功率负荷不平衡保护误动原因分析

罗 宁， 何 青

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

功率负荷不平衡保护误动原因分析

罗 宁， 何 青

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

通过对机组功率负荷不平衡逻辑保护的异常动作所导致的机组跳闸事件进行分析，对于目前保护存在的问题和解决措施进行了详细的阐述和说明。首先根据机组甩负荷时超速逻辑保护动作曲线和对外部系统的影响曲线进行分析，其次还原了事故发生过程并对此进行分析对比，对机组功率负荷不平衡保护逻辑进行了分析。并且对所提及的PLU保护模块进行分析，由软件逻辑来实现功率负荷不平衡的保护，取消常规PLU模块，使得运行可靠。

功率负荷不平衡保护； 必要性； 探讨； 动作逻辑

0 引言

大型汽轮发电机组由于外部线路故障、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存在极大超速风险。汽轮机数字电液控制系统(Digital Electric Hydraulic Control System, DEH)中一般设置功率负荷不平衡保护(Power Load Unbalanced Protection, PLU)，以避免汽轮机超速，从而保护汽轮机及电网安全运行[1-2]。目前，国内的主流汽轮机厂上汽、东汽、哈汽等都设计了快关调门保护，其目的只是纯粹的抑制汽轮机转速的飞升，降低转速飞升的幅度，从而避免汽轮机超速跳闸[3-6]。

文献[7]对于东汽的汽轮发电机组甩负荷试验时超速逻辑保护动作的记录数据进行分析，给出了取消或保留PLU保护的条件。文献[8-10]分析了某电厂的两起机组PLU保护误动导致机组解列事件的原因，并探讨了相应的解决措施，对于抑制电网的振荡、迅速恢复其功率和保障汽轮机设备的安全等有一定的借鉴方法。文献[11]则通过应用电力系统的分析综合程序PSASP来进行仿真，分析了不同的负荷模型下对于电力系统暂态的稳定性的影响。文献[12-14]分析了1 000 MW汽轮发电机组控制系统的可靠性，分析了各种控制逻辑，不仅提高了机组的安全性，而且给国内同种类型的汽轮发电机组提供了参考和借鉴。

某电厂发电机组2015年4月因发电机出口电压互感器(Potential Transformer, PT)测量空开断开，DEH 3个功率信号为零，造成PLU保护误动作。本文将结合事件发生经过和模块设计原理，对保护误动原因及其影响因素、解决办法进行相应的探讨。针对此次机组的跳闸事件，对功率负荷不平衡逻辑保护的异常动作进行分析与研究。

1 PLU保护动作原理

PLU保护的动作逻辑如图1所示。PLU保护的动作逻辑为：当机械功率与发电机功率的差值大于额定值的32.2%，且电功率发生了瞬间减少(变化率大于32.2%/10 ms)时，此时PLU保护动作，快关高压调门，高压缸和中压缸的主汽阀维持不变[15-17]。

图1 功率负荷不平衡控制功能逻辑简图

发电机三相电流信号的处理、转换过程如图2 所示。汽轮机功率由中压缸第一级的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；发电机功率信号由电气电流互感器(CT)和电压互感器(PT)的三相电流/电压经3块功率变送器计算后提供给汽轮机保护模件。

图2 发电机三相电流模数转换器原理图

当汽轮机保护系统检测到PLU保护条件满足时，PLU保护将在15 ms内动作，快速关闭高、中压调节阀2 s。2 s后，PLU动作结束，伺服调节系统根据保护动作前指令或运行人员指令控制机组负荷。

关于快速关闭2 s后重新开启的动作过程如下：

(1)PLU保护动作时，高、中压调节阀均迅速地全关。如果机组的并网开关未断开，需快速地打开调节阀，避免机组出现“电动机”状态运行，或者触发电气“逆功率保护”动作。

(2)若系统出现瞬时性故障，故障快速消除后，为保证系统功率平衡，调速汽门必须及时打开。

图3为汽轮机保护模件PLU保护逻辑框图，每个汽轮机保护模件分别接收一个中压缸的第一级入口蒸汽压力测点和一个发电机功率信号，该保护采用三取二配置，当任何一个模件故障或任何一个信号故障保护均不会动作[18-19]。

图3 汽轮机保护模件PLU保护逻辑框图

2 事故过程分析

4月15日10∶17∶27，某电厂#1机组功率异常，造成特高压、渝鄂、鄂豫等联络线波动。

2.1事件发生前系统运行情况

机组为CCS控制方式，同时AGC投入，机组负荷为911 MW，主蒸汽压力为23.7 MPa，再热蒸汽压力为4.59 MPa，#1、#2高调门开度均在47.7%，#1、#2中调门全开，汽机转速2 999 r/min，给水2 580 t/h，燃料量337 t/h，A、B、C、E、F磨煤机运行，机组运行稳定。

华中负荷约1.05 亿kW；华北负荷约1.37 亿kW；重庆用电负荷854万kW；特高压南送线路179 万kW；川渝外送线路141 万kW；渝鄂送渝线路30万 kW；鄂豫送鄂线路137 万kW；鄂湘送湘线路120 万kW；鄂赣送赣线路215 万kW。

2.2事件发生经过

(1)10∶17∶27∶520～10∶17∶27∶560，出力从900 MW降至450 MW；

(2)10∶17∶27∶560～10∶17∶28∶000，出力维持450 MW；

(3)10∶17∶28∶000～10∶17∶28∶040，出力从450 MW降至0 MW；

(4)机组零功率维持13 s(其间有2次冲击)；

(5)10∶17∶40功率开始恢复，经过2.6 s后增至230 MW；

(6)机组有功230～250 MW持续26 s；

(7)经过1.1 s，有功恢复至970 MW。

第一阶段：有功功率为900～450 MW，时间为40 ms；

第二阶段：有功功率为450 MW，时间为持续440 ms；

第三阶段：有功功率为40～0 MW，时间为40 ms；

第四阶段：有功功率为0 MW(存在2次冲击)，时间为13 s；

第五阶段：有功功率为0～230 MW，时间为2.6 s；

第六阶段：有功功率为保持230～250 MW，时间为26 s；

第七阶段：有功功率为250～970 MW，时间为1.1 s。

10∶14∶38机组负荷由907 MW开始下降，10∶14∶39机组负荷降至0 MW，汽轮机保护模块转速卡件设置的PLU保护动作，高压、中压调门关闭至0，主汽压力上升至26.6 MPa，动作持续2 s；检查5011、5 012开关合闸正常。

10∶14∶40高加解列，原因是抽汽逆止门全关，汽轮机侧压力迅速下降导致高压加热器虚假水位高三值(此保护的目的是为了防止汽轮机超速)。

10∶14∶41第一次动作结束后高压、中压调门打开以维持汽轮机转速，但由于发电机负荷始终为0 MW，所以10∶14∶44 再次达到PLU保护动作值(中压进汽压力达到324 PSI)，PLU保护第二次动作，再次关闭高压、中压调门。事后查阅曲线，发现#1主变高压侧有功功率最高达到664 MW。

10∶14∶46第二次PLU保护动作结束后，高压、中压调门打开以维持汽轮机转速，但由于发电机负荷始终为0 MW，于10∶14∶49 再次达到PLU保护动作值(中压进汽压力达到332 PSI)，保护第三次动作关闭高压、中压调门。事后查阅曲线，发现#1主变高压侧有功功率最高达到689 MW。

10∶14∶51第三次动作结束后高压、中压调门打开以维持汽轮机转速，汽机PLU保护停止动作。事后查阅曲线，发现发电机负荷在10∶14∶51为10 MW；10∶14∶53为23 MW；10∶14∶54为135.55 MW；10∶15∶25最高升至1 050 MW(#1、#2中压调门全开)，负荷缓慢降低。之后运行人员手动调整，维持机组参数稳定。

整个过程中汽轮机转速最大值为3 005 r/min(时间10∶14∶49)，最小值为2 984 r/min(时间10∶14∶50)。

11点左右，机组稳定后重新对1号高压加热器液位进行检查发现，就地液位计浮球卡涩导致就地液位与远传液位偏差大，经处理后就地液位计显示正常，远方就地核对一致。

3 对系统的影响

3.1对系统频率的影响

事件发生前，全网频率为50.016 Hz左右，电厂出力减少后，系统各站点频率下降约0.06 Hz。南阳特、荆门特、恩施、道观河线路的频率变化如表1所示。

表1 华中电网频率变化

3.2对特高压长南Ⅰ线的影响

事故发生后，特高压长南Ⅰ线南送的首摆功率增加2 706 MW，首摆转移比101.7%，第二摆2 896 MW，第三摆达到最大值3 145 MW，功率增加1 357 MW，占电厂功率减少出力(903 MW)的152.3%。表2 为特高压线路长南Ⅰ线和南荆Ⅰ线的有功功率变化。

表2 特高压线路有功功率变化 MW

3.3对省间联络线的影响

华中各省间联络线的有功功率变化如表3所示。

表3 华中各省联络线功率波动 MW

由表3可知事故发生后，川渝断面的功率变化611 MW，占该电厂总功率减少(903 MW)的67.7%；渝鄂断面的功率变化1 105 MW，占该电厂总功率减少的122.4%；鄂豫断面功率变化1 272 MW，占该电厂总功率减少的140.9%。

3.4Prony方法分析

图4是长南Ⅰ线的有功功率变化曲线，图5是利用Prony法对长南Ⅰ线进行分析的结果。

图4 长南Ⅰ线有功功率变化曲线

图5 长南Ⅰ线Prony法分析结果

(1)长南Ⅰ线Prony分析

图6是南荆Ⅰ线的有功功率变化曲线，图7是利用Prony法对南荆Ⅰ线进行分析的结果。

图6 南荆Ⅰ线有功功率变化

(2)南荆Ⅰ线Prony分析

图7 南荆Ⅰ线Prony法分析结果

Prony算法的模型具有能较准确描述故障暂态信号特征、直接提取信号频率的优点。从图5和图7可以看出，通过Prony法分析的拟合曲线和原始曲线重合度比较高，即Prony法的精度还是比较高的。其功率变化行为与机组扰动时间、趋势一致，可确定本次波动是由该电厂#1机组异常运行所致。

4 事件原因分析

(1)经调查电气调试人员走错位置，误拉1号发电机出口PT柜内MCB1空开，导致发电机有功功率变送器失去测量电压，发电机功率由907 MW突降至0 MW，触发PLU保护动作。

(2)PLU保护动作后，由于发电机有功功率仍为零，延时2 s后高调及中调恢复开度，随着调门开启，功率增加，在3 s时间内PLU保护再次到达保护值动作。

(3)在PLU动作3次后，由于调试人员意识到了误操作，送上就地测量电压空开，发电机端有功功率测量正常，PLU保护不再动作，机组恢复稳定。

5 PLU保护问题及措施

5.1PLU保护存在的问题

(1)PLU保护的功率测量环节可靠性差，过于谨慎，增加了保护不必要动作的可能性。在系统故障等暂态工况下经常导致PLU保护误动。

(2)PLU保护设计有误操作的可能性较大，PLU动作后，因为没有设计FCB功能，往往导致MFT大扰动或逆功率保护动作的保护，对装置的可靠性和电网产生影响。

(3)在发电机运行的情况下，汽轮机迅速关闭控制，负荷突变，发电机转子和联轴器螺栓碰大扭矩，造成很大的应力。此外，当汽轮机快速关闭时，不知何故，发电机输出功率振荡，如果功率振荡周期类似于转子的扭振频率或调谐，就会引起转子的扭振共振，使转子损坏。

(4)当电信号有可能受到实际的影响时，电网短路故障信号、短路或电气方面的电流或发电机都可能受到影响，从而保护触发信号的值，热工保护的可靠性角度难以确保。

5.2PLU保护解决措施

(1)增加判断条件，防止保护误动。一是增加功率负荷微分判断条件；二是增加高转速判断条件，如增加转速大于3 018 r/ min的闭锁条件作为防止误动措施。

(2)改善功率信号采集系统，增加功率测量环节故障闭锁功能。如将常规功率变送器换成一种智能功率变送器，可以大大地提高功率信号采集的正确性。

(3)对同时设计有负荷下跌预测功能和PLU保护的机组，PLU保护可以取消；对同时设计有PLU和ACC保护的机组，若机组不具备FCB功能，建议取消PLU保护，并增加ACC保护动作后快关高调门的逻辑。

6 结论

(1)某电厂#1机组发生功率异常期间，出力在520 ms内从90万降至0万，3 s以后机组发生2次功率冲击(间隔约5 s)；经过13 s出力恢复至23万，经过43 s后恢复至97万。本次波动对系统频率影响不大(0.06 Hz)，特高压长南线及渝鄂等省间断面功率在此期间有功率波动，长南线最大波幅为136万，其功率变化行为与机组扰动时间、趋势一致，可确定本次波动是由该电厂#1机组异常运行所致。

(2)对文中所提及的该型号PLU模块，可以对该型号PLU 保护进行分析，即在DEH系统内，由软件逻辑来实现相应的功率负荷不平衡的保护，取消常规的PLU模块，使得运行更加可靠。

(3)在PLU保护汽轮机过程中，如何确保机组维持低负荷稳定运行的问题，整体设计应从锅炉汽轮机协调控制方面考虑，并确保在机组甩负荷试验的操作。

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Reason Analysis of Power Load Unbalance Protection Mal-operation

LUO Ning， HE Qing

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

The analysis of the tripping events caused by the abnormal operation of the unit load unbalance protection is carried out in this paper, and the existing problems and corresponding measurements of the protection action are illustrated. According to the ultra-speed logic protection action curve and impact of the external system curve data analysis when the unit load rejection occurred, the process of the accident is reproduced and then some analysis and comparisons have been conducted on the power load unbalance protection logic. And the PLU protection module mentioned in this paper is analyzed as well. The software logic is used to realize the protection of the power load unbalance, and the conventional PLU module is canceled, so that the operation is reliable. Finally the existing problems and corresponding measurements of power load unbalance protection are discussed in detail.

power load unbalance；necessity；discussion；logic of action

2017-05-31。

国家自然科学基金(51276059)；神华万州发电厂OPC、PLU保护对机组热力系统的影响分析和定值评估研究项目(1704-00213)。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.08.008

TK223；TM621

：A

：1672-0792(2017)08-0048-06

罗宁 (1994-)，男，硕士研究生，研究方向为电站设备故障诊断与状态监测、压缩空气储能技术。