發(fā)電廠安全穩(wěn)定緊急控制裝置的研制

1、發(fā)電廠安全穩(wěn)定緊急控制裝置的研制裝置及實驗張保會錢國明閻海山陶家琪王鋼摘要：作為“發(fā)電廠安全穩(wěn)定緊急控制裝置的研制原理及算法”的續(xù)篇，主要介紹了WAW-1型安全穩(wěn)定緊急控制裝置的實現(xiàn)技術(shù)及動模試驗結(jié)果。裝置以分層分布式多CPU系統(tǒng)模塊構(gòu)成，以公用內(nèi)存方式實現(xiàn)高速通信，以軟硬件配合解決多CPU系統(tǒng)的同步采樣、同數(shù)據(jù)窗計算和同步計算狀態(tài)轉(zhuǎn)換的技術(shù)問題。動模試驗結(jié)果表明，裝置能夠跟蹤發(fā)電廠送出線運行方式、運行狀態(tài)的變化，線路過負荷正確報警。系統(tǒng)故障時能正確預(yù)測暫態(tài)穩(wěn)定性并快速投入切機措施保證系統(tǒng)不失穩(wěn)。對于動態(tài)不穩(wěn)定，裝置能正確檢出失步并起動解列，達到了預(yù)期的控制要求。關(guān)鍵詞：安全穩(wěn)定控制裝置；動模

2、實驗；并行通信分類號：TM 621.6文獻標識碼：A文章編號：1006-6047(2000)01-0023-05Development of a Power Plant Security Emergency Control EquipmentEquipment and ExperimentZHANG Bao-hui（Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049,China）QIAN Guo-ming（Nanjing Electric Power Automation Equipment General Factory,Nanjing 21000

3、3,China）YAN Hai-shan（Nanjing Electric Power Automation Equipment General Factory,Nanjing 210003,China）TAO Jia-qi（Northeast Electric Power Dispatch and Communication Center,Shenyang 110006,China）WANG Gang（Northeast Electric Power Dispatch and Communication Center,Shenyang 110006,China）Abstract：It mai

4、nly introduces the implementation source and the physical simulation of WAW?1 power System security Emergency Control Equipment.The equipment is of multi-CPU distributed and hierarchic system. It uses common memory to realize high-speed communication, solves the technical problems of in-phase sampli

5、ng and state switchover of same data window calculation and synchronous calculation in the multi-CPU system by both software and hardware. The physical simulation results show that the equipment can follow the run-state change of power plant feeders, alarm correctly when line overload occurs; foreca

6、st transient stability correctly when fault occurs and put in off-load measures to prevent system instability. The equipment can check-up synchronization loss and start up disconnection when power system dynamic instability occurs, which meets the expected control demand.Keywords：security emergency

7、control equipment; physical simulation; parallel communication0引言東北鐵嶺發(fā)電廠的兩臺30萬kW機組通過三回220 kV出線與系統(tǒng)相連，其中兩回同桿架設(shè)，穩(wěn)定計算表明，當一回出線檢修，另一回出線發(fā)生故障時，有可能引起鐵嶺發(fā)電廠穩(wěn)定性的破壞，因此我們研制了一套發(fā)電廠安全穩(wěn)定緊急控制裝置，在必要時采取緊急控制措施，來保證電廠對系統(tǒng)的同步穩(wěn)定性?？紤]到裝置具有良好的擴展性，裝置的硬件系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，在設(shè)計時留有足夠的擴展位置，以適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的要求，并且易于現(xiàn)場的運行維護。裝置引入發(fā)電廠母線電壓、3條出線的電流以及2臺發(fā)電機的出口電

8、流，根據(jù)測量到的電壓和電流量實時計算正常運行時的潮流以及線路和機組的運行狀態(tài)，在線路過負荷時發(fā)出報警信號及自動關(guān)小主汽門。在系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定儲備不足時，發(fā)出信號，提示運行人員注意。在線路發(fā)生故障時獨立地判斷故障距離、故障類型，來預(yù)測擾動消除后的網(wǎng)絡(luò)拓撲，預(yù)測系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性并快速選擇合適的機組進行切機控制。對于動態(tài)穩(wěn)定的監(jiān)視、失步檢出、解列控制，保證電廠和系統(tǒng)之間不發(fā)生失步振蕩。1裝置的硬件構(gòu)成穩(wěn)定控制的目標是確保電網(wǎng)在事故狀態(tài)下的安全性與穩(wěn)定性，要實現(xiàn)這一目標，必須掌握能夠反應(yīng)以下3項內(nèi)容的信息：擾動前全系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲、開機方式及運行狀態(tài)；擾動對全系統(tǒng)各機組的影響；擾動清除后全系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲、開機

9、方式的變化。針對控制要求，裝置的硬件結(jié)構(gòu)采用了主從式的多CPU系統(tǒng)，每個CPU系統(tǒng)由8086主芯片、STD總線構(gòu)成，各自完成不同的任務(wù)。a. 線路前置機單元。每條出線配置1臺線路前置機單元，計算本線路正序電壓、電流、三相有功功率，并且判別本線路是否投運。每次電壓、電流、功率更新后，或者線路的運行情況發(fā)生改變后，線路前置機單元要將這些信息傳送給通信管理機進行匯總。在采樣中斷后，線路前置機還要進行故障檢出，故障檢出后便轉(zhuǎn)入故障處理，預(yù)估故障切除后網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化，計算故障發(fā)生后線路正序電壓、電流和基波正序有功功率，將計算結(jié)果送給通信管理機，供后臺控制機進行暫穩(wěn)或動穩(wěn)判斷使用。故障清除后若線路帶有重合

10、閘，則要監(jiān)視重合閘的起動，將重合成功與否的情況報告給通信管理機。b. 機組單元。裝置配1臺機組單元，測量母線電壓和發(fā)電機變壓器組高壓側(cè)A，C相電流，利用兩瓦計法計算2臺發(fā)電機的出力；根據(jù)電流判斷發(fā)電機是否投運，并將結(jié)果送給通信管理機， 作為網(wǎng)絡(luò)拓撲跟蹤依據(jù)及故障處理時切機量計算依據(jù)。故障處理期間，機組單元時刻監(jiān)視發(fā)電機投切情況，將結(jié)果傳送給管理機，作為后臺機切機、解列執(zhí)行結(jié)果的監(jiān)視手段。c. 通信管理機單元。通信管理機是整個裝置系統(tǒng)的管理中心，是前置機和后臺機進行信息交換的樞紐。并且和前置機、后臺機之間進行互檢，監(jiān)視各CPU工作的情況；同時通過機間通信，將各線路前置機單元、機組單元傳送來的電壓

11、、電流和功率進行匯總、檢查和預(yù)處理，然后再傳送給后臺機；通信管理機控制裝置各前置機采樣、故障處理的同步性。d. 后臺控制機。后臺控制機輸入的數(shù)據(jù)為經(jīng)過通信管理機匯總后的電壓、電流、功率和各線路及機組單元的投運信息(網(wǎng)絡(luò)拓撲)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)和信息，實時計算本電廠對等值系統(tǒng)的功角，及其它穩(wěn)定性指標，運用前文介紹的電力系統(tǒng)模型和算法，完成靜穩(wěn)儲備不足報警，暫態(tài)不穩(wěn)定的預(yù)測以及檢測系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性等，根據(jù)預(yù)測結(jié)果進行切機量的計算，發(fā)出切機、快關(guān)、解列、線路過負荷關(guān)主汽門等控制命令。e. 裝置的主從通信系統(tǒng)。由于本裝置采用在線實時計算的控制方式，計算所要使用的信息量非常大，每臺前置機要將每周期計算的線路

12、正序電壓、電流、功率，線路的投運信息以及機組的輸出功率和投運信息傳送給通信管理機，由其將所有線路前置機和機組單元的信息進行匯總、檢錯、糾錯處理，然后傳送給后臺控制機。如果將這么多的信息以串行通信的方式進行傳輸，顯然不能夠滿足裝置快速實時的要求(粗略地估計，串行通信速率要達到187.5 kbit/s，才能滿足要求，而如此高的通信速率要滿足傳輸?shù)目煽啃允呛芾щy的)。因此本裝置采用了公共內(nèi)存的方案，使得機間通信以并行方式進行。通信管理機與其余各前置機單元之間有一個2 k字節(jié)的公用RAM區(qū)，設(shè)在每個從機各自的CPU板上，但通過特殊的總線控制，通信管理機與各個從機對這塊RAM區(qū)都享有讀、寫權(quán)利，機間通信

13、也就靠它完成。其間的硬件連接如圖1所示。圖1主從機通信硬件連接示意圖這種機間通信，從通信過程來看，類似于DMA方式。經(jīng)過長時間的調(diào)試，通信速度和可靠性令人滿意，通信過程讀寫1個字節(jié)的時間為4 s，滿足裝置實時通信的要求。2裝置的軟件實現(xiàn)后臺機計算系統(tǒng)功角及視在電阻時都需要使用全發(fā)電廠的電流而不是某條線路的電流。必須對各線路電流進行向量求和，因而各前置機必須同步采樣和同數(shù)據(jù)窗計算。由于采用多CPU系統(tǒng)，也使得各前置機的同步采樣、同步計算、同步進入故障處理成為3個突出的同步性問題。a. 同步定時采樣。通信管理機具有定時中斷機構(gòu)，當它進入定時中斷并進行必要的操作后，向全部從機同時發(fā)出非屏蔽中斷申請，

14、從機響應(yīng)后同時執(zhí)行采樣中斷服務(wù)程序。b. 同數(shù)據(jù)窗的計算。各從機利用同步采樣中斷進行計數(shù)，按照相同的規(guī)定時刻(如每3周期計算1次)利用相同時間間隔的采樣數(shù)據(jù)進行電壓、電流、功率的計算，并寫入公用RAM區(qū)；主機在兩次計算之間適當?shù)臅r刻，將各從機公用RAM區(qū)郵箱中的電流、功率進行匯總，原理上保證了計算的同步性。為了防止不可預(yù)料原因?qū)е碌膹臋C采樣不同步，通信管理機在以上各量值匯總時，利用正序電壓相角進行從機采樣同步性檢查，即全部從機電壓相角差值必須小于給定的值(全部從機所采用電壓為同一電壓值)。c. 同步轉(zhuǎn)入故障處理。由于正常狀態(tài)下計算參量與故障狀態(tài)下計算參量不相同，當系統(tǒng)有故障發(fā)生后，各前置機不一

15、定同時檢出故障，為保證計算參數(shù)的一致，必須同步轉(zhuǎn)入故障處理。所謂同步轉(zhuǎn)入故障處理，并不是同時轉(zhuǎn)入故障處理，其本質(zhì)意義在于：使全部從機以同一個時刻作為故障發(fā)生時刻，即故障數(shù)據(jù)的起點。處理過程如圖2所示，CNT為特殊的計數(shù)器，主機響應(yīng)突發(fā)事件中斷時，置CNT=3,由于主機必須依次寫入CNT值及RSTB=“F”，故必須意識到，從開始到結(jié)束的時間間隔。所以CNT是在定時中斷中更新的，不同時刻寫入不同從機的CNT可能不同，保證了故障起始點等于當前計時減CNT的準確性，從機轉(zhuǎn)入故障處理時，根據(jù)以上關(guān)系，可準確確定故障數(shù)據(jù)的起點，確保轉(zhuǎn)入故障處理的同步性及計算的同步性。圖2同步轉(zhuǎn)入故障處理d. 變門檻的P故

16、障起動。前置機故障檢出，并不意味著一定要進行暫穩(wěn)預(yù)估與實時暫穩(wěn)計算，為保證裝置的運行可靠性，只有當真正處于威脅系統(tǒng)穩(wěn)定的故障時，以上2種計算才是必要的。暫穩(wěn)啟動判據(jù)動作特性如圖3所示，橫坐標為故障前功角，縱坐標為故障前功率減故障后功率。由折線abcde決定了暫穩(wěn)計算的啟動特性，給定(2，PZD0),并且給定線段bcd的斜率，對于任意給定的1和3，將唯一地確定暫穩(wěn)計算啟動區(qū)。圖3暫穩(wěn)計算啟動特性e. 變步長實時積分。實時積分中， 由于相同的程序代碼而執(zhí)行時間不完全相同(匯編語言)，采用了統(tǒng)計實際執(zhí)行時間的變步長積分。設(shè)積分步長為TL，采樣間隔為Ts，2次積分之間采樣間隔數(shù)為K，則TL=Ts.K；

17、只須記錄每次積分時采樣記數(shù)值Kn-1和Kn，則TL=Ts.(Kn-Kn-1),可確定積分步長。由于K值在中斷中更新，而在主程序中使用，可以推斷積分步長最大誤差為Ts(本裝置中Ts=1.667 ms)。3動模試驗3.1模型系統(tǒng)簡介動模試驗在西安交通大學(xué)動模試驗室進行，模型發(fā)電機的實際最大發(fā)電功率為4 kW,X*d=1.34(S=5 kVA),取發(fā)電機額定容量為2.5 kVA,則X*d折算為0.67，取模型系統(tǒng)基準容量為2 500×100/352.94=708.34(VA)，取基準電壓為400 V。動模實際接線圖見圖4。各短路點在首端1%和末端99%；ZL為線路阻抗圖4動模系統(tǒng)接線圖3.

18、2試驗項目及結(jié)論3.2.1電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)的實時跟蹤a. 系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，各線路是否運行、發(fā)電機出力、系統(tǒng)功角、極限能量的計算結(jié)果與測量結(jié)果對比。b. 系統(tǒng)正常運行，逐步調(diào)節(jié)發(fā)電機出力至線路過負荷，試各線路機的“過負荷”信號。c. 系統(tǒng)正常運行，在試驗b的基礎(chǔ)上，再無故障跳開一條線，試各線路機的“過負荷”信號。d. 系統(tǒng)兩條線運行，再投入一條線。e. 系統(tǒng)兩臺機、 三條線運行， 手動跳開一臺機。f. 系統(tǒng)一臺機運行、手動并車一臺機。試驗結(jié)果：裝置均能正確測量U，I，P，與表計誤差<3%，機組線路的投退均能正確判別。3.2.2靜穩(wěn)不足試驗a. 尋找兩臺機、三條線運行時的靜穩(wěn)不足功率

19、，試靜穩(wěn)不足報警信號。b. 尋找兩臺機、兩條線運行時的靜穩(wěn)不足功率，與試驗a相比較。c. 在試驗b的基礎(chǔ)上， 繼續(xù)加出力直至一次系統(tǒng)靜穩(wěn)破壞。實驗結(jié)果：裝置能夠自動根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化與運行狀態(tài)的變化，正確計算出Pe，max，在靜穩(wěn)儲備不足時報警。3.2.3暫態(tài)不穩(wěn)定試驗a. 下級線路故障，裝置起動但不失穩(wěn)。b. 本線路末端99%處故障，故障切除快，但不失穩(wěn)，給出結(jié)果。c. 本線路末端99%處故障，故障切除慢，失穩(wěn)，給出結(jié)果。d. 本線路末端99%處，故障切除慢，不控制就失穩(wěn)，切機后不失穩(wěn)，給出結(jié)果。e. 線路出口故障(兩條線運行)，切除故障線，裝置不控制，系統(tǒng)失穩(wěn)。f. 線路出口故障(兩條線運

20、行)，切除故障線，系統(tǒng)預(yù)測不穩(wěn)定切機后穩(wěn)定。g. 兩條線運行，無故障跳開一條線，裝置不控制，系統(tǒng)失穩(wěn)。h. 兩條線運行，無故障跳開一條線，裝置切機后，系統(tǒng)穩(wěn)定。試驗結(jié)果：裝置根據(jù)不同的故障地點、類型、切除后的網(wǎng)絡(luò)變化正確預(yù)測暫態(tài)穩(wěn)定性，并在投入裝置的控制壓板后自動選擇切機，使系統(tǒng)保持不失步。3.2.4動態(tài)不穩(wěn)定的實驗a. 兩條線運行，線路瞬時性故障，重合閘(三相)成功，系統(tǒng)穩(wěn)定。b. 兩條線運行，線路永久性故障，重合于故障再跳開(三相)，系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。試驗結(jié)果：裝置對于同步搖擺不失步不發(fā)解列命令，對于動態(tài)不穩(wěn)定在失步的第一或第二周期發(fā)出解列命令。3.2.5背側(cè)故障，裝置不誤動a. 背側(cè)母線故

21、障。b. 變壓器低壓側(cè)故障。3.3典型試驗和波形試驗1(見圖5)：兩臺機、兩條線運行(鐵馬甲線停運)，切機壓板未投。1號發(fā)電機出力：P=3.16 kW； Q=1.79 kvar2號發(fā)電機出力：P=3.26 kW； Q=1.00 kvar1為鐵嶺母線電壓包絡(luò)線；2為鐵馬乙線電流包絡(luò)線；3為鐵調(diào)線電流包絡(luò)線；4為2號機有功功率；5為“切2號機”信號；6為1號有功功率；7為“切1號機”信號；8為“解列1號機”信號(下各圖同)圖5鐵調(diào)線故障，切機壓板未投，裝置動作情況故障情況：鐵調(diào)線末端99%處(83，84)三相短路接地，0.4 s后切除鐵調(diào)線，一次系統(tǒng)暫態(tài)失穩(wěn)。裝置的動作情況：鐵調(diào)線線路機“故障檢出

22、”燈亮；后臺機“大擾啟動”燈亮，“切1號機”出口信號在故障發(fā)生后0.25 s發(fā)出；由于出口壓板未投，裝置判斷切1號機失敗，0.2 s后“切2號機”出口動作；由于出口壓板未投，系統(tǒng)失步，裝置“解列1號點”出口動作。試驗2(見圖6)：運行方式為發(fā)電機出力，故障情況同實驗1，并投入切機壓板(兩臺機的壓板)。一次系統(tǒng)切機后穩(wěn)定。圖6鐵調(diào)線故障，投入切機壓板，裝置動作情況裝置動作情況：鐵調(diào)線線路機“故障檢出”燈亮;后臺機“大擾啟動”燈亮，“切1號機”燈亮，1號發(fā)電機(出力小)被切除。說明：對照試驗1和試驗2，網(wǎng)絡(luò)拓撲、運行方式、擾動類型、大小完全相同的情況下，不控制，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性喪失，裝置及時采取控制

23、措施，一次系統(tǒng)經(jīng)大擾動后，仍可保持同步穩(wěn)定性。試驗3(見圖7)：重合成功，一次系統(tǒng)穩(wěn)定。圖7重合閘成功，裝置動作情況兩臺機，兩條線運行(鐵馬甲線停運)。1號發(fā)電機出力：P=2.19 kW； Q=1.59 kvar2號發(fā)電機出力： P=3.39 kW； Q=0.32 kvar故障情況：鐵調(diào)線末端99%處(83，84)三相短路接地，0.12 s后切除鐵調(diào)線，0.7 s重合成功，一次系統(tǒng)穩(wěn)定。裝置動作情況：鐵調(diào)線線路機“故障檢出”燈亮；后臺機“大擾啟動”燈亮，裝置整組復(fù)歸。試驗4(見圖8)：重合不成功，系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。圖8重合閘失敗，裝置動作情況運行方式為發(fā)電機出力，故障情況同試驗1，0.12 s切

24、除鐵調(diào)線，0.7 s重合于故障，0.8 s后再次切除鐵調(diào)線，一次系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。裝置動作情況：鐵調(diào)線線路機“故障檢出”燈亮;后臺機“大擾啟動”燈亮，“解列1號”、“解列2號”燈亮。通過以上兩個試驗，以及暫穩(wěn)實驗中由于壓板未投失穩(wěn)時動穩(wěn)判據(jù)的動作情況，可以得出如下結(jié)論：動穩(wěn)失步檢測可作為暫穩(wěn)判據(jù)可靠的后備判據(jù)；動穩(wěn)超前失步時能可靠動作；重合閘后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時可靠不動作；繼而動穩(wěn)經(jīng)長周期破壞時，在第一振蕩周期即可準確發(fā)出解列信號。4現(xiàn)場調(diào)試及試運行裝置于1997年10月運抵鐵嶺發(fā)電廠現(xiàn)場，對其進行了現(xiàn)場安裝和調(diào)試，主要進行了裝置交、直流輸入回路的測試以及現(xiàn)場的接線，1998年5月裝置已經(jīng)投入了試運行，運行情況良好。5結(jié)論本裝置經(jīng)過研制各方的努力，成功地完成了動模試驗，投入了現(xiàn)場試運行，實現(xiàn)了預(yù)期的功能。裝置集靜穩(wěn)儲備不足報警、電廠直接出線的過負荷控制、鐵嶺廠對系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制和動態(tài)穩(wěn)定控制于一體，構(gòu)成了一套完整的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。裝置主要有以