電廠發電機失步保護與自動化運維工作研究

晉控電力山西長治發電有限責任公司 景志偉

近年來我國大力推行清潔高效能源體系的建設，也實際建設并投入使用了一批高生產能力的火電、水電機組，取得了較高的生產比例。經過階段性的電力生產，大型機組對工作質量的提升作用逐漸被凸顯出來。大型機組所具有的穩定、可靠技術優勢，能夠穩定輸出電源，保障電網安全性。電網運行環境較為繁復，發變機組運行對于安全保護工作的要求也較高。需在工作實踐中進一步提升對大型發電機的保護動作運維工作的水平，才能使發變組的實際工作能力滿足電網安全運行的高要求，提升系統與機組工作的安全協調穩定性。

1 發電機保護與運行維護工作相關概述

電網在安全穩定運行的過程中，依賴大型發電機作為支撐，可保證工作電源穩定輸入。這也就意味著，提升發電機工作安全穩定性對于提升電網系統維持性至關重要。與電網系統中基數較大的小容量機組對比，大型發電機的繞組結構呈現出很強的復雜性特征，同步電抗、繞組對地電容、電氣時間常數更高，慣性時間常數更低。因此，通常情況下大型發電機的過載能力就相對較弱，而電氣變化過程對安全運行裕度的要求會更高[1]。另一方面，當前社會發展階段下智能電網發展迅速，發展出能夠規模化接入風能、太陽能等間歇性電源的電力系統，并借助柔性輸電、直流輸電新型輸配電技術以及多樣化的運行方式，在各類社會生產生活中進行廣泛應用。

大型機組承擔著發電工作的主力職責，為保證發電效果和效率，應充分發揮出大型機組的靈活、堅強支撐的作用。而大型發電機電氣特性、外部電網環境，決定了發電機的實際工作的難度其實是較大的。為保證發電機的正常工作狀態，一般會采用繼電保護手段來進行安全防護。繼電保護是現階段復雜電網及大型機組環境下的安全防護需求，其開始逐漸應用自動化技術，將大大降低繼電保護工人的工作壓力，并為繼電系統保護工作增添準確的、穩定的保障。當前階段電力企業為促進自身良好發展，正在逐漸將繼電保護的自動化技術應用到實際生產建設過程中。繼電保護工作在自動化技術中具體表現為智能化的管理模式，智能技術下的繼電保護工作能盡可能地降低人工控制的依賴，并能達到甚至超過人工控制下的工作質量。

2 傳統發電機失步振蕩保護動作不足

失步振蕩對發電機的正常工作會產生較大危害，對大型的發電機組更是如此。大型發電機組阻抗值大，一旦出現振蕩現象，振蕩中心的電壓將有大幅波動，顯著降低電質量。振蕩過程會給大型發電機帶來電動力、熱效應兩方面的損傷。大機組與電網間的振蕩整體呈現出復雜性的特征。若進行的機組切除動作不適合，可誘發電源缺失問題甚至加劇振蕩，破壞威脅電力系統工作狀態[2]。失步保護作為關鍵涉網保護，其動作特性、出口策略的要求也較高，應充分考慮并滿足發電機組、電網保護需求。大體量的互聯電網系統可能產生各種形式的發電機失步振蕩。因發電機的工作效果是借由多臺發電機相互作用最終呈現出來的，若干同調機群失步振蕩，機群內的多臺發電機組也保持了同步的動態特性。網絡、工況、擾動因素，都是會對同調機群數量、機群機組數量產生影響的。

對于單臺發電機而言，要對發電機失步振蕩現象出現的情況進行簡化考量。可將其視作為本側、對側電源間的振蕩反應。排除外界系統存在多個同調機群因素的前提下，從實質上說這種振蕩反應就是多頻失步，對側多個同調機群均歸為同一無窮大系統。如工作背景是多機系統，會導致本側電源主體產生差異[3]。

多個同調機群出現失步振蕩，典型模式的模式就是單臺發電機、對側無窮大系統間發生的失步振蕩，電網擾動引發的動穩崩潰就會導致這種問題出現。一般而言，大型發電機會和同廠機組在同一母線并聯運行，發變組、同廠機組之間的電氣聯系十分密切。因此在發電機組真實工作中如多機出現對外失步，通常會呈現整體對外失步的狀況，且失步振蕩現象的發生時以共母線運行機組集群為單位的。此類失步情形被稱為母機群對外失步。圖1～2示意了發變組最常見的失步形式[4]。

圖1 單機對外失

圖2 共母機群對外失步

基于就地測量可開展傳統失步保護，將各個機組的整定值確定在相同的水平，在失步保護動作檢測保護下，發現發電機與外部系統間出現失步振蕩且符合設定好的觸發條件，此時就會觸發動作出口口令，立即解決發變組內部的振蕩問題，快速跳閘處理。這樣的保護動作形式，并沒有體現出將發變組與其并聯運行機組的失步保護的配合工作觀念。如發生了以共母機群為單位的失步振蕩現象，則共母機群中的每個機組失步元件都會監測到一致的阻抗軌跡，則運行的失步保護動作也是一致的。如對最極端的失步振蕩現象進行設想，就會發現如果共母機群中的每個機組都進行一致的保護動作，就需同時切除或同時拒動每個機組，又或既不跳閘也不發信，這樣都不利于電網的穩定運行。

3 發變組失步保護動作實現處理方案

為不斷完善大型發電機失步保護方案、提升其合理性，應充分考慮到共母機群對外失步形式、單機對外失步形式間的差異。此外，應以現階段實際運行方式大小為參考依據，調整失步動作區域邊界，有助于完成后確定多機配合下的動作切機的工作。對不同失步形式和運行方式，得出更具確定性的失步判據，是第一步要完成的任務。前已述及，在面臨不同失步情形時傳統失步保護從單機視角出發，保護動作特性的局限性較為突出，僅修改整定值不能正確反應所有失步或非失步情況，僅對本機組的就地電氣量進行收集歸納，保護工作僅可對單臺發電機進行保護，各臺發電機之間的保護工作并未進行協同和配合[5]。

作為大型的發電機組而言，其所需的失步保護服務要求較高，需失步保護服務同時對同廠并聯運行的多臺機組保護。制定出科學合理的保護決策，需多臺機組和主變高壓側母線處的測量提供信息支撐，需要并聯運行機組信息。共母機群對外出現失步現象，保護動作出口指令將下達導各機組，保護動作進行時是在調度指令調控下的[6]。這樣看來要進一步提升對大型發變機組的失步保護效果，對保護工作實現方案的設計須借助高信息融合度、高交互度的繼電保護系統。而充分利用現階段快速發展的通信和網絡技術，就可很好地實現這一保護方案設計需求。

為改進發變機組的失步保護實際效果，可落實新型的發變機組保護方案。其中包含主變高壓側母線、單臺機組，并在這些部位加裝了失步保護判斷元件。這些失步保護判斷元件的作用，是提供出更加清晰的功能屬性、分布特征。大型發電機層次化失步保護物理架構分成了底層保護、站域層保護2層。就地層保護中包含了由多臺發電機就地保護裝置，同傳統保護裝置相比，就地層保護的信息來源更豐富。就地層可采集發電機就地測量量，可獲取站域層決策的失步動作區整定值信息和動作指令，以此為依據給出就地層保護的動作特性的調整信息，執行出口動作；就地層保護可通過通信網絡將失步判斷結果傳遞給站域層。

站域層保護是在常規發電機工作機制的基礎上新增設的保護裝置。站域層保護可被設置在主變高壓側母線上，發揮失步保護判斷元件的作用，監測共母機群作為整體向外的測量阻抗軌跡，可提前判斷共母機群等值發電機、無窮大系統有沒有出現失步振蕩現象；站域層保護部分作用是明確并聯機組的臺數，參照就地層和站域層失步元件反饋的結果辨識機組失步情況與形式，給出就地層失步元件的動作特性整定值并配合其執行功能，對機組安全起到保護作用，避免有過高的電源損失。

4 未來發電機保護運行維護工作發展方向

在新的發展時期，傳統的發變組保護技術以及對應的技術逐漸與現階段的電力發展需求變得不相符。因此，在未來的工作任務中應著重展開發變組保護的自動化創新研究，提升發變組保護工作對自動化設備、技術的使用能力，為電力企業制定新的目標規劃，使企業更適合未來社會發展趨勢。

4.1 提升自動化研究中的先進技術水平

自動化的發電機保護及運行維護工作技術研究，在一定程度上依賴于創新性的技術發展。為此電力企業應從自身實際發展狀況出發，展望企業未來的發展規劃，細致規劃接下來在發電機保護及運維工作中應用的技術，充分考慮多方面影響因素。只有這樣才能讓電力系統中發電機保護及運維工作的水平得到提升，同電力企業未來發展方向更加的契合。

要想在發展的同時保證自動化技術處于領先水平，企業需要以自身研究成果為依托，大力引進國內外先進技術，并將這兩部分的內容進行融合，實行技術優化與創新。新技術的研發和創新離不開相應的數據資料的記錄和分析的支持。在技術研發的過程中，數據記錄和管理工作，可為發電機保護及運維工作自動化的研究提供科學化的管理保障。電力企業應將技術應用的調查結果作為后續工作的有效參考，并在技術和管理方面改進發電機保護及運維工作組自動化技術的應用問題。

4.2 強化對發變組保護裝置的管理

對保護系統中的硬、軟件，開展高質量的管理工作，將有助于促進發變組保護中自動化技術的發展。一方面應加大經費投入，及時維修、更換老舊的裝置。合理投入維修經費，可借助網絡信息技術，來監測自動化裝置的工作能力，及時發現裝置出現的問題。有利于提升裝置在自動化控制技術下的反應速度。

另一方面可擴大自動化技術在發變組保護中的應用范圍。發電機保護及運維工作所用到的自動化設備，可能缺少足夠大的適用范圍。在某些特殊的工作環境之下，自動化設備的運行可能被干擾作用所影響，實際運行效率下降。那么如果要想在接下來的工作中繼續推進發電機保護及運維工作的自動化發展，就需將工作所處環境納入到考慮的范疇中，選用環境適用性較強的自動化設備，維護自動化發電機保護、運維開展的穩定性。另外電力企業也要在自身研究工作上投入較大的精力，研究如何提升自動化設備的適用性，讓自動化設備在各種環境條件下都能起到發電機保護及運維的作用。

5 結語

結合以上的分析內容，可見對發電機保護動作及運行維護工作展開深入研究，在實際工作中應用高質量的保護動作、并在未來提升對自動化發變組保護技術的應用能力，有利于維護電力系統的運行安全，為各類社會生產工作以及居民的日常生活安全、穩定地輸送高質量電能，這對社會發展和社會和諧穩定都可起到一定的保護和促進作用。