基于PSCAD的失磁保护仿真.pdf

电 气自 动 化 2 0 1 2 年 第3 4 卷 第5 期 电力系统及 其 自动一 P o we r S y s te m Au to ma t i o n 基 于 P S C A D的失磁保 护仿真 陆桂华I 王宝华 1 仪征市供电公司 江苏扬州2 1 1 4 0 0 2 南京理工大学 自动化学院 江苏南京2 1 0 0 9 4 摘要 针对某电厂 1 0 0 0 MW的发电机组建立基于 P S C A D的仿真模型 分别仿真失磁和振荡故障 找到两者区别 根据电厂所采用 的保护装置建立三段式失磁保护仿真模块 并分别在失磁和振荡情况下仿真验证保护动作的正确性 仿真结果表明 所建立 的仿真模型能很真实地模拟该发电厂的失磁故障 失磁后电气量的波形特点与理论分析一致 建立的失磁保护模块能够可靠 地躲过振荡故障并正确动作于失磁故障 仿真结果为电厂的保护配置方案设计提供了可靠依据 关键词 失磁仿真 P S C A D 保护判据 发电机 中图分类号 T M 7 7 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 2 0 5 0 0 4 6 0 4 L o S S o f E x c i t a i t o n Pr o t e c t i o n Si mu l a t i o n B a s e d o n P SCAD Lu Gu i h ua W ANG Ba o h u a 1 Y i z h e n g C it y P o w e r S u p p ly C o m p a n y Y a n g z h o u J i a n g s u 2 1 1 4 0 0 C h in a 2 S c h o o l o fA u t o m a t i o n N a n j in g U n i v e r s it y o fS c i e n c e a n d T e c h n o lo g y N a n fi n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 4 C h in a Ab s t r a c t T h e e x c it a t io n lO S S s imu la t io n mo d e l wa s e s t a b lis h e d b Y t h e u s e o f P S CA D w h ic h is b a s e d o n a g e n e r a t o r w it h 1 0 0 0 MW o f a c e r t a in p o we r p la n t T h e d if f e r e n c e s b e t w e e n e x c it a t io n lo s s a n d o s c illa t io n w e r e s imu la t e d a n d c o mp a r e d T h e t h r e e s t a g e e x c it a t io n lo s s pr o t e c t io n mo d e l wa s e s t a blis h e d a c c o r d in g t o t h e p o we r pla n t p r o t e c t io n d e v ic e T he n s imu la t e a n d v e r if y t h e a c c u r a c y o f p r o t e c t io n a c t iv it y in t h e e x c it a t in lo s s o s c illa t io n The s imu la t io n r e s u lt s s h o w t h a t t h e s imu la t io n mo d e l c a n s imu la t e a c c u r a t e ly t h e e x c it a t io n lo s s o f t he p o we r p la n t Th e e le c t r ic a l q u a n t it ie s o b t a ine d b y P SCAD a r e c o n s is t e nt wit h t he t h e o r y Mo r e o v e r t h e p r o t e c t io n mo de l is a b le t o r e s p o n s e t o e x c it a t io n lo s s f a u lt a n d w ill n o t a c t b y mis t a k e o n o s c illa t io n Th e s imu la t io n r e s u lt s p r o v id e r e lia b le b a s is e s f o r t h e p r o t e c t io n d e s ig n o f p o we r p la n t Ke y wo r ds Lo s s o f e x c it a t io n s imula t io n P SCAD Pr o t e c t c o n f ig u r a t io n Ge ne r a t o r 0 引 言 发电机失磁故障的发生率高 危害大 会使系统无功缺额 电压下降以及过流 导致系统甩负荷 甚至崩溃 J 而且由于失 磁保护对于系统振荡等容易误动 因而现有的失磁保护判据较 多 保护配置方案复杂 给整定计算 运行维护带来诸多问题 因此对失磁故障机理进行深入研究 并构建一个合理的失磁保护 配置方案具有重大理论价值和实际指导意义 本文采用电磁暂 态仿真软件 P S C A D建立了一个实际发电厂的仿真系统模型 仿 真验证失磁和振荡故障的特点并建立三段式失磁保护模型 验证 保护动作的情况 给该电厂的失磁保护方案的配置提供一个可靠 的理论依据 1 发 电厂仿真模型的建立 发电厂的电气主接线如图1所示 共有两台 1 0 0 0 MW 的机 组和三条出线 对其中一台发电机进行失磁研究 并以最大运行 方式为例 仿真模型如图2 所示 发电机 变压器 无穷大系统等 元件的参数均与电厂的实际参数一致具体见附录 2 故障仿真结果 2 1 失磁故障 失磁仿真时间共 2 5 S 在仿真到5 S 时 将励磁电压和励磁电 流突然置零 即发电机发生完全失磁故障 仿真波形如图 3所 收稿 日期 2 0 1 1 1 2 2 7 46 E le c t r i c a I Au t oma t i on 图 1 发电厂 电气主接线 示 a 图中各波形依次为励磁电压电流 机端电压 机端电流 发电机有功功率 无功功率 功角 角速度 设无穷大系统母线电压为 则 P in 8 Q 一 1 A Ad Ad 式中 X d 墨为发电机外部总电抗 从图 3 a 中看出失磁开始时 励磁电压 突然减小 定子 端电压 U和定子电流 随之逐渐下降 因机械惯性 转差 S 和功 角6变化 E J E 0 U的减小和 6的很少改变必然使得发电机输 出有功功率 P和无功功率 Q的下降 在失去静稳前 u持续下 降 6持续上升 Q迅速减小并无功反向 s 缓慢增大 由于转差和 电力系统及其自 动化 皇 兰 竺 竺 兰竺 竺 P o wer S y s t e m Au t o ma t io n 二 u 蕊 i L 一 图 2 电厂 最大 运行 方式 下的仿真模型 一 系统反送无功功率 使得发电机产生滑差电动势 补偿了一部分 l羹 r 罨 一 舌 一一 一 一 萋 差 一一 一 一 一 一 一 L 一一 一 一 一 s 一 a 电气量变化波形 Ma in P o l a r 瞳 X C o o r d in a t e Y Co o r d in a t e Z F t Z 0璧 塑 璧 i Ap e r t u r e t V d h 2 50 t r O o c 0 s 2 5 O O O s P o s it io n O 0 0 0 b 机端测量阻抗轨 迹 图 3 失磁后各电气量波形 励磁电压的消失 而且随着功角 6不断增大 使输出的有功功率 P回升 定子电流也因 P增加 U降低而有所回升 因为原动机 的机械功率 P 不能突变 P的增加使得 P 一 P的差值减小 发电 机转子加速度减慢 滑差电动势 P和 又随之减小 即P和 将 出现波动 但只要 P 没有明显减小 P就不会有大的变动 即 P 将在原有功率水平上波动 平均功率基本不变 当超过静稳极限 后 即功角9 0 61 8 0 P为负值 同步转矩不再是制动 性质 它和原动机的机械转矩共同驱使发电机飞快加速旋转 很 快使 6 3 6 0 并开始新的旋转周期 发电机输出有功功率 无功功 率 定子电流 均呈现出不同程度的振荡 但定子机端 电压由于受 到系统电压的牵制而波动较平稳 J 机端电压和电流各以 U和 表示 则机端阻抗 z为 T l i2 Ti2 高 南 R 2 式 中 R 警 s P 2 Q z s P J O 因 此 只 要知道失磁过程 中 P Q的变 化 就 可 以得 到机端 阻抗 的变 化轨迹 o 图3 b 中机端测量阻抗的变化轨迹与理论一致 由于仿真从 开始时到稳定有一段过渡时间 尽管时间很短 但还是使得阻抗轨迹 在第一象限有一些轨迹的波动 但很快就会稳定在第一象限的某个 点 当失磁开始时 阻抗轨迹从第一象限沿着等有功圆进入第三 四 象限 因为此阶段中发电机输出有功功率基本保持不变 所以阻抗轨 迹就沿着等有功圆运动 之后 发电机转子转速大于同步转速 发电 机逐步达到静稳极限 接近静稳边界圆 功角不断增大 超越静稳极 限后 平均异步功率与原动机供给的机械功率相平衡 发电机进 入异步阶段 此时机端阻抗在 一 轴附近振动 Ele ct r i caI Au t o ma t i o n 47 电 气 自 动 化 2 0 1 2 年 第3 4 卷第5 期 电力系统及其自动化 P o we r S y s t e m Au t o ma t i o n 2 2 系统振荡故障 在主变高压侧设置短路故障作为扰动 改变故障持续时间的 长短使系统分别产生稳定振荡和失步振荡 仿真时间共为 5 S 故障开始时刻为2 s 当故障持续 0 1 s 后 切除故障则发生稳定振荡如图4所示 当故障持续 0 2 5 S 后切除 故障则发生失步振荡如图5所示 蒌 善 囊 一 一 一 l 一一 八 一 一 一 一 M 一 xc o 唧 d In 瞳 e YC o o d l r o t e 2 Z R Z 壁 0 c A p e r tu r e j 一 一 一 一 i j V Id I h 5 0 i 图 4 系统稳定振荡时各 电气量波形及阻抗轨迹 稳定振荡时 各电气量 的波 动均较小 功 角的摆 动没有 超过 静稳极限 因此系统保持稳定 机端测量阻抗仍然在第一象限沿 着直线来回移动 由于功角的波动范围较小 所以直线段的长度 较短 失步振荡时各电气量的波动均较大 功角超过稳定极限并在 一 叮 r 到 耵之间摆动 机端测量阻抗从第一象限进入第三四象限 并周期性地穿过异步圆 3 建 立失磁保护模块 发 电机失磁后的特点 是励磁 电压 降低 无 功反 向 机 端 电压 降低 以及机端测量阻抗轨迹特性 根据这些特点构成失磁保 护 以异 步边界 阻抗 圆作为 主判据 用逆无 功判据躲 过进 相运行 区 以转子低电压判据作为闭锁元件 以机端低电压判据来避免 系统电压崩溃威胁厂用电系统安全 如图6所示 保护装置设有 三段失磁保护功能 失磁保护 I 段可动作于减出力或跳闸 也可 4 8 E le c t r i c a I Au t o ma t i o n 藁 蠢 囊 一 哪 萎 i 一 1 l 1 鏊 冀 一一一 一 s M咖 Po l ar P l ot x Co d i n耐e Y cO or ai n 斑 e ZR ZX m R c c l e X c k c Ape r t ur e j wd I h 0 n n n n n nr b n nn n 图 5 系统失步振荡时各电气量波形及阻抗轨迹 动作于信号 段经母线低电压动作于跳闸 段经较长延时 动作于跳闸 各段保护 仿 真模块如 图 7所 示 I段 由 阻 抗 判据 逆无 功判 据 转子低 电压 匦匦童 发 信 图 6 失磁保护逻辑 判据构成 延时 t 0 5 s 动作于发信 段由阻抗判据 逆无 功判据 转子低电压判据 机端低电压判据构成 延时 0 5 s 动作于停机 段的保护判据与 I段相 同 只是将延时变为 1 s 并动作于停机 4 失磁保护仿真 对各保护判据进行整定计算 并将失磁保护投入运行 以 最大运行方式为例分别对失磁 短路 以及系统振荡进行保护 仿真 4 1 失磁故障时保护动作情况 安装失磁保护后的仿真模型在失磁故障时的各电气量的变 化如图8所示 5 S开始失磁 保护在检测到失磁故障后 延时 0 5 s 动作跳闸 有功和无功功率变为零 因为阻抗等于电压除 以电流 断路器跳闸后 电流降为零 电压不为零 因此保护动作 耀 一艟 嚣 嚣 电 气自 动 化 1 2 0 1 2 年 第3 4 卷第5 期 动控制系统与装 置 Au t o ma t ic Co n t r o l S y s t e ms E qu il 3 me n t s 故障报警解除指令 人机对话装置消除报警信号和提示信息 完成以上自动恢复操作后 储能装置恢复到正常工作状态 中央处理器 C P U重新对储能装置的运行状态进行监测 中央处 理器 C P U的具体工作流程如图4所示 3 结束语 1 论文提出的储能装置具有故障检测功能和 自动重组功 能 当中央处理器 C P U判断出具体某一储能元件发生故障后 立即执行自动重组操作 利用备用储能元件代替故障储能元件 进而在不影响储能装置整体性能的前提下 确保储能装置的正常 运行 有效提高了其运行的可靠性 2 在论文提出的储能装置中 采用了模块化的储能单元 结构 每一个储能单元内部都包含有一个储能元件 对外 留有两 根输出线 两根电压检测线 两根重组连接线 可以根据储能装置 容量的大小和电压等级灵活调节储能单元的数目 且易于安装 3 在论文提出的储能装置中 无论总的储能单元数 目有 多少 由于采用了特有的重组母线结构 只需两条重组母线和一 上 接 第 4 9页 1 个备用储能单元 就可以在任意一个储能单元的储能元件发生故 障时 实现可靠的自动重组 因此具有总体结构简单 自动重组过 程灵 活的特点 参考文献 1 张学庆 刘波 叶军 等 储能装置在 风光储联合发 电系统 中的应用 J 华东电力 2 0 1 0 3 9 1 2 1 8 9 4 1 8 9 6 2 夏翔 雷金勇 甘德 强 储能装置延缓配电网升级 的探讨 J 电力科 学与技术学报 2 0 0 9 2 4 3 3 3 3 9 3 聂晶鑫 郭育才 夏猛 超级 电容储能装 置在城 市轨道交通 中的应用 J 电气化铁道 2 0 1 1 2 2 2 4 8 5 0 2 7 4 邓旷笑 李啸骢 邹智慧 等 超级 电容器储能装置 及其对 改善发 电 机运行稳定性的研究 J 电气开关 2 0 0 9 4 7 5 2 2 2 4 2 7 5 赵静波 雷金勇 甘德强 电池储能装置在 抑制 电力系统低频振荡 中 的应用 J 电网技术 2 0 0 8 5 2 6 9 3 9 9 1 0 8 6 杨子龙 王环 彭燕昌 等 基于超级电容器储能的太阳能路灯系统 设计 J 可再生能源 2 0 0 9 2 7 2 5 9 6 1 作者简介 张强 1 9 7 5 一 男 吉林人 博士 副教授 电力电子技术在电 机及电力 系统 中的应用 5 无穷大系统参数 5 0 0 k V i 7 3 8 4 Q 1 7 5 3 n 参考文献 1 王维俭 电气 主设备继 电保 护原理 与应 用 M 北 京 中国电力 出版社 2 0 0 1 2 8 7 2 8 8 2 陈光 大 型发 电机失 磁故 障 仿真及其 保护 研究 D 北 京 华北 电力大学 2 0 0 8 3 林 莉 牟道槐 孙 才新 等 同步发 电机失磁保 护的改 进 方案 J 电力 系统 自动 化 附 录 1 发电机参数 S 1 1 1 0