行評估。

表1 發(fā)電機G1三元件型失步保護定值參數(shù)表

表2 發(fā)電機G1雙遮擋器失步保護定值參數(shù)表

步驟A：建立與發(fā)電機失步保護動作特性相關的重要元件仿真數(shù)據模型，包括：三元件型失步保護和雙遮擋器型失步保護的保護模型圖如圖3和圖4所示；勵磁系統(tǒng)為廣泛采用的自并勵靜止勵磁系統(tǒng)，其模型結構如圖5所示；勵磁系統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)采用IEEE 2B型，其模型結構如圖6所示；汽輪發(fā)電機組調速控制系統(tǒng)采用DEH類型，其模型結構如圖7所示。

步驟B：設定規(guī)劃水平年的大負荷運行方式為評估失步保護性能的運行方式，將評估對象機組的出力設定為滿出力水平。通過這種設定，待評估機組的運行點在功角曲線的位置較為靠上，如圖1所示P_T1、P_T2分別為低出力點和高出力點，初始功角δ₁＜δ₂,對應臨界失穩(wěn)功角δ_1C＞δ_2C,即高出力點距離失穩(wěn)邊界較近，在同樣故障擾動下易于發(fā)生失步情況，失步保護動作的可能性比低出力工況時大。在三機系統(tǒng)中，規(guī)劃水平年大負荷水平設置為1520MW，待評估發(fā)電機G1為額定600MW機組，設置其出力為600MW滿發(fā)狀態(tài)。

步驟C：設置3種典型故障擾動場景。

1)設置不會導致機組失步的輕微短路故障，在發(fā)電機G1主變高壓側設置瞬時性的三相短路，短路持續(xù)時間為0.1s。

2)設置導致機組失步且振蕩中心位于發(fā)變組內部的嚴重短路故障，在發(fā)電機G1主變高壓側設置瞬時性的三相短路，短路持續(xù)時間為0.5s。

3)設置發(fā)電機G1機電振蕩模式的阻尼水平被削弱發(fā)生低頻振蕩故障，修改勵磁系統(tǒng)的PSS增益值，由50修改為-50，并在機端設置瞬時性的三相短路，短路持續(xù)時間為0.1s。

步驟D：根據典型故障擾動場景的仿真計算結果，評估發(fā)電機失步配置保護方案的有效性。

1)不會導致機組失步的輕微短路故障

在發(fā)電機G1升壓變的高壓側設置三相短路經短延時0.1s后短路消失的故障，因故障擾動輕微，發(fā)電機G1未失步，機端測量阻抗軌跡沒有穿越失步保護動作區(qū)，兩種類型的失步保護均未出口切機，響應正確。兩種類型失步保護與發(fā)電機G1機端測量阻抗軌跡關系如圖9所示。

2)導致機組失步且振蕩中心位于發(fā)變組內部的嚴重短路故障

在發(fā)電機G1升壓變的高壓側設置三相短路經長延時0.5s后短路消失的故障，發(fā)電機G1失步。發(fā)電機機端阻抗軌跡穿越失步保護的動作區(qū)，三元件型失步保護1.44s動作出口切機，雙遮擋器型失步保護1.62s動作出口切機，失步保護響應正確。兩種類型失步保護與發(fā)電機G1機端測量阻抗軌跡關系如圖10所示。

3)機組相關的機電振蕩模式的阻尼水平被削弱發(fā)生低頻振蕩故障

將發(fā)電機G1的PSS增益由正常值50修改為-50，并在發(fā)電機G1升壓變的高壓側設置三相短路經短延時0.1s后短路消失的故障，此故障激發(fā)起發(fā)電機G1的0.75Hz頻率的低頻振蕩，機端測量阻抗軌跡沒有穿越失步保護動作區(qū)，兩種類型的失步保護均未出口切機，響應正確。兩種類型失步保護與 發(fā)電機G1機端測量阻抗軌跡關系如圖11所示。

因此，本實施例中仿真結果表明發(fā)電機G1配置的失步保護方案性能良好。

本發(fā)明還提供了一種發(fā)電機失步保護性能評估系統(tǒng)，包括：

建立模型模塊，建立影響發(fā)電機失步保護動作特性的元件仿真數(shù)據模型；

設定模塊，設定用于評估發(fā)電機失步保護性能系統(tǒng)的運行方式和機組出力；

故障擾動場景模塊，設置典型故障擾動場景；

評估模塊，通過時域仿真評估發(fā)電機失步保護配置方案。

所述系統(tǒng)還包括仿真模塊，根據用戶需求仿真所述故障擾動場景，記錄發(fā)電機機端測量阻抗軌跡。

所述故障擾動場景模塊包括存儲模塊和選取模塊；所述存儲模塊用于存儲已設置的故障擾動場景；所述選取模塊根據用戶需求提取相應的故障擾動場景。

所述評估模塊包括判斷模塊，根據所述仿真模塊的計算結果與所述判斷模塊中的判斷標準進行對比，從而對所述發(fā)電機失步保護配置方案進行評估。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員盡管參照上述實施例應當理解：依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權利要求保護范圍之內。