康 敏

（國(guó)能懷安熱電有限公司）

0 引言

2023年1月國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司公布國(guó)內(nèi)在建的超大型機(jī)組投入批量建設(shè)運(yùn)營(yíng)，將陸續(xù)通過168h運(yùn)行測(cè)試正式投入商用。隨著大型機(jī)組的功率逐漸增大，繼電保護(hù)裝置功能設(shè)計(jì)和整定保護(hù)范圍就顯得更為重要。繼電保護(hù)裝置采集到參數(shù)異常后會(huì)立即對(duì)故障點(diǎn)或區(qū)域施行保護(hù)動(dòng)作措施，如發(fā)出告警和跳閘指令，在毫秒級(jí)別將故障控制在異常區(qū)內(nèi)，防止擴(kuò)散造成大規(guī)模斷電以及對(duì)發(fā)電機(jī)組構(gòu)件造成進(jìn)一步破壞。而在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，繼電保護(hù)裝置也可以進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，如電壓互感器斷線、電流電壓突變量等，從而起到預(yù)防故障的作用。目前研究主要集中在繼電保護(hù)操作系統(tǒng)的自動(dòng)化和裝置元器件的微機(jī)化方向，專門將傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的大型發(fā)電機(jī)組或發(fā)變組作為研究對(duì)象。而國(guó)內(nèi)部分發(fā)電企業(yè)繼電保護(hù)專業(yè)領(lǐng)域較薄弱，定值計(jì)算和核算工作開展有一定困難。因此本文結(jié)合兩者，對(duì)大型發(fā)電機(jī)組在線整定保護(hù)設(shè)計(jì)和整定值計(jì)算進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)過程中常見故障作出分析。

1 火電廠大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)

1.1 火電廠大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定流程

定值核算主要由保護(hù)配置、設(shè)備參數(shù)、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁保護(hù)定值計(jì)算、變壓器保護(hù)定值計(jì)算5個(gè)部分組成，其中發(fā)電機(jī)定值計(jì)算內(nèi)容見表1。

表1 發(fā)電機(jī)定值計(jì)算

故障情況會(huì)反映在電力系統(tǒng)運(yùn)行中各項(xiàng)參數(shù)中，繼電保護(hù)裝置檢測(cè)到相關(guān)重要參數(shù)變化，在定值設(shè)置的范圍基礎(chǔ)上判定故障并做出反應(yīng)。異常電氣量如I、V、P等觸發(fā)繼電保護(hù)動(dòng)作的流程如圖1所示。

圖1 繼電保護(hù)動(dòng)作的流程

圖1中取樣單元的作用在于將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換為鑒別單元可識(shí)別信號(hào)，通過比較給定整定值的大小，信號(hào)的性質(zhì)、組合方式等，在執(zhí)行部分電流繼電器做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作并將信息繼續(xù)傳遞。執(zhí)行單元構(gòu)件主要為聲光信號(hào)繼電器和斷路器的分閘線圈等。

1.2 火電廠大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定技術(shù)研究現(xiàn)狀

在供電網(wǎng)絡(luò)智能化開發(fā)趨勢(shì)下，國(guó)外研究已較為先進(jìn)，著力于各種系統(tǒng)軟件開發(fā)，在原有保護(hù)整定值計(jì)算算法的基礎(chǔ)上優(yōu)化異常錯(cuò)誤情況，并對(duì)系統(tǒng)界面等軟件部分進(jìn)行簡(jiǎn)化［1］。研究者根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)和繼電保護(hù)裝置的工作理論針對(duì)性的設(shè)計(jì)保護(hù)定值技術(shù)，主要研究對(duì)象和技術(shù)包括不限于分布式電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、廣域系統(tǒng)數(shù)據(jù)、基于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和基于智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)框架等［2］。國(guó)內(nèi)相關(guān)自動(dòng)化研究較晚，但是繼電保護(hù)整定工作流程更規(guī)范嚴(yán)格，定值單計(jì)算、校對(duì)、審批均由專人專責(zé)，更加細(xì)致。于志剛等基于整定計(jì)算可視化和圖形化實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究開發(fā)了一種高自動(dòng)化的可視繼電保護(hù)整定計(jì)算軟件，其特點(diǎn)為操作靈活，易理解［3］。李文偉等通過深入研究在暫態(tài)故障情況下計(jì)算繼電保護(hù)定值計(jì)算問題，優(yōu)化了過流繼電器的線性規(guī)劃整定方法。還進(jìn)一步結(jié)合啟發(fā)式算法提出了先計(jì)算繼電器的啟動(dòng)電流，再使用線性規(guī)劃方法確定繼電器的動(dòng)作時(shí)間的組合算法過流繼電器優(yōu)化整定模型［4］。阿敏夫等提出了基于數(shù)據(jù)模型的涉網(wǎng)繼電保護(hù)整定與校核方案并進(jìn)行案例分析，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，保護(hù)自動(dòng)校核流程更高效［5］。

2 火電廠大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)定值在線整定系統(tǒng)

本文的研究對(duì)象為火電廠大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)定值在線整定系統(tǒng)，按照國(guó)標(biāo)委標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB／T40584-2021的規(guī)定，研究開發(fā)滿足發(fā)電廠繼電保護(hù)工作需求和安全需求的繼電保護(hù)定值在線整定系統(tǒng)。系統(tǒng)流程：設(shè)置固定設(shè)備和參數(shù)，整定計(jì)算發(fā)電機(jī)組和保護(hù)裝置的定值生成定值單，輸送到校核人員界面，定值單經(jīng)審核后駁回或通過，通過審核的定值單覆蓋歷史記錄，并上傳到備案云數(shù)據(jù)庫(kù)。整個(gè)過程按照規(guī)定賦予相關(guān)人員權(quán)限，定值單流轉(zhuǎn)過程中加密保證通訊數(shù)據(jù)安全。

2.1 參數(shù)設(shè)置

繼電保護(hù)設(shè)備數(shù)據(jù)類中由整定人員輸入的信息，包括設(shè)備名稱、設(shè)備參數(shù)、保護(hù)裝置變比數(shù)據(jù)信息等設(shè)備固有參數(shù)。及時(shí)錄入和更新注意事項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。使用統(tǒng)一建模語言，確定系統(tǒng)中用戶與相應(yīng)系統(tǒng)功能的聯(lián)系，采用統(tǒng)一建模語言系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型中的序列圖，邏輯性對(duì)各系統(tǒng)模塊之間進(jìn)行連接。

2.2 發(fā)電廠繼電保護(hù)整定模型

2.2.1 電力網(wǎng)絡(luò)等效模型

電力網(wǎng)絡(luò)等效模型的關(guān)鍵在于電路簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的簡(jiǎn)單電路具有相同功能，以此為基礎(chǔ)建立的電力網(wǎng)絡(luò)方程描述各參數(shù)、變量關(guān)系更簡(jiǎn)便高效。本文選擇常用的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納電力網(wǎng)絡(luò)方程建立電等效模型，如公式（1）。

其中，Y為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納。

列出全部節(jié)點(diǎn)等效公式，并列矩陣，得出節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣計(jì)算公式（2）。

其中，n為除參考節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

自導(dǎo)納和互導(dǎo)納計(jì)算方法為公式 （3）和公式（4）。

2.2.2 保護(hù)定值在線整定流程設(shè)計(jì)

生成的定值單還需要進(jìn)一步審核校驗(yàn)才可以作為實(shí)際設(shè)定值，在線整定極大縮短了傳統(tǒng)人工流轉(zhuǎn)耗費(fèi)的時(shí)間，適應(yīng)現(xiàn)代化管理工作流程。系統(tǒng)在線整定計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 繼電保護(hù)系統(tǒng)在線整定流程圖

2.3 發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)整定實(shí)例

發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路故障的主保護(hù)，采用兩段比率制動(dòng)特性，選擇比率制動(dòng)斜率的縱差保護(hù)方案，其中差動(dòng)電流和制動(dòng)電流分別表示為：

動(dòng)作方程為：

其中，ICD指差動(dòng)電流起始值；KID指比率制動(dòng)斜率；IB指拐點(diǎn)電流值。

帶比率制動(dòng)特性的發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性如圖3所示。

圖3 帶比率制動(dòng)特性的發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性

整定內(nèi)容主要包括差動(dòng)起動(dòng)電流和拐點(diǎn)電流。

差動(dòng)起動(dòng)電流整定原則：最小動(dòng)作電流按躲過發(fā)電機(jī)額定工況下的最大不平衡電流整定。

其中，Krel指可靠系數(shù)，取1.5；Ker指電流互感器比誤差，本保護(hù)用5P級(jí)電流互感器，取2×0.03。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最小動(dòng)作電流取ICD＝0.2IGe＝0.2×11207／3000＝0.75A。

拐點(diǎn)電流整定原則：完全縱差保護(hù)通?？烧椋?/p>

IB＝0.8IGe＝0.8×11207／3000＝3.0A

比率制動(dòng)斜率整定原則：根據(jù)《導(dǎo)則》比率制動(dòng)斜率KD＝KrelKapKccKer。

其中，Krel指可靠系數(shù)，取1.5；Kap指非周期分量系數(shù)，取2.0；Kcc指同型系數(shù)，取1.0；Ker指電流互感器比誤差，取0.1。

整定值生成后進(jìn)行審批，審批通過生成定值單。

3 火電廠大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)裝置故障分析

3.1 常見故障分析

繼電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和故障判斷的偏差，從而不能保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行情況，并對(duì)自身硬件設(shè)施產(chǎn)生損壞。常見的故障見表2。

3.2 隱性故障分析

繼電保護(hù)裝置隱性故障同樣存在很大危害，隱性故障存在時(shí)裝置依然處于相對(duì)正常狀態(tài)，不易察覺。包括與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、其他繼電保護(hù)裝置和二次回路風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)操作不完善等。軟件設(shè)備出現(xiàn)故障問題是最為常見的隱形故障，硬件設(shè)備主要是受到環(huán)境影響，如腐蝕，外力撞擊和磨損等，從而對(duì)設(shè)備精度產(chǎn)生偏差。另一種故障原因在于繼電保護(hù)裝置長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度高負(fù)荷的工作狀態(tài)對(duì)自身設(shè)備產(chǎn)生影響，需要定期檢修排除潛在故障。

4 結(jié)束語

本文以某廠為實(shí)例分析研究對(duì)象，對(duì)文中電力網(wǎng)絡(luò)等效模型和繼電保護(hù)在線整定模型進(jìn)行了初步試驗(yàn)。并分析了常見和隱形故障情況，為后續(xù)完善和優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)提供參考。當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展需要朝向自動(dòng)化、信息化、高穩(wěn)定性和低碳可持續(xù)發(fā)展的方向，因此要加強(qiáng)火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)工作，強(qiáng)化技術(shù)和系統(tǒng)集成管控能力，在滿足能耗控制需要的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)錯(cuò)誤矯正功能。

本文采用電力網(wǎng)絡(luò)等效模型簡(jiǎn)化電路，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，SQL和OpenSSL開發(fā)環(huán)境成熟，能有效滿足開發(fā)需求。繼電保護(hù)在線整定系統(tǒng)隨著設(shè)備的升級(jí)和構(gòu)件的更換需要不斷更新整定數(shù)據(jù)，是一個(gè)需要不斷補(bǔ)充和復(fù)雜的系統(tǒng)。相關(guān)軟件還需要更為先進(jìn)的技術(shù)支持來滿足大型發(fā)電機(jī)組的計(jì)算需求。系統(tǒng)納入的保護(hù)裝置將隨著設(shè)備并網(wǎng)和逐漸歸一化而增多，半人工整定模式也將逐漸不能滿足復(fù)雜龐大的電力網(wǎng)絡(luò)，因此連接云平臺(tái)，構(gòu)建云數(shù)據(jù)庫(kù)可以有效減少海量數(shù)據(jù)造成的系統(tǒng)存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)。針對(duì)不同繼電保護(hù)裝置自身故障情況，在線整定系統(tǒng)也將其納入控制變量，進(jìn)行特定的故障鎖定和警報(bào)，反饋給工作人員進(jìn)行裝置的維修和更換。