基于Comtrade格式故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行并列過程評價(jià)研究

李翰夫,朱 斌，艾遠(yuǎn)高，白 二，周立成

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

發(fā)電機(jī)組并列過程的質(zhì)量直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。目前，電網(wǎng)中單機(jī)發(fā)電量逐漸增加，機(jī)組非同期過程會(huì)對機(jī)組和電網(wǎng)系統(tǒng)造成較大的影響。在發(fā)生機(jī)組非同期并列過程時(shí)，由合閘時(shí)引發(fā)的過大的沖擊電流會(huì)對發(fā)電機(jī)和變壓器及系統(tǒng)造成嚴(yán)重沖擊，機(jī)組將發(fā)出強(qiáng)烈的振動(dòng)，使發(fā)電機(jī)組部件損壞，甚至燒毀繞組。同時(shí)，也可能引發(fā)系統(tǒng)側(cè)發(fā)生功率振蕩，后果十分嚴(yán)重，非同期并網(wǎng)是發(fā)電廠電氣操作的嚴(yán)重事故之一。

當(dāng)前大型發(fā)電機(jī)組主要使用自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置完成同期并網(wǎng)，該裝置可以保障當(dāng)待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)頻率、電壓、相序相同時(shí)，快速、準(zhǔn)確的并入電網(wǎng)。但當(dāng)上述的同期并網(wǎng)條件要素與理想的準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件（自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置參數(shù)未能正確整定;測量設(shè)備異常;計(jì)算環(huán)節(jié)異常;執(zhí)行環(huán)節(jié)異常）發(fā)生偏差時(shí)，將造成發(fā)電機(jī)組的非同期并網(wǎng)，這將對發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)造成不同程度的影響，并直接影響發(fā)電機(jī)組并列過程的質(zhì)量。本文將圍繞發(fā)電機(jī)組并列過程的質(zhì)量評價(jià)展開探討。

1 發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列

1.1 準(zhǔn)同期并列原理

發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的同期并列操作[2]是準(zhǔn)同期并列操作中經(jīng)常遇到且最典型的，所以分析準(zhǔn)同期并列原理時(shí)以發(fā)電機(jī)組和系統(tǒng)并列為例，假設(shè)同期并列前的系統(tǒng)側(cè)電壓和機(jī)組電壓如下所示：

其中Ug機(jī)組側(cè)電壓有效值；Umx斷路器系統(tǒng)側(cè)電壓；Ux系統(tǒng)側(cè)電壓有效值；fg機(jī)組側(cè)電壓角頻率；fx系統(tǒng)側(cè)電壓角頻率；δg機(jī)組側(cè)電壓初相角；δx系統(tǒng)側(cè)電壓初相角。故合閘期間電壓向量差的大小主要取決于合閘時(shí)刻ΔU的大小，這個(gè)瞬時(shí)的電壓ΔU的取值取決于合閘時(shí)刻斷路器兩側(cè)的電壓幅值差、頻率差和相角差。理想的并列條件為系統(tǒng)側(cè)與發(fā)電機(jī)組側(cè)電壓向量差為：

1.2 電壓幅值差的影響

假設(shè)系統(tǒng)側(cè)頻率差fd與相角差δd均為0時(shí)，電壓有效值不等于0，而電壓有效值差Ud≠0，根據(jù)三角函數(shù)變換:

1.3 相角差的影響

假設(shè)機(jī)組側(cè)和系統(tǒng)側(cè)電壓相等，則有：

此時(shí)公式中脈動(dòng)電壓ΔU的大小是由一個(gè)低頻正弦分量和一個(gè)高頻正弦分量調(diào)制而成的。低頻正弦分量的初相位恰好是機(jī)組側(cè)和系統(tǒng)側(cè)相角差的一半，也就是說，脈動(dòng)電壓的包絡(luò)線恰好能反映相角差的變化趨勢。如果機(jī)組側(cè)和系統(tǒng)側(cè)頻率差也為0，即fd=fg-fx=0；但相角差不等于0，δd=δg-δx≠0；則公式可化為：

式中X''q為發(fā)電機(jī)橫軸次暫態(tài)阻抗。

1.4 頻率差的影響

為分析頻率差對準(zhǔn)同期并列的影響，仍設(shè)電壓差為0。初始相角為0，但頻率差不為0。

則公式可化為：

2 發(fā)電機(jī)同期并列過程評價(jià)模型

2.1 并列評價(jià)指標(biāo)選取

本文選取了電壓幅值差、頻率差、相角差，并列瞬間沖擊電流以及合閘時(shí)間，作為評價(jià)并列過程質(zhì)量的指標(biāo)。其中待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)的相角差以及頻率差反映出并列期間對機(jī)組的有功功率沖擊。待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)電壓差則反映出并列期間對機(jī)組的無功功率沖擊。而并列瞬間待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)的電壓幅值差、頻率差、相角差其中之一不在允許范圍內(nèi)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。并列合閘時(shí)間這一指標(biāo)的選取則考慮到其能夠反映出合閘過程中涉及系統(tǒng)的機(jī)械特性是否負(fù)荷要求，故選取兩側(cè)電壓幅值差、頻率差、相角差，并列瞬間沖擊電流，以及合閘時(shí)間，這5個(gè)維度作為評價(jià)并列過程質(zhì)量的指標(biāo)。

發(fā)電機(jī)理想的并列過程要求斷路器兩側(cè)的電壓幅值差、頻率差、相角差為零時(shí)瞬間發(fā)出合閘脈沖，完成并列過程。但在實(shí)際情況中，因?yàn)殡娋W(wǎng)負(fù)荷不斷的波動(dòng)，完全理想的并列條件是相當(dāng)困難的，電壓幅值差、頻率差、相角差允許在一定范圍內(nèi)進(jìn)行并列，而對各指標(biāo)進(jìn)行量化計(jì)算，則可綜合性，客觀的評價(jià)發(fā)電機(jī)并列的品質(zhì)。

2.2 指標(biāo)歸一化處理

在電能質(zhì)量綜合評價(jià)過程中，電能質(zhì)量指標(biāo)由各自量級和量綱不同而存在不可公度性，為綜合評價(jià)帶來不便。為消除影響，對其進(jìn)行歸一化處理。

（1）并列電壓差歸一化處理

并列期間電壓差評價(jià)指標(biāo)XU計(jì)算方法：

其中，ΔUmax為發(fā)電機(jī)并列期間實(shí)際最大電壓差值。Ue為發(fā)電機(jī)額定電壓。

其中，U'為允許最大電壓差值。

（2）并列頻率差歸一化處理

并列最大頻率差評價(jià)指標(biāo)Xf計(jì)算方法：

其中，Δf是發(fā)電機(jī)并列期間實(shí)際最大頻率差值，fe是發(fā)電機(jī)額定頻率。

其中，f'為允許最大頻率差值。

（3）并列最大相角差歸一化處理

并列最大相角差評價(jià)指標(biāo)Xφ計(jì)算方法：

其中，φ'為發(fā)電機(jī)同期并列允許最大相角差值。

（4）并列沖擊電流歸一化處理

并列期間的沖擊電流評價(jià)指標(biāo)X1計(jì)算方法：

其中，I'為發(fā)電機(jī)同期并列允許最大沖擊電流。

（5）并列合閘時(shí)間歸一化處理

并列合閘時(shí)間評價(jià)指標(biāo)XT計(jì)算方法：

其中，T'為發(fā)電機(jī)同期并列斷路器合閘設(shè)定時(shí)間。

2.3 評價(jià)模型的有益效果

發(fā)電機(jī)非同期并列將會(huì)對發(fā)電機(jī)組造成嚴(yán)重?fù)p傷，而本文提供了基于5個(gè)維度指標(biāo)綜合的定量參考標(biāo)準(zhǔn)，通過參考評價(jià)可對發(fā)電機(jī)同期并列質(zhì)量進(jìn)行評判，可以有快速有效的評價(jià)電機(jī)同期并列的質(zhì)量，同時(shí)也為故障原因提供相應(yīng)依據(jù)。

3 Comtrade標(biāo)準(zhǔn)的故障錄波數(shù)據(jù)處理

電力故障錄波系統(tǒng)主要用于電力系統(tǒng)發(fā)生故障后,對主要參數(shù)的變化進(jìn)行記錄，包括短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰時(shí)的有關(guān)參量變化過程，同時(shí)也記錄了繼保裝置的動(dòng)作。

故障錄波裝置數(shù)據(jù)分析主要是基于故障錄波文件所記錄的各種模擬信息、開關(guān)狀態(tài)等特征量進(jìn)行計(jì)算。故障分析方法主要采用電力系統(tǒng)暫態(tài)分析和數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)定量分析。

3.1 IEEE Comtrade標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)源[4]

Comtrade是依據(jù)電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則記錄的IEEE標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)據(jù)交換通用格式，用于各種設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)分析、試驗(yàn)、計(jì)算和系統(tǒng)仿真。

每個(gè)Comtrade文件分別由數(shù)據(jù)文件、信息文件、配置文件、和頭標(biāo)文件組成。其中，“.DAT”文件中采用ASCII格式或使用二進(jìn)制格式記錄了每個(gè)采樣通道的數(shù)值。

3.2 Comtrade的預(yù)處理[3]

Comtrade格式數(shù)據(jù)需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解析，才可以提取出可用數(shù)據(jù)。同時(shí)數(shù)據(jù)文件須轉(zhuǎn)換后才能夠使用，預(yù)處理計(jì)算的目的是將原始數(shù)據(jù)表中的機(jī)組頻率、電壓有效值、相角、電流有效值等參數(shù)提取成可供解析的數(shù)據(jù)。

4 發(fā)電機(jī)并列計(jì)算實(shí)例

下面以某巨型機(jī)組水電機(jī)組的一次開機(jī)并列過程為例，結(jié)合本文提到的綜合評價(jià)方法，對發(fā)電機(jī)并列過程進(jìn)行評價(jià)。

某水電機(jī)組并列采用自準(zhǔn)方式并列，使用自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置實(shí)現(xiàn),機(jī)組同期并列系統(tǒng)中，機(jī)組同期回路系統(tǒng)側(cè)電壓取自線路側(cè)主變低壓側(cè)電壓互感器，待并側(cè)電壓取自主發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器。

機(jī)組故障錄波系統(tǒng)記錄機(jī)組開機(jī)過程中發(fā)電機(jī)出口斷路器動(dòng)作過程：

表1 斷路器動(dòng)作過程

4.1 并列評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

評價(jià)方法采用5個(gè)維度指標(biāo)分別計(jì)分：并列電壓差評價(jià)指標(biāo)XU，并列最大頻率差評價(jià)指標(biāo)Xf，并列最大相角差評價(jià)指標(biāo)Xφ，并列期間的沖擊電流評價(jià)指標(biāo)XI，并列合閘時(shí)間評價(jià)指標(biāo)XT。通過每個(gè)維度評價(jià)公式計(jì)算后得到分值范圍0～5分，其中0分為最低分，5分為最高分。然后可根據(jù)計(jì)算得分繪制出評價(jià)方法的5維雷達(dá)圖，根據(jù)5個(gè)維度評分可對同期并列執(zhí)行系統(tǒng)的品質(zhì)做出參考。

4.2 并列過程電壓差評價(jià)指標(biāo)XU計(jì)算實(shí)例

使用綜合評價(jià)方法，首先計(jì)算并列期間系統(tǒng)側(cè)與待并側(cè)電壓差評價(jià)指標(biāo)XU。

某巨型機(jī)組水電機(jī)組發(fā)電機(jī)機(jī)端額定電壓Ue為20 kV。在此過程中，故障錄波系統(tǒng)記錄發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與主變低壓側(cè)電壓有效值差值ΔUmax最大為0.32 kV，（均為B相有效值），根據(jù)評價(jià)方法電壓差標(biāo)幺值U，

其中，U'為允許最大電壓差值。待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)電壓差值，理想為±5%范圍內(nèi)。代入計(jì)算可得，電壓差評價(jià)指標(biāo)為XU=4.92。

4.3 并列過程頻率差評價(jià)指標(biāo) 計(jì)算實(shí)例

計(jì)算頻差標(biāo)幺值：

其中，Δfmax為發(fā)電機(jī)并列期間實(shí)際最大頻率差值，fe為發(fā)電機(jī)額定頻率。

實(shí)際為：

其中，f'為允許最大頻率差值，f'=±0.5%

代入計(jì)算得頻率差評價(jià)指標(biāo)分值Xf=3.9

4.4 并列過程相角差評價(jià)指標(biāo) 計(jì)算實(shí)例

φ′為發(fā)電機(jī)同期并列允許最大相角差值，φ并列過程中出現(xiàn)最大相角差，其中φ′=15°，φ=1.8°。計(jì)算得出，Xφ≈4.911。

4.5 并列期間的沖擊電流評價(jià)指標(biāo) 計(jì)算實(shí)例

其中，I'為發(fā)電機(jī)同期并列允許最大沖擊電流。機(jī)端最大電流I=2 100 A，該巨型機(jī)組水電機(jī)組發(fā)電機(jī)額定電流為28 000 A，計(jì)算得出沖擊電流評價(jià)指標(biāo)XI=4.625。

4.6 并列合閘時(shí)間評價(jià)指標(biāo)XT計(jì)算實(shí)例

根據(jù)并列合閘時(shí)間評價(jià)指標(biāo)XT計(jì)算方法：

其中，T'為發(fā)電機(jī)同期并列斷路器合閘設(shè)定時(shí)間。實(shí)際合閘動(dòng)作時(shí)間T=60 ms，水電機(jī)組最大允許合閘T'時(shí)間：75 ms。

計(jì)算得并列合閘時(shí)間評價(jià)指標(biāo)XT分值為：XT=4

4.7 算例分析

以上已計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)得分：并列相角差評價(jià)分值Xφ≈4.911,并列時(shí)間差評價(jià)分值XT=4,并列最大沖擊電流評價(jià)分值XI=4.625,并列最大頻率差評價(jià)分值Xf=3.9,并列最大電壓差評價(jià)分值XU=4.92

本綜合評價(jià)方法能夠客觀有效的反應(yīng)并列過程。通過計(jì)算實(shí)例，以上各項(xiàng)指標(biāo)均良好，各項(xiàng)指標(biāo)在整定范圍之內(nèi)。

圖1 算例的五維指標(biāo)評價(jià)圖

5 結(jié)論

（1）本文針對基于故障錄波數(shù)據(jù)的并列過程進(jìn)行評價(jià)，提出了一種評價(jià)發(fā)電機(jī)組同期并列指標(biāo)的量化評價(jià)方法。

（2）對于具有不同量級及量綱特點(diǎn)的電能質(zhì)量實(shí)測指標(biāo)，為了消除其帶來的不可公度性影響，先將其標(biāo)幺化，并進(jìn)行歸一化處理，使其便于決策。

（3）本文通過某巨型機(jī)組水電機(jī)組實(shí)際的并列過程算例展示了該評價(jià)方法的實(shí)際應(yīng)用效果，客觀的體現(xiàn)機(jī)組并列程中各個(gè)主要因素的質(zhì)量，為研究巨型機(jī)組的并列過程提供了重要參考。