汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法及装置，保护装置通过短延时滤波及移动数据窗峰值检测法测量大轴的转速差波动幅值Δω

【技术实现步骤摘要】
汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法及装置
本专利技术属于电力系统继电保护
，尤其涉及汽轮发电机组次同步扭振的暂态扭矩的保护方法及装置。
技术介绍
汽轮发电机组轴系很长，通常包括汽机高压缸转子、中压缸转子、低压缸转子、发电机转子。机组稳定运行时，整个转子大轴近似一个刚体，高速旋转。当电网出现次同步振荡时，在机网交互的作用下，汽轮发电机组轴系各转子之间可能出现相互扭转摆动的扭振现象。次同步振荡及扭振的危害很大，不仅影响电网的安全稳定，还可能造成汽轮发电机组轴系的疲劳损伤，降低机组使用寿命，严重时甚至导致大轴出现裂纹，造成巨大损失。理论研究与工程实践表明，当汽轮发电机组采用点对网的长距离输电模式，且在输电线路上装设电容串补设备时，易引发电网次同步振荡及汽轮发电机组轴系扭振。当包含电容串补的电网系统的固有振荡频率与汽轮发电机组轴系扭振固有振荡频率接近互补，在电网侧出现扰动时，有可能在转子轴系上产生非常大的冲击性扭矩，该扭矩甚至超过没有电容串补情形下电网系统三相短路故障所产生的扭矩。这种现象称为“暂态扭矩放大”。它可以在很短的时间内造成汽轮发电机组轴系损坏，因此需要有快速、可靠的暂态扭矩保护。针对存在次同步振荡及扭振风险的汽轮发电机组，为保障机组安全运行，目前均装设专门的扭振保护(TSR保护)，其基本方法是测量发电机组大轴转速，经过多个级联滤波器的模态分解，从转速中得到各个扭振模态频率的分量，采用简化等值的转子多质量块等值模型，辨识各转子质量块之间的扭矩，再结合应力－寿命曲线(S-N曲线)，计算扭矩产生的疲劳值，当疲劳值超过预设的定值，保护动作，解列发电机。现有的扭振保护(TSR保护)可以有效地应对一般情况下扭振对机组大轴的影响，及时解列发电机，使发电机脱离电网，避免长时间的扭振造成机组大轴疲劳损坏。但是该方法也存在一定缺点：对冲击很大的扭振即暂态扭矩放大，该保护不能快速动作。从《电力系统次同步谐振的分析与控制》(谢小荣著，科学出版社，2015年)第11章的介绍可知，TSR保护在辨识扭矩时需要经过复杂的滤波，包括低通滤波(公式11.3)、高通滤波(公式11.4)、带阻滤波(公式11.5)、模式滤波(公式11.9)，其中模式滤波是一组与扭振模态频率相关的带通带阻滤波器相级联，经过这一系列处理之后，才得到辨识的扭矩，它和实际的扭矩相比有明显的延迟；比如从图11.16中可以看出，故障冲击扰动之后经历了约0.5s，辨识的扭矩才能和实际的扭矩相吻合。此外，得到扭矩之后，再进行疲劳计算，又需要少量延迟，因此TSR保护不满足暂态扭矩保护的快速动作要求。现有技术中，有一种方法，直接检测扭振转速偏差超过预设定值后保护动作。这种方法虽然较快，但是它只依赖于转速信号测量结果，存在保护误动的风险。此外，专利CN201410484589.7《汽轮发电机组轴系大扰动瞬态冲击扭振监测的方法及系统》公开了一种方法，该方法测量发电机三相电流和电压，实时在线计算相应的电磁力矩，当电磁力矩值过报警阈值时，保护报警，当电磁力矩值超过跳机保护阈值时，发出跳机保护信号。该方法可以有效实现汽轮发电机组在暂态冲击包括两相短路、三相短路、非同期合闸等大扰下的扭矩越限保护，但是该方法也存在一些不足：(1)需要建模仿真，建立电力系统大扰动情况下电磁力矩与轴系疲劳寿命损耗之间的联系，方法复杂；(2)计算电磁力矩时使用了同步发电机5阶模型，计算准确性依赖于模型参数，实际上大扰动情况下参数往往是非线性的；(3)虽然考虑了转子励磁绕组、转子阻尼绕组的电磁暂态，但是它忽略了定子电磁暂态，电磁力矩计算会有一定误差；(4)完全依赖于发电机的电气量，没有考虑电压电流测量回路出现异常时导致的电磁力矩计算错误，可靠性不高。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提出一种可靠、快速的暂态扭矩保护方法及装置，解决现有TSR保护动作速度不够的问题，同时解决依赖于转速信号或发电机电气量等单一测量信号的扭矩保护的不可靠问题，从而实现汽轮发电机组次同步振荡及扭振的暂态扭矩放大情况下的暂态扭矩快速保护。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，包括如下步骤：步骤(1)：测量汽轮发电机组大轴转速信号，计算汽轮发电机组大轴的转速差波动幅值Δωamp；步骤(2)：测量汽轮发电机机端三相电流瞬时值，计算汽轮发电机组的机端电流工频变化量幅值ΔIamp；步骤(3)：测量汽轮发电机机端三相电流瞬时值和三相电压瞬时值，计算汽轮发电机组暂态电磁有功功率中波动分量的幅值ΔPamp；步骤(4)：判别启动条件：当所述ΔIamp超过预设电流阈值ΔIth，或者所述ΔPamp超过预设有功阈值ΔPth时，启动标志Flag1置为1并保持T1时间；否则，启动标志Flag1置为0；步骤(5)：判别闭锁条件：当转速测量通道自检结果为异常时，闭锁标志Flag2置为1；当检测到发电机没有并网时，闭锁标志Flag2置为1；当检测到机端电压测量回路或机端电流测量回路出现异常时，闭锁标志Flag2置为1；当转速测量通道自检结果正常，而且发电机已并网，而且机端电压测量回路正常，而且机端电流测量回路正常时，闭锁标志Flag2置为0；步骤(6)：当启动标志Flag1为1时，进行转速差波动幅值Δωamp的定时限保护判别，定时限保护满足条件时，定时限保护动作标志Flag3置为1；否则Flag3置为0；步骤(7)：当启动标志Flag1为1时，进行转速差波动幅值Δωamp的反时限保护判别，反时限保护满足条件时，反时限保护动作标志Flag4置为1；否则Flag4置为0；步骤(8)：保护动作出口判别，当定时限保护动作标志Flag3为1且闭锁标志Flag2为0时，或者当反时限保护动作标志Flag4为1且闭锁标志Flag2为0时，保护动作出口解列发电机。所述步骤(1)、(2)、(3)之间不分先后；所述步骤(6)、(7)之间不分先后。进一步的，上述步骤(1)中的转速差波动幅值Δωamp采取如下步骤进行计算：步骤(1.1)：测量汽轮发电机组大轴转速信号ω；步骤(1.2)：实测的转速信号ω减去额定转速信号ωn，得到原始的转速差信号Δω'＝ω-ωn；步骤(1.3)：按下述公式对原始的转速差信号Δω'进行滤波，消除高频噪声信号，保留次同步振荡分量，得到滤波之后的转速差信号Δω：Δω＝H(s)·Δω'式1其中H(s)是低通滤波器与带阻滤波器的级联传递函数；步骤(1.4)：采用移动数据窗峰值检测法，计算Δω的最大值Δωmax和最小值Δωmin：其中t是当前时刻，T为设定的数据窗时长，T与汽轮发电机组扭振固有模态频率有关，T的取值是1.05～1.2倍的1/fm,min，其中fm,min为最小的扭振固有模态频率；函数是指转速差Δω在(t-T)时刻至t时刻的时间范围内的最大值，函数是指转速差Δω在(t-T)时刻至t时刻的时间范围内的最小值；步骤(1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤(1)：测量汽轮发电机组大轴转速信号，计算汽轮发电机组大轴的转速差波动幅值Δω

【技术特征摘要】
1.一种汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：测量汽轮发电机组大轴转速信号，计算汽轮发电机组大轴的转速差波动幅值Δωamp；
步骤(2)：测量汽轮发电机机端三相电流瞬时值，计算汽轮发电机组的机端电流工频变化量幅值ΔIamp；
步骤(3)：测量汽轮发电机机端三相电流瞬时值和三相电压瞬时值，计算汽轮发电机组暂态电磁有功功率中波动分量的幅值ΔPamp；
步骤(4)：判别启动条件：当所述ΔIamp超过预设电流阈值ΔIth，或者所述ΔPamp超过预设有功阈值ΔPth时，启动标志Flag1置为1并保持T1时间；否则，启动标志Flag1置为0；
步骤(5)：判别闭锁条件：当转速测量通道自检结果为异常时，闭锁标志Flag2置为1；当检测到发电机没有并网时，闭锁标志Flag2置为1；当检测到机端电压测量回路或机端电流测量回路出现异常时，闭锁标志Flag2置为1；当转速测量通道自检结果正常，而且发电机已并网，而且机端电压测量回路正常，而且机端电流测量回路正常时，闭锁标志Flag2置为0；
步骤(6)：当启动标志Flag1为1时，进行转速差波动幅值Δωamp的定时限保护判别，定时限保护满足条件时，定时限保护动作标志Flag3置为1；否则Flag3置为0；
步骤(7)：当启动标志Flag1为1时，进行转速差波动幅值Δωamp的反时限保护判别，反时限保护满足条件时，反时限保护动作标志Flag4置为1；否则Flag4置为0；
步骤(8)：保护动作出口判别，当定时限保护动作标志Flag3为1且闭锁标志Flag2为0时，或者当反时限保护动作标志Flag4为1且闭锁标志Flag2为0时，保护动作出口解列发电机；
所述步骤(1)、(2)、(3)之间不分先后；所述步骤(6)、(7)之间不分先后。


2.如权利要求1所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，所述步骤(1)中的转速差波动幅值Δωamp采取如下步骤进行计算：
步骤(1.1)：测量汽轮发电机组大轴转速信号ω；
步骤(1.2)：实测的转速信号ω减去额定转速信号ωn，得到原始的转速差信号Δω'＝ω-ωn；
步骤(1.3)：按下述公式对原始的转速差信号Δω'进行滤波，消除高频噪声信号，保留次同步振荡分量，得到滤波之后的转速差信号Δω：
Δω＝H(s)·Δω'式1
其中H(s)是低通滤波器与带阻滤波器的级联传递函数；
步骤(1.4)：采用移动数据窗峰值检测法，计算Δω的最大值Δωmax和最小值Δωmin：






其中t是当前时刻，T为设定的数据窗时长，函数是指转速差Δω在(t-T)时刻至t时刻的时间范围内的最大值，函数是指转速差Δω在(t-T)时刻至t时刻的时间范围内的最小值；
步骤(1.5)：计算转速差波动幅值Δωamp＝(Δωmax-Δωmin)/2。


3.如权利要求1所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，所述步骤(2)中的机端电流工频变化量幅值ΔIamp采取如下步骤进行计算：
步骤(2.1)：测量汽轮发电机机端三相电流瞬时值ia、ib、ic；
步骤(2.2)：按下述公式计算三相电流的工频变化量瞬时值Δia、Δib、Δic：
Δij(t)＝ij(t)-ij(t-T1st)j＝a,b,c式4
其中t是当前时刻，T1st为工频周期时长，下标j＝a,b,c分别表示a相、b相、c相；
步骤(2.3)：采用全周波傅氏计算方法，计算工频变化量瞬时值Δia、Δib、Δic的幅值，分别为ΔIa,amp、ΔIb,amp、ΔIc,amp，取这三个值的最大值为机端电流工频变化量幅值ΔIamp，即


4.如权利要求1所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，所述步骤(3)中的暂态电磁有功功率中波动分量的幅值ΔPamp，采取如下步骤进行计算：
步骤(3.1)：测量汽轮发电机机端三相电流瞬时值ia、ib、ic，测量机端三相电压瞬时值ua、ub、uc；
步骤(3.2)：计算暂态电磁有功功率p＝uaia+ubib+ucic；
步骤(3.3)：采用移动数据窗峰值检测法，计算p的最大值pmax和最小值pmin：






其中t是当前时刻，T为设定的数据窗时长，函数是指p在(t-T)时刻至t时刻的时间范围内的最大值，函数是指p在(t-T)时刻至t时刻的时间范围内的最小值；
步骤(3.4)：计算暂态电磁有功功率中波动分量的幅值ΔPamp＝(pmax-pmin)/2。


5.如权利要求1所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，步骤(4)中所述预设电流阈值ΔIth的取值范围是0.1～1.0倍的发电机额定电流。


6.如权利要求1所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，步骤(4)中所述预设有功阈值ΔPth的取值范围是0.1～1.0倍的发电机额定功率。


7.如权利要求1所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，步骤(4)中所述保持T1时间，T1的取值范围是0.5s～10.0s。


8.如权利要求1所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，步骤(6)中所述定时限保护，其具体判别方法是：设定一个或多个定时限保护的越限门槛，每个越限门槛对应一个延时定值，当转速差波动幅值Δωamp大于其中一个越限门槛且持续时间超过该越限门槛对应的延时定值时，判为定时限保护满足条件。


9.如权利要求1所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，步骤(7)中所述反时限保护，其具体判别方法是：
步骤(7.1)：设定两组定值，(Δωth,min,Tth,max)和(Δωth,max,Tth,min)，进一步计算得到两个系数：和h＝Tth,min-K·Δωth,max；其中Δωth,min是最小越限门槛，Tth,max是最大延时定值，Δωth,max是最大越限门槛，Tth,min是最小延时定值；
步骤(7.2)：当转速差波动幅值Δωamp大于Δωth,min时，按下式计算反时限累积值Acc：



该结果逐渐增加，最大限定在Accth,max，Accth,max为反时限累积上限值；式7中，t是当前时刻，t0是Δωamp大于Δωth,min的初始时刻，函数min{}表示取括号{}中计算结果的最小值；
步骤(7.3)：当转速差波动幅值Δωamp小于Δωth,min时，按下式计算反时限累积值Acc：



该结果逐渐减小，最小限定在0％；其中，t是当前时刻，t1是Δωamp小于Δωth,min的初始时刻，函数max{}表示取括号{}中计算结果的最大值；
步骤(7.4)：得到前述计算结果之后，如果反时限累积值Acc大于100％且持续时间超过Tth,min，判为定时限保护满足条件。


10.如权利要求2或4所述的汽轮发电机组暂态扭矩越限快速保护方法，其特征是，所述的移动数据窗峰值检测法当中设定的数据窗时长T，与汽轮发电机组扭振固有模态频率有关，T的取值是1.05～1.2倍的1/fm,min，其中fm,min为最小的扭振固有模态频...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琦雪，马志恒，王凯，肖鹏，赵锦忠，王新宝，王光，陈俊，
申请(专利权)人：南京南瑞继保电气有限公司，南京南瑞继保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32