功率-负荷不平衡保护误动作的分析与改进

谢燕雄，张太林，余 鹏

(神华神东电力重庆万州港电有限责任公司，重庆 404027)

功率-负荷不平衡保护误动作的分析与改进

谢燕雄，张太林，余 鹏

(神华神东电力重庆万州港电有限责任公司，重庆 404027)

分析了某火电厂超超临界机组功率-负荷不平衡(PLU)保护原理和误动作事件，发现PLU保护设计中存在不合理之处，提出改进建议并加以实施，有效避免了汽轮机超速故障，保护了汽轮机及电网的安全运行。

汽轮机；功率-负荷不平衡；超速

0 概述

针对大型汽轮发电机组甩负荷时的超速风险，特别是运行机组甩部分负荷工况，即机组与电网联络的“发电机并网”信号正常，但由于外部线路故障、电网故障或者其他原因，导致机组实际送出的功率瞬间大幅度下降时，汽轮机存在严重的超速风险，在汽轮机DEH控制系统中，一般设置功率－负荷不平衡(PLU)保护。

某火电厂1号、2号1 050 MW超超临界机组分别于2015年2月、9月通过168 h试运转入商业运营。2015-04-15，1号机组在运行中发生过功率-负荷不平衡(PLU)保护误动作事件，高、中压调门3次开关，造成机组负荷从(-30)-1 050 MW波动了3次，直接威胁机组及电网的安全运行。

1 PLU保护原理及动作过程介绍

1.1 PLU保护原理

功率-负荷不平衡(PLU)保护的动作条件：中压缸进汽压力/额定中压缸进汽压力(785PSI)-实际发电机负荷/额定负荷(1 050 MW)＞0.4。

汽轮机功率由中压缸第1级入口蒸汽压力来表征，输入信号为4-20 mA，3个测点独立取样。

发电机功率信号：从发电机机端电流互感器(CT)和电压互感器(PT)取得三相电流、电压信号，经3块功率变送器计算后得到。再将该功率信号送

到汽轮机TP800保护模件。

汽轮机TP800保护模件由ABB公司生产，每台机组配置3块，每块卡件分别接收1个中压缸第1级入口蒸汽压力信号和1个发电机功率信号。该保护采用“3取2”判据，当任何1块卡件故障或任何1个信号故障时，保护均不会误动作。

1.2 PLU保护逻辑框图

PLU保护逻辑程序固化在汽轮机TP800保护模件中，PLU保护逻辑如图1所示。

1.3 PLU动作过程

当汽轮机TP800保护模件检测到功率-负荷不平衡并达到整定值时，PLU保护在15 ms内动作，快速关闭高、中压调节阀，2 s后PLU保护返回，汽轮机高、中压调节阀恢复伺服调节，并立即按保护动作前的阀位指令开启汽轮机高、中压调节阀，或根据运行人员指令控制机组负荷。

关于快速关闭高、中压调节阀2 s后又重新开启至原阀位的动作要求，是基于下列2种原因设计而成的。

(1) PLU保护动作，立即全关汽轮机高、中压调节阀，如发电机出口开关实际上没有分闸，需快速打开汽轮机高、中压调节阀，避免发电机变“电动机”运行，或者引起发变组逆功率保护动作使机组跳闸。

(2) 若电网出现瞬时性故障，故障快速消除后，为保证电网有功功率平衡，汽轮机高、中压调节阀必须及时打开，确保电网频率稳定。

图1 PLU保护逻辑示意

2 PLU误动作事件实际动作过程

2015-04-15T10:14，该火电厂1号机组正常运行，发电机有功功率911 MW，CCS控制方式，AGC投入，汽轮机1号、2号高压调节阀开度均为47.7 %，中压调节阀开度均为100 %。

因工作人员误断开了发电机出口1号PT的测量绕组的二次空开，导致所有功率变送器测量用的电压信号瞬时变为0，汽轮机TP800保护模件的3个功率信号也瞬时变为0。这符合PLU保护动作条件，故PLU动作。

10:14:39，机组负荷由911 MW突降为0，汽轮机TP800保护模件中的功率-负荷不平衡PLU保护第1次动作，全部关闭汽轮机高、中压调节阀，机前主汽压力由23.7 MPa突升至26.6 MPa，动作持续2 s。

10:14:41，PLU保护返回，汽轮机高、中压调节阀自动恢复伺服控制，并快速开启至原开度。

10:14:44，由于TP800保护模件的3个功率信号仍为0， PLU保护第2次动作，第2次全部关闭汽轮机高、中压调节阀。

10:14:46，PLU保护第2次动作返回后，汽轮机高、中压调节阀自动恢复伺服控制，并快速开启至原开度。

10:14:49，PLU由于TP800保护模件的3个功率信号仍为0，保护第3次动作，第3次全部关闭汽轮机高、中压调节阀。

10:14:51，PLU保护第3次动作返回后，汽轮机高、中压调节阀自动恢复伺服控制，并快速开启至原开度。

10:14:52，工作人员重新合上发电机出口1号PT的测量绕组的二次空开，发电机有功功率恢复正常，PLU保护动作停止，运行人员手动调整机组参数维持机组稳定。从DCS系统查阅得知，主变高压侧有功功率从(-30)-1 050 MW波动了3次，直接威胁机组和电网的安全运行。

3 PLU保护误动作暴露的问题

3.1 PLU保护功率变送器电压采样不合理

根据欧洲电工标准化委员会制定的SIL3安全标准，PLU采用“3取2”判据设计，以避免信号误发导致保护误动。但实际配置中，所有测量用的电压信号均取自发电机出口1号PT的测量绕组，当该组PT故障或发生二次回路断线等情况时，送至汽轮机TP800保护模件的3个功率信号同时受到影响，造成PLU保护误判断。

3.2 PLU保护动作判据不充分

作为防止汽轮机超速的手段，若仅依靠单一电功率测量信号判断机械功率和电功率不平衡，并作为PLU保护动作的依据，则在出现因类似本次事件引起的功率信号失真时，在汽轮机和电网运行正常情况下，PLU保护即发生误动，将引起机组功率大幅波动。

3.3 TP800保护模件无法判断有功功率信号故障

PLU保护设计的初衷是：当PLU动作机组避开超速风险后，恢复汽轮机DEH伺服调节系统控制。但因汽轮机TP800保护模件无法对发电机有功功率信号故障进行判断，导致因功率信号故障时PLU保护多次动作，直到重新合上发电机出口1 号PT的测量绕组的二次空开，发电机有功功率恢复， PLU保护才停止动作。

3.4 功率变送器的时间常数难以满足要求

根据行业标准，一般功率变送器的时间常数要求小于400 ms，实际在240-400 ms，延时较长，难以满足系统故障快速响应的要求。

4 PLU保护的改进措施

4.1 改进PLU保护采样

4.1.1 采用快速智能响应型功率变送器

快速智能响应型功率变送器的响应时间可缩短至40 ms，能有效解决一般功率变送器响应时间长的问题，满足电网暂态故障的快速响应要求。因此，将原来为汽轮机TP800保护模件提供功率信号的3只普通功率变送器更换为智能功率变送器。

快速智能响应型功率变送器具有2组电流、电压间切换及断线识别功能。正常运行中，该智能功率变送器采用PT和CT的测量用绕组的电压、电流信号进行功率计算。当发生电网事故时，发电机有功功率发生突变，此时该智能功率变送器自动切换至PT和CT的保护用绕组的电压、电流信号进行功率计算，解决电网故障情况下的暂态特性问题。同时，该智能功率变送器具有自动识别PT、CT断线的功能，能解决PT、CT断线时PLU的误动作问题。

4.1.2 改进智能功率变送器采样回路

(1) 智能功率变送器电源回路分别采用独立的UPS供电。

(2) 智能功率变送器电流采样回路分别引入发电机机端2组CT的二次绕组(一组测量绕组，另一组保护绕组)。

(3) 智能功率变送器电压采样回路分别引入发电机机端2组PT不同的二次绕组(一组测量绕组，另一组保护绕组)，PT二次空开采用单极空开。改进后的发电机出口PT接线如图2所示。

(4) 各智能功率变送器送至DEH的信号电缆独立布置。

4.2 增加转速信号闭锁条件

为防止PLU保护误动，在PLU动作回路中串联转速动作接点。当PLU保护动作、转速动作判据同时满足时，PLU保护才能出口。

根据仿真实验结果确定PLU动作转速为3 030 r/min，当汽轮机转速达到此动作转速时，转速动作输出接点闭合。只有当汽轮机机械功率与电功率不平衡(大于0.4)且机组实际转速达到3 030 r/min值时，PLU保护才会动作出口，避免PLU保护误动。同时，在PLU出口回路中引入机组出口开关合闸位置接点，只有当机组并网运行且以上2个条件同时满足时，PLU保护才会动作，从而防止PLU误动。

此外，为确保PLU保护动作的可靠性，将汽轮机TP800保护模件中的转速判断的控制周期缩短。修改后的PLU保护动作原理如图3所示。

5 结束语

汽轮机PLU保护是ETS系统的一项重要保护，也是DEH系统防止超速控制功能的一部分，虽然比较简单，却往往容易被忽略。现对PLU保护误动作进行了分析，并提出了相应的改进方法，这对提高PLU保护可靠性、防止汽轮机组超速、抑制电网振荡、迅速恢复机组功率、防止事故扩大，有一定的借鉴意义。

图2 改进后的发电机出口PT接线示意

图3 改进后的PLU保护动作原理示意

1 徐衍会，贺仁睦，孔祥云．调速系统超速保护控制对电力系统稳定的影响[J].现代电力，2006，23(6)：6-9．

2 丁 浩，沙 明．汽轮机功率负荷不平衡控制响应时间分析[J]．吉林电力，2011，39(5)：12-13．

3 朱松强．功率负荷不平衡模块(PLU)误动原因分析[J]．浙江电力，2005，72(4):44-45．

4 过小玲，郑渭建．取消东汽机组PLU保护的可行性探讨[J]．浙江电力，2012，31(1):56-58．

2016-09-16。

谢燕雄(1983-)，男，助理工程师，主要从事火电厂集控运行工作，email：442440378@qq.com。

张太林(1973-)，男，高级工程师，主要从事运行管理工作。

余 鹏(1982-)，男，工程师，主要从事火电厂汽机运行管理工作。