发电厂安全稳定紧急控制装置的研制

1、发电厂安全稳定紧急控制装置的研制装置及实验张保会钱国明阎海山陶家琪王钢摘要：作为“发电厂安全稳定紧急控制装置的研制原理及算法”的续篇，主要介绍了WAW-1型安全稳定紧急控制装置的实现技术及动模试验结果。装置以分层分布式多CPU系统模块构成，以公用内存方式实现高速通信，以软硬件配合解决多CPU系统的同步采样、同数据窗计算和同步计算状态转换的技术问题。动模试验结果表明，装置能够跟踪发电厂送出线运行方式、运行状态的变化，线路过负荷正确报警。系统故障时能正确预测暂态稳定性并快速投入切机措施保证系统不失稳。对于动态不稳定，装置能正确检出失步并起动解列，达到了预期的控制要求。关键词：安全稳定控制装置；动模

2、实验；并行通信分类号：TM 621.6文献标识码：A文章编号：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引言东北铁岭发电厂的两台30万kW机组通过三回220 kV出线与系统相连，其中两回同杆架设，稳定计算表明，当一回出线检修，另一回出线发生故障时，有可能引起铁岭发电厂稳定性的破坏，因此我们研制了一套发电厂安全稳定紧急控制装置，在必要时采取紧急控制措施，来保证电厂对系统的同步稳定性。考虑到装置具有良好的扩展性，装置的硬件系统采用了模块化设计，在设计时留有足够的扩展位置，以适应电网发展的要求，并且易于现场的运行维护。装置引入发电厂母线电压、3条出线的电流以及2台发电机的出口电

8、流，根据测量到的电压和电流量实时计算正常运行时的潮流以及线路和机组的运行状态，在线路过负荷时发出报警信号及自动关小主汽门。在系统静态稳定储备不足时，发出信号，提示运行人员注意。在线路发生故障时独立地判断故障距离、故障类型，来预测扰动消除后的网络拓扑，预测系统暂态稳定性并快速选择合适的机组进行切机控制。对于动态稳定的监视、失步检出、解列控制，保证电厂和系统之间不发生失步振荡。1装置的硬件构成稳定控制的目标是确保电网在事故状态下的安全性与稳定性，要实现这一目标，必须掌握能够反应以下3项内容的信息：扰动前全系统的网络拓扑、开机方式及运行状态；扰动对全系统各机组的影响；扰动清除后全系统的网络拓扑、开机

9、方式的变化。针对控制要求，装置的硬件结构采用了主从式的多CPU系统，每个CPU系统由8086主芯片、STD总线构成，各自完成不同的任务。a. 线路前置机单元。每条出线配置1台线路前置机单元，计算本线路正序电压、电流、三相有功功率，并且判别本线路是否投运。每次电压、电流、功率更新后，或者线路的运行情况发生改变后，线路前置机单元要将这些信息传送给通信管理机进行汇总。在采样中断后，线路前置机还要进行故障检出，故障检出后便转入故障处理，预估故障切除后网络拓扑的变化，计算故障发生后线路正序电压、电流和基波正序有功功率，将计算结果送给通信管理机，供后台控制机进行暂稳或动稳判断使用。故障清除后若线路带有重合

10、闸，则要监视重合闸的起动，将重合成功与否的情况报告给通信管理机。b. 机组单元。装置配1台机组单元，测量母线电压和发电机变压器组高压侧A，C相电流，利用两瓦计法计算2台发电机的出力；根据电流判断发电机是否投运，并将结果送给通信管理机， 作为网络拓扑跟踪依据及故障处理时切机量计算依据。故障处理期间，机组单元时刻监视发电机投切情况，将结果传送给管理机，作为后台机切机、解列执行结果的监视手段。c. 通信管理机单元。通信管理机是整个装置系统的管理中心，是前置机和后台机进行信息交换的枢纽。并且和前置机、后台机之间进行互检，监视各CPU工作的情况；同时通过机间通信，将各线路前置机单元、机组单元传送来的电压

11、、电流和功率进行汇总、检查和预处理，然后再传送给后台机；通信管理机控制装置各前置机采样、故障处理的同步性。d. 后台控制机。后台控制机输入的数据为经过通信管理机汇总后的电压、电流、功率和各线路及机组单元的投运信息(网络拓扑)，根据这些数据和信息，实时计算本电厂对等值系统的功角，及其它稳定性指标，运用前文介绍的电力系统模型和算法，完成静稳储备不足报警，暂态不稳定的预测以及检测系统的动态稳定性等，根据预测结果进行切机量的计算，发出切机、快关、解列、线路过负荷关主汽门等控制命令。e. 装置的主从通信系统。由于本装置采用在线实时计算的控制方式，计算所要使用的信息量非常大，每台前置机要将每周期计算的线路

12、正序电压、电流、功率，线路的投运信息以及机组的输出功率和投运信息传送给通信管理机，由其将所有线路前置机和机组单元的信息进行汇总、检错、纠错处理，然后传送给后台控制机。如果将这么多的信息以串行通信的方式进行传输，显然不能够满足装置快速实时的要求(粗略地估计，串行通信速率要达到187.5 kbit/s，才能满足要求，而如此高的通信速率要满足传输的可靠性是很困难的)。因此本装置采用了公共内存的方案，使得机间通信以并行方式进行。通信管理机与其余各前置机单元之间有一个2 k字节的公用RAM区，设在每个从机各自的CPU板上，但通过特殊的总线控制，通信管理机与各个从机对这块RAM区都享有读、写权利，机间通信

13、也就靠它完成。其间的硬件连接如图1所示。图1主从机通信硬件连接示意图这种机间通信，从通信过程来看，类似于DMA方式。经过长时间的调试，通信速度和可靠性令人满意，通信过程读写1个字节的时间为4 s，满足装置实时通信的要求。2装置的软件实现后台机计算系统功角及视在电阻时都需要使用全发电厂的电流而不是某条线路的电流。必须对各线路电流进行向量求和，因而各前置机必须同步采样和同数据窗计算。由于采用多CPU系统，也使得各前置机的同步采样、同步计算、同步进入故障处理成为3个突出的同步性问题。a. 同步定时采样。通信管理机具有定时中断机构，当它进入定时中断并进行必要的操作后，向全部从机同时发出非屏蔽中断申请，

14、从机响应后同时执行采样中断服务程序。b. 同数据窗的计算。各从机利用同步采样中断进行计数，按照相同的规定时刻(如每3周期计算1次)利用相同时间间隔的采样数据进行电压、电流、功率的计算，并写入公用RAM区；主机在两次计算之间适当的时刻，将各从机公用RAM区邮箱中的电流、功率进行汇总，原理上保证了计算的同步性。为了防止不可预料原因导致的从机采样不同步，通信管理机在以上各量值汇总时，利用正序电压相角进行从机采样同步性检查，即全部从机电压相角差值必须小于给定的值(全部从机所采用电压为同一电压值)。c. 同步转入故障处理。由于正常状态下计算参量与故障状态下计算参量不相同，当系统有故障发生后，各前置机不一

15、定同时检出故障，为保证计算参数的一致，必须同步转入故障处理。所谓同步转入故障处理，并不是同时转入故障处理，其本质意义在于：使全部从机以同一个时刻作为故障发生时刻，即故障数据的起点。处理过程如图2所示，CNT为特殊的计数器，主机响应突发事件中断时，置CNT=3,由于主机必须依次写入CNT值及RSTB=“F”，故必须意识到，从开始到结束的时间间隔。所以CNT是在定时中断中更新的，不同时刻写入不同从机的CNT可能不同，保证了故障起始点等于当前计时减CNT的准确性，从机转入故障处理时，根据以上关系，可准确确定故障数据的起点，确保转入故障处理的同步性及计算的同步性。图2同步转入故障处理d. 变门槛的P故

16、障起动。前置机故障检出，并不意味着一定要进行暂稳预估与实时暂稳计算，为保证装置的运行可靠性，只有当真正处于威胁系统稳定的故障时，以上2种计算才是必要的。暂稳启动判据动作特性如图3所示，横坐标为故障前功角，纵坐标为故障前功率减故障后功率。由折线abcde决定了暂稳计算的启动特性，给定(2，PZD0),并且给定线段bcd的斜率，对于任意给定的1和3，将唯一地确定暂稳计算启动区。图3暂稳计算启动特性e. 变步长实时积分。实时积分中， 由于相同的程序代码而执行时间不完全相同(汇编语言)，采用了统计实际执行时间的变步长积分。设积分步长为TL，采样间隔为Ts，2次积分之间采样间隔数为K，则TL=Ts.K；

17、只须记录每次积分时采样记数值Kn-1和Kn，则TL=Ts.(Kn-Kn-1),可确定积分步长。由于K值在中断中更新，而在主程序中使用，可以推断积分步长最大误差为Ts(本装置中Ts=1.667 ms)。3动模试验3.1模型系统简介动模试验在西安交通大学动模试验室进行，模型发电机的实际最大发电功率为4 kW,X*d=1.34(S=5 kVA),取发电机额定容量为2.5 kVA,则X*d折算为0.67，取模型系统基准容量为2 500×100/352.94=708.34(VA)，取基准电压为400 V。动模实际接线图见图4。各短路点在首端1%和末端99%；ZL为线路阻抗图4动模系统接线图3.

18、2试验项目及结论3.2.1电力系统正常运行状态的实时跟踪a. 系统正常运行状态下，各线路是否运行、发电机出力、系统功角、极限能量的计算结果与测量结果对比。b. 系统正常运行，逐步调节发电机出力至线路过负荷，试各线路机的“过负荷”信号。c. 系统正常运行，在试验b的基础上，再无故障跳开一条线，试各线路机的“过负荷”信号。d. 系统两条线运行，再投入一条线。e. 系统两台机、 三条线运行， 手动跳开一台机。f. 系统一台机运行、手动并车一台机。试验结果：装置均能正确测量U，I，P，与表计误差<3%，机组线路的投退均能正确判别。3.2.2静稳不足试验a. 寻找两台机、三条线运行时的静稳不足功率

19、，试静稳不足报警信号。b. 寻找两台机、两条线运行时的静稳不足功率，与试验a相比较。c. 在试验b的基础上， 继续加出力直至一次系统静稳破坏。实验结果：装置能够自动根据网络拓扑的变化与运行状态的变化，正确计算出Pe，max，在静稳储备不足时报警。3.2.3暂态不稳定试验a. 下级线路故障，装置起动但不失稳。b. 本线路末端99%处故障，故障切除快，但不失稳，给出结果。c. 本线路末端99%处故障，故障切除慢，失稳，给出结果。d. 本线路末端99%处，故障切除慢，不控制就失稳，切机后不失稳，给出结果。e. 线路出口故障(两条线运行)，切除故障线，装置不控制，系统失稳。f. 线路出口故障(两条线运

20、行)，切除故障线，系统预测不稳定切机后稳定。g. 两条线运行，无故障跳开一条线，装置不控制，系统失稳。h. 两条线运行，无故障跳开一条线，装置切机后，系统稳定。试验结果：装置根据不同的故障地点、类型、切除后的网络变化正确预测暂态稳定性，并在投入装置的控制压板后自动选择切机，使系统保持不失步。3.2.4动态不稳定的实验a. 两条线运行，线路瞬时性故障，重合闸(三相)成功，系统稳定。b. 两条线运行，线路永久性故障，重合于故障再跳开(三相)，系统动态不稳定。试验结果：装置对于同步摇摆不失步不发解列命令，对于动态不稳定在失步的第一或第二周期发出解列命令。3.2.5背侧故障，装置不误动a. 背侧母线故

21、障。b. 变压器低压侧故障。3.3典型试验和波形试验1(见图5)：两台机、两条线运行(铁马甲线停运)，切机压板未投。1号发电机出力：P=3.16 kW； Q=1.79 kvar2号发电机出力：P=3.26 kW； Q=1.00 kvar1为铁岭母线电压包络线；2为铁马乙线电流包络线；3为铁调线电流包络线；4为2号机有功功率；5为“切2号机”信号；6为1号有功功率；7为“切1号机”信号；8为“解列1号机”信号(下各图同)图5铁调线故障，切机压板未投，装置动作情况故障情况：铁调线末端99%处(83，84)三相短路接地，0.4 s后切除铁调线，一次系统暂态失稳。装置的动作情况：铁调线线路机“故障检出

22、”灯亮；后台机“大扰启动”灯亮，“切1号机”出口信号在故障发生后0.25 s发出；由于出口压板未投，装置判断切1号机失败，0.2 s后“切2号机”出口动作；由于出口压板未投，系统失步，装置“解列1号点”出口动作。试验2(见图6)：运行方式为发电机出力，故障情况同实验1，并投入切机压板(两台机的压板)。一次系统切机后稳定。图6铁调线故障，投入切机压板，装置动作情况装置动作情况：铁调线线路机“故障检出”灯亮;后台机“大扰启动”灯亮，“切1号机”灯亮，1号发电机(出力小)被切除。说明：对照试验1和试验2，网络拓扑、运行方式、扰动类型、大小完全相同的情况下，不控制，系统暂态稳定性丧失，装置及时采取控制

23、措施，一次系统经大扰动后，仍可保持同步稳定性。试验3(见图7)：重合成功，一次系统稳定。图7重合闸成功，装置动作情况两台机，两条线运行(铁马甲线停运)。1号发电机出力：P=2.19 kW； Q=1.59 kvar2号发电机出力： P=3.39 kW； Q=0.32 kvar故障情况：铁调线末端99%处(83，84)三相短路接地，0.12 s后切除铁调线，0.7 s重合成功，一次系统稳定。装置动作情况：铁调线线路机“故障检出”灯亮；后台机“大扰启动”灯亮，装置整组复归。试验4(见图8)：重合不成功，系统动态不稳定。图8重合闸失败，装置动作情况运行方式为发电机出力，故障情况同试验1，0.12 s切

24、除铁调线，0.7 s重合于故障，0.8 s后再次切除铁调线，一次系统动态不稳定。装置动作情况：铁调线线路机“故障检出”灯亮;后台机“大扰启动”灯亮，“解列1号”、“解列2号”灯亮。通过以上两个试验，以及暂稳实验中由于压板未投失稳时动稳判据的动作情况，可以得出如下结论：动稳失步检测可作为暂稳判据可靠的后备判据；动稳超前失步时能可靠动作；重合闸后系统趋于稳定时可靠不动作；继而动稳经长周期破坏时，在第一振荡周期即可准确发出解列信号。4现场调试及试运行装置于1997年10月运抵铁岭发电厂现场，对其进行了现场安装和调试，主要进行了装置交、直流输入回路的测试以及现场的接线，1998年5月装置已经投入了试运行，运行情况良好。5结论本装置经过研制各方的努力，成功地完成了动模试验，投入了现场试运行，实现了预期的功能。装置集静稳储备不足报警、电厂直接出线的过负荷控制、铁岭厂对系统的暂态稳定控制和动态稳定控制于一体，构成了一套完整的安全稳定控制系统。装置主要有以