火电厂大型发电机组继电保护整定设计与故障分析

康 敏

（国能怀安热电有限公司）

0 引言

2023年1月国电电力发展股份有限公司公布国内在建的超大型机组投入批量建设运营，将陆续通过168h运行测试正式投入商用。随着大型机组的功率逐渐增大，继电保护装置功能设计和整定保护范围就显得更为重要。继电保护装置采集到参数异常后会立即对故障点或区域施行保护动作措施，如发出告警和跳闸指令，在毫秒级别将故障控制在异常区内，防止扩散造成大规模断电以及对发电机组构件造成进一步破坏。而在系统正常运行时，继电保护装置也可以进行常规检测，如电压互感器断线、电流电压突变量等，从而起到预防故障的作用。目前研究主要集中在继电保护操作系统的自动化和装置元器件的微机化方向，专门将传统火力发电厂的大型发电机组或发变组作为研究对象。而国内部分发电企业继电保护专业领域较薄弱，定值计算和核算工作开展有一定困难。因此本文结合两者，对大型发电机组在线整定保护设计和整定值计算进行了设计，并对过程中常见故障作出分析。

1 火电厂大型发电机组继电保护

1.1 火电厂大型发电机组继电保护整定流程

定值核算主要由保护配置、设备参数、发电机、励磁保护定值计算、变压器保护定值计算5个部分组成，其中发电机定值计算内容见表1。

表1 发电机定值计算

故障情况会反映在电力系统运行中各项参数中，继电保护装置检测到相关重要参数变化，在定值设置的范围基础上判定故障并做出反应。异常电气量如I、V、P等触发继电保护动作的流程如图1所示。

图1 继电保护动作的流程

图1中取样单元的作用在于将物理参数转换为鉴别单元可识别信号，通过比较给定整定值的大小，信号的性质、组合方式等，在执行部分电流继电器做出相应的保护动作并将信息继续传递。执行单元构件主要为声光信号继电器和断路器的分闸线圈等。

1.2 火电厂大型发电机组继电保护整定技术研究现状

在供电网络智能化开发趋势下，国外研究已较为先进，着力于各种系统软件开发，在原有保护整定值计算算法的基础上优化异常错误情况，并对系统界面等软件部分进行简化［1］。研究者根据电力网络和继电保护装置的工作理论针对性的设计保护定值技术，主要研究对象和技术包括不限于分布式电力网络结构、广域系统数据、基于变电站自动化系统、基于调度数据网和基于智能电网结构框架等［2］。国内相关自动化研究较晚，但是继电保护整定工作流程更规范严格，定值单计算、校对、审批均由专人专责，更加细致。于志刚等基于整定计算可视化和图形化实现技术研究开发了一种高自动化的可视继电保护整定计算软件，其特点为操作灵活，易理解［3］。李文伟等通过深入研究在暂态故障情况下计算继电保护定值计算问题，优化了过流继电器的线性规划整定方法。还进一步结合启发式算法提出了先计算继电器的启动电流，再使用线性规划方法确定继电器的动作时间的组合算法过流继电器优化整定模型［4］。阿敏夫等提出了基于数据模型的涉网继电保护整定与校核方案并进行案例分析，该系统自动化程度高，保护自动校核流程更高效［5］。

2 火电厂大型发电机组继电保护定值在线整定系统

本文的研究对象为火电厂大型发电机组继电保护定值在线整定系统，按照国标委标准号GB／T40584-2021的规定，研究开发满足发电厂继电保护工作需求和安全需求的继电保护定值在线整定系统。系统流程：设置固定设备和参数，整定计算发电机组和保护装置的定值生成定值单，输送到校核人员界面，定值单经审核后驳回或通过，通过审核的定值单覆盖历史记录，并上传到备案云数据库。整个过程按照规定赋予相关人员权限，定值单流转过程中加密保证通讯数据安全。

2.1 参数设置

继电保护设备数据类中由整定人员输入的信息，包括设备名称、设备参数、保护装置变比数据信息等设备固有参数。及时录入和更新注意事项数据信息。使用统一建模语言，确定系统中用户与相应系统功能的联系，采用统一建模语言系统动态模型中的序列图，逻辑性对各系统模块之间进行连接。

2.2 发电厂继电保护整定模型

2.2.1 电力网络等效模型

电力网络等效模型的关键在于电路简化，简化后的简单电路具有相同功能，以此为基础建立的电力网络方程描述各参数、变量关系更简便高效。本文选择常用的节点导纳电力网络方程建立电等效模型，如公式（1）。

其中，Y为节点导纳。

列出全部节点等效公式，并列矩阵，得出节点导纳矩阵计算公式（2）。

其中，n为除参考节点的节点数。

自导纳和互导纳计算方法为公式 （3）和公式（4）。

2.2.2 保护定值在线整定流程设计

生成的定值单还需要进一步审核校验才可以作为实际设定值，在线整定极大缩短了传统人工流转耗费的时间，适应现代化管理工作流程。系统在线整定计算流程如图2所示。

图2 继电保护系统在线整定流程图

2.3 发电机纵差保护整定实例

发电机纵差保护作为发电机内部相间短路故障的主保护，采用两段比率制动特性，选择比率制动斜率的纵差保护方案，其中差动电流和制动电流分别表示为：

动作方程为：

其中，ICD指差动电流起始值；KID指比率制动斜率；IB指拐点电流值。

带比率制动特性的发电机纵联差动保护动作特性如图3所示。

图3 带比率制动特性的发电机纵联差动保护动作特性

整定内容主要包括差动起动电流和拐点电流。

差动起动电流整定原则：最小动作电流按躲过发电机额定工况下的最大不平衡电流整定。

其中，Krel指可靠系数，取1.5；Ker指电流互感器比误差，本保护用5P级电流互感器，取2×0.03。根据经验最小动作电流取ICD＝0.2IGe＝0.2×11207／3000＝0.75A。

拐点电流整定原则：完全纵差保护通常可整定为：

IB＝0.8IGe＝0.8×11207／3000＝3.0A

比率制动斜率整定原则：根据《导则》比率制动斜率KD＝KrelKapKccKer。

其中，Krel指可靠系数，取1.5；Kap指非周期分量系数，取2.0；Kcc指同型系数，取1.0；Ker指电流互感器比误差，取0.1。

整定值生成后进行审批，审批通过生成定值单。

3 火电厂大型发电机组继电保护装置故障分析

3.1 常见故障分析

继电系统长时间超负荷运行时会造成监测数据和故障判断的偏差，从而不能保证电力系统的正常运行情况，并对自身硬件设施产生损坏。常见的故障见表2。

3.2 隐性故障分析

继电保护装置隐性故障同样存在很大危害，隐性故障存在时装置依然处于相对正常状态，不易察觉。包括与安全稳定控制系统、其他继电保护装置和二次回路风险、保护操作不完善等。软件设备出现故障问题是最为常见的隐形故障，硬件设备主要是受到环境影响，如腐蚀，外力撞击和磨损等，从而对设备精度产生偏差。另一种故障原因在于继电保护装置长时间高强度高负荷的工作状态对自身设备产生影响，需要定期检修排除潜在故障。

4 结束语

本文以某厂为实例分析研究对象，对文中电力网络等效模型和继电保护在线整定模型进行了初步试验。并分析了常见和隐形故障情况，为后续完善和优化整个系统提供参考。当前电力系统发展需要朝向自动化、信息化、高稳定性和低碳可持续发展的方向，因此要加强火力发电厂发电机的继电保护工作，强化技术和系统集成管控能力，在满足能耗控制需要的基础上，增强错误矫正功能。

本文采用电力网络等效模型简化电路，具有结构简单，工程容易实现的特点，SQL和OpenSSL开发环境成熟，能有效满足开发需求。继电保护在线整定系统随着设备的升级和构件的更换需要不断更新整定数据，是一个需要不断补充和复杂的系统。相关软件还需要更为先进的技术支持来满足大型发电机组的计算需求。系统纳入的保护装置将随着设备并网和逐渐归一化而增多，半人工整定模式也将逐渐不能满足复杂庞大的电力网络，因此连接云平台，构建云数据库可以有效减少海量数据造成的系统存储负担。针对不同继电保护装置自身故障情况，在线整定系统也将其纳入控制变量，进行特定的故障锁定和警报，反馈给工作人员进行装置的维修和更换。