PSS整定試驗跳閘事故分析及防范措施

夏熙杰，楊陳琦，許立長，李誠帥，羅海冰，許慶賀

(1.河南恩湃高科集團有限公司，河南 鄭州 450052;2.上海發電設備成套設計研究院，上海 201100)

0 引言

現代電力系統中，勵磁系統控制是一種保障發電機和電網穩定運行的重要手段。電力系統穩定器(PSS)作為一種附加控制環節，在勵磁調節器中引入轉速(頻率)和發電機功率的合成信號作為PSS的工作信號，通過調整PSS相位補償，有效提供正阻尼力矩，抑制可能出現的電力系統低頻振蕩。電網要求新投運和改造后的發電機組必須進行PSS整定試驗，在電網和發電機正常運行時要求PSS有良好的相頻特性，以合理、正確補償勵磁系統的相位滯后；PSS的投入和退出不會影響發電機電壓正常穩態水平，PSS工作過程中不會引起發電機電壓和功率過大的波動，防止發電機過電壓、無功過負荷、發電機失磁或勵磁不足；并且，對于原動機功率調整速度較快(如汽輪機甩負荷、水輪機快速升負荷)時，PSS不應出現明顯的“反調”現象。

目前，部分發電機組的勵磁系統存在邏輯軟件設計風險控制能力弱，缺乏相應的限制功能等問題，在發電機并網運行過程中進行PSS試驗會給機組的穩定運行帶來較大風險，易造成發電機跳閘事故的發生。以下介紹某電廠一臺火電機組改造后進行PSS整定試驗過程中，在通道1的在線無補償勵磁系統相頻特性測試完成后，又進行通道2的勵磁系統頻率特性測試時，通過參數修改模擬量輸入對應量程后，發電機發生異常跳閘的過程。通過對工作原理的分析，提出防范措施，以降低PSS整定試驗過程對機組穩定運行可能造成的風險，防止機組異常跳閘。

1 機組PSS整定試驗簡介

某630 MW的火電機組，發電機額定電壓為20 kV，勵磁系統采用機端自并勵方式，勵磁調節器為瑞士ABB公司生產的Unitrol 5000型雙套微機勵磁調節器。機組改造完成后，根據要求必須進行PSS整定試驗。

要計算PSS的補償，需實測勵磁系統相頻特性，再根據實測的無補償相頻特性測試結果和DL/T 1231—2013《電力系統穩定器整定試驗導則》的要求，對PSS頻率響應特性進行仿真修正計算和PSS參數設計，將所測得的無補償相頻特性與PSS單元頻率響應特性相加，得到有補償相頻特性。通過調整PSS的相位補償，使本機振蕩頻率的力矩向量滯后Δω軸0—30°；0．3—2．0 Hz頻率的力矩向量滯后Δω軸(-20°)—45°。當有低于0．2 Hz頻率要求時，最大超前角不應大于40°。同時，PSS不應引起同步力矩顯著削弱而導致振蕩頻率的降低和阻尼的減弱。

2 事故過程

2.1 試驗前的準備工作

當該電廠機組接近滿負荷時，開始做PSS整定試驗前的準備工作：將勵磁系統柜內的發電機PT，CT采樣回路，勵磁電流、勵磁電壓采樣回路以及模擬量輸入口連接至試驗儀器，確認試驗線連接和機組運行參數均正確。

2.2 通道1的無補償相頻特性測試

準備工作完成后，首先對通道1(勵磁系統主通道)進行勵磁系統頻率特性測試，將調試軟件通過光纖連接至勵磁系統通道1，并切換為就地控制。選擇1個未連接至勵磁系統控制計算環節的備用測試信號輸入端口，并將此模擬量輸入口的輸入量程修改為1 V DC電壓量對應1 %的模擬量，檢查輸入正確之后改為輸入白噪聲信號，顯示無誤后退出。然后，通過調試軟件將模擬量輸入對應的參數連接至勵磁系統控制計算環節，此時通過模擬量輸入的任何信號都能對勵磁電壓產生影響。于是緩慢增加頻譜分析儀白噪聲信號的幅值至1．2 V，然后經過勵磁系統頻率特性計算，得到通道1主控下勵磁系統無補償相頻特性數據。

2.3 通道2的無補償相頻特性測試

通道1的勵磁系統頻率特性測試完成后，進行通道2的勵磁系統頻率特性測試。將調試軟件通過光纖連接至通道2，觀察2個通道之間的跟蹤偏差，在偏差較小的時候，修改參數，將勵磁系統切換至通道2運行。隨后通過調試軟件開通測試信號輸入，將模擬量輸入對應的參數連接至勵磁系統控制計算環節，緩慢增加動態信號分析儀測試信號的電壓，白噪聲幅值緩慢增加。通過錄波儀觀察勵磁系統輸出的動態行為，發現測試信號較小時勵磁系統的響應偏大，判定對應的量程偏大。于是首先斷開了白噪聲信號，在確認測試信號輸入關閉后，通過參數修改模擬量輸入對應量程，減小測試通道對信號的放大倍數，使得1 V DC電壓量對應1 %的模擬量。在量程參數修改過程中，機組出現運行異常，發電機失步保護動作，滅磁開關跳閘，機組跳閘解列。

3 原因分析

在Unitrol 5000勵磁系統中，模擬量輸入信號通過參數整定，輸入電壓范圍固定在-10 V DC至+10 V DC，并且在其中成線性比例關系。初始默認低值為-100 %，高值為+100 %，備用模擬量輸入端口默認標定參數為：±10 V輸入電壓信號對應±10 000標定參數，對應軟件內部±100 %。測試信號輸入如圖1所示。

圖1 測試信號輸入示意

做通道1和通道2的無補償相頻特性測試時，需先將默認標定參數從±10 000修改為±1 000，使得10 V DC電壓量對應10 %的模擬量，即1 V DC電壓量對應1 %的模擬量，再將模擬量輸入對應的參數連接至勵磁系統控制計算環節。本次試驗進行通道2的無補償相頻特性測試時，在模擬量輸入對應的參數已經連接至勵磁系統控制計算環節的情況下修改此標定參數，這時通過模擬量輸入的任何信號都能對勵磁電壓產生影響。

在修改過程中首先修改了高值，將操作參數由+10 000修改為+1 000。此時，-10 V DC至+10 V DC對應的量程從-100 %至+100 %變成了-100 %至+10 %，因而電壓輸入為0時，對應的模擬量輸入信號為-45 %。其輸出有效值由0變化為-45 %，勵磁系統輸出減少45 %，導致因測試信號參數標定失誤，使勵磁系統輸出嚴重降低，磁場強度突然降低，功角變大。這導致發電機機端電壓進行了-45 %的階躍，發電機電壓從20 kV瞬間降至11 kV，發電機電流由14 kA升至45 kA，發電機從滿負荷正常運行快速進入失步狀態。隨即發變組保護發出發電機失步報警、發電機失步保護動作信號，發電機出口主開關斷開，機組跳閘。

4 防范措施及建議

勵磁系統是一種保障發電機和電網穩定運行的重要設備，PSS整定試驗過程中機組異常跳機給發電企業帶來了一定的經濟損失。為預防類似事故的發生，提出以下防范措施及建議。

(1) 該勵磁系統對AI轉化信號標定無信號異常識別及閉鎖功能，在進行PSS整定試驗時，模擬量輸入信號直接進入勵磁系統PID運算環節，運算環節的輸出直接影響整流橋脈沖觸發角度，不經過任何過勵、低勵限制器，導致試驗時的技術風險控制機制較弱。因此，可以對軟件邏輯進行完善，增加對模擬量信號的限制環節，一旦信號超過幅值立即切除。

(2) 在進行PSS整定試驗時，在離線狀態下完成測試信號通道的標定參數調整，斷開測試信號在軟件內部的軟開關，防止模擬量輸入信號直接進入勵磁系統PID運算環節。

(3) 由于PSS整定試驗在機組80 %以上負荷時進行，勵磁系統參數在修改定值后立即生效，存在很大的風險，因此應對技術風險進行預評估，加強對風險點的控制，形成標準規范的作業流程，并加強人員監督力度。

5 結論

在發電機組80 %以上負荷運行工況下進行PSS整定試驗對發電機組和電網的穩定運行存在較大的風險，因此，要高度重視發電機組PSS整定試驗，做好有效的事故防范措施。以上提出的防范措施及建議，可為同類型勵磁系統的PSS整定試驗提供參考。

1 王君亮．加速功率型PSS功率匹配系數的整定[J]．大電機技術，2009，39(6)：57-60．

2 向保錄，劉冠環．電力系統穩定器(PSS)整定試驗過程中機組跳閘的探討[J]．電力系統保護與控制，2010，38(11)：121-125．

3 國家能源局．DL/T 1231—2013 電力系統穩定器整定試驗導則[S]．北京：中國電力出版社，2013．

4 宋俊峰，張玉山，何 茜．EX2100勵磁調節器引起勵磁故障跳機分析[J]．電力安全技術，2013，15(8)：22-25．

5 范 琳．一起發電機勵磁系統誤強勵事故分析[J]．電力安全技術，2013，15(6)：25-27．