（电力系统及其自动化专业论文）基于pmu的发电机失磁保护研究.pdf

华北i u 力人学硕i ：学位论文 摘要 大型发电机组安全运行对保证电网j 下常运行至关重要。随着发电机组励磁系统 功能的不断完善，它的结构也同趋复杂，增加了低励或失磁故障的发生率。低励或 失磁会破坏电力系统的稳定运行，并威胁发电机本身的安全。因此，加强失磁保护 的研究至关重要。针对现有发电机失磁保护中励磁电压不易获取和动作延时较长等 主要缺陷，提出了基于同步电动势巴和功角的发电机失磁保护加速判据。在加速 判扔：中使用同步电动势取代传统的励磁电压，无需获取励磁侧电气量，可有效区分 失磁、有励磁振荡、短路故障或其他异常运行方式，从而大大提高了发电机失磁保 护的速动性和选择性，解决了失磁保护长期以来不能同时满足速动性和选择性的困 扰。鉴于静稳极限阻抗圆的整定受系统运行方式变化的影响，提出了基于同步相量 量测量的系统等效阻抗辨识方法，可实现在线更新静稳极限圆的阈值，使保护具有 自适应性。最后通过p s c a d e m t d c 仿真验证了上述结论的正确性。 关键词：同步电动势，p m u ，加速判据，发电机失磁保护，电力系统 a b s t r a c t l o s so ff i e l dp r o t e c t i o ni so fg r e a ti m p o r t a n c ef o rt h es e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m s a n dl a r g e s c a l eg e n e r a t o r s h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a ll o s so ff i e l dp r o t e c t i o nu s u a l l yt a k e s f i e l dv o l t a g et om a k et h ep r o t e c t i o nc r i t e r i o n ，w h i c hi sh a r dt om e a s u r ea n dm i g h tc a u s e l o n gt i m ed e l a y i nt h i st h e s i s ，an e wa c c e l e r a t e d c r i t e r i o nb a s e do nt h es t a t o r e l e c t r o m o t i v ef o r c ea n dr o t o ra n g l ei sp r o p o s e d t h ep r o p o s e dc r i t e r i o nc a nd i s t i n g u i s h t h el o s so ff i e l df r o mt h eo s c i l l a t i o n ，s h o r tc i r c u i tf a u l ta n do t h e ra b n o r m a lc o n d i t i o n s i n a d d i t i o n ，t h es t e a d ys t a t i cl i m i tc i r c l ei sa f f e c t e db yt h es y s t e mo p e r a t i o nm o d e ，a n dt h u s t h es y s t e me q u i v a l e n ti m p e d a n c ec a nb eo n - l i n ei d e n t i f i e db a s e do np m um e a s u r e m e n t s t h e r e f o r e ，t h es t e a d ys t a t i cl i m i t c i r c l eh a sas e l f - a d a p t i v et h r e s h o l d t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e di d e a sc a ni m p r o v et h eo p e r a t i n gs p e e d ， s e l e c t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o t e c t i v er e l a y sg r e a t l y s u i ，j i a y i n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f b i ，t i a n s h u k e yw o r d s ：e m f , p m u ，a c c e l e r a t e dc r i t e r i o n ，l o s so ff i e l dp r o t e c t i o n ，p o w e rs y s t e m 华北i u j 人学彤ji ：学位论义 目录 中文摘要 英文摘要 目录i 第一章绪论l 1 1 课题研究背景与意义1 1 2 发电机失磁研究与应用现状2 1 2 1 励磁故障研究现状2 1 2 2 失磁保护研究与应用现状2 1 3 论文主要工作5 第二章发电机失磁的动态行为研究6 2 1 发电机失磁数学模型6 2 2 失磁后各电气量变化分析8 2 2 1 机端电压变化分析8 2 2 2 机端电流变化分析9 2 2 3 有功功率变化分析l o 2 2 4 无功功率变化分析ll 2 2 5 励磁电流变化分析1 2 2 2 6 机端轨迹变化分析1 3 2 3 等有功过程变化研究1 5 2 3 1 等有功过程产生与终止原因分析1 5 2 3 2 失磁故障类型对等有功过程的影响1 6 2 4 仿真结果分析17 2 4 1p s c a d 仿真软件简介1 7 2 4 2 失磁与其它异常工况的仿真对比1 7 2 4 3 低励故障的功率仿真结果2 0 2 4 4 双机并列的仿真结果2 1 2 5 小结2 3 第三章引入定子电动势的发电机失磁保护加速判据2 4 3 1 概j 盛2 4 3 2 火磁后定子电动势的变化特性2 4 3 2 1 反映励磁电流的定子电动势2 4 3 2 2 基于p m u 的定子电动势的获耿2 6 华北i u 力人学坝i j 学化论义 3 3 引入加速判据的失磁保护2 7 3 3 1 加速判据的构成2 7 3 3 2 带有加速判据的失磁保护配置方案2 8 3 3 3 带有加速判据的失磁保护的有效性分析2 9 3 3 4 仿真结果及分析3 l 3 4 小结3 2 第四章自适应系统运行方式的发电机失磁保护研究3 3 4 1 影响静态稳定极限的因素3 3 4 2 基于p m u 的自适应静稳极限圆整定方法3 5 4 3 仿真结果及分析3 8 4 4 小结41 第五章结论与展望4 2 5 1 结论4 2 5 2 展望4 2 参考文献4 4 致 谢4 7 附录4 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 9 华北电力人学硕：i ：学位论文 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 发展大型发电机组不仅是电力工业发展的必然趋势，也是我国国民经济发 展的客观需要。大型发电机组与中、小型发电机组相比，具有相对造价低、运 行效率高、建设速度快等优点。由于大型发电机组同时又具有短路比减小、电 抗增大、时间常数增大、惯性时间常数相对减小等特点，所以对于大型发电机 组继电保护的要求就越来越高。 大型同步发电机组的励磁系统是发电机和电力系统运行与控制的重要设 备，由于其励磁系统复杂，很多为多级励磁( 永磁机、交流副励磁机、交流兰 励磁机、可控硅整流) ，环节很多，发生故障的种类很多，例如灭磁丌关误跳闸 而转子线圈经灭磁电阻短接、转子线圈短路、转子线圈回路断线而丌路、硅整 流的故障以及自动励磁调节装置的故障等。根据统计资料和运行经验表明 1 1 1 2 l ， 励磁系统故障约占发电机总故障的6 0 以上，在发电机各类故障中居于首位。 而且，大容量机组失磁保护误动和拒动的情况时有发生：例如，襄樊电厂4 台 3 0 0 m w 汽轮发电机组采用w f b 1 0 0 微机保护，1 号机在试运行期间失磁保护就 误动2 次；珠海电厂( 2x7 0 0 m w ) ，励磁开关误跳闸，由于系统低电压判据没 有满足导致失磁保护没有动作，失磁运行7 7 s ，扩大了事故范围；江西九江电厂 3 号机发生部分失磁，事故中共切除约1 5 0 m w 的负荷，系统频率由5 0 1 l h z 下 降为4 9 0 4 h z ，低频减载切除2 0 条线路，调度拉闸3 条线路。此外，低励或失 磁后，机端电压降低，发电机从系统吸收大量的无功功率，各电气参数发生一 定程度的振荡，会破坏电力系统的稳定运行，并威胁发电机本身的安全。 失磁过程是一个比较复杂的过程，目前不仅失磁保护的主判据存在缺陷， 而且闭锁判据各异，出口方式也较多，迄今为止还没有一种完善的失磁保护配 置。因此，加强对发电机失磁保护的研究，更深入地研究发电机励磁故障特性， 从原理上改善失磁保护，尽快找到一种理想的失磁保护方案，使保护能够区别 于其他故障，进一步提高发电机失磁保护的正确动作率，降低误动和拒动率， 对保证机组本身和电力系统的安全具有十分重要的学术价值和良好的应j f ji j ，j 景。 华北l 乜力人学硕1 ：学位论文 1 2 发电机失磁研究与应用现状 1 2 1 励磁故障研究现状 励磁系统的故障可以分为两类： 励磁异常下降。其结果是降低发电机的静态稳定储备。如果励磁严重下降，发 电机静态稳定储备不足，可能导致发电机静态稳定性破坏，进入有励磁异步运行状态， 这时发电机的同步功率振荡，振荡幅值为该发电机励磁与系统电压所对应的极值同步功 率，对系统和发电机都造成严重的损害。 完全失磁。其结果必然导致发电机失步，进入稳定的无励磁异步运行状态。 对于同步发电机的低励失磁故障及陔故障下的继电保护研究，国外开展较f f ， 但是理论和实践并不成熟。文献【2 在单机无穷大母线模型的基础上对失磁后的行为 做了分析，尤其是发生暂态振荡、低频扰动时对失磁保护的影响。文献 3 】综合考虑 了发电机、调速器和励磁调节器的模型，仿真分析失磁行为，得出在励磁回路发生 短路、丌路和部分失磁时对发电机的影响是不同的。开路时对发电机的影响最大， 振动最强，短路时振动最小。文献【4 6 建立发电机相坐标模型，分析失磁行为，进 一步验证保护的性能。但这些研究都是在仿真的基础上得出的定性的分析，缺少在 不同失磁故障类型下的定量分析。 我国在上世纪六十年代发生一次重大失磁事故后才开始了对失磁故障的广泛 研究，并取得了一定成果。八十年代初国内有人利用电子计算机对水轮机失磁行为 进行了分析，但是在当时条件下很难用数字计算机来对系统的动态过程作全而的仿 真，所用数据大多都是实验结果或简化模型基础上的。随着计算机的应用，在失磁 仿真方面有了进展。文献【7 】建立了失磁后的发电机模型，得出了在发生励磁回路突 然短路的情况下，发电机的机端电压、电流、功率的表达式，定量分析了各电气量 的产生机理，但只限于一种励磁故障，结论具有一定的局限性。深入研究低励失磁 故障下的动态过程，寻找各种失磁方式的共有特征，以提出新的保护判掘，是本文 的出发点。 1 2 2 失磁保护研究与应用现状 1 2 2 1 失磁判据 失磁保护是针对发电机在运行当中由于某种原因失去外施励磁电流的一种保 护。主要包括主判据和辅助判据。 主判据 主要是由机端测量阻抗构成的静稳极限阻抗圆和异步阻抗圆等，用于区分失磁 与j 下常运行状况。机端阻抗判据性能稳定，作为低励、失磁保护的主判据。但静稳 华北l 乜力人学硕一i ：学位论文 极限阻抗圆的整定受系统运行方式的影响。在系统运行方式变化时，保护可能误拒 动。此外，在系统发生短路、有励磁振荡等异常工况时也会使机端阻抗轨迹进入到 静稳极限阻抗圆或异步阻抗圆，所以要采用辅助判据闭锁。 辅助判据 常用的辅助判据有：等励磁电压、变励磁电压、负序分量及一些操作闭锁等。 它们在非正常运行方式下的动作特性如表1 1 ，+ 表示能够可靠的防止误动作，一 表示不能防止误动作，表示不能可靠的防止误动作。 表1 1 各辅助判据性能对比 淤 负序电压变励磁电压延时电压回路断线闭锁操作闭锁过电压 运行状态 短路+ 短路伴随振荡 + + 一一 振荡 + _ 一 艮线充电+ + 。+ 一 自同期+ 电压同路断线+ 其中闭锁性能较好的是变励磁电压【8 】。但变励磁电压判据仍存在以下缺陷： 1 ) 无刷励磁无法获得励磁电压。 2 ) 励磁电压与有功功率的整定比较困难。 3 ) 不反应转子线圈断线故障，如滑环故障或接触不良。 4 ) 系统振荡及失磁后的异步运行中，励磁电压会有很大的波动。 5 ) 励磁电压是多变参数，从空载到强行励磁变化幅度大、数值高，不利于保护 装置的绝缘。 由此可见，没有一种判据可以有效可靠的区分各种异常工况，要保证装置的选 择性，必须同时运用两种以上的闭锁判据。鉴于现有保护判据的不足，文献【9 1 1 】 提出了利用无功功率作为判据的思想，即失磁后发电机会向系统吸取大量的无功， 使发电机的无功为负，这正是失磁后明显的特征量。虽物理意义简单，可是阈值的 整定不好确定，并且很难和j 下常的进相运行相区别【1 2 】【l3 1 。 文献 14 】采用理论分析与数值仿真汁算相结合的方法，找出了失磁保护在原理 上存在的缺陷，提出以直接测量功率角和转子暂念能量函数对发生励磁故障的i 刊步 发电机实施保护与控制的原理及方法，利用功角做判据，简单直观，再施以定的 控制策略，使失磁保护更加完善。但保护动作较慢，是牺牲了速动性提高了可靠性。 但功角理论为研究提供了思路，因为失磁保护涉及到机组失稳的过程，功角是能直 接反应稳定的物理量。如果引入功角的信息量，提出更直接反应失磁故障的物理量， 是解决失磁保护不能同时满足选择性和速动性的根本途径。 3 华北i u 力人学硕i j 学位论义 1 2 2 2 失磁保护的配置 现有的失磁保护配置有2 0 多种，虽然种类很多，但没有一种是比较完备的配 置方案。各种配置的区别有以下两点： 闭锁组合方式的不同 由于不论采用哪一种闭锁方式，都不能保证在任何情况下均可靠的防止保护装 置误动作，要保证装置的选择性，必须同时运用两种或两种以上的闭锁方式。玑有 的失磁保护都是采用不同的逻辑组合使各个判据优势互补，使保护的误拒动率达到 最低【1 5 25 1 。但无论如何优化组合，为了区分失磁和有励磁振荡，要同时利用变励磁 电压辅助判据和延时实现。由于励磁电压在发电机非j 下常状态下波动范围大，数值 高，难于获取，也不利于继电保护装置的绝缘；又由于我国电网结构同益紧密，振 荡周期变长，导致失磁保护延时较长，不能快速排除故障，不利于电力系统稳定运 行和发电机本身的安全。 出口方式的不同 失磁保护的目的不是要切机，而是经历失磁后要维持发电机与系统的稳定运 行，一般情况下，发生了失磁，保护应该提供一些控制措施，使发电机的转速平| i 转 差维持在允许的范围内，使其处于稳定的异步运行，进而切换励磁，使发电机甄新 拉入同步。而对于失磁比较严重，有可能对系统造成重大危害的情况下，比如系统 电压已下降，这时应立即切机，保证系统的正常运行。所以要根据实际系统的特点 和失磁的情况来决定保护的出口方式。 文献 2 6 2 9 1 在实际运行中积累了经验，指出发电机失磁异步运行必须符合电网 稳定的要求，必须研究电网无功功率的备用情况，采取怎样的出口方式必须针对不 同的机组特性。基本方法是：失磁后首先进行励磁切换和厂用切换。若失磁判掘满 足后同时低电压判据满足则经短延时停机；对可实现失磁后自动减负荷的机组，经发 电机允许异步运行的延时后依然不能消除失磁原因后停机。文献 3 2 】针对机组类型、 运行特点和系统要求提出了四种失磁保护方案，通过改变各个判据逻辑的关系和出 1 ：3 方式，使失磁保护在某种程度上得到完善。这些经验是可以借鉴的，但现有保护 普遍存在着动作有延时的问题，导致还来不及采取控制措施，故障就已经对系统造 成了危害，从而切机不可避免，甚至会使系统发生解列，所以若能够尽早发现故障 是全面提高保护性能的重要途径。 近年来，国内lo o m w 以上的大型发电机组多装设了同步相量测量单元( p m u ) ， 它能够在统一时间坐标下实现发电机功角的在线测量，提出更直接反应失磁故障的 物理量，并且能够获取反映发电机实际运行状况的特征量：引入远方信息量可以及 时反应系统运行状态的变化，为失磁保护的研究提供了新的思路。 4 华北哇三力人学硕i ：学位论义 1 3 论文主要工作 论文针对失磁保护动作延时长和静态稳定极限圆受系统运行方式的变化影响 等问题，提出了基于新的辅助判据的失磁保护配置方案和静稳极限圆的整定方法。 主要工作及成果如下： 一 ( 1 ) 着重研究了失磁后的动念行为特性，从理论上定量分析了复杂励磁故障 时的发电机机端电压、电流、有功功率、无功功率、机端轨迹的特点；在发电机失 去静态稳定之前，会经历一段等有功过程，提出利用等有功过程提取特征量判别是 否发生失磁，可以有效改善保护的速动性。 ( 2 ) 针对发生非失磁失步时机端轨迹也可能会进入静稳极限阻抗圆，从轨迹 上难于区分失磁和非失磁失步现象，提出了基于定子电动势和实测功角的辅助判 据，推导了在不同失磁故障类型下定子电动势的表达式，总结出失磁后定子电动势 总会降低，与失磁类型无关，给出了应用p m u 获取功角的方法，形成了较完善的 失磁保护配置方案，对其有效性进行了仿真验证。 ( 3 ) 考虑到静态稳定极限圆的整定与系统的运行方式有关，在复杂系统中可 借助p m u 量测信息来辨识系统联系阻抗，实现静稳极限圆的整定随着系统运行方 式的变化而变化。仿真结果验证了自适应失磁保护的有效性。 。 华北i l x - ) j 人学硕i ：学位论义 第二章发电机失磁的动态行为研究 掌握被保护元件在正常与故障状态下的行为特征，是正确设计保护系统的基 础。发电机失磁故障必然涉及发电机的动态过程，相对于电网中的故障，其模型与 过程分析较为复杂。因此通过建模与仿真对励磁故障的动态过程及其特征进行全 面、深入地了解，分析故障中各电气与机械量的变化规律，- a 能对现有失磁故障保 护做出评价，并提出更为合理的失磁故障保护方案。 2 1 发电机失磁数学模型 假定被研究的发电机为一理想发电机，系统等效图如图2 1 ( a ) ，规定以下条件： 毛却、) ，玑、) x赋d x qp i 号4 i ， 、 、q d 、f 。j 。一 图2 1 ( b ) 系统等效空间向量图 ( 1 ) 发电机经联接电抗x 。接到电压为以= l 的无穷大母线上，如图2 1 ( a ) 所 不 ( 2 ) 假定定子绕组及其所联接系统的电阻r = o 。 ( 3 ) 如图2 1 ( b ) ，系统等效发电机的轴线用破、纵表示，以同步速w o = 1 旋转， 发电机的转子的转速为w = 1 s ，功角6 ：6 d s t ，a 相轴线空间固定不动，与d 轴夹角 y = y d + n - s j t ，以空间旋转向量在吼轴上，由励磁电流妇产生的目在q 轴上，q 轴 领先q ，轴6 角( 即功角) ( 4 ) 忽略定子方面的暂态过程，即略去定子非周期性分量电流。 ( 5 ) 不考虑励磁调节器、调速器和阻尼绕组的影响 6 定子侧电压方程： 磁链方程： 系统联接方程 辅助方程 机端电气量方程 防篡如 屯：i 一( e g u , c o s 8 ) 勤 。 r 。2 磊1 u xs i n 万 “，：立u ，s i n 万 x g 材。2 x j 一v x x d d i u x c 。s 万 i 乞2 c o s y i qs i n y l “口2 “jc o s y 一”qs i n y p = 乙+ 【q 2 + ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 奶 i i = u 如 ，卜。【 m 鲫 一 一 峨蛾 盯 o s c u u = = 船即 ，、【 0白 t t 一 + 船即 = = d 叮 “ 甜 ，r1【 一兰! ! 堕型叁兰堡兰垡笙茎 一 转子运动方程 【面d 6 = ( w - 1 ) w 。 1 一d w ：丢( 驴p ) 【d t乃 。 ( 2 7 ) 若给定具体的失磁故障，即知道易的变化规律，由以上7 个方程解出发电机的 各电气量的解析解。 2 2 失磁后各电气量变化分析 2 2 1 机端电压变化分析 给定一组参数，如表2 1 ，假设励磁回路0 时刻突然短路，为了分析复杂故障 时发电机各电气量的变化规律，假设经灭磁电阻衰减使励磁电压由i 渐变为0 ，即 e f = e o e 胛：求解上述方程，得： 其中u ，= u ，s i n ( , 5 0 y o f ) u 口= u x + 扰f + u f + u y 6 + “ = 去c 矗p _ f ，7 一矗p 刮嘶柙刊 圹一警絮亭龇慨+ c 1 - 2 s ) t h 矾民- 7 0 - t ， “，：一三u ，s i n ( 8 0 一- t ) x q ( 2 8 ) 圹警紫南 s i n 8 0 + 2 o + ( 1 - 2 s ) t - a r c t a n 击 - s i n 8 0 - ? o - t - a r c t a n 】_ 8 华北电力人学硕。 ：学位论文 表2 1 发电机参数 x d 1 1 3 x q 1 1 3 x t 0 0 5 x d 0 2 7 t d 1 5 2 6 8 t d 0 5 6 3 x a f d 1 9 0 7 x a d 1 9 0 7 x f f d 2 1 4 i f d 0 1 e o 1 9 0 7 其中u l 是同步电压，是振荡衰减分量，也是电压减小的主要原因：妙是凸极分 置= ， 它是由于钛q 轴等效电抗不同产生的分量；砂6 是异步分量，由于失磁后转- 侧产：1 - 了 滑差电流交变定子侧而引起的交变分量。如图2 2 ，可知，在发生失磁的初始阶段，u l 是机端电压变化的主导因素，此时滑差很小，对应的滑差分量的6 数值很小，可以忽略 不计。 2 2 2 机端电流变化分析 其中f ，：一l c 。s ( 8 0 y 。一，) x q l 墨| 2 - 2 机端电压变化曲线 i o = i | + i f 七i y b + t l f ，：宰旦互 c 。s 喊+ y o + ( 1 - 2 s f ) 】+ c o s ( 8 0 一一，) 2 z c ，x q ( 2 9 ) 华北电力火学硕十学位论文 生 2 x d x d x d z x d x 丁一乃 口= a r c c o s j 乃 陌 s l 丽 c o s i s 0 + y o 一口+ ( 1 2 s ) t + c o s ( 8 0 一7 0 a 一，) ) e 圳扎) c o s y o + ( 1 5 ) f 】 电流的变化与电压类似，同样主要是由同步分量i l 、凸极分量弘异步分量如组成， 产生的机理与电压产生的机理相同。如图2 3 2 2 3 有功功率变化分析 其中p ：u x e o ( x d z 厶= 一譬 丁一乃 x d x d x d z x d z t i m e ( s ) 图2 3 机端电流变化曲线 p = p t + p y ，+ p 曲+ p f e - t t 一丢e - 7 j ) s i n ( 8 0 叫) r 一乃 7 1 0 ( 2 一1 0 ) 生堍 = e i 骡脚 禹 p j = u ! 一上 2 x d x d 勤勤 x d x q x d e x g s 死 s i n 2 ( 6 0 s t ) s i n ( 2 氏如r c t a n 亩1 ) 如图2 4 ，有功功率是由同步分量p ，、凸极分量毋组成、异步交变分量b 6 和异步 直流分量嘞组成，在发生失磁的初始阶段，功率变化不明显，持续了一段时间之后发 生了强烈的振荡。 2 2 4 无功功率变化分析 堡 2 丁一乃 x d x 口 x a e x q e 一，7 图2 4 有功功率变化曲线 q = q ，+ q ，+ q i ，+ q 0 + q 0 丁一兀 c o s 2 ( 8 0 s t ) e 叫7 乃) c o s ( 8 0 s t ) ( 2 1 1 ) 正嚣忙 堕扼 q 中其 华北i 【l 力人学硕i j 学位论文 驴一譬等 驴一譬蠹鲁 鳓2 一譬遗x d z x d z 而s t 翊d 。c o s ( 2 6 0 - - 2 s t - - a r c t a n 1 , ) 如图2 - 5 ，无功功率是由同步分量9 ，、凸极分量办异步交变分量9 6 和异步直流 分量鳓和一负向分量9 组成，在发生失磁的初始阶段，无功功率变化明显，下降速度 很快，在发生振荡之前就会降低至0 ，随后发生了强烈的振荡，但振荡的范围只是在小 于0 的数值范围内。 2 2 5 励磁电流变化分析 图2 - 5 无功功率变化曲线 铲一五u x x a f d 志c o s ( 氏- c t - s t ) + l i d ( 0 ) ( 矗p _ f ，7 一矗p 圳q 协 。 勤x l + 5 2 巧2 卜o ， 卜。， 如图2 - 6 ，励磁电流下降，是失磁故障很明显的特征，可以作为失磁故障的判据， 只是励磁故障类型繁多，故障后形成的故障回路不固定，励磁电流难于获得。所以现有 的保护多采用励磁电压作为辅助判据。 1 2 华北i 乜力人学硕f ：学位论文 2 2 6 机端轨迹变化分析 图2 - 6 励磁电流变化曲线 ( 1 ) 发电机短路暂态时间常数 分别取乃= 1 5 2 6 8 、t a = 2 6 1 1 5 ，仿真第o s 发生全失磁，0 4 s 的机端轨迹如图2 7 ( a ) ( b ) ，可以发现，仿真相同的时间，乃= 1 5 2 6 8 时，机端轨迹变化快，等有功过程 时间短，在2 5 s 时产生了振荡，进入静稳极限圆；而乃= 2 6 1 1 5 时，由于等有功过程一 直持续至4 s 之后，机端轨迹从第一象限缓慢划至第四象限，没有产生振荡。 t d _ 1 锄 、j 一 n f01 1 f f 、 图2 1 l 各功率分量变化曲线图2 1 2 隐极机同步功率变化曲线 华北电力人学硕j ：学位论文 2 3 2 失磁故障类型对等有功过程的影响 发电机参数不变，改变励磁故障类型，在发生励磁回路短路导致完全失磁、缓 慢降低励磁、低励的情况下，功率变化曲线如图2 1 3 、1 4 、1 5 ，可见，等有功过f 罕 的时间不仅与发电机的参数有关，还与失磁故障类型有关，在发生励磁回路短路时， 等有功过程时f h j 持续的时间满足： 仁t di n s s i 嘶n 6 n 一 ( 2 1 3 ) 取乃= 1 2 0 7 ，6 ，= 9 0 。，j o = 3 0 。，则t = 0 7 l s ，发生缓慢失磁和低励时，等有功过程 的持续时间都较长，利用这段时间，可以实现微机保护的采样。 图2 13 发生突然完全失磁功率特性图2 - 1 4 发生缓慢降低励磁功率特性 图2 - 1 5 发生低励功率特性图2 1 6 凸极机同步功率变化曲线 如图2 16 ，凸极机由于有凸极分量的作用，等有功过程缩短，并且等有功后振 荡剧烈，这就是水轮机在失去静稳极限之后就要实行切机而不切负荷的原因。 综上，发电机失磁后会经历较长时问的等有功过程后再失去静稳极限，传统的 保护是以失去静稳极限为动作条件，从失磁到动作时间较长，若利用等有功过程获 1 6 华北i u 力人学硕i ：学位论文 取电气量信息，可以实现保护快速动作。 2 4 仿真结果分析 2 4 1p s c a d 仿真软件简介 d e n n i sw o o d f o r d 博士于1 9 7 6 年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了e m t d c 的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，p s c a d 是其用户界面， p s c a d 的开发成功，使得用户能更方便地使用e m t d c 进行电力系统分析，使电力 系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模 拟任意大小的交直流系统。操作环境为：u n i xo s ，w i n d o w s 9 5 、9 8 、n t ：f o r t r a n 编辑器；浏览器和t c p i p 协议。 p s c a d e m t d c 在时间域描述和求解完整的电力系统及其控制的微分方程( 包 括电磁和机电两个系统) 。这一类的模拟工具不同于潮流和暂态视定的模拟工具。后 者是用稳态解去描述电路( 即电磁过程) 。但是在解电机的机械动态( 即转动惯量) 微分 方程。p s c a d e m t d c 的结果是作为时间的即时值被求解。但通过内置的转换器和 测量功i i ( 像是有效值表计，或者快速傅旱叶变换频谱分析等) 。这些结果能被转换 为矢量的幅值和相角。 实际系统的测量能够通过很多途径来完成。由于潮流和稳定的程序是通过稳定 方程来代表，它们只能基频段幅值和相位。因此p s c a d 的模拟结果能够产生电力 系统所有频率的相应，限制仅在于用户自己选择的时间步长。这种时间步长可以在 毫秒到秒之间变化。 由于失磁保护采用机端阻抗作为主判据，而在发生短路、失步和小扰动时机端 阻抗轨迹的变化多端，下面采用p s c a d 仿真单机一无穷大母线系统的失磁和其他 异常工况下、低励、双机并列有一台机失磁和非失磁失步( 由于短路而没有及时切 除故障引起) 状况下的各电气量变化特征。 2 4 2 失磁与其它异常工况的仿真对比 发电机发生失磁后，定子机端轨迹会由第一象限划到第四象限，在失去静稳极 限之后，在第四象限和第三象限之间振荡，如图2 17 ；在发生有励磁失步时，如发 生短路之后继电保护装置切除故障较晚导致的振荡，机端轨迹仍会落入第四象限， 并在三、四象限振荡，如图1 8 、1 9 、2 0 是失步故障、小扰动和短路故障的机端轨 迹图，可以看出，由于在发生失步、小扰动或短路时，机端轨迹均有可能划入第四 象限进入静稳极限阻抗圆，所以从机端轨迹上难于明显区分。尤其是发生有励磁失 步时，机端阻抗会不断的进、出静稳极限| 5 上【抗圆。 1 7 华北i 也力人学硕l 学位论义 o 5 0 0 0 0 _ 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 i 帅2 ：肘开嚏 x o x h 簟曰眙yo x 虮量曰眙 - 旦塑 - x_ ，0 一：一：j呶 旁o ，一 ：了7t 一i 扣 1 r ? 一” y ，i1 i，1 0 5 0 a p e r t u r e - o 0 0 0 s o o 5 01 5 02 5 0 2 q 0 0 0 s v 、d t h2 0 0 p o s n0 0 0 0 图2 1 7 失磁机端轨迹变化曲线 啪：) 吖只o c x q ：h d n a t ey 嘶d 胁 旦渔 15 0 1 0 0 一 q 5 0 0 0 0 - x q 5 0 一 + y 、，i 曼坝 10 0 一 1 5 0 ， ，j - y 1 5 0也5 0q 5 015 02 5 0 a p e r t u r e v 、曲2 0 0 i 毪i b o n 图2 1 9 小扰动机端轨迹变化曲线2 i u 口：r 瞰 x q n d 喝把y ( 枷m 把 一旦搀 3 o 一 一一 2 0 一 ，。 1 0 一 0 0 ：l ： - 1 0 一! 。一 2 0 一 一3 0 一 ；一， - 4 0 一 5 0 11 2 0 010 0 a d 日1 l r e q 慨 白 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 10 2 0 3 0 4 0 t 。j 坝 一一。-+“。“。“_。一 j 01 图2 一1 8 失步机端轨迹变化曲线 眦：x y 只d x g o 口d 腩yo x r ( 量r 目t e - 旦掏 + y - x! 矗哆i 、 + x 一、 jj jj ! 二 - i _ y ： 4 02 00 02 04 06 0 蝴鲍o r 墨i h o n 图2 2 0 短路机端轨迹变化曲线3 如图2 2 1 、2 2 、2 3 、2 4 ，发生有、无励磁失步时功率和功角特性是很有差别的， 发生有励磁失步，功率发生剧烈的振荡，功角也发生振荡；而无励磁失步时，功率 经过一段时间的等有功过程再发生振荡，功角先缓慢增加，失去静稳极限之后才发 生振荡。由此可见，两种不同的失步在失去静稳极限之后很难区分，而在故障发生 的初始阶段，两种失步从功率和功角上有一定的区分度。 1 8 华北l 【 力大学硕：i ：学位论文 m i n ：g 胃d h s 1 4 0 1 2 0 1 0 o 0 4 0 0 2 0 o 0 2 0 图2 2 l 失步有功功率变化曲线 k u n 2 ：g r a p h s - 旦丛 l i 广1 、一、1 ： - 幽 jl j ff 图2 2 2 失磁有功功率变化曲线 删 图2 - 2 3 失步功角变化曲线 1 9 i|1i，i 【、1llli111l li【lillll【lil11 j r ii0 ，j，：，ll，ilf 、ij0、1l1i-!lililliij1【，lll 111illl 0if!fjiii4_h_=i h=_ fii ( n d ) h ii，it_， hhl|ll 8iiiiii，iii i i-_i+i；i ijiiiiir 猫伽 伽 o 蜘 啪 伽 抛 ( n - d ) 华北电力火学硕1 ：学位论文 图2 2 4 失磁功角变化曲线 大型发电机组为区分这两种方式，采用较长的延时来躲过有励磁失步，导致失 磁保护动作延时，没有较充足的时间来进行有效的控制，而失磁后若系统经受彳i 起 振荡的影向，就会导致切机，甩掉大量的负荷，不利用系统的稳定和正常运行。 2 。4 3 低励故障的功率仿真结果 发生不完全失磁时，功率的变化如图2 2 5 、2 6 ，等有功过程时| 、日j 变长，失磁的深度 越低，等有功持续的a 寸l u j 越短。因此，等有功的持续时问与失磁深度柏关。 、愀l 羽黝l 惹瓣； 图2 - 2 5 剩余四分之一有功功率变化曲线 2 0 -、0l1l10i，1伯 瑚 伽 俩 o 如 伽 仰 瑚 。 华北i 乜力大学顺：i ：学位论文 啷黑勰 图2 - 2 6 剩余四分之三有功功率变化曲线 2 4 4 双机并列的仿真结果 当双机并列运行，有一台发电机失磁后，此发电机的功率、功角、机端轨迹变化如 图2 2 7 、2 8 、2 9 、3 0 。从图中可以看出，由于有另外一台并列机的补偿作用，失磁机的 有功功率、无功功率和机端轨迹在失去静稳极限之后变化复杂，但失磁机仍要经历等有 功过程，并且另一台机的补偿作用不会影响等有功过程的变化特性，仍然保证有功功率 和功角与有励磁失步的变化不同。 图2 - 2 7 双机并列有功功率变化曲线 2 l 5 ； 2 l l n n 也 之 h 华北电力大学顾：i ：学位论文 2 0 0 1 5 0 10 0 n 5 0 j0 a ： 0 5 0 1 1 5 0 2 了 一 _ q o u t y z h 2 1 ：q a p h s 、 j 。 o f 石丽彳f 1 石焉万r 刁0 i 四9 图2 2 8 双机并列无功功率变化曲线 ， y z h 2 1 ：g r a p h s ， 卜j o r 万焉广了f 1 石西_ 磊r 了藩习0 白 图2 - 2 9 双机并列功角变化曲线 1 o 0 0 1 0 2 0 3 o t 0 5 0 1 y z h 2 1 ：x y 瞰 xc o o r c 触yg o o r c r 附e nr a 塑 + y - x+ x 7 受! 1 ) 舀 一 - 一 1t - y ，r。r t 0 0q 1 c l d a p e r t u r e ! 上 q 0 bm 0 i s 2 a 0 0 v y d l h 俎0 图2 3 0 双机并列机端轨迹变化曲线 一 垂弓 伽 伽 o 舶 伽 伽 瑚 华北i u 力人学坝f ：学位论义 2 5 小结 按研究同步发电机励磁故障的需要，建立了发电机组的数学模型，对励磁故障 后发电机端的相关参数的变化进行了理论计算和仿真分析，得出以下结论： ( 1 ) 失磁后的各电气量与发电机的失磁故障类型密切相关，各电气量变化复 杂，但在失磁后发电机要经历的等有功过程中，各电气量的同步分量占主要的部分， 异步分量由于转差很小，可以忽略不计，直至失去静态稳定极限，各电气量才发生 振荡；等有功的时间也与失磁故障类型和失磁深度相关。 ( 2 ) 由于引起发电机失步的原因很多，仅从机端轨迹上很难区分出有励磁失 步和无励磁失步，但是失磁时发电机仍要经历等有功过程，而有励磁失步时没有这 样的过程；等有功过程中各电气量变化稳定，功率和功角变化有规律性可循。此外， 机端静稳极限阻抗圆受系统运行方式的影响不容忽视。 ( 3 ) 发电机的失磁保护判据多，逻辑构成复杂，不利于保护的可靠性。原因 在于各个判据都有一定程度的缺陷，造成不得不用复杂的逻辑关系来弥补。若想从 根本上解决失磁保护的误拒动问题，必须从判据下手，提出新的可靠判据来提高保 护的性能。 华北i u 力人学形 i j 学位论义 第三章引入定子电动势的发电机失磁保护加速判据 3 1 概述 各个判据的逻辑组合可以从某种程度上解决失磁保护误拒动的问题，但判据本 身存在着缺陷，增加逻辑的复杂性会不利于保护的可靠性；为了区分有、无励磁失 步，采用延时更是不利于保护的速动性，为了从根本上提高失磁保护的速动性和可 靠性，出现了一些新的加速判据。文献【3 0 提出基于发电机功率变化量的辅助加速 判据，但由于发电机功率与发电机参数