功率負荷不平衡保護誤動原因分析

羅 寧， 何 青

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206)

功率負荷不平衡保護誤動原因分析

羅 寧， 何 青

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206)

通過對機組功率負荷不平衡邏輯保護的異常動作所導(dǎo)致的機組跳閘事件進行分析，對于目前保護存在的問題和解決措施進行了詳細的闡述和說明。首先根據(jù)機組甩負荷時超速邏輯保護動作曲線和對外部系統(tǒng)的影響曲線進行分析，其次還原了事故發(fā)生過程并對此進行分析對比，對機組功率負荷不平衡保護邏輯進行了分析。并且對所提及的PLU保護模塊進行分析，由軟件邏輯來實現(xiàn)功率負荷不平衡的保護，取消常規(guī)PLU模塊，使得運行可靠。

功率負荷不平衡保護； 必要性； 探討； 動作邏輯

0 引言

大型汽輪發(fā)電機組由于外部線路故障、電網(wǎng)故障或者其他原因?qū)е聶C組實際送出的功率瞬間大幅度下降存在極大超速風(fēng)險。汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(Digital Electric Hydraulic Control System, DEH)中一般設(shè)置功率負荷不平衡保護(Power Load Unbalanced Protection, PLU)，以避免汽輪機超速，從而保護汽輪機及電網(wǎng)安全運行[1-2]。目前，國內(nèi)的主流汽輪機廠上汽、東汽、哈汽等都設(shè)計了快關(guān)調(diào)門保護，其目的只是純粹的抑制汽輪機轉(zhuǎn)速的飛升，降低轉(zhuǎn)速飛升的幅度，從而避免汽輪機超速跳閘[3-6]。

文獻[7]對于東汽的汽輪發(fā)電機組甩負荷試驗時超速邏輯保護動作的記錄數(shù)據(jù)進行分析，給出了取消或保留PLU保護的條件。文獻[8-10]分析了某電廠的兩起機組PLU保護誤動導(dǎo)致機組解列事件的原因，并探討了相應(yīng)的解決措施，對于抑制電網(wǎng)的振蕩、迅速恢復(fù)其功率和保障汽輪機設(shè)備的安全等有一定的借鑒方法。文獻[11]則通過應(yīng)用電力系統(tǒng)的分析綜合程序PSASP來進行仿真，分析了不同的負荷模型下對于電力系統(tǒng)暫態(tài)的穩(wěn)定性的影響。文獻[12-14]分析了1 000 MW汽輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)的可靠性，分析了各種控制邏輯，不僅提高了機組的安全性，而且給國內(nèi)同種類型的汽輪發(fā)電機組提供了參考和借鑒。

某電廠發(fā)電機組2015年4月因發(fā)電機出口電壓互感器(Potential Transformer, PT)測量空開斷開，DEH 3個功率信號為零，造成PLU保護誤動作。本文將結(jié)合事件發(fā)生經(jīng)過和模塊設(shè)計原理，對保護誤動原因及其影響因素、解決辦法進行相應(yīng)的探討。針對此次機組的跳閘事件，對功率負荷不平衡邏輯保護的異常動作進行分析與研究。

1 PLU保護動作原理

PLU保護的動作邏輯如圖1所示。PLU保護的動作邏輯為：當機械功率與發(fā)電機功率的差值大于額定值的32.2%，且電功率發(fā)生了瞬間減少(變化率大于32.2%/10 ms)時，此時PLU保護動作，快關(guān)高壓調(diào)門，高壓缸和中壓缸的主汽閥維持不變[15-17]。

圖1 功率負荷不平衡控制功能邏輯簡圖

發(fā)電機三相電流信號的處理、轉(zhuǎn)換過程如圖2 所示。汽輪機功率由中壓缸第一級的入口蒸汽壓力來表征，輸入信號為4～20 mA，3個測點獨立取樣；發(fā)電機功率信號由電氣電流互感器(CT)和電壓互感器(PT)的三相電流/電壓經(jīng)3塊功率變送器計算后提供給汽輪機保護模件。

圖2 發(fā)電機三相電流模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理圖

當汽輪機保護系統(tǒng)檢測到PLU保護條件滿足時，PLU保護將在15 ms內(nèi)動作，快速關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥2 s。2 s后，PLU動作結(jié)束，伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)保護動作前指令或運行人員指令控制機組負荷。

關(guān)于快速關(guān)閉2 s后重新開啟的動作過程如下：

(1)PLU保護動作時，高、中壓調(diào)節(jié)閥均迅速地全關(guān)。如果機組的并網(wǎng)開關(guān)未斷開，需快速地打開調(diào)節(jié)閥，避免機組出現(xiàn)“電動機”狀態(tài)運行，或者觸發(fā)電氣“逆功率保護”動作。

(2)若系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時性故障，故障快速消除后，為保證系統(tǒng)功率平衡，調(diào)速汽門必須及時打開。

圖3為汽輪機保護模件PLU保護邏輯框圖，每個汽輪機保護模件分別接收一個中壓缸的第一級入口蒸汽壓力測點和一個發(fā)電機功率信號，該保護采用三取二配置，當任何一個模件故障或任何一個信號故障保護均不會動作[18-19]。

圖3 汽輪機保護模件PLU保護邏輯框圖

2 事故過程分析

4月15日10∶17∶27，某電廠#1機組功率異常，造成特高壓、渝鄂、鄂豫等聯(lián)絡(luò)線波動。

2.1事件發(fā)生前系統(tǒng)運行情況

機組為CCS控制方式，同時AGC投入，機組負荷為911 MW，主蒸汽壓力為23.7 MPa，再熱蒸汽壓力為4.59 MPa，#1、#2高調(diào)門開度均在47.7%，#1、#2中調(diào)門全開，汽機轉(zhuǎn)速2 999 r/min，給水2 580 t/h，燃料量337 t/h，A、B、C、E、F磨煤機運行，機組運行穩(wěn)定。

華中負荷約1.05 億kW；華北負荷約1.37 億kW；重慶用電負荷854萬kW；特高壓南送線路179 萬kW；川渝外送線路141 萬kW；渝鄂送渝線路30萬 kW；鄂豫送鄂線路137 萬kW；鄂湘送湘線路120 萬kW；鄂贛送贛線路215 萬kW。

2.2事件發(fā)生經(jīng)過

(1)10∶17∶27∶520～10∶17∶27∶560，出力從900 MW降至450 MW；

(2)10∶17∶27∶560～10∶17∶28∶000，出力維持450 MW；

(3)10∶17∶28∶000～10∶17∶28∶040，出力從450 MW降至0 MW；

(4)機組零功率維持13 s(其間有2次沖擊)；

(5)10∶17∶40功率開始恢復(fù)，經(jīng)過2.6 s后增至230 MW；

(6)機組有功230～250 MW持續(xù)26 s；

(7)經(jīng)過1.1 s，有功恢復(fù)至970 MW。

第一階段：有功功率為900～450 MW，時間為40 ms；

第二階段：有功功率為450 MW，時間為持續(xù)440 ms；

第三階段：有功功率為40～0 MW，時間為40 ms；

第四階段：有功功率為0 MW(存在2次沖擊)，時間為13 s；

第五階段：有功功率為0～230 MW，時間為2.6 s；

第六階段：有功功率為保持230～250 MW，時間為26 s；

第七階段：有功功率為250～970 MW，時間為1.1 s。

10∶14∶38機組負荷由907 MW開始下降，10∶14∶39機組負荷降至0 MW，汽輪機保護模塊轉(zhuǎn)速卡件設(shè)置的PLU保護動作，高壓、中壓調(diào)門關(guān)閉至0，主汽壓力上升至26.6 MPa，動作持續(xù)2 s；檢查5011、5 012開關(guān)合閘正常。

10∶14∶40高加解列，原因是抽汽逆止門全關(guān)，汽輪機側(cè)壓力迅速下降導(dǎo)致高壓加熱器虛假水位高三值(此保護的目的是為了防止汽輪機超速)。

10∶14∶41第一次動作結(jié)束后高壓、中壓調(diào)門打開以維持汽輪機轉(zhuǎn)速，但由于發(fā)電機負荷始終為0 MW，所以10∶14∶44 再次達到PLU保護動作值(中壓進汽壓力達到324 PSI)，PLU保護第二次動作，再次關(guān)閉高壓、中壓調(diào)門。事后查閱曲線，發(fā)現(xiàn)#1主變高壓側(cè)有功功率最高達到664 MW。

10∶14∶46第二次PLU保護動作結(jié)束后，高壓、中壓調(diào)門打開以維持汽輪機轉(zhuǎn)速，但由于發(fā)電機負荷始終為0 MW，于10∶14∶49 再次達到PLU保護動作值(中壓進汽壓力達到332 PSI)，保護第三次動作關(guān)閉高壓、中壓調(diào)門。事后查閱曲線，發(fā)現(xiàn)#1主變高壓側(cè)有功功率最高達到689 MW。

10∶14∶51第三次動作結(jié)束后高壓、中壓調(diào)門打開以維持汽輪機轉(zhuǎn)速，汽機PLU保護停止動作。事后查閱曲線，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機負荷在10∶14∶51為10 MW；10∶14∶53為23 MW；10∶14∶54為135.55 MW；10∶15∶25最高升至1 050 MW(#1、#2中壓調(diào)門全開)，負荷緩慢降低。之后運行人員手動調(diào)整，維持機組參數(shù)穩(wěn)定。

整個過程中汽輪機轉(zhuǎn)速最大值為3 005 r/min(時間10∶14∶49)，最小值為2 984 r/min(時間10∶14∶50)。

11點左右，機組穩(wěn)定后重新對1號高壓加熱器液位進行檢查發(fā)現(xiàn)，就地液位計浮球卡澀導(dǎo)致就地液位與遠傳液位偏差大，經(jīng)處理后就地液位計顯示正常，遠方就地核對一致。

3 對系統(tǒng)的影響

3.1對系統(tǒng)頻率的影響

事件發(fā)生前，全網(wǎng)頻率為50.016 Hz左右，電廠出力減少后，系統(tǒng)各站點頻率下降約0.06 Hz。南陽特、荊門特、恩施、道觀河線路的頻率變化如表1所示。

表1 華中電網(wǎng)頻率變化

3.2對特高壓長南Ⅰ線的影響

事故發(fā)生后，特高壓長南Ⅰ線南送的首擺功率增加2 706 MW，首擺轉(zhuǎn)移比101.7%，第二擺2 896 MW，第三擺達到最大值3 145 MW，功率增加1 357 MW，占電廠功率減少出力(903 MW)的152.3%。表2 為特高壓線路長南Ⅰ線和南荊Ⅰ線的有功功率變化。

表2 特高壓線路有功功率變化 MW

3.3對省間聯(lián)絡(luò)線的影響

華中各省間聯(lián)絡(luò)線的有功功率變化如表3所示。

表3 華中各省聯(lián)絡(luò)線功率波動 MW

由表3可知事故發(fā)生后，川渝斷面的功率變化611 MW，占該電廠總功率減少(903 MW)的67.7%；渝鄂斷面的功率變化1 105 MW，占該電廠總功率減少的122.4%；鄂豫斷面功率變化1 272 MW，占該電廠總功率減少的140.9%。

3.4Prony方法分析

圖4是長南Ⅰ線的有功功率變化曲線，圖5是利用Prony法對長南Ⅰ線進行分析的結(jié)果。

圖4 長南Ⅰ線有功功率變化曲線

圖5 長南Ⅰ線Prony法分析結(jié)果

(1)長南Ⅰ線Prony分析

圖6是南荊Ⅰ線的有功功率變化曲線，圖7是利用Prony法對南荊Ⅰ線進行分析的結(jié)果。

圖6 南荊Ⅰ線有功功率變化

(2)南荊Ⅰ線Prony分析

圖7 南荊Ⅰ線Prony法分析結(jié)果

Prony算法的模型具有能較準確描述故障暫態(tài)信號特征、直接提取信號頻率的優(yōu)點。從圖5和圖7可以看出，通過Prony法分析的擬合曲線和原始曲線重合度比較高，即Prony法的精度還是比較高的。其功率變化行為與機組擾動時間、趨勢一致，可確定本次波動是由該電廠#1機組異常運行所致。

4 事件原因分析

(1)經(jīng)調(diào)查電氣調(diào)試人員走錯位置，誤拉1號發(fā)電機出口PT柜內(nèi)MCB1空開，導(dǎo)致發(fā)電機有功功率變送器失去測量電壓，發(fā)電機功率由907 MW突降至0 MW，觸發(fā)PLU保護動作。

(2)PLU保護動作后，由于發(fā)電機有功功率仍為零，延時2 s后高調(diào)及中調(diào)恢復(fù)開度，隨著調(diào)門開啟，功率增加，在3 s時間內(nèi)PLU保護再次到達保護值動作。

(3)在PLU動作3次后，由于調(diào)試人員意識到了誤操作，送上就地測量電壓空開，發(fā)電機端有功功率測量正常，PLU保護不再動作，機組恢復(fù)穩(wěn)定。

5 PLU保護問題及措施

5.1PLU保護存在的問題

(1)PLU保護的功率測量環(huán)節(jié)可靠性差，過于謹慎，增加了保護不必要動作的可能性。在系統(tǒng)故障等暫態(tài)工況下經(jīng)常導(dǎo)致PLU保護誤動。

(2)PLU保護設(shè)計有誤操作的可能性較大，PLU動作后，因為沒有設(shè)計FCB功能，往往導(dǎo)致MFT大擾動或逆功率保護動作的保護，對裝置的可靠性和電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

(3)在發(fā)電機運行的情況下，汽輪機迅速關(guān)閉控制，負荷突變，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器螺栓碰大扭矩，造成很大的應(yīng)力。此外，當汽輪機快速關(guān)閉時，不知何故，發(fā)電機輸出功率振蕩，如果功率振蕩周期類似于轉(zhuǎn)子的扭振頻率或調(diào)諧，就會引起轉(zhuǎn)子的扭振共振，使轉(zhuǎn)子損壞。

(4)當電信號有可能受到實際的影響時，電網(wǎng)短路故障信號、短路或電氣方面的電流或發(fā)電機都可能受到影響，從而保護觸發(fā)信號的值，熱工保護的可靠性角度難以確保。

5.2PLU保護解決措施

(1)增加判斷條件，防止保護誤動。一是增加功率負荷微分判斷條件；二是增加高轉(zhuǎn)速判斷條件，如增加轉(zhuǎn)速大于3 018 r/ min的閉鎖條件作為防止誤動措施。

(2)改善功率信號采集系統(tǒng)，增加功率測量環(huán)節(jié)故障閉鎖功能。如將常規(guī)功率變送器換成一種智能功率變送器，可以大大地提高功率信號采集的正確性。

(3)對同時設(shè)計有負荷下跌預(yù)測功能和PLU保護的機組，PLU保護可以取消；對同時設(shè)計有PLU和ACC保護的機組，若機組不具備FCB功能，建議取消PLU保護，并增加ACC保護動作后快關(guān)高調(diào)門的邏輯。

6 結(jié)論

(1)某電廠#1機組發(fā)生功率異常期間，出力在520 ms內(nèi)從90萬降至0萬，3 s以后機組發(fā)生2次功率沖擊(間隔約5 s)；經(jīng)過13 s出力恢復(fù)至23萬，經(jīng)過43 s后恢復(fù)至97萬。本次波動對系統(tǒng)頻率影響不大(0.06 Hz)，特高壓長南線及渝鄂等省間斷面功率在此期間有功率波動，長南線最大波幅為136萬，其功率變化行為與機組擾動時間、趨勢一致，可確定本次波動是由該電廠#1機組異常運行所致。

(2)對文中所提及的該型號PLU模塊，可以對該型號PLU 保護進行分析，即在DEH系統(tǒng)內(nèi)，由軟件邏輯來實現(xiàn)相應(yīng)的功率負荷不平衡的保護，取消常規(guī)的PLU模塊，使得運行更加可靠。

(3)在PLU保護汽輪機過程中，如何確保機組維持低負荷穩(wěn)定運行的問題，整體設(shè)計應(yīng)從鍋爐汽輪機協(xié)調(diào)控制方面考慮，并確保在機組甩負荷試驗的操作。

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Reason Analysis of Power Load Unbalance Protection Mal-operation

LUO Ning， HE Qing

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The analysis of the tripping events caused by the abnormal operation of the unit load unbalance protection is carried out in this paper, and the existing problems and corresponding measurements of the protection action are illustrated. According to the ultra-speed logic protection action curve and impact of the external system curve data analysis when the unit load rejection occurred, the process of the accident is reproduced and then some analysis and comparisons have been conducted on the power load unbalance protection logic. And the PLU protection module mentioned in this paper is analyzed as well. The software logic is used to realize the protection of the power load unbalance, and the conventional PLU module is canceled, so that the operation is reliable. Finally the existing problems and corresponding measurements of power load unbalance protection are discussed in detail.

power load unbalance；necessity；discussion；logic of action

2017-05-31。

國家自然科學(xué)基金(51276059)；神華萬州發(fā)電廠OPC、PLU保護對機組熱力系統(tǒng)的影響分析和定值評估研究項目(1704-00213)。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.08.008

TK223；TM621

：A

：1672-0792(2017)08-0048-06

羅寧 (1994-)，男，碩士研究生，研究方向為電站設(shè)備故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測、壓縮空氣儲能技術(shù)。