專利名稱：一種發(fā)電機超速保護的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真建模方法
一種發(fā)電機超速保護的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真建模方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)電機超速保護的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真建模方法。
背景技術(shù)：
發(fā)電機超速保護是在汽輪機速度過高的一種保護設(shè)備，為了保護設(shè)備的安全性， 快速關(guān)閉高壓和中壓調(diào)節(jié)汽門，減少汽輪機轉(zhuǎn)速。超速保護是一種常規(guī)的保護，是火電機組的必備保護之一。
長期以來，該保護沒有影響到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，因此一直沒有受到重視，在電力系統(tǒng)仿真分析中都沒有真正模擬發(fā)電機超速保護。在2008年我國出現(xiàn)了大范圍的冰災(zāi)， 部分地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)隔離，機組超速保護動作，與系統(tǒng)其它保護設(shè)置沒有合理協(xié)調(diào)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定問題，從此發(fā)電機超速保護開始受到重視。
關(guān)于發(fā)電機超速保護的文獻資料基本上都集中在保護的基本原理、現(xiàn)場測試等方面，反映了實際電網(wǎng)的超速保護的外部特性，但是沒有結(jié)合電力系統(tǒng)仿真分析進行研究，更沒有提出電力系統(tǒng)仿真分析模型。個別文獻介紹了超速保護在電力系統(tǒng)中的仿真模型，但實際上也僅是根據(jù)其原理和外特性進行了簡單模擬，并沒有結(jié)合電力系統(tǒng)仿真軟件和其它模型形成真正的模型。因此，總體上目前并沒有真正的超速保護電力系統(tǒng)仿真模型的技術(shù)方案。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對發(fā)電機超速保護，結(jié)合電力系統(tǒng)仿真分析，建立適用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真的發(fā)電機超速保護模型，實現(xiàn)超速保護的動作邏輯判斷、汽輪機高壓和中壓調(diào)節(jié)閥在汽輪機模型中的模擬、調(diào)速器模型的改進等，組成完整的發(fā)電機超速保護模型，以達到在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真軟件中實現(xiàn)超速保護模擬的目的。
依據(jù)本發(fā)明的一種發(fā)電機超速保護的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真建模方法，包括超速保護控制邏輯、改進的調(diào)速器模型、以及改進的汽輪機模型，具體包括
1)實際系統(tǒng)超速保護典型控制邏輯
(I)OPC 控制方式一
關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門的條件是
轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103%，以及在30%負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘；
滿足上述任一條件，發(fā)電機超速保護0PC(overspeed protection controller)動作，通過OPC電磁閥，強行迅速關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門；
OPC的恢復(fù)條件延時一定時間，且轉(zhuǎn)速低于3090r/min，電磁閥復(fù)位，轉(zhuǎn)速交由調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制采用；
(2) OPC 控制方式二
發(fā)電機超速保護OPC觸發(fā)信號為兩路信號的綜合一路為頻率偏差信號，為實際轉(zhuǎn)速和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速3000r/min的差值，將其輸入一個函數(shù)發(fā)生器，在0 7%之間，即0 210r/min，產(chǎn)生一個0 1的數(shù)numl ；
另一路為機械負荷和電氣負荷的不平衡量，具體計算方法為根據(jù)發(fā)電機電流計算發(fā)電機電磁功率相對于額定功率的百分比，根據(jù)中壓調(diào)節(jié)閥出口蒸汽壓力信號計算機械功率相對于額定功率的百分比，上述兩個功率百分比之差定義為DMW，并將DMW輸入一個函數(shù)發(fā)生器，該函數(shù)發(fā)生器為
在EMW < 30%時，輸出為 0 ；
在30%< MW < 60%時，輸出為0 1之間的數(shù)；
在DMW > 60%時，輸出為 1 ；
兩路信號相加得到數(shù)值NUM，當(dāng)NUM > 1時，OPC動作，直到OPC動作信號復(fù)位；
(3) OPC控制方式三
當(dāng)汽輪機的轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速的102%，即3060r/min，且測算出的升速率也超過57. 5r/min,觸發(fā)超速保護ACC動作，使超速保護電磁閥帶電，快速關(guān)閉兩只中壓調(diào)門，設(shè)置為固定中壓缸啟動方式，直至轉(zhuǎn)速降回到3015r/min以下，才使ACC復(fù)位，中壓調(diào)節(jié)汽門恢復(fù)至調(diào)節(jié)位，調(diào)門位置回復(fù)到調(diào)速器目標(biāo)負荷，即維持汽機3000r/min運行的空負荷閥位；
機-電功率失衡保護PLU(Power Load Unbalance)的動作邏輯是，任何時刻如果檢測并計算出在IOms內(nèi)發(fā)電機定子電流與代表汽機負荷的中壓聯(lián)合汽門CRV(Contorl ReheatValve)出口壓力出現(xiàn)40 %及以上的偏差，則PLU觸發(fā)，使高壓調(diào)門CV(Control Valve)和中壓調(diào)門ICVGntermediary Control Valve)快關(guān)電磁閥帶電，快速關(guān)閉CV和 ICV并保持關(guān)位k之后，調(diào)門恢復(fù)至維持3000r/min的調(diào)節(jié)位；
ACC或PLU觸發(fā)后，調(diào)速回路迅速將動作前的負荷設(shè)定值切為空負荷3000r/min， 同時將調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線中的轉(zhuǎn)速不等率S由正常運行的4%切至16%，以加強對暫態(tài)過程的調(diào)節(jié)力度，使汽機轉(zhuǎn)速盡快調(diào)回并穩(wěn)定在3000r/min，重新并網(wǎng)運行；
(4) OPC控制方式四
轉(zhuǎn)速連續(xù)超過超速保護103 %限制達12ms后，超速保護觸發(fā)，直至轉(zhuǎn)速降低至 3080r/min以下；此外，發(fā)電機油開關(guān)跳閘而中壓缸排汽壓力大于滿負荷的22%，超速保護觸發(fā)，延時1-10秒，且轉(zhuǎn)速降低到103%以下復(fù)位，交由調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，機組的設(shè)定值改為轉(zhuǎn)速3000r/min空轉(zhuǎn)；
中壓缸排汽壓力占額定排汽壓力的百分比與發(fā)電機負荷與額定負荷的百分比之差達30%，功率不平衡觸發(fā)，快速關(guān)閉中壓調(diào)節(jié)汽門，延時1-10秒恢復(fù)；
2)發(fā)電機超速保護模型模擬的控制邏輯
發(fā)電機超速保護模型中OPC動作的主要邏輯綜合考慮了實際系統(tǒng)中主要的控制邏輯，包括
(1)控制邏輯一
>轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103% ；
>在30%負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘；
(2)控制邏輯二
定義NUMl和NUM2分別為轉(zhuǎn)速偏差控制環(huán)節(jié)和功率不平衡控制環(huán)節(jié)輸出信號，
> NUMl = 0，轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速；
>NUM1 = 0 1，轉(zhuǎn)速在 100%禾Π 107%之間；
>NUM1 = 1，轉(zhuǎn)速達到 107% ；
> NUM2 = 0，功率不平衡量小于30% ；
>NUM2 = 0 1，功率不平衡量在30%和60%之間；
> NUM2 = 1，功率不平衡量大于60 % ；
NUM1+NUM2 大于等于 1，OPC 動作；
(3)控制邏輯三
>轉(zhuǎn)速超過102 %，并且轉(zhuǎn)速變化率超過57. 5r/min ；
>功率不平衡超過40%;
(4)控制邏輯四
>轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103% ；
>在22%負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘；
>功率不平衡度超過30% ；
綜合上述控制方式，模型OPC保護考慮的控制方式如下
>同時考慮轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率，當(dāng)不填寫轉(zhuǎn)速變化率時，僅轉(zhuǎn)速有效；
>考慮負荷不平衡功能，采用原動機模型中壓缸入口功率和電磁功率計算；
>不考慮負荷超過一定比例并且發(fā)電機油開關(guān)跳閘；
此外還考慮以下因素
>0PC動作后，同時關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)門和中壓調(diào)節(jié)門，或不關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)門；
> OPC動作后恢復(fù)，考慮兩個條件，第一個是延遲時間，第二個是達到的轉(zhuǎn)速值；
> OPC動作過程中，考慮控制系統(tǒng)將調(diào)速器模型中的功率給定設(shè)置為0的功能。
其中，還包括考慮發(fā)電機超速保護的汽輪機模型的改進
汽輪機典型結(jié)構(gòu)包括高壓(HP)、中壓(IP)、低壓(LP)三個部分，在再熱型汽輪機中，離開HP級的蒸汽通過再熱進入到IP級和LP級；在高壓HP和中壓IP入口有截止閥和調(diào)節(jié)閥，在系統(tǒng)研究中，截止閥一般不用模擬，因為實際系統(tǒng)中正常狀態(tài)保持全開；在正常運行過程中，只通過控制高壓調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)機械功率的控制，中壓調(diào)節(jié)閥保持全開狀態(tài)，因此中壓調(diào)節(jié)閥也不模擬；
在模擬發(fā)電機超速保護過程中，除了高壓調(diào)節(jié)門動作外，中壓調(diào)節(jié)門會隨著控制迅速關(guān)閉或者開啟，需要在模型中考慮中壓調(diào)節(jié)門的影響。因此在模型中中壓缸的模型不能再采用一節(jié)慣性環(huán)節(jié)來表示，在考慮容積效應(yīng)的積分環(huán)節(jié)后增加了中壓調(diào)節(jié)閥開度信號，用于模擬重要調(diào)節(jié)閥動作后的功率變化。
其中，還包括考慮發(fā)電機超速保護的調(diào)速器模型的改進
汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)功能包括正常的速度-負荷控制、過速控制和過速跳閘；正常的速度-負荷控制是調(diào)速系統(tǒng)的基本要求，在汽輪機中，通過控制高壓調(diào)門位置控制允許進入汽輪機的蒸汽量來實現(xiàn)，使機組正常情況滿意運行，適當(dāng)分擔(dān)負荷，過速控制是汽輪機所特有的，對汽輪機的安全運行至關(guān)重要，再熱型汽輪機有兩個分開的閥系統(tǒng)，用來迅速控制供給汽輪機的蒸汽能量，一個系統(tǒng)由高壓調(diào)門組成，另外一個由中壓調(diào)門組成；過速控制包括高壓調(diào)門和中壓調(diào)門的快速控制
調(diào)速系統(tǒng)包括調(diào)速器、速度繼電器和液壓伺服器傳動機構(gòu)；
調(diào)速器輸出由與速度/負荷參考值產(chǎn)生的誤差信號控制高壓調(diào)門和中壓調(diào)門；正常情況下，只有高壓調(diào)門響應(yīng)，用偏差信號使中壓調(diào)門保持全開狀態(tài)；當(dāng)誤差信號比較大時，中壓調(diào)門迅速關(guān)閉；當(dāng)偏差信號小于一定值時，中壓調(diào)門再次全開；
在考慮OPC控制后，調(diào)速器模型需要進行改進，以反映調(diào)速器中的中壓調(diào)門控制部分以及附加信號控制部分；
不考慮發(fā)電機超速保護時，正常情況下不考慮中壓調(diào)節(jié)門的動作，因此模型中僅包含高壓伺服系統(tǒng)的模擬部分，輸出信號為高壓調(diào)節(jié)汽門開度，考慮發(fā)電機超速保護后，需要同時考慮中壓調(diào)節(jié)閥的控制部分，其中增加了中壓調(diào)節(jié)閥的伺服系統(tǒng)模擬部分，輸入信號中除了正常的轉(zhuǎn)速偏差信號之外，增加了轉(zhuǎn)速偏差偏置，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差超過設(shè)定值后， 中壓調(diào)節(jié)閥才會動作；
中壓調(diào)節(jié)閥的控制也可采用簡化的形式，根據(jù)發(fā)電機超速保護的動作信號，經(jīng)過一定的延遲，直接修改原動機模型中的中壓調(diào)門開度。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明首次提出了完整的一套發(fā)電機超速保護模型，彌補了常規(guī)電力系統(tǒng)仿真分析中不能模擬發(fā)電機超速保護的。提出的完整技術(shù)方案有效促進了對發(fā)電機超速保護動作邏輯和內(nèi)部動作過程的認識，在實際系統(tǒng)中有效分析發(fā)電機超速保護的動作過程以及可能對系統(tǒng)的影響提供了重要的技術(shù)支撐。該模型在全國廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)仿真軟件 PSD-BPA中實現(xiàn)，為電力系統(tǒng)仿真分析中考慮超速保護模型提供了有效的技術(shù)手段。發(fā)電機超速保護動作后，對電網(wǎng)安全可能產(chǎn)生重要的影響，特別是因為自然災(zāi)害等特殊原因?qū)е碌墓铝㈦娋W(wǎng)，本發(fā)明提供了有效的預(yù)防分析手段，為提高孤立電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供了重要的技術(shù)手段和支撐，具有重要的意義。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
圖1是汽輪機典型結(jié)構(gòu)圖。
圖2是正常狀態(tài)下的典型汽輪機模型圖。
圖3是考慮中壓調(diào)節(jié)門后的汽輪機模型圖。
圖4是汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一般形式的功能方框圖。
圖5是典型的調(diào)速器模型圖。
圖6是修改后的模型圖。
具體實施方式
本發(fā)明的完整技術(shù)方案根據(jù)實際系統(tǒng)中超速保護典型的控制邏輯，與電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真程序中傳統(tǒng)的發(fā)電機調(diào)速器和原動機模型相結(jié)合，包括超速保護控制邏輯、改進的調(diào)速器模型、改進的汽輪機模型等部分。下面對依據(jù)本發(fā)明的方法進行參照實例的進一步地描述。
2. 2. 1實際系統(tǒng)超速保護典型控制邏輯
(1) 一般的動作方式
基本設(shè)計思想是
>轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103% ；
>在30%負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘。
滿足上述任一條件，OPC動作，通過OPC電磁閥，強行迅速關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門。
OPC的恢復(fù)條件延時一定時間，且轉(zhuǎn)速低于3090r/min，電磁閥復(fù)位，轉(zhuǎn)速交由調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制采用。
(2)三菱設(shè)計的OPC控制方式
OPC觸發(fā)信號為兩路信號的綜合
一路為頻率偏差信號，為實際轉(zhuǎn)速和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速3000r/min的差值，將其輸入一個函數(shù)發(fā)生器，在0 7%之間(即0 210r/min)產(chǎn)生一個0 1的數(shù)numl ；
另一路為機械負荷和電氣負荷的不平衡量，具體計算方法為根據(jù)發(fā)電機電流計算發(fā)電機電磁功率相對于額定功率的百分比，根據(jù)中壓調(diào)節(jié)閥CV出口蒸汽壓力信號計算機械功率相對于額定功率的百分比，兩者相減DMW輸入一個函數(shù)發(fā)生器，該函數(shù)發(fā)生器為
>在1)麗< 30%時，輸出為0 ；
>在30%< MW < 60%時，輸出為0 1之間的數(shù)；
>在0麗> 60%時，輸出為1。
兩路信號相加得到數(shù)值NUM，當(dāng)NUM > 1時，OPC動作，直到OPC動作信號復(fù)位。
(3)日立設(shè)計的OPC控制方式
日立機組D-EHG/HITASS型電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)對動態(tài)過程的處理主要依靠102 % 超加速保護(ACC, Acceleration Control)和機-電功率失衡保護(PLU，Power Load Unbalance)兩個功能來完成。
當(dāng)汽輪機的轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速的102%，即3060r/min，且測算出的升速率也超過57. 5r/min，觸發(fā)ACC動作，使超速保護電磁閥帶電，快速關(guān)閉兩只中壓調(diào)門(設(shè)計為固定中壓缸啟動方式)，直至轉(zhuǎn)速降回到3015r/min以下，才使ACC復(fù)位，中壓調(diào)節(jié)汽門恢復(fù)至調(diào)節(jié)位，調(diào)門位置回復(fù)到調(diào)速器目標(biāo)負荷，即維持汽機3000r/min運行的空負荷閥位。
PLU的動作邏輯是，任何時刻如果檢測并計算出在IOms內(nèi)發(fā)電機定子電流與代表汽機負荷的中壓聯(lián)合汽門CRV(Contorl Reheat Valve)出口壓力出現(xiàn)40%及以上的偏差， 則PLU觸發(fā)，使高壓調(diào)門(CV)和中壓調(diào)門(ICV)快關(guān)電磁閥帶電，快速關(guān)閉CV和ICV并保持關(guān)位5s(根據(jù)實際效果可調(diào))之后，同ACC，調(diào)門恢復(fù)至維持3000r/min的調(diào)節(jié)位。
ACC或PLU觸發(fā)后，調(diào)速回路迅速將動作前的負荷設(shè)定值切為空負荷3000r/min， 同時將調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線中的轉(zhuǎn)速不等率S由正常運行的4%切至16%，以加強對暫態(tài)過程的調(diào)節(jié)力度，使汽機轉(zhuǎn)速盡快調(diào)回并穩(wěn)定在3000r/min，重新并網(wǎng)運行。
(4)ABB公司ETSII數(shù)字電液型調(diào)節(jié)系統(tǒng)
轉(zhuǎn)速連續(xù)超過超速保護0SP103%限制達3個取樣時段，共12ms，OPS觸發(fā)，直至轉(zhuǎn)速降低至3080r/min以下；此外，發(fā)電機油開關(guān)跳閘而中壓缸排汽壓力大于滿負荷的22%， OPS觸發(fā)，延時一定的時間(在I-IOs間可調(diào))，且轉(zhuǎn)速降低到103%以下復(fù)位，交由調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，機組的設(shè)定值改為轉(zhuǎn)速3000r/min空轉(zhuǎn)。
中壓缸排汽壓力占額定排汽壓力的百分比與發(fā)電機負荷與額定負荷的百分比之差達30%，功率不平衡PLl (Power Loadl)觸發(fā)，快速關(guān)閉中壓調(diào)節(jié)汽門，延時一定時間(在I-IOs間可調(diào))恢復(fù)。2. 2. 2發(fā)電機超速保護模型模擬的控制邏輯發(fā)電機超速保護模型中OPC動作的主要邏輯綜合考慮了實際系統(tǒng)中主要的控制邏輯，包括(1) 一般控制邏輯>轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103% ；>在30%負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘。(2)三菱公司設(shè)計的控制邏輯>NUM1 = 0，轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速；>NUM1 = 0 1，轉(zhuǎn)速在 100%和 107%之間；>NUM1 = 1，轉(zhuǎn)速達到 107% ；> NUM2 = 0，功率不平衡量小于30% ；>NUM2 = 0 1，功率不平衡量在30%和60%之間；>NUM2 = 1，功率不平衡量大于60%。NUM1+NUM2 大于等于 1，OPC 動作。(3)日立的OPC控制方式>轉(zhuǎn)速超過102 %，并且轉(zhuǎn)速變化率超過57. 5r/min ；>功率不平衡超過40%;(4) ABB 的 OPC>轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103 % ；>在22%負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘；>功率不平衡度超過30%。綜合上述控制方式，模型OPC保護，主要考慮的控制方式如下>同時考慮轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率，當(dāng)不填寫轉(zhuǎn)速變化率時，僅轉(zhuǎn)速有效；>考慮負荷不平衡功能，采用原動機模型中壓缸入口功率和電磁功率計算；>不考慮負荷超過一定比例并且發(fā)電機油開關(guān)跳閘；三菱設(shè)計的OPC控制方式單獨考慮。此外還考慮其它因素> OPC動作后，一般同時關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)門和中壓調(diào)節(jié)門，可能存在不關(guān)閉高壓調(diào)門的情況，程序考慮不關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)門。> OPC動作后恢復(fù)，考慮了兩個條件，第一個是延遲時間，第二個是達到的轉(zhuǎn)速值。>根據(jù)日立設(shè)計的OPC動作過程中，模型中考慮調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速不等率的功能；>在OPC動作過程中，考慮控制系統(tǒng)可能將調(diào)速器模型中的功率給定設(shè)置為0的功能。2. 2. 3考慮發(fā)電機超速保護的汽輪機模型的改進汽輪機典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括高壓(HP)、中壓(IP)、低壓(LP)三個部分，在再熱型汽輪機中，離開HP級的蒸汽通過再熱進入到IP和LP。在高壓和中壓入口有截止閥和調(diào)節(jié)閥，在系統(tǒng)研究中，截止閥一般不用模擬，因為實際系統(tǒng)中正常狀態(tài)保持全開。在正常運行過程中，只通過控制高壓調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)機械功率的控制，中壓調(diào)節(jié)閥保持全開狀態(tài)，因此中壓調(diào)節(jié)閥也不模擬。正常狀態(tài)下的典型汽輪機模型如圖2所示。在模擬發(fā)電機超速保護過程中，除了高壓調(diào)節(jié)門動作外，中壓調(diào)節(jié)門會隨著控制迅速關(guān)閉或者開啟，因此需要在模型中考慮中壓調(diào)節(jié)門的影響。考慮中壓調(diào)節(jié)門后的汽輪機模型如圖3所示。圖中的信號PIV為中壓調(diào)節(jié)門信號，模擬了中壓調(diào)節(jié)門的開度。當(dāng)中壓調(diào)節(jié)門根據(jù)信號發(fā)生變化后，中壓缸和低壓缸的功率會隨著發(fā)生變化。2. 2. 4考慮發(fā)電機超速保護的調(diào)速器模型的改進汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)功能主要包括正常的速度-負荷控制、過速控制和過速跳閘， 此外還包括大量的其它功能。正常的速度-負荷控制是調(diào)速系統(tǒng)的基本要求，在汽輪機中， 通過控制高壓調(diào)門(CV)位置控制允許進入汽輪機的蒸汽量來實現(xiàn)，使機組正常情況滿意運行，適當(dāng)分擔(dān)負荷。過速控制是汽輪機所特有的，對汽輪機的安全運行至關(guān)重要，再熱型汽輪機有兩個分開的閥系統(tǒng)，用來迅速控制供給汽輪機的蒸汽能量，一個系統(tǒng)由高壓調(diào)門組成，另外一個由中壓調(diào)門(IV)組成。過速控制包括CV和IV的快速控制。圖4為汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一般形式的功能方框圖。調(diào)速系統(tǒng)包括調(diào)速器、速度繼電器和液壓伺服器傳動機構(gòu)。調(diào)速器輸出由與速度/負荷參考值產(chǎn)生的誤差信號控制CV和IV。正常情況下，只有CV響應(yīng)，用偏差信號使IV保持全開狀態(tài)。當(dāng)誤差信號比較大時，IV迅速關(guān)閉。當(dāng)偏差信號小于一定值時，IV再次全開。正常情況下，不考慮IV的調(diào)節(jié)部分，通常的汽輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型僅包括CV的控制部分。但是在考慮OPC控制后，調(diào)速器模型需要進行改進，以反映調(diào)速器中的IV控制部分以及附加信號控制部分。不考慮發(fā)電機超速保護時，正常情況下不考慮中壓調(diào)節(jié)門的動作，此時典型的調(diào)速器模型如圖5所示。該模型中僅包含高壓調(diào)節(jié)閥的控制部分，考慮發(fā)電機超速保護后，需要同時考慮中壓調(diào)節(jié)閥的控制部分，修改后的模型如圖6所示。中壓調(diào)節(jié)閥的控制也可采用簡化的形式，不采用上面詳細的控制，而是根據(jù)發(fā)電機超速保護的動作信號，經(jīng)過一定的延遲，直接修改原動機模型中的中壓調(diào)門開度。實施例依據(jù)本發(fā)明的方法在全國電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的電力系統(tǒng)分析軟件PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序中實現(xiàn)，其中采用RO卡和RO+卡模擬。RO卡格式1-2 A2 R0，數(shù)據(jù)卡標(biāo)識4-11 A8 NAME，發(fā)電機名稱12-15 F4. 0 BASE，發(fā)電機額定電壓16AlID，發(fā)電機識別碼18IlICON，控制邏輯選擇代碼，可以選擇0或者1當(dāng) ICON = O 時，19-23 F5.0 WSET，轉(zhuǎn)速保護設(shè)定值(pu，額定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，一般應(yīng)該填寫)
24-28 F5. 0 DWDT_SET，轉(zhuǎn)速增長速率設(shè)定值(pu/s，額定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，不填寫不考慮此限值)29-33 F5. 0 PLU_SET，功率不平衡百分比設(shè)定值(％，不檢測開關(guān)跳開，不填寫不考慮此限值)當(dāng) ICON=I 時，19-23 F5.0 WSET2，轉(zhuǎn)速保護設(shè)定值(pu，額定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn))29-33 F5. 0 DMW1，功率不平衡百分比設(shè)定值1 )34-38 F5. 0 DMW2，功率不平衡百分比設(shè)定值2 )39Il CV_CL0SE,高壓調(diào)門關(guān)閉的標(biāo)志，=0關(guān)閉，=1不關(guān)閉50-54 F5.0 TIME_LIMIT，OPC 動作的持續(xù)時間(s)55-59 F5.0 W_LIMIT，OPC動作后的轉(zhuǎn)速限制(pu，額定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn))70-74 F5.0 R_NEW，OPC動作期間調(diào)速器轉(zhuǎn)差率新的設(shè)定值75Il IPSET，OPC動作期間功率參考值置零標(biāo)志，非零，置零RO+卡格式如下1-3 A3 R0+，數(shù)據(jù)卡標(biāo)識4-11 A8 NAME，發(fā)電機名稱12-15 F4. 0 BASE，發(fā)電機額定電壓16AlID，發(fā)電機識別碼18-22 F5.0 CV_DT，高壓調(diào)節(jié)門時滯(周波)23-27 F5. 0 CV_CL0SE，高壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉速度(pu/周波，額定功率為基準(zhǔn))28-32 F5.0 IV_DT，中壓調(diào)節(jié)門時滯(周波)33-37 F5.0 IV_CL0SE，中壓調(diào)節(jié)門關(guān)閉速度(pu/周波，額定功率為基準(zhǔn))38-42 F5. 0 IV_0PEN，中壓調(diào)節(jié)門開啟速度(pu/周波，額定功率為基準(zhǔn))在該模型實現(xiàn)過程中的主要技術(shù)方案如下(1)軟件采用上述RO和RO+卡的格式輸入，其中包含了所有的控制參數(shù)和采用的控制邏輯；(2)采用本發(fā)明專利中提取的典型控制邏輯，在上述RO卡中根據(jù)不同的控制邏輯采用不同的組合方式填寫；(3)軟件針對調(diào)速器模型進行了調(diào)整，增加了考慮中壓調(diào)節(jié)閥的控制和執(zhí)行部分， 在計算過程中，同時輸出高壓調(diào)節(jié)門和重要調(diào)節(jié)門的開度信號，正常情況下，中亞調(diào)節(jié)門輸出為1 ；(4)軟件對汽輪機模型進行了調(diào)整，增加了重要調(diào)節(jié)閥的模擬功能，能夠接受調(diào)速器模型輸出的重要調(diào)節(jié)門開度；(5)軟件中考慮了高壓調(diào)節(jié)門和中壓調(diào)節(jié)門動作的遲滯，以及高壓和重要調(diào)節(jié)門的開啟和關(guān)閉速度。在軟件中實現(xiàn)上述調(diào)整后，程序在計算過程中對上述模型自動持續(xù)進行計算和判斷，當(dāng)動作邏輯滿足條件后，輸出高壓和中壓調(diào)門指令，實現(xiàn)中壓和高壓調(diào)節(jié)門的快速關(guān)閉和開啟功能。此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在不脫離本發(fā)明的范圍下進行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1. 一種發(fā)電機超速保護的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真建模方法，包括超速保護控制邏輯、 改進的調(diào)速器模型、以及改進的汽輪機模型，具體包括 1)實際系統(tǒng)超速保護典型控制邏輯(1)OPC控制方式一關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門的條件是轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103 %，以及在30 %負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘； 滿足上述任一條件，發(fā)電機超速保護0PC(overspeed protection controller)動作， 通過OPC電磁閥，強行迅速關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門；OPC的恢復(fù)條件延時一定時間，且轉(zhuǎn)速低于3090r/min，電磁閥復(fù)位，轉(zhuǎn)速交由調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制采用；(2)OPC控制方式二發(fā)電機超速保護OPC觸發(fā)信號為兩路信號的綜合一路為頻率偏差信號，為實際轉(zhuǎn)速和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速3000r/min的差值，將其輸入一個函數(shù)發(fā)生器，在0 7%之間，即0 210r/ min,產(chǎn)生一個0 1的數(shù)numl ；另一路為機械負荷和電氣負荷的不平衡量，具體計算方法為根據(jù)發(fā)電機電流計算發(fā)電機電磁功率相對于額定功率的百分比，根據(jù)中壓調(diào)節(jié)閥出口蒸汽壓力信號計算機械功率相對于額定功率的百分比，上述兩個功率百分比之差定義為DMW，并將DMW輸入一個函數(shù)發(fā)生器，該函數(shù)發(fā)生器為在EMW< 30%時，輸出為0 ； 在30%< DMW < 60%時，輸出為0 1之間的數(shù)； 在DMW> 60%時，輸出為1 ；兩路信號相加得到數(shù)值NUM，當(dāng)NUM > 1時，OPC動作，直到OPC動作信號復(fù)位；(3)OPC控制方式三當(dāng)汽輪機的轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速的102%，即3060r/min，且測算出的升速率也超過 57. 5r/min,觸發(fā)超速保護ACC動作，使超速保護電磁閥帶電，快速關(guān)閉兩只中壓調(diào)門，設(shè)置為固定中壓缸啟動方式，直至轉(zhuǎn)速降回到3015r/min以下，才使ACC復(fù)位，中壓調(diào)節(jié)汽門恢復(fù)至調(diào)節(jié)位，調(diào)門位置回復(fù)到調(diào)速器目標(biāo)負荷，即維持汽機3000r/min運行的空負荷閥位； 機-電功率失衡保護PLU(Power Load Unbalance)的動作邏輯是，任何時刻如果檢測并計算出在IOms內(nèi)發(fā)電機定子電流與代表汽機負荷的中壓聯(lián)合汽門CRV(Contorl ReheatValve)出口壓力出現(xiàn)40 %及以上的偏差，則PLU觸發(fā)，使高壓調(diào)門CV(Control Valve)和中壓調(diào)門ICVantermediary Control Valve)快關(guān)電磁閥帶電，快速關(guān)閉CV和 ICV并保持關(guān)位k之后，調(diào)門恢復(fù)至維持3000r/min的調(diào)節(jié)位；ACC或PLU觸發(fā)后，調(diào)速回路迅速將動作前的負荷設(shè)定值切為空負荷3000r/min，同時將調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線中的轉(zhuǎn)速不等率δ由正常運行的4%切至16%，以加強對暫態(tài)過程的調(diào)節(jié)力度，使汽機轉(zhuǎn)速盡快調(diào)回并穩(wěn)定在3000r/min，重新并網(wǎng)運行；(4)OPC控制方式四轉(zhuǎn)速連續(xù)超過超速保護103%限制達12ms后，超速保護觸發(fā)，直至轉(zhuǎn)速降低至3080r/ min以下；此外，發(fā)電機油開關(guān)跳閘而中壓缸排汽壓力大于滿負荷的22%，超速保護觸發(fā)， 延時1-10秒，且轉(zhuǎn)速降低到103 %以下復(fù)位，交由調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，機組的設(shè)定值改為轉(zhuǎn)速3000r/min 空轉(zhuǎn)；中壓缸排汽壓力占額定排汽壓力的百分比與發(fā)電機負荷與額定負荷的百分比之差達30%，功率不平衡觸發(fā)，快速關(guān)閉中壓調(diào)節(jié)汽門，延時1-10秒恢復(fù)； 2)發(fā)電機超速保護模型模擬的控制邏輯發(fā)電機超速保護模型中OPC動作的主要邏輯綜合考慮了實際系統(tǒng)中主要的控制邏輯， 包括(1)控制邏輯一>轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103% ； >在30%負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘；(2)控制邏輯二定義NUMl和NUM2分別為轉(zhuǎn)速偏差控制環(huán)節(jié)和功率不平衡控制環(huán)節(jié)輸出信號，>NUM1 = 0，轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速；>NUM1 = 0 1，轉(zhuǎn)速在100%和107%之間；>NUM1 = 1，轉(zhuǎn)速達至Ij 107% ；>NUM2 = 0，功率不平衡量小于30% ；>NUM2 = 0 1，功率不平衡量在30%和60%之間；>NUM2 = 1，功率不平衡量大于60% ；NUM1+NUM2大于等于1，OPC動作；(3)控制邏輯三>轉(zhuǎn)速超過102%，并且轉(zhuǎn)速變化率超過57. 5r/min ； >功率不平衡超過40% ；(4)控制邏輯四>轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速103% ； >在22%負荷以上發(fā)電機油開關(guān)跳閘； >功率不平衡度超過30% ；綜合上述控制方式，模型OPC保護考慮的控制方式如下 >同時考慮轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率，當(dāng)不填寫轉(zhuǎn)速變化率時，僅轉(zhuǎn)速有效； >考慮負荷不平衡功能，采用原動機模型中壓缸入口功率和電磁功率計算； >不考慮負荷超過一定比例并且發(fā)電機油開關(guān)跳閘； 此外還考慮以下因素>OPC動作后，同時關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)門和中壓調(diào)節(jié)門，或不關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)門；>OPC動作后恢復(fù)，考慮兩個條件，第一個是延遲時間，第二個是達到的轉(zhuǎn)速值；>OPC動作過程中，考慮控制系統(tǒng)將調(diào)速器模型中的功率給定設(shè)置為0的功能。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括考慮發(fā)電機超速保護的汽輪機模型的改進汽輪機典型結(jié)構(gòu)包括高壓(HP)、中壓(IP)、低壓(LP)三個部分，在再熱型汽輪機中， 離開HP級的蒸汽通過再熱進入到IP級和LP級；在高壓HP和中壓IP入口有截止閥和調(diào)節(jié)閥，在系統(tǒng)研究中，截止閥一般不用模擬，因為實際系統(tǒng)中正常狀態(tài)保持全開；在正常運行過程中，只通過控制高壓調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)機械功率的控制，中壓調(diào)節(jié)閥保持全開狀態(tài)，因此中壓調(diào)節(jié)閥也不模擬；在模擬發(fā)電機超速保護過程中，除了高壓調(diào)節(jié)門動作外，中壓調(diào)節(jié)門會隨著控制迅速關(guān)閉或者開啟，需要在模型中考慮中壓調(diào)節(jié)門的影響。因此在模型中中壓缸的模型不能再采用一節(jié)慣性環(huán)節(jié)來表示，在考慮容積效應(yīng)的積分環(huán)節(jié)后增加了中壓調(diào)節(jié)閥開度信號，用于模擬重要調(diào)節(jié)閥動作后的功率變化。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征還包括考慮發(fā)電機超速保護的調(diào)速器模型的改進汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)功能包括正常的速度-負荷控制、過速控制和過速跳閘；正常的速度-負荷控制是調(diào)速系統(tǒng)的基本要求，在汽輪機中，通過控制高壓調(diào)門位置控制允許進入汽輪機的蒸汽量來實現(xiàn)，使機組正常情況滿意運行，適當(dāng)分擔(dān)負荷，過速控制是汽輪機所特有的，對汽輪機的安全運行至關(guān)重要，再熱型汽輪機有兩個分開的閥系統(tǒng)，用來迅速控制供給汽輪機的蒸汽能量，一個系統(tǒng)由高壓調(diào)門組成，另外一個由中壓調(diào)門組成；過速控制包括高壓調(diào)門和中壓調(diào)門的快速控制調(diào)速系統(tǒng)包括調(diào)速器、速度繼電器和液壓伺服器傳動機構(gòu)；調(diào)速器輸出由與速度/負荷參考值產(chǎn)生的誤差信號控制高壓調(diào)門和中壓調(diào)門；正常情況下，只有高壓調(diào)門響應(yīng)，用偏差信號使中壓調(diào)門保持全開狀態(tài)；當(dāng)誤差信號比較大時，中壓調(diào)門迅速關(guān)閉；當(dāng)偏差信號小于一定值時，中壓調(diào)門再次全開；在考慮OPC控制后，調(diào)速器模型需要進行改進，以反映調(diào)速器中的中壓調(diào)門控制部分以及附加信號控制部分；不考慮發(fā)電機超速保護時，正常情況下不考慮中壓調(diào)節(jié)門的動作，因此模型中僅包含高壓伺服系統(tǒng)的模擬部分，輸出信號為高壓調(diào)節(jié)汽門開度，考慮發(fā)電機超速保護后，需要同時考慮中壓調(diào)節(jié)閥的控制部分，其中增加了中壓調(diào)節(jié)閥的伺服系統(tǒng)模擬部分，輸入信號中除了正常的轉(zhuǎn)速偏差信號之外，增加了轉(zhuǎn)速偏差偏置，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差超過設(shè)定值后，中壓調(diào)節(jié)閥才會動作；中壓調(diào)節(jié)閥的控制也可采用簡化的形式，根據(jù)發(fā)電機超速保護的動作信號，經(jīng)過一定的延遲，直接修改原動機模型中的中壓調(diào)門開度。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)電機超速保護的電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真建模方法。針對發(fā)電機超速保護，結(jié)合電力系統(tǒng)仿真分析，建立適用于電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真的發(fā)電機超速保護模型，實現(xiàn)超速保護的動作邏輯判斷、汽輪機高壓和中壓調(diào)節(jié)閥在汽輪機模型中的模擬、調(diào)速器模型的改進等，組成完整的發(fā)電機超速保護模型，以達到在電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真軟件中實現(xiàn)超速保護模擬的目的。
文檔編號G06F17/50GK102521441SQ20111039736
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者侯俊賢, 吳國炳, 唐曉駿, 宋新立, 楊文佳, 楊琦, 楊銀國, 錢峰, 陳興華 申請人:中國電力科學(xué)研究院, 廣東省電力調(diào)度中心