发电厂安全稳定紧急控制装置的研制原理及算法

北极星电力网技术频道作者:张保会　阎海山　钱国明　陶家琪　王钢 2009/6/23 13:45:12

摘要：　介绍了用于东北电力系统铁岭发电厂的WAW-1型安全稳定紧急控制装置的原理及算法。装置采用E^′_q恒定的发电机模型，自动判别发电厂机组及电厂直接出线的运行方式及状态，自适应地完成电厂与系统间静态稳定储备不足报警；预测扰动后系统的暂态不稳定性；实时计算为维持暂态稳定需要的切机控制量。对于中长期摇摆而造成的动态不稳定配置了经过X^′_d补偿后的视在电阻检测的失步解列控制。该原理和算法用于可等值为单机无穷大母线的发电厂局部稳定性控制，装置经过动模试验和现场试运行表明满足工程要求。
关键词：　安全稳定控制装置；静态稳定；暂态稳定

Development of Power Plant Security Emergency Control Equipment-Theory and Algorithm

ZHANG Bao-hui,YAN Hai-shan,QIAN Guo-ming,TAO Jia-qi,Wang Gang
(Xi''an Jiaotong University,Xi''an 710049,China)
(Nanjing Electric Power Automation Equipment General Factory,Nanjing 210003,China)
(Northeast Electric Power Dispatch and Communication Center,Shenyan 110006,China)

Abstract： The theory and algorithm of WAW-1 type power system security emergency control equipment have been presented,which is manufactured for the security and stability of Tieling power plant in Northeast China.The dynamic simulation and field operation prove that the equipment meets the engineering requirements.
Keywords： security emergency control equipment; static stability; transient stability

0　前言
　　90年代初，东北电管局调度中心根据铁岭发电厂220 kV机组接入系统的稳定性计算，发现在电厂出线检修方式下发生故障存在稳定性问题，并呈现单机无穷大母线(铁岭—东北系统)的失步模式。经东电科技处立项，由西安交通大学、东北电管局调度中心、东北电力设计院、阿城电站设备自动化研究所联合研制具有通用判据，不依靠保护动作信号和断路器位置信号的高智能化的稳定性局部控制装置。
　　我国安全稳定控制装置的研制水平有较大提高，但同时尚有如下不足：①缺少快速有效具有工程实用价值的实时算法和判据，特别是暂态稳定分析算法难以满足实时控制要求；②电力系统中与稳定相关的状态量繁多，使用较少的输入信息实现稳定性的预测与控制困难很大；③现有大部分成型产品，虽然满足了一些工程的要求，但原理上缺乏通用性，实际上对用户只能提供典型硬件，而把装置原理、算法和实现这样的重担推给了使用部门。
　　安全稳定控制装置实现方案中最常见的有两种：①离线决策方式；②逻辑判别方式。
　　方案①主要存在以下不足：离线工作量大，考虑系统结构、潮流方式和故障情况三者组合，可达上千万种；一旦系统结构和潮流方式与预定的有较大差别(难以避免)，就需要重新形成对策表；当前运行方式难以与离散的决策表一一对应，存在较大误差；为减少计算量，一般按较严重的运行方式和故障条件确定控制量，控制过量，则带来不必要的经济损失。方案②则一般过于简单化和针对性过强，难以用于其它地点，并且一般引入大量可靠性不太高的开关信号及保护动作信号。因此，研制一种具有一定通用性、输入信息少、不使用断路器动作信号的智能型安全稳定控制装置是有理论价值和现实意义的。
　　根据文献［1］的研究，要准确预测系统在大扰动后的暂态稳定性必须使用能反应以下三点内容的信息：①扰动前全系统的网络拓扑、开机方式及运行状态；②扰动对全系统各机的影响；③扰动清除后全系统的网络拓扑、开机方式的变化。有相当数量的发电厂，在其直接出线或下级出线上发生故障时呈现为等值的单机-无穷大母线的不稳定模式，从而使暂态稳定性预测与控制问题得到简化。这时，实时采集以上3类信息，采用一定的实时算法智能地进行稳定性预测与控制量计算是可能的。

1　安全稳定紧急控制装置的基本功能
1.1　铁岭局部系统简介
　　铁岭电厂220 kV部分为2台300 MW机组，经三回出线接入系统。该局部系统(见图1)具有两个特点。

图1　铁岭电厂局部系统图

　　(1) 在给定的潮流方式下，铁岭电厂送出线故障，除下级母线故障及个别远方线路故障情况外，系统呈现铁岭厂对其余电厂单机失步的不稳定模式。因此可以采用以就地量为主，以单机-无穷大模式为前提的实时稳定控制算法。
　　(2) 发电机X^′_d与X_q相差甚远且发电厂靠近系统负荷中心，为保证暂态稳定计算的精度，发电机必须采用E^′_q恒定模型。
1.2　安全稳定预测、控制功能
　　安全稳定控制装置属于就地判别就地控制型，主要解决以下问题：
　　(1) 铁岭电厂直接出线或下级出线故障时铁岭厂对系统的暂态稳定控制，对于暂态不稳定按照实时计算的切机量自动完成选择切机任务；
　　(2) 该系统的动态稳定控制，当动稳破坏、系统失步时，装置按次序起动不同解列点的开关跳闸；
　　(3) 直接出线的过负荷控制，根据现场要求，当任一条出线严重过负荷时，装置采用关小主调速汽门控制；
　　(4) 静稳储备不足报警，运行人员手动，或使用其它控制手段调整发电机出力。
1.3　事件、故障数据记录功能
　　装置充分利用微机系统独有的记忆存储优点，详细记录以下内容：
　　(1) 故障及处理时序；
　　(2) 故障前三周期的母线电压、等值系统电流、等值发电机有功功率；
　　(3) 故障期间每周期的电压、电流、不平衡功率、等值发电机与等值无穷大系统之间的功角；
　　(4) 对应于本故障处理所用的临界能量和故障期间等值发电机的暂态能量。为故障和装置动作情况分析以及暂态稳定计算程序的校核提供有价值的实录数据。
1.4　装置总体构成
　　装置由4种功能不同的微机单元构成，每种单元由不同功能模块组成。每个单元以抽屉式插拔件装入机箱。
　　台数可扩充的线路前置机完成线路电压电流的采样。静态时完成线路过负荷判别，线路投运与否判别，线路功率计算；采样中断中进行故障检出计算；故障发生后进行选相、距离Ⅰ，Ⅱ段计算，预测故障切除后网络拓扑变化，并计算故障后每周期线路正序电压、电流、基波正序有功功率。
　　机组单元静态时计算发电机各自出力，判断发电机是否投运；故障期间时刻监视发电机投切情况，判发切机指令后是否真正断开。以上两类机型的计算、判断结果都送给通信管理机。
　　通信管理机完成前置机及机组单元电流功率汇总、检查，同时完成报告打印及监控功能。
　　后台控制机根据经管理机汇总后的电压、电流、功率和网络拓扑信息，实时计算相应的稳定性指标，运用一定的系统模型和算法完成以上4项稳定预测、控制功能。

2　安全稳定紧急控制装置的基本原理
2.1　线路过载
　　铁岭电厂的三回220 kV出线要送出600 MW功率，在某些检修方式或故障下有可能出现线路过负荷情况。为此设置安全性监视和控制，对每一条线路按照不同的定值设置过负荷报警和过负荷启动关主汽门。判据为

　　(1)

线路中任一相电流大于整定值经一个预定延时则报警；

　　(2)

线路中任一相电流大于较大的整定值经一个预定延时则启动关汽门。
2.2　静稳储备不足报警
　　电厂对系统之间的静态稳定性受输电线路运行回数、开机方式及机组出力变化的影响，为了防止静态稳定破坏，设置静稳储备监视功能。当静稳储备不足时装置报警。其判据为

　　(3)

其中，P_e为全电厂出力；P_emax为电厂送电的静稳极限，它是变化的，与开机方式、线路投运回数等有关，需要实时计算；K_p为储备系数，整定值。
2.3　暂态不稳定的实时预测与控制量实时计算
　　采用暂态能量函数法进行暂态稳定性的快速估计，取能量函数为

　　(4)

其中，P_T为机械功率；ω，δ为角速度和角度；δ_s为扰动清除后的稳定平衡点；P_E为电磁功率。它们与开机方式、故障前运行状态，扰动后的网络拓扑、是否施加控制等诸多因素有关。
　　扰动后系统能够承受的临界能量为

　　(5)

其中，δ_u为扰动切除后系统的不稳定平衡点。
　　当扰动清除时系统的暂态能量

　　(6)

其中，M为等值系统的惯性，当V(t_c)≤V_cr时系统是稳定的，否则是不稳定的。
　　假定扰动前和扰动清除后(不施加切机控制)的机械功率P_T不变，扰动清除后系统的网络拓扑可以预知，式(5)的值可以在扰动前实时计算。同理可以计算施加切机控制后不同的临界能量V_cri，存储以备事故后快速选择切机方案使用。
　　这样，在扰动期间只需实时求解δ(t)，并逐步代入式(6)，获得V(t)，并与所预想的扰动清除后网络拓扑对应的V_cr相比较，当

V(t)≥V_cr(7)

时，发出暂态不稳定的判别，实时选择预算切机后V_cri，直至式(7)变符号。
　　可见暂态不稳定的预测与控制必须将扰动前预算和实时计算相结合，才能提高判别和控制的速度。由于实时计算δ(t)，对于故障的严重程度、有无过渡电阻、故障清除时间等因素做到自适应，提高了预测的准确性。
2.4　动态不稳定的检出
　　考虑机组在各种调节器下摇摆后的不稳定，同时作为暂态不稳定控制的后备，设置动态不稳定检出，起动系统解列。失步解列采用视在电阻轨迹运动判别原理，由于铁岭发电厂高压母线到等值东北系统的联系阻抗小于到机组内部E^′_d的等值阻抗，当采用安装在高压母线上装置的视在阻抗时，振荡中心落在背侧，动作的正确性和灵敏性受到影响，为此采用补偿法获得等值电势：

　　(8)

再使用

　　(9)

获得测量电阻分量。它与系统功角的关系为

　　(10)

　　当给定功角整定值δ_zd后，R_zd的大小与系统的开机和网络拓扑相关，因而R_zd的值在扰动清除后实时计算。当用式(9)计算出的视在电阻小于式(10)计算的整定值R_zd并满足一定的逻辑关系时，判为失步检出，起动解列。

3　安全稳定控制装置的算法
3.1　用E^′_q表达的发电机功率方程
　　当发电机X^′_d与X_q相差甚远且发电厂靠近系统的负荷中心时，为保证暂态稳定计算的精度，发电机须使用E^′_q恒定模型。但使用E^′_q模型后与网络方程没有直接的对应关系，需在计算电流和功率时用一个d,q轴电抗相等的发电机，这个虚构的发电机的电抗满足在相同的端电压和角度时，有功、无功功率都和实际的发电机相等。图2(a)的等值系统，当取发电机的电抗为X_q时该条件满足，虚构发电机电势为E_Q，含有E_Q，X_q的系统等效网络如图2(b)，矢量图如图2(c)。

图2　等值系统图

　　(11)

α₁₁,α₁₂分别为输入阻抗Z₁₁、转移阻抗Z₁₂阻抗角的余角。
　　则有功表示为

　　(12)

　　(13)

式中
　　
令δ′=δ-α₁₂，则
　　　　(14)
其中，A₁=AE^′2_q+BU²，A₂=CE^′_qU，A₃=DE^′_qU，A₄=EU²，A₅=FU²。
　　由式(13)可以看出，P_e既是网络参数A～F的函数，又是状态量E^′_q，U,δ的函数，取决于等值系统参数及运行状态。A～F只与线路参数和发变组有关，可进行一次性计算存储备用。A₁～A₅是与运行状态E^′_q，U，δ有关的系数，随电力系统的潮流变化而更新。
3.2　系统等值参数及定值
　　系统等值参数及定值如图3所示。使用《综合计算程序》将不同网络拓扑下(可取最大潮流方式)的系统消减为只保留发电厂高压母线节点的单机-无限大母线系统，而获得多组Z_L，Z_n。不同方式下的多组Z_L，Z_n参数及发电机常数X_q，X^′_d，M以定值形式存入装置。

图3　等值参数及定值

3.3　开机与线路投运方式的判别
　　测量每台发变组和每条线路的相电流，使用全周傅氏算法，当电流值小于无电流定值时认为该发电机或线路停运，从而掌握等值系统的拓扑。
3.4　系数A～F的计算
　　首先计算不同网络拓扑下的Z₁₁，Z₁₂

　　(15)

其中，X_M=X_q+X_T，计算等值参数时，X_M以发电机定值形式存入。然后利用式(13)对全部可能运行方式下的A～F一次性计算并存储。
3.5　系数A₁～A₅的计算
　　系数A₁～A₅与当前潮流情况有关，利用A～F及式(14)计算当前方式下及预想发生故障并网络操作后对应的A₁～A₅。A₁～A₅实时根据系统潮流情况刷新，刷新条件为系统功率波动超过预定门坎值。
3.6　故障后预想参数的计算
　　根据当前状态下已求得的高压母线电压U_M和联络线电流I_L得：

E_Q=U_M+jI_F(X_q+X_T)　　(16)
E′=U_M+jI_F(X^′_d+X_T)　　(17)

E^′_q与E_Q同相位，其长度等于E′在E_Q上的投影；使用求点积的方法得到：

　　(18)

当前运行方式下的稳定平衡点δ_s与不稳定平衡点δ_u用牛顿迭代法进行求取，令f(δ)=P_T-Pe₀,则方程f(δ)=0的解即为δ_s，δ_u。
　　迭代式

　　(19)

　　收敛条件为│δn+1-δ_n│≤ε
式中　f(δ)=P_T-(A₁+A₂sinδ-A₃cosδ-A₄sin2δ+A₅cos2δ)，f ′(δ)=-A₂cosδ-A₃sinδ+2A₄cos2δ+2A₅sin2δ。
3.7　临界能量的预计算
　　取等值系统的能量函数为

　　(20)

对应i种故障清除后网络变化，求得每种网络的临界能量存储。

　　(21)

式中　δ^s_i,δ^u_i分别为第i种故障清除后系统的稳定和不稳定平衡点；P_T，P_e分别为机械输入和电磁输出功率；R为故障清除后网络拓扑域。
3.8　控制切机后临界能量的预计算
　　预测出暂态不稳定后要快速采取切机措施，为保证切机后稳定，在故障前的实时潮流下要预先计算出各种故障清除、系统切机(大机、小机)后的δ^s_i,δ^u_i,V_cri,计算方法同上。
3.9　网络变化的预测与确认
　　因为装置不使用继电保护及开关动作信号，每条线路前置机配置了相间和接地距离保护Ⅰ，Ⅱ段(特性与现场保护动作特性、整定值完全相同)。当故障发生后，线路前置机快速计算距离特性，预测是否本线路将要跳闸。若是，送“将跳掉本线路”的信号给后台机，后台机使用跳开该线路的网络拓扑预测暂态稳定。若测出故障在Ⅰ段外、Ⅱ段内，则时刻监视线路电流，待电流消失后，送本线路单相或三相跳闸信息给后台机。其距离保护的算法与现场微机保护一致，线路跳闸使用无电流判断。
3.10　暂态不稳定的预测
　　预测分为两部分，其一为暂态不稳定预估；其二为用逐步积分的方法进行的暂态不稳定实时预测。
3.10.1　暂态不稳定预估
　　为了加快预测的速度，近似认为故障至快速保护动作切除故障期间(t_c1)，不平衡功率为常数，t_c1时刻功角变化量为

　　(22)

　　估计在清除故障时系统的暂态能量为

　　(23)

DV_pe函数中P_e是扰动清除后发电机的功率方程式，如果线路前置机已算出在本线路上的故障，则P_e方程中的A₁～A₅用故障清除后本线路断开拓扑下的值；如果故障在Ⅰ段范围外，无法预计是本线路将断开，则A₁～A₅取故障前网络拓扑下的值。这种快速预估在故障后约需45 ms,如果预估结果稳定，转入实时预测，跟踪状态变化及故障的发展。
3.10.2　实时暂态不稳定预测
　　实时暂态不稳定预测，采用逐步积分法。实时测量故障后每时段的不平衡功率ΔP_e(n)，并根据发电机的运动方程，采用逐步积分求得每时段的角速度、功角变化量，n时段末的动能、势能：

　　(24)

n时段末的暂态能量

V_sys(n)=V_ke(n)+V_pe(n)　　(25)

取当前拓扑对应的临界能量来进行同上的稳定性判断。
3.11　暂态不稳定的控制——切机量的计算
　　当计算出暂态不稳定时，就要计算在当前时刻切机后系统所带有的暂态能量，只有它小于切机后的临界能量，切机后系统才是稳定的。利用角度、角速度连续的特点，切机后瞬间等值系统暂态能量为

V_sys0+=V_ke0++DV_pe0+　　(26)

式中　
　　
0+表示切机后的量，0-表示切机前的量。在预计算部分已经预算了在不同故障后预计方式下切发电机后功率曲线A₁～A₅及V_cr。用切机后的暂态能量与切机后的临界能量比较，当满足

V_sys0+≤V_cri　　(27)

所对应的切机方案就是要执行的方案，否则依次查找。
3.12　利用视在电阻的失步检出算法及解列控制
　　动稳计算如图4所示，直接测量和计算出的母线等值正序电压U和电流I后，联络线电流为

　　(28)

图4　动稳计算示意

　　Z₁可由定值中X_q,Z_if,Z_ij进行星-三角变换得到，E′可由(29)式补偿求得，之后可求得视在电阻：

　　(29)

　　(30)

　　装置只考虑超前失步检测，故满足m次，超前检测起动：

R_J(k)<R_J(k-1)　　(31)

满足n次，判动稳超前失步检出：

　　(32)

　　考虑到重合闸合于故障时，测量到短路阻抗对于失步检测的影响，使用突变进行闭锁至故障再切除后开放

　　(33)

　　失步检出原理如图5所示。

图5　失步检出原理示意

3.13　静态监视算法
　　静态时装置监视静稳储备情况，判据为

P_e>K_pP_emax

满足时，判为静稳储备不足。P_e为实时计算得电磁功率；K_p为整定系数，即静稳储备系数；P_emax为由A₁～A₅决定的功率曲线的最大值，由当前网络拓扑及运行方式决定，随网络拓扑变化实时更新。

　　(34)

考虑到装置实时计算的速度要求，对上式进行适当简化。式中各系数有如下关系：A₃，A₅A₂，A₄，故略去A₃，A₅两项。P_e表达式变为

P_e=A₁+A₂sin(δ′)-A₄sin(2δ′)　　(35)

取得最大值的条件为

　　(36)

令X=cosδ′,可得：

　　(37)

　　(38)

4　结论
　　(1) 介绍了一套模块式的稳定控制装置。
　　(2) 提出了一套单机率先失步下的静态稳定储备不足，暂态不稳定快速预测与控制量实时计算以及失步检出的原理。
　　(3) 建立了一套自动适应方式、运行状态、故障类型变化的计算方法。
　　(4) 做到了安全稳定控制装置不再依赖于继电保护动作信号而独立工作，便于现场应用。

作者简介： 张保会(1953-)，男，教授，博士，博士生导师，主要研究方向为电力系统继电保护及安全自动装置的研究；
　　　　　阎海山(1974-)，男，硕士，从事微机线路保护的开发和研究工作；
　　　　　钱国明(1973-)，男，硕士，从事微机线路保护的开发和研究工作。

作者单位：张保会　西安交通大学电气学院，陕西　西安　710049
　　　　　阎海山，钱国明　南京电力自动化设备总厂，江苏　南京　210003
　　　　　陶家琪，王　钢　东北电网调度通信中心，辽宁　沈阳　110006

参考文献

〔1〕　张保会，葛耀中.电力系统失步预测的三个基本要素［A］.全国高校“电自”专业第三届年会论文集.西安：西安交通大学出版社，1987
〔2〕　张保会，葛耀中.对电力系统安全稳定控制装置(系统)基本要求的探讨［J］.电力自动化设备，1993，13(4)：1～7
〔3〕　张保会，葛耀中.微机式失步预测与保护装置的研究.西安交通大学学报［J］，1992(4)
〔4〕　张保会，康小宁，葛耀中.计及发电机凸极效应的暂态稳定性实时预测与控制量计算［J］.电力自动化设备，1994，14(2)：7～13
〔5〕　张明，宋元峰，张保会.电力系统稳定预测装置三个基本要素的证明［J］.电力自动化设备，1996，16(2)：13～15
〔6〕　周步祥，滕福生.电力系统提高稳定监控实时性的分析［J］.电力自动化设备，1996，16(3)：18～20
〔7〕　袁季修.电力系统安全稳定控制［M］.北京：中国电力出版社，1996
〔8〕　王梅义，吴竞昌，蒙定中.大电网技术(第二版)［M］.北京：中国电力出版社，1995

来源：

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