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基于安全自動裝置控制的火電機組改進超速保護

文檔作者：陳興華文檔來源：廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月06日
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第43卷第1期
2015年1月1日
電力系統(tǒng)保護與控制
Power Svstem Protection and Control
V01．43 NO．1
Jan．1，2015
基于安全自動裝置控制的火電機組改進超速保護
陳興華
(廣東電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心，廣東廣州51 0000)
摘要：為解決傳統(tǒng)的火電機組超速保護控制特性無法適應(yīng)不同形態(tài)故障對電網(wǎng)、機組的影響，完善其控制策略，加強電網(wǎng)穩(wěn)
定性、提高機組設(shè)備安全性，提出一種基于安全自動裝置控制的火電機組超速保護。該保護利用區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)實現(xiàn)信息采集、
處理和命令分發(fā)，實現(xiàn)了安全自動裝置與超速保護兩者的精確配合，可達到防止同一供電區(qū)域內(nèi)的多臺火電機組超速保護同
時動作的目的。分析結(jié)果表明，該保護在有效提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的同時，也確保了機組原有的安全屏障不受削弱，可操作性強，
為解決孤網(wǎng)系統(tǒng)高頻問題另辟蹊徑。
關(guān)鍵詞：超速保護；安全自動裝置；穩(wěn)控裝置；高頻；孤網(wǎng)
Im proved OPC by autom atic—security device
CHEN Xinghua
(Guangdong Power Dispatching and Control Center,Guangzhou 5 10000，China)
Abstract：In order to solve the problem that traditional thermal power unit over-speed protection control characteristics can not adapt
to diferent form s of fault on the grid or the unit，and to improve the control strategy,strengthen the power grid stability,enhance
security unit，this paper presents an improved ove~speed protection of thermal power un it based on the control of automatic safety
device．By collecting information，processing and distributing the commands through the regional stability control system，this new
protection realizes the combination of automatic safety device and ove~speed protection，which can achieve the purpose to prevent
the simultaneous act of ove~speed protection units within the same region．Analysis indicates that the new protection with strong
operability not only ensures the original un it safety barrier from being weakened but also improves power system stability,which
provide a new way to solve the problem of a high-frequency isolated network system，
Key words：over-speed protection control；automatic-security device；security-stability-control device；high frequency；isolated grid
中圖分類號： TM77 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： 1674．3415(2015)01．0150—05
0 引言
近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，互聯(lián)電網(wǎng)
送電規(guī)模增大，電網(wǎng)建設(shè)步伐加快，各子系統(tǒng)之間
的相互聯(lián)系越來越強?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)朝著大電網(wǎng)、
大機組的方向發(fā)展，機組和電網(wǎng)的相互影響日益增
強。各種先進的安全自動裝置和控制系統(tǒng)被廣泛地
應(yīng)用到電力系統(tǒng)中【lqJ。在“廠網(wǎng)分離”后的調(diào)度管
理機制下，完善機組側(cè)的保護及其控制策略是加強
電網(wǎng)穩(wěn)定性、確保機組設(shè)備安全性的一個十分關(guān)鍵
的環(huán)節(jié)。
1 傳統(tǒng)超速保護原理及局限性
1．1超速保護基本原理
目前大容量汽輪發(fā)電機組普遍采用數(shù)字電液調(diào)
速系統(tǒng)DEH，該調(diào)速系統(tǒng)具有超速保護控SO(Over．
speed Protection Control，OPC)。OPC能在轉(zhuǎn)子超速
時迅速搶斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制權(quán)，強行將調(diào)節(jié)汽門短
時關(guān)閉，經(jīng)過一定的延時，轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常后，再將
控制權(quán)還給調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此可以有效地抑制機組超速。
傳統(tǒng)的超速保護包括103％超速保護和1 10％超
速保護。后者是汽輪機最為重要的危急保安保護，
動作正確性和可靠性要求相當(dāng)高，其邏輯要求簡單
明了且相對固定，故不在本文討論范圍之內(nèi)。對于
前者，不同的生產(chǎn)制造公司控制邏輯各異。比較典
型的控制邏輯如圖1【J J。
圖1是目前國內(nèi)的汽輪機制造廠最常見的、應(yīng)
用最為廣泛的103％超速保護控制邏輯。相比之下，
國外的汽輪機制造廠的控制邏輯略有不同，例如有
的在判斷轉(zhuǎn)速的條件上疊加功率差額的線性化判
陳興華 基于安全自動裝置控制的火電機組改進超速保護 一151．
斷，有的則使用轉(zhuǎn)速上升速度(即轉(zhuǎn)速加速度)作為
判別條件等。
l 火
：力
I發(fā)
：電
!機
組
汽筆電 磁功率差盞超墨過藿定 值 】 I
與 —■
發(fā)電機主開關(guān)跳閘H 或 —1-J護超動速作保
超過動作門檻 『：
●?火力?發(fā)電機?組 ? ? ? 一^ 1
k ? ? ? ? ? ? 一J
圖1典型103％超速保護動作及返回邏輯
Fig．1 Act and retum logic oftypical 103％
over-speed protection
綜合而言，103％超速保護現(xiàn)時普遍只采用機組
本側(cè)信息作為判別條件。
1．2超速保護的隱憂
OPC是一把雙刃劍，雖能有效抑制汽輪機轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)速飛升，但如果控制策略和定值配合、設(shè)計不當(dāng)，
則不僅會對機組設(shè)備造成損害，而且有可能危及電
網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行pJ。
對于電力盈余送出電網(wǎng)，系統(tǒng)若因故障導(dǎo)致其
與主網(wǎng)解列，則故障后其頻率將升高。若頻率抬升
超過51．5 Hz，而區(qū)域內(nèi)有多臺火電機組運轉(zhuǎn)中，則
該火電機組群的OPC有可能同時滿足動作條件而
關(guān)閉汽輪機調(diào)門， 以抑制轉(zhuǎn)速的飛升。此后， 電網(wǎng)
將由“有功過?！睜顟B(tài)過渡為“有功不足”狀態(tài)，
頻率將在沖至頂峰后逐漸回降。待頻率恢復(fù)至額定
值后，機群OPC將陸續(xù)滿足返回條件，重新打開汽
輪機調(diào)門。于是區(qū)域電網(wǎng)重新進入“有功過?！钡?
狀態(tài)，機組調(diào)門重新關(guān)閉，并進入“開．關(guān)一開一關(guān)”
的不斷循環(huán)，也就是所謂的“乒乓”現(xiàn)象。機群內(nèi)
這種各自為戰(zhàn)、無序、頻繁往復(fù)的控制，往往導(dǎo)致
機組軸系和熱力系統(tǒng)遭受損害，且令解列電網(wǎng)失去
保持穩(wěn)定的機會，最終導(dǎo)致崩潰。
對于電力送出地區(qū)而言，該問題尤為突出。電
網(wǎng)越薄弱、電力送出量越大、火電機組數(shù)目越多，
頻率“超調(diào)”現(xiàn)象越明顯。因此，機組的超速保護
與電網(wǎng)的安全運行密切相關(guān)，完善超速保護不容忽
視。
1．3現(xiàn)有應(yīng)對措施及其局限性
現(xiàn)時，為應(yīng)對火電機組群的“乒乓”現(xiàn)象，一
般采取以下幾種措施。
(1)增加OPC 的動作延時I 。根據(jù)事前計算分
析，預(yù)判故障情況下區(qū)域電網(wǎng)的功率差額水平。根
據(jù)該結(jié)果，匹配預(yù)期允許OPC動作的火電機組，剩
余火電機組的OPC加入長短不等的動作延時，以期
只通過個別機組的功率輸出調(diào)節(jié)，實現(xiàn)緊急情況下
的頻率控制。
f2)調(diào)整OPC的動作定值L6]，將區(qū)域內(nèi)火電機
組的OPC動作定值整定錯開。
(3)長期退出部分機組的OPC[ 。
上述三類措施，表面上看雖有可能解決區(qū)域電
網(wǎng)解列后火電機組群OPC“同關(guān)同開”的問題，但
卻暴露出以下幾個難以解決的弊端。
f1)機組本身的OPC加入延時、定值調(diào)高甚至
退出，設(shè)備的安全屏障被削弱，直接影響設(shè)備安全
以及廠內(nèi)人身安全，機組出線故障造成機組脫網(wǎng)時
的情形尤為明顯。故而上述措施在推進過程中往往
遇到廠方相當(dāng)大的阻力，成為廠網(wǎng)之間難以調(diào)和的
矛盾。
(2)運行方式、潮流水平、機組出力等因素不斷
變化，如果變化起伏較大，那么事前分析計算的結(jié)
果與實際情況的匹配度就難以保證，造成OPC定值
整定困難， 電網(wǎng)安全性難以保證。
(3 OPC是置于DEH系統(tǒng)中的控制模塊，其定
值調(diào)整不如繼保類裝置方便，一般需要制造廠商到
現(xiàn)場進行調(diào)整，調(diào)整后再進行嚴(yán)格測試，工序相較
繼保類裝置而言比較繁瑣。因此，定值調(diào)整常態(tài)化
的可操作性難以得到保證。
為此，本文著眼于目前己廣泛應(yīng)用的安全自動
裝置，提出一種基于安全自動裝置控制的火電機組
改進超速保護。
2 安全自動裝置簡述
安全自動裝置是指防止電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定和避
免電力系統(tǒng)發(fā)生大面積停電的自動保護裝置，簡稱
安自裝置。它包括安全穩(wěn)定控制裝置、備自投裝置、
低頻低壓減載裝置、重合閘裝置等多種類型。
安全穩(wěn)定控制裝置(簡稱穩(wěn)控裝置)是21世紀(jì)以
來應(yīng)用最為廣泛的安自裝置之一。它通過不同廠站
裝置之問的通信通道f一般采用光纖通道)實現(xiàn)通信
聯(lián)系和信息的協(xié)調(diào)處理，形成安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)(簡
稱穩(wěn)控系統(tǒng))，在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時實現(xiàn)快速切
機、切負荷等緊急控制措施。根據(jù)穩(wěn)控裝置的不同
角色定位，一般可分為控制站和執(zhí)行站。
處于電網(wǎng)薄弱區(qū)域的電廠，現(xiàn)時都應(yīng)配有穩(wěn)控
裝置(切機執(zhí)行站1，以確保故障情況下電網(wǎng)和機組
設(shè)備的安全。本文提出的改進超速保護，就是基于
· 152- 電力系統(tǒng)保護與控制
該穩(wěn)控裝置控制。 ～ 一
3 基于安全自動裝置控制的改進超速保護
3．1改進的原則
基于前述現(xiàn)有OPC存在的不足，針對以下原則
提出超速保護的改進思路：
(1)保持OPC原有就地控制邏輯功能，確保原
有設(shè)備安全屏障基本不受削弱；
(2)適應(yīng)性強，不同運行方式、潮流水平和機組
出力等因素的變化情況下，均能對機組作出準(zhǔn)確控
制，確保電網(wǎng)和機組設(shè)備的安全穩(wěn)定性；
(3)能實現(xiàn)信息綜合判斷，優(yōu)化協(xié)調(diào)區(qū)域控制措
施；
(4)改造方案可操作性強。
3．2方案總體架構(gòu)
方案主要利用區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)實現(xiàn)信息采集、處
理和命令分發(fā)，總體架構(gòu)見圖2。
圖2方案總體架構(gòu)
Fig．2 Overall structure
方案主要包括三個環(huán)節(jié)：改進的OPC模塊、切
機執(zhí)行站和控制站。各環(huán)節(jié)的具體作用和實現(xiàn)思路
具體如下。
(1)改進的OPC模塊。設(shè)計改動包括兩個方面：
一是增加兩個輸入節(jié)點(可采用硬接點1，即超速保
護動作信號和超速保護閉鎖信號；二是在控制邏輯
上增加對上述兩個輸入信號的處理。改進后的OPC
動作及返回邏輯詳見圖3。 ．
(2)切機執(zhí)行站。指安裝于電廠側(cè)的穩(wěn)控裝置。
主要負責(zé)采集電廠側(cè)的機組出力、送出線路和升壓
變潮流等信息，轉(zhuǎn)發(fā)給控制站供信息處理。裝置既
負責(zé)本地控制策略的判別，也負責(zé)接受控制站的控
制命令。為實現(xiàn)切除機組、閉鎖OPC和驅(qū)動OPC
等緊急控制措施，裝置需設(shè)置切機出口、相應(yīng)的
OPC閉鎖和動作信號。
(3)控制站。是指安裝于樞紐變電站的穩(wěn)控裝
置，是整個系統(tǒng)的“大腦” 。主要負責(zé)采集本站側(cè)
機矧組i 汽輦返 回囂定值 ≤Hf I 時f} I
與
囊誓l超速保護動作信號 ——+
圖3改進后的OPC動作及返回邏輯
Fig．3 Act and return logic of improved OPC
的線路和主變潮流等信息，也負責(zé)統(tǒng)一收集各執(zhí)行
站上送的信息。對于收集到的各類信息，根據(jù)預(yù)設(shè)
的控制策略，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，匹配相應(yīng)的控制
措施，向各執(zhí)行站下發(fā)相應(yīng)的控制命令。
4 方案處理
本方案體現(xiàn)了一個設(shè)計理念— — 系統(tǒng)故障(解
列)時各廠OPC統(tǒng)一協(xié)調(diào)，非系統(tǒng)故障時各廠OPC
自行決策。下面分別對幾種不同情況下的處理進行
描述。
4．1機組就地故障情況下的處理
機組發(fā)生出線或升壓變等就地故障導(dǎo)致機組脫
網(wǎng)時，該故障一般不由穩(wěn)控系統(tǒng)負責(zé)應(yīng)對，故穩(wěn)控
系統(tǒng)不會向機組發(fā)出“超速保護動作”或“超速保
護閉鎖”信號。從圖3邏輯框圖可知，機組僅以就
地信息進行OPC啟動和返回的邏輯判別，與原OPC
控制邏輯一致。此時，機組若滿足汽輪機機械功率
與發(fā)電機電磁功率差超過定值(動作條件1)或者發(fā)
電機開關(guān)跳閘(動作條件2)，則OPC可直接動作出
口。
4．2系統(tǒng)發(fā)生頻率穩(wěn)定問題時的處理
系統(tǒng)發(fā)生預(yù)想故障導(dǎo)致區(qū)域電網(wǎng)解列時，控制
站根據(jù)故障后系統(tǒng)的功率超額(過剩1，匹配相應(yīng)的
控制策略，計算應(yīng)切除的機組容量。由于功率超額
量與系統(tǒng)故障前的運行方式、潮流水平、機組出力
等息息相關(guān)，且往往無法找到一個機組組合能使得
切除量等于功率超額量，故控制措施宜以“切除量
最接近功率超額量”作為目標(biāo)。另一方面，為防止
火電機群OPC的“同關(guān)同開” ，控制站將其余不參
陳興華 基于安全自動裝置控制的火電機組改進超速保護 ．153．
與切除控制措施的機組列為不允許OPC動作的機
組。最后，向各執(zhí)行站發(fā)送相應(yīng)的“切機”或“超
速保護閉鎖”控制命令。
執(zhí)行站裝置在收到命令后立即發(fā)信至相應(yīng)的機
組控制單元，實施緊急措施控制。其中，對于不允
許OPC 動作的機組，執(zhí)行站裝置將向其持續(xù)發(fā)出
“超速保護閉鎖”信號。由圖3的邏輯框圖可知，
機組即使?jié)M足汽輪機轉(zhuǎn)速超過門檻值(動作條件3)，
超速保護仍將無法出口動作。
上述措施執(zhí)行完畢之后，待系統(tǒng)頻率恢復(fù)至預(yù)
設(shè)值，則控制站向相應(yīng)的執(zhí)行站發(fā)送“取消超速保
護閉鎖”的命令。執(zhí)行站收令后停止向機組發(fā)送
“超速保護閉鎖”信號，將OPC控制權(quán)交還給機組
DEH。若系統(tǒng)恢復(fù)頻率仍持續(xù)高于預(yù)設(shè)值，則控制
站可根據(jù)預(yù)想策略繼續(xù)補切機組，直至頻率滿足運
行要求。
值得注意，雖然遠方命令閉鎖OPC的短時刻機
組設(shè)備的安全屏障有所削弱，但由于機組本身仍有
高頻保護、1 10％危急保安保護等措施，且OPC屏
蔽時間較短，故設(shè)備的安全風(fēng)險仍完全在可控范圍
之內(nèi)。
4．3系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)穩(wěn)定問題時的處理
對于預(yù)想運行方式下可能導(dǎo)致暫態(tài)失穩(wěn)的故
障，控制站可實施控制策略向指定執(zhí)行站發(fā)送“超
速保護動作”控制命令，執(zhí)行站收令后持續(xù)向指定
機組發(fā)出“超速保護動作”信號。由圖3邏輯框圖
可知，機組OPC將立即動作出口，關(guān)閉汽輪機調(diào)門，
機組的機械功率將驟降。根據(jù)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分
析理論，系統(tǒng)的減速面積將明顯增加，對系統(tǒng)保持
穩(wěn)定可起到積極作用，OPC動作的機組越多，作用
將越明顯。
上述措施執(zhí)行完畢之后，待系統(tǒng)潮流平復(fù)、相
關(guān)指標(biāo)恢復(fù)正常，則控制站向相應(yīng)的執(zhí)行站發(fā)送
“超速保護動作返回”的命令。執(zhí)行站收令后停止
向機組發(fā)送“超速保護動作”信號，將OPC控制權(quán)
交還給機組DEH，機組也將重新開啟汽輪機調(diào)門，
恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。
值得注意的是，調(diào)門關(guān)閉的時間長，會引起主
汽壓力的升高，觸發(fā)熱工保護動作而跳機【J?。因此，
“超速保護動作”信號的持續(xù)時間應(yīng)據(jù)此加以考
慮。
5 應(yīng)用
目前，該項技術(shù)擬在廣東電網(wǎng)中試點應(yīng)用。可
以預(yù)計，推進實施過程中勢必遇到不少的困難和風(fēng)
險。
(1)說服電廠方，開展技術(shù)改造，實現(xiàn)廠網(wǎng)安全
雙贏。由于廣東電網(wǎng)公司已實現(xiàn)在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)
定分析軟件BPA中加入OPC仿真模型，故可針對
系統(tǒng)開展不同形態(tài)下的故障仿真分析，以仿真分析
結(jié)果作為工作開展的依據(jù)。
(2)協(xié)調(diào)汽輪機制造商，對OPC模塊進行軟硬
件改造。由于OPC模塊現(xiàn)已成為火電機組安全策略
中的必備模塊，因此改造的具體實施方案務(wù)必確保
其主體邏輯和硬件的可靠性和正確性。
(3)針對電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定控制結(jié)論，提
出穩(wěn)控系統(tǒng)策略改造方案，做好穩(wěn)控系統(tǒng)策略的適
應(yīng)性改造。同時，通過嚴(yán)格的調(diào)試，確保穩(wěn)控裝置
動作的靈活性、適應(yīng)性、可靠性和正確性。
6 總結(jié)
火電機組OPC“同關(guān)同開”一直是調(diào)度運行
的棘手難題。本文首次提出利用安全自動裝置組成
的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)實現(xiàn)對機群OPC的協(xié)調(diào)處理，
同時確保了OPC原有就地保護功能不受影響，可操
作性強，為解決孤網(wǎng)系統(tǒng)高頻問題另辟蹊徑。
參考文獻
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XU Yanhui，HE Renmu，KONG Xiangyma．The effect of
． 154． 電力系統(tǒng)保護與控制
《電力系統(tǒng)保護與控制》入選“2014中國國際影響力優(yōu)秀學(xué)術(shù)期刊”
2O14年12月16日，由中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社、清華大學(xué)圖書館、中國學(xué)術(shù)文獻國際評價
研究中心聯(lián)合主辦的“2014中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊暨中國學(xué)術(shù)期刊國際、國內(nèi)引證報告發(fā)布會”在
北京清華大學(xué)舉行。會議發(fā)布了 中國學(xué)術(shù)期刊國際引證年報(2014) 、 中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(2014)
以及一份全面評價我國學(xué)術(shù)期刊國際影響力的名單—— “2O14中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”和“2014
中國國際影響力優(yōu)秀期刊”。許昌開普電氣研究院主辦的 電力系統(tǒng)保護與控制 入選“2014中國國際影
響力優(yōu)秀學(xué)術(shù)期刊”。 電力系統(tǒng)保護與控制 將再接再厲，將我國優(yōu)秀電力科研論文推向國際，樹立我國
電力科研的良好國際形象，為我國電力科研及期刊走向國際貢獻力量。

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