综合发电厂和电网信息实现次同步振荡的监测和控制的多级监控方法

摘要

本发明涉及电力系统发生次同步振荡(SSO/SSR)的安全监控措施，公开了一种由发电厂侧和电网侧配合识别次同步振荡并采取控制和保护措施的次同步振荡多级监控方法，该方法在发电厂和电网分别装置机组轴系扭振保护装置(TSR)和旁路控制器，充分利用TSR具有最高的检测次同步振荡的灵敏度，通过TSR的整定实现对次同步振荡的不同发展阶段的识别，根据次同步振荡不同阶段采取不同控制措施，包括电厂侧报警、电网侧旁路串补电容或其它电力电子设备、电厂切除机组。该方法能够灵敏、准确地识别出发电厂和电网发生次同步振荡，能够根据次同步振荡的危害程度确定应对策略和措施，为发电厂和电网协调监控次同步振荡提供了有效的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统、大型火力发电厂、串补输电、直流输电和电力系统电力电子技术应用领域，与电力系统次同步振荡(SSO/SSR)相关的电力领域。

背景技术

大型火力汽轮机组技术是我国重大装备的关键设备之一，大功率机组的轴系具有轻质柔性、多支承、大跨距、高功率密度的特征，发电机材料利用系数提高，轴系截面功率密度相对增大，轴系的加长使扭转刚度下降，轴系固有频率谱相对较密，诱发振动的能量较低；同时电力系统的超高压远距离输电大量采用串补电容提高电网输电能力，以及新型采用电力电子元件的输配电和控制技术的应用，这些电网新技术可能导致产生次同步谐振(SSR)或次同步振荡(SSO)，本文统称为次同步振荡(SSO/SSR)，将可能导致发电机组发生严重的扭振，直至机组轴系断裂，同时对电力系统的安全运行也带来危害。

对于轻微的次同步振荡，由于对发电机组没有伤害，可以通过实时报警，提醒运行人意注意并分析发生次同步振荡的原因。对于将对机组或电网产生破坏性危害的严重的次同步振荡可以切除电网侧的串补电容或其它引发次同步振荡的电力电子设备来平息次同步振荡，当发电机组收到次同步振荡导致的轴系机械危害时可以通过轴系扭振保护装置(TSR)动作切除机组，从而保护发电机组安全运行。发电机组轴系扭振保护(TSR)装置是一种通过实时检测发电机组轴系的扭振模态，进而计算轴系发生扭振时各个危险界面的危害程度，可以在轴系遭到破坏之前发出报警或跳闸命令的自动装置。

次同步振荡(SSO/SSR)发生的机理复杂，且表现非常隐蔽，检测次同步振荡是项是否重要、迫切且难度巨大的工作。目前发电厂和电网运行部门尚缺乏检测次同步振荡的技术手段，本专利提供了一种联合发电厂控制中心和电网控制中心的多级监控次同步振荡的措施和方法。

发明内容

由于大容量发电厂点对网向电力系统供电需要很大的电力输送容量，在输电线路上采用串补电容技术或可控串补电容技术得到越来越多的应用。另外大容量的电力电子设备会提高电力系统的控制和运行水平，这些新技术都导致发电厂的送出系统发生次同步振荡或次同步谐振，进而危害发电机组和电网运行安全。

电网的次同步振荡或次同步谐振将在发电厂的机组轴系上激发与发电机组机械固有频率相关的轴系扭振，次同步振荡或次同步谐振的振荡能力在发电机组中表现为机械能量、电气能量的相互转化。检测次同步振荡最灵敏的位置是发电机组轴系，由于次同步振荡的能量与电力系统的工频能量相比很小，因此在电网侧检测次同步振荡的灵敏度很低。

当检测到发生了较严重的次同步振荡时，可以给发电厂、电网的运行人员报警，也可以通过自动装置切除串补电容等电网侧引发次同步振荡的设备或切除发电厂的发电机组。识别次同步振荡(发电机组扭振)最灵敏的位置是发电厂，而抑制或消除次同步振荡的措施可能在检测次同步振荡灵敏度不足的电网侧，只有把发电厂和电网侧联合为一个监测并控制次同步振荡的整体系统才能有效实现对发电厂送出系统的次同步振荡的监控和保护。

本发明采用如下技术方案：

一种综合利用发电厂和电网次同步振荡信息的多级检测和控制次同步振荡的方法，该方法在发电厂装设机组轴系扭振保护装置(TSR)，在电网侧装设旁路控制器，利用机组轴系扭振保护装置(TSR)具有最高的检测次同步振荡的灵敏度，通过机组轴系扭振保护装置(TSR)的整定以及电网次同步振荡信息实现对机组轴系扭振严重程度和所述同步或次同步振荡的不同发展阶段的识别，实现多级报警和多级跳闸；该方法包括以下步骤：

1)在可能产生次同步振荡(SSO)或次同步谐振(SSR)的发电厂送出系统中，在发电厂的各台机组装设机组轴系扭振保护装置(TSR)，整定所述机组轴系扭振保护装置(TSR)，实时检测发电厂的各台机组轴系扭振；

2)在电网侧装设旁路控制器，用于旁路或切除电网上装设的串补电容或其它可能导致同步振荡(SSO)或次同步谐振(SSR)的电力电子设备；

3)所述轴系扭振保护装置(TSR)、旁路控制器以及电网调度中心通过通信通道实现通信，所述轴系扭振保护装置(TSR)还与电厂主控室相连；

4)所述轴系扭振保护装置(TSR)根据所检测的机组轴系扭振和设置在所述轴系扭振保护装置(TSR)中的整定值判别所述机组轴系扭振的严重程度分别发出第一报警信号、发出第二报警信号并同时启动旁路控制器识别电网是否发生同步振荡(SSO)或次同步谐振(SSR)；

5)所述轴系扭振保护装置(TSR)根据所检测的机组轴系扭振和设置在所述轴系扭振保护装置(TSR)中的整定值以及所述旁路控制器对电网是否发生同步振荡(SSO)或次同步谐振(SSR)的识别结果，判断机组轴系扭振的严重程度和电网同步振荡(SSO)或次同步谐振(SSR)的不同阶段，从而发出第一跳闸信号用以旁路或切除电网上装设的串补电容或其它可能导致同步振荡(SSO)或次同步谐振(SSR)的电力电子设备和第二跳闸信号用于将机组从电网上切除。

本发明的技术方案能够灵敏、准确地识别出发电厂和电网发生次同步振荡，能够根据次同步振荡的危害程度确定应对策略和措施，为发电厂和电网协调监控次同步振荡提供了有效的方法。

附图说明

图1示意了由多台大容量汽轮发电机组构成的发电厂经有串补电容的双回输电线路向电网供电的系统接线图，发电机组由4个集中质量块和3段轴构成，串补电容导致电力系统发生次同步谐振；

图2示意了发电机组的轴系扭振保护装置(TSR)的输入信号和输出信号，包括传感器信号和输出的2个报警信号和2个跳闸信号；

图3示意了位于串补电容或其它导致SSO/SSR的电力电子设备所在变电站内的旁路控制器的输入和输出信号；

图4示意了发电机定子、转子旋转过程中转子(轴系)的扭振模态分量在电子中产生次同步电气分量f_e。

具体实施方式

下面参照说明书附图，并通过优选实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

图1示意了由4台大容量汽轮发电机组构成的发电厂经有串补电容的双回输电线路向电网供电的系统接线图，发电机组由4个集中质量块和3段轴构成，电网侧装设的串补电容或其它电力设备导致了电力系统发生次同步谐振。因此，如图1所示，在发电厂的各台机组装设发电机组轴系扭振保护装置(TSR)，在电网侧装设串补电容或其它可能导致SSO/SSR的电力电子设备的变电站内装设旁路控制器，发电机组轴系扭振保护装置(TSR)与装设在电网侧的旁路控制器以及电网调度中心通过通信信道连接，充分利用TSR具有最高的检测次同步振荡的灵敏度，通过TSR的整定实现对次同步振荡不同发展阶段的识别，根据次同步振荡不同阶段采取不同控制措施，包括电厂侧报警、电网侧旁路串补电容或其它电力电子设备(包括可控串补TCSC、静止无功补偿器SVC等)、电厂切除机组。

TSR的接线参见图2，TSR采集轴系一侧的转速信号，可以装设冗余转速传感器，TSR可以选择性采集发电机端的电流电压信号(通过电压互感器PT、电流互感器CT获得)，TSR输出如下信号：向机组DCS系统报警的报警1信号；向电网调度中心和装设串补或其它可能导致SSO/SSR的电力电子设备的变电站报警的报警2信号；驱动电网侧旁路控制器旁路串补电容或其它电力电子设备的跳闸1信号；切除该发电机组的跳闸2信号。

在所述轴系扭振保护装置TSR中设定渐次增大的四个整定值，当轴系扭振保护装置TSR所检测的机组轴系扭振达到所设定的第一整定值时，判断所述机组已经发生轴系扭振，所述轴系扭振保护装置TSR向发电厂控制系统DCS发出报警1信号；

当轴系扭振保护装置TSR所检测的机组轴系扭振达到所设定的第二整定值时，判断所述机组已经发生较为严重的轴系扭振，所述轴系扭振保护装置TSR向电网调度中心和电网侧的旁路控制器发出报警2信号，同时启动所述旁路控制器识别判断电网是否发生同步振荡SSO或次同步谐振SSR，并将最严重的扭振模态频率f_t通过通信告知旁路控制器；

当轴系扭振保护装置TSR所检测的机组轴系扭振达到所设定的第三整定值，并且所述旁路控制器确认电网存在同步振荡SSO或次同步谐振SSR时，判断所述机组轴系扭振已经非常严重，所述轴系扭振保护装置TSR向旁路控制器发出跳闸1命令，切除或旁路装设在电网侧的串补电容以及其它可能导致电网同步振荡SSO或次同步谐振SSR的电力电子设备；

当轴系扭振保护装置TSR所检测的机组轴系扭振达到所设定的第四整定值时，判断所述机组轴系扭振或电网同步振荡SSO或次同步谐振SSR已经严重到危及发电机组安全，所述轴系扭振保护装置TSR向电厂主控室发出跳闸2命令，将该机组从电网上切除。

电网侧的旁路控制器接线如图3所示。旁路控制器输入电厂TSR通过通信通道发来的报警信号和跳闸信号，同时在变电站采集电网侧的电流信号；旁路控制器输出旁路串补或其它电力电子设备的旁路合闸命令。

识别SSO/SSR最灵敏的位置是发电厂的机组轴系扭振信号，即TSR通过轴系转速传感器测量并计算的机组扭振模态信号。电网侧的电流信号也是识别SSO/SSR的有益信号，但灵敏度较差，只有当SSO/SSR较严重时才可能测量到。本发明公开的技术方案中利用检测电网侧电流中的次同步电流信号作为判别电网发生SSO/SSR的必要条件，电网侧的电流信号中的次同步振荡分量信号用来验证TSR发出的报警2信号、跳闸1信号的可靠性，即通过旁路控制器计算电网侧的次同步电流分量的频率与TSR计算的机组扭振频率相加等于50Hz来判断电网是否真正发生次同步振荡。

如图4所示，图4的左图示意了转子(轴系)是工频f₀＝50Hz，在定子中产生工频f₀＝50Hz的电气量；右图示意了转子(轴系)是在工频f₀＝50Hz的转速时(正常工况)时，轴系发生扭振，叠加了轴系扭振频率f₁，f₁在2Hz～48Hz的范围内，发电机定子产生次同步频率电气分量f_e，f_e+f₁＝50Hz。

在发电机组的TSR装置中整定定值如下：报警1的整定需要具有较高的识别灵敏度，以躲开正常机组同期或解列时导致的轴系扭振幅度为限，报警1定值取测量的轴系转速差信号dW大于0.1rad/s，且dW小于扭振主导模态在轴系产生临界疲劳的扭振幅度的1/4，主导模态指扭振最严重的模态；报警2的整定较为严格，以机组产生微小机械疲劳为临界值，报警2的整定以计算单次扰动下的轴系疲劳在0.1％～0.5％之间；跳闸1整定以计算单次扰动下的发电机组轴系疲劳达到0.5％～1％；跳闸2整定以计算单次扰动下的发电机组轴系疲劳达到1.0％～5.0％。

当TSR向旁路控制器发出报警2时，同时将最严重的扭振模态(频率)即主导模态(频率)通过通信送给旁路控制器，旁路控制器计算电网侧电流中是否存在与TSR上送的扭振模态按50Hz互补的次同步电流分量。以此作为收到TSR的跳闸1信号去旁路合闸的闭锁信号。

以国内某电厂2×500MW+2×600MW汽轮发电机组为例，电网侧在送出系统的变电站装设串补电容。500MW机组有4个扭振模态，分别为14.8Hz、28.0Hz、30.9Hz、35.6Hz，600MW机组有3个扭振模态，分别为12.6Hz、21.3Hz、25.1Hz。在发电机组装置双重化的TSR装置，型号CSC-812P。在串补所在变电站设置旁路控制器。TSR的整定值如下：报警1设为dW大于0.2rad/s；报警2设为dW大于0.7rad/s；跳闸1设为疲劳大于0.5％；跳闸2设为疲劳大于2.0％。主导模态为21.3Hz的扭振，电网侧次同步振荡电流的频率为28.7Hz。对该系统的次同步振荡监控的层次为：

1)发电厂送出系统发生次同步振荡(SSO/SSR)；

2)TSR检测轴系转速信号，计算dW，发报警1至电厂主控室报警；

3)TSR检测轴系转速信号，计算dW，发报警2至电网调度中心及变电站旁路控制器，同时通信送给旁路控制器电厂机组的主导模态为21.3Hz；

4)旁路控制器从变电站CT测量的电流信号中计算电网侧电流存在28.7Hz的次同步电流分量；

5)TSR检测轴系转速信号，计算dW和疲劳，发跳闸1至电网侧旁路控制器；

6)旁路控制器收到TSR的跳闸1信号，已经确认电网侧存在28.7Hz次同步电流分量，旁路控制器输出合闸旁路断路器命令，旁路串补电容；

7)串补电容旁路后次同步振荡开始衰减；

8)可能性1：SSO/SSR快速衰减，TSR检测轴系转速信号，计算dW和轴系疲劳，监测到SSO/SSR快速衰减，轴系疲劳没有达到跳闸2定值，机组没有被TSR切除；

9)可能性2：SSO/SSR缓慢衰减，TSR检测轴系转速信号，计算dW和轴系疲劳，监测到SSO/SSR缓慢衰减，但轴系疲劳还在不断增大，直至达到跳闸2动作定值，TSR动作切除该台发电机组。

以上给出的优选实施例以及定值的设定范围用以说明本发明的技术方案，并且因此使得本领域的技术人员能够做出和使用本发明。但这仅仅是一个较佳的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。