用于具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的方法、系统和计算机可读介质

摘要

公开了用于具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的方法、系统和计算机可读介质。根据一个方法，当故障条件发生在由发电机供电的负载上时，估计在再同步之前由于故障而预期在发电机中发生的磁极滑动的数目。确定估计的磁极滑动的数目是否超过阈值。基于估计的磁极滑动的数目是否超过阈值的确定来控制发电机的离线或在线状态。

说明书

技术领域

本文所描述的主题涉及发电机的失步保护。尤其是，本文所描述的主题涉及用于具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的方法、系统和计算机可读介质。

背景技术

在普通电力系统操作状态下，电力发电机操作在所供给发电机的机械功率基本等于负载所抽取的电磁功率的状态。当电力系统发生短路故障时，尤其是在连接到发电机的输电线路上，电磁功率随发电机的输出端电压减小。功率失配，即机械功率和电磁功率之间的差值，将引起转子加速，如果不对其干预，将损坏发电机。

为了避免这种损坏，发电机具有当故障发生时使发电机离线的失步保护机制。此外，一些发电机具有在故障移除或校正后将发电机与电力系统再同步的再同步系统。然而，这些发电机中的失步保护机制和再同步系统之间并不协调。因此，即使再同步系统能够将发电机和负载再同步，失步保护机制可能启动并使发电机离线。所以，没有失步保护机制和再同步机制之间的协调，将减小具有再同步机制的益处。

为了避免这些和其它困难，存在用于具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的方法、系统和计算机可读介质的需求。

发明内容

公开了用于具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的方法、系统和计算机可读介质。根据一个方法，当故障状态发生在由发电机供电的负载上时，估计在再同步之前由于故障而在发电机中所预期发生的磁极滑动的数目。确定估计的磁极滑动的数目是否超过阈值。基于估计的磁极滑动的数目是否超过阈值的确定来控制发电机的离线或在线状态。

本文所描述的主题可以以软件结合硬件和/或固件实现。例如，本文所描述的主题可以通过由处理器执行的软件实现。在一个示例性实施方式中，本文所描述的主题能够使用具有存储在其上的计算机可执行指令的非临时性计算机可读介质来实施，当该计算机可执行指令由计算机的处理器执行时控制该计算机执行所述步骤。适用于实施本文所描述的主题的示例性计算机可读介质，包括非临时性计算机可读介质，例如盘存储设备、芯片存储设备、可编程逻辑设备和专用集成电路。此外，实现本文所描述的主题的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上或者可以分布在多个设备或计算平台上。

附图说明

现将描述附图的优选实施例，其中：

图1是发电机失步保护的典型配置的电路图；

图2示出了当磁极滑动发生时视在阻抗移动的图；

图3是具有负载再同步系统的发电机的模块图，其在本示例中是集成励磁和涡轮控制器(IETC)；

图4是示出了根据本文所描述的主题的一个实施例的具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的示例性步骤的流程图；

图5是根据本文所描述的主题的一个实施例，具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的系统的模块图；

图6是根据本文所描述的主题的一个实施例，具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的系统的可选实现方式的模块图；

图7是示出了根据本文所描述的主题的一个实施例，通过自适应失步保护功能可以确定的机械功率的近似值的图；

图8示出了根据本文所描述的主题的一个实施例，通过自适应失步保护功能用于加速能量计算的示例性曲线图；以及

图9示出了根据本文所描述的主题的一个实施例，通过自适应失步保护功能估计磁极滑动的数目的示例的电路图。

具体实施方式

如上所述，用于保护发电机对抗失步的一种现有技术包括测量磁极滑动发生的数目[3]。当发电机内部产生的电压与由发电机供电的负载的相位相反或相差180度时，磁极滑动发生。用于对磁极滑动进行计数的一种方法是基于在发电机的端子处测量的视在阻抗的移动。该视在阻抗是将发电机端子的节点电压和从端子流向负载的负载电流的比值计算得到的复数。在一个典型实施方式中，如图1所示，从连接到发电机100的端子处的电压传感器(V)和电流传感器(A)测量节点电压和发电机电流。这些测量值反馈至能够发送跳闸信号至主发电机断路器(GCB)104的失步继电器。

为了在失步继电器(OOS)102中对磁极滑动的数目进行计数，视在阻抗的移动可以映射到继电器的阻抗特性上，其中一个实现方式是图2中线AB所示的直线。图2是电阻(横轴)相对电抗(纵轴)的图。线AB表示失步继电器102的阻抗特性。通过在发电机输出端子处的电流传感器和电压传感器测得的视在阻抗包括每次功率振荡发生时以图2箭头所示方向旋转的线。每次视在阻抗以箭头方向越过线AB时，对磁极滑动进行计数。当计数值超过预设的阈值，失步继电器102发送跳闸信号至发电机断路器104。

针对失步继电器设置磁极滑动的最大数目是基于多个方面考虑的，包括发电机组的磨损和断裂。需要考虑的另一个因素是由于发电机停机而发生的额外成本。当发电机跳闸后，需要时间来使它恢复工作，特别是在使用热动力程序驱动发电机原动机时，例如，煤或石油为燃料的热电站。在该等待时间期间，有时称为最小停机时间，由昂贵的发电单元产生的替代功率，导致用于电力系统的生产成本的增加。昂贵的单元的示例包括燃气涡轮机。在一些电力系统中，服务的可靠性和连续性是设置最大允许磁极滑动的数目的主要因素。发电单元的突然丧失也会带来系统负载-发电不平衡，其将减小系统频率。如果频率低于可接受值，低频减载系统开始使负载跳闸以阻止即将产生的系统崩溃。因此，由于剩下的系统无法稳定发电机的功率输出频率而造成的系统崩溃，使得发电机跳闸可能伴随着不期望的减载或者出现更坏的情况。

如上所述，用于失步保护的现有方案中的一个问题是，采用合理设计的负载再同步系统，例如集成励磁和涡轮控制的系统(下文中为“IETC”)，有时发电机可以从多个滑差操作恢复并回到稳定操作，旨在通过以协调的方式控制励磁机和调节器来改善动态性能和增强发电机的暂态稳定性。在第WO2012/055115号国际专利申请公布中公开了IETC的一个示例，在此引入其公开内容的全部作为参考。图3示出了IETC的一种实现方式。

参考图3，IETC 106能够在负载故障发生时再同步发电机100并恢复。故障通常发生在连接到发电机的输电线上。当该故障通过输电线自带的保护系统的动作被清除或从电气网络隔离时，发电机的负载恢复。当输入机械功率通过其驱动系统，例如涡轮，供给发电机100时，IETC 106接收通过发电机100产生的电能，励磁电压和电流。IETC106输出控制发电机的电气输出的励磁控制信号，以及控制蒸汽涡轮阀门的一个或多个阀门控制信号，以调节供给发电机的机械功率。

IETC的一个工作原理是基于高层控制器的测量和内嵌控制算法提供辅助励磁和涡轮控制信号。自适应性是IETC方案的特征之一。根据故障的严重性和发电机操作模式计算辅助控制信号，以在轻微扰动下得到更好的振荡阻尼能力，在中等干扰下保证第一振动稳定性，以及在严重干扰时，在几个磁极滑动之后再同步发电机[1]。

如上所述，如果IETC 106和由继电器102实现的失步保护逻辑不协调，当磁极滑动的数目超过由失步保护逻辑设置的数时，发电机100将经常跳闸离线，导致丧失IETC 106减小失步跳闸风险的潜在好处中的一个。然而，采用合理设置的协调控制，当存在再同步发电机的可能性时，可以避免不期望的发电机跳闸。此外，如果预料到发电机100将变得不稳定，发电机100可以较早地跳闸离线。在这种情况下，发电机100可以通过经历长时间的磁极滑动以防过度磨损。

总的来说，至少可以通过本文所描述的主题克服一些问题，包括：

1.现有的非自适应失步继电器设置阻止发电机从多个磁极滑动恢复。

2.如果单元最终变得不稳定(即，磁极滑动的数目可能是过量的)，非适应性设置使机组暴露至长时间的磨损。

3.在发电机停机之后，非适应性设置加速系统崩溃。

图4是示出根据本文所描述的主题的一个实施例的具有负载再同步能力的发电机自适应失步保护的示例性步骤的流程图。参考图4，在步骤1中，IETC处于监测模式以监测负载故障。在步骤2中，IETC监测故障的发生，例如负载中的短路。在步骤3中，IETC操作以尝试使发电机与负载再同步。可以基于故障的严重性触发IETC。在步骤4中，估计磁极滑动的数目。通过以下详细描述的自适应失步保护功能可以估计磁极滑动的数目。在步骤5中，确定IETC是否能将发电机与负载再同步，例如与发电机连接的配电网。通过对公式W_ac-W_dc＝0求解，可以做出步骤5中的确定，其中W_ac是加速能量，以及W_dc是减速能量。如果该方程无解，则IETC不能将发电机与电网再同步。如果数学解存在，再检查解是否现实。如果数学解不现实，例如当解导致磁极滑动的数目过大时，IETC不会再同步。简言之，如果W_ac-W_dc的解存在并且导致磁极滑动的数目n在合理的范围内，再同步是可能的。

在步骤5中，如果确定IETC不能将发电机与电网再同步，发送跳闸信号至发电机断路器。如果确定IETC可以将发电机与电网再同步，控制前进到步骤7，在步骤7中确定磁极滑动的数目是否大于失步继电器所使用的阈值。如果磁极滑动的数目大于阈值，控制前进到步骤8，在步骤8中自适应失步控制功能发送闭锁信号以阻止失步继电器跳闸的。如果磁极滑动的数目不大于失步继电器的设置，控制返回到步骤1，在步骤1中，IETC继续监测负载故障。

图5是根据本文所描述的主题的实施例的具有负载再同步能力的发电机的原理图，其中通过自适应失步保护功能，负载再同步能力与失步保护机制相协调。参考图5，自适应失步保护功能108接收来自IETC 106的机械功率信号、电气功率信号和振荡频率信号。如果信号指示IETC 106可以将发电机100和负载再同步以及磁极滑动的数目大于继电器102的设置，IETC 106发送闭锁信号至继电器102以阻止继电器102断开发电机断路器104。

图6是示出了本文所描述的主题的替代实现方式的原理图，其中自适应失步保护功能108直接控制断路器发电机断路器104。在该实施例中，省略了继电器102，而且产生用于使断路器104跳闸的信号的功能集成在自适应失步保护功能108中。因此，自适应失步保护功能108类似于图4所示出的步骤工作。但是，如果自适应失步保护功能108确定再同步是不可能的，自适应失步保护功能108可以产生跳闸信号而不是产生闭锁信号，以及如果自适应失步保护功能108确定再同步是可能的并且磁极滑动的数目没有超过预定设置时，可以抑制产生跳闸信号。

为了产生闭锁信号或跳闸信号，自适应失步保护功能108可以估计磁极滑动次数。现将描述用于估计在再同步之前磁极滑动可能发生的数目，自适应失步保护功能108所使用的示例性算法。

估计磁极滑动的数目

在负载故障期间，两个力作用在发电机上，由于机械原动机的加速能量和由于来自系统的异步功率P_asym的减速能量。经过一段时间后,这两种功率所带来的能量相等，并且发电机将与电网再同步。对这些功率和时间积分得到能量。W_ac是由机械功率P_m的时间积分产生的，而W_dc是由异步功率P_asym的时间积分产生的。在W_ac＝W_dc的时刻，将发电机与负载再同步是可能的。

同步功率P_sym并不贡献给W_ac或W_dc，因为像功率角的正弦函数一样，在一个振荡周期内P_sym的时间积分是零。

加速能量W_ac计算

图7示出了根据本文所描述的主题，用于机械功率计算的近似值。在t＝t₀的时刻，故障发生，IETC将使用机械功率P_m和电气功率P_e的差值的时间积分来确定该故障的严重性。如果积分值小于固定水平C₁，该故障被归类为小故障，且IETC选择不启动；如果积分值大于C₁但小于另一个值C₂，该故障被归类为中等故障，且IETC将作用于控制阀和励磁系统上；如果积分值大于C₂，则该故障被归类为严重故障，且IETC作用于截断阀和控制阀，以及励磁系统上。

在最坏的情况下，严重干扰发生且P_m-P_e的时间积分将在t₁时刻超过值C₂，IETC开始关闭截断阀和控制阀以限制过量的加速功率。使截断阀关断速度为R₁每秒每单位，而控制阀的关断速度为R₂每秒每单位，其通常远小于R₁。

为简化说明，可以假设在t₁～t₂的时间区间，截断阀以速度R₁关闭，且在t₂～t₃的时间区间，控制阀以速度R₂关闭。在t＝t₃的时刻，截断阀和控制阀均完全关闭。在故障之前，发电机由故障前的机械功率P_m0驱动。当截断阀关闭时，机械功率值是P_m1。该功率等于故障前的值P_m0和F_IP之间的差值，其中F_IP是由截断阀直接控制的中间压力级产生的总涡轮功率的摩擦力。形式上，图7中预期的机械功率的轨迹可以通过下式数学上地表示：

$>P_m=\left(\begin{array}{c}-R_1{F}_{\mathrm{IP}}t+P_{m0},t_1<t\le t_2\\ (P_{m0}-F_{\mathrm{IP}})·(-R_{2}t+\frac{R_1+R_2}{R_1}),t_2<t\le t_3\end{array}\right)$>

IETC启动后的加速能量如图8中的阴影区域所示。其数值上等于

$>W_{\mathrm{ac}}^{,}=\frac{2P_{m0}-F_{\mathrm{IP}}}{2R_1}+\frac{P_{m0}-F_{\mathrm{IP}}}{2R_2}$>

加上等于用于严重故障识别的阈值C₂的在IETC启动前的加速能量，总加速能量W_ac等于

W_ac＝W’_ac+C₂

可以理解的是，由自适应失步保护功能确定的机械功率响应并不限于图7所示的示例。一些涡轮系统可能没有截断阀，因此可以认为该响应是不同的，并且自适应失步保护功能可以被修改以说明这种不同。所描述的用于积分功率以获得能量的方法仍将适用于这种情况和其它场合。

减速能量W_dc计算

在异步旋转期间，发电机的有源功率包括两部分：a)同步功率P_syn，其作为正弦函数随功率角在正值和负值之间变化，平均值并不贡献于转子速度偏差，b)异步功率P_asyn，由于转子速度高于同步速度，异步功率P_asyn是正的，贡献于转子减速。

可以如下估计P_asyn：

$>P_{\mathrm{asyn}}=P_{\mathrm{st}}{\left(\frac{X_d^{,}E}{X_d^{,}+X_{\mathrm{ext}}}\right)}^2$>

其中

P_st近似为常数，等于2倍用于蒸汽涡轮发电机的单位功率[2]

X_d’是发电机d轴暂态电抗-其可从发电机的铭牌值获得

X_ext是外部阻抗，通常是发电机外面的所有部件的电抗总和，例如升压变压器、引出线等。外部阻抗可以是考虑保守假设而预设的，例如由于可能的输电线断电而减小的发电厂和电网系统之间的连接。

E是无限电力系统的电压。

则减速能量W_dc可以由下式计算

$>W_{\mathrm{dc}}={\int P}_{\mathrm{asyn}}\mathrm{dt}=P_{\mathrm{st}}{\left(\frac{X_d^{,}E}{X_d^{,}+X_{\mathrm{ext}}}\right)}^{2}t$>

磁极滑动的数目N估计

当加速能量和减速能量相等时，所逝去的时间可以从前面的公式计算得到并如下所示。

$>t{|}_{W_{\mathrm{ac}}=W_{\mathrm{dc}}}=\frac{1}{P_{\mathrm{st}}}(\frac{2P_{m0}-F_{\mathrm{IP}}}{2R_1}+\frac{P_{m0}-F_{\mathrm{IP}}}{2R_2}+C_2){\left(\frac{X_d^{,}+X_{\mathrm{ext}}}{X_d^{,}E}\right)}^2$>

假设f_os是故障清除后发电机的振荡频率，则磁极滑动的数目可以由下式估计：

N＝t×f_os

磁极滑动的数目的估计的说明

图9所示的单机无限系统，包括同步发电机、升压变压器、双路输电线和无限电压源。三相短路故障发生在输电线L-2上，其在0.21秒后跳闸。

假设P_m0＝0.9pu，F_IP＝0.4，R₁＝5pu/s，R₂＝0.5pu/s,C₂＝0.1，X_d’＝0.3，X_ext＝0.4，E＝1，P_st＝2；发电机的振荡频率f_os是1.25Hz。

在这0.21秒的三相短路故障下，磁极滑动的数目可由下式计算

总加速能量W_ac＝W’_ac+C₂＝0.64+0.1＝0.74

总减速能量W_dc＝0.36t

交点t＝0.74/0.36＝2秒

估计磁极滑动次数：t*f_os＝2.5

优点

1.本文所描述的主题的优点包括：

○可以估计磁极滑动的数目以允许发电机在必要时穿过干扰

○允许集成励磁和涡轮控制的系统和失步保护的合理协调

○通过最小化由于失步继电器的非适应性设置的发电机跳闸，改善系统可靠性和经济运行

2.至少部分克服的问题：

●本文所描述的主题在故障发生时，基于(或适应于)系统的操作状态实现具有跳闸设置的失步保护。当IETC工作时，通过磁极滑动操作的数目的估计实现适应性跳闸设置，使得发电机通过干扰的能力增强。

●用以预测不稳定性或过多的磁极滑动操作的数目的适应能力允许发电机从系统较早跳闸。采用这种改进的功能，如果单位可以通过其自身的失步保护跳闸，发电机可以防止不必要的暴露而受到长时间的磨损。

●通过增加带有IETC的发电机的干扰穿过的发生率，该新功能可以通过维持系统集成度而有助于控制系统崩溃。

以下参考文献的每一篇的公开内容在此通过引用将其全部并入本文中。

参考文献

[1]PCT/CN2010/078244“Integrated Excitation and Turbine Controllerfor Synchronous Generator and the Control Method thereof”

[2]M.Y.Wang.Mechanism of the Resynchronization of Out-of-StepGenerator Sets,SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY,Vol.1No.2,Dec 2007.

[3]1MRK502013-UUS_Technical reference manual generator protectionIED REG 670ANSI,December 2007,ABB

可以理解的是，可以改变本公开的主题的各种细节而不偏离本公开主题的范围。另外，上述描述仅仅是为了说明的目的，而不是限制。