地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運行安穩(wěn)策略分析

楊寶起

（新疆天富熱電股份有限公司電力調(diào)度所，新疆 石河子 832000）

“電網(wǎng)薄弱、大機(jī)小網(wǎng)、電廠接入電網(wǎng)方案不盡合理、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備容少、電網(wǎng)、電廠自動控制裝置不完善設(shè)置不合理”是多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)和用戶自備電網(wǎng)的現(xiàn)狀。只有增強(qiáng)系統(tǒng)資源整體配置，依靠安全穩(wěn)控控制裝置完善，提高系統(tǒng)抵御事故的能力，即使這樣也難以抵御系統(tǒng)在大的擾動下與主電網(wǎng)解網(wǎng)形成孤立電網(wǎng)后維持本電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。局部片區(qū)線路故障、惡略極端天氣的 發(fā)生以及因操作人員誤操而引起的電網(wǎng)事故作均可能導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。孤網(wǎng)運行的情況，系統(tǒng)頻率、電壓劇烈波動，如果控制措施不當(dāng)，極可能出現(xiàn)大面積停電或“黑網(wǎng)”事故。因此，探討孤網(wǎng)運行及安全穩(wěn)定控制策略，具有顯著的現(xiàn)實意義，也是薄弱地區(qū)電網(wǎng)和用戶自備電網(wǎng)的迫切需要。本文從闡釋孤網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與概念出發(fā)，結(jié)合孤網(wǎng)運行特性及安全穩(wěn)定控制現(xiàn)狀，并以本地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀及本地電網(wǎng)“7·26”電網(wǎng)事故保護(hù)和安穩(wěn)裝置動作情況，對孤網(wǎng)安全穩(wěn)定策略進(jìn)行分析。

1 “7·26”電網(wǎng)事故處理經(jīng)過

1）事故發(fā)生前石河子電網(wǎng)運行方式

（1）南熱電2爐2機(jī)運行，天河電廠2爐2機(jī)運行。發(fā)電總出力：850MW。

（2） 110kV明珠變側(cè)110kV明東線開關(guān)熱備用。

說明：因110kV南東線過載，因此將110kV明珠變側(cè)開關(guān)熱備用。

（3）全網(wǎng)用電總負(fù)荷：885MW；110kV瑪東雙線負(fù)荷：下網(wǎng)30MW。

（4）事故發(fā)生時間：2012年07月26日14時天氣：晴。

（5）石河子電網(wǎng)一次主接線簡圖及故障跳閘示意圖。

圖1 石河子電網(wǎng)一次接線簡圖

2）事故經(jīng)過

13:54 城東變報告110kV東泉線高頻零序、距離Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘，測距6.4km；故障相別：A相。

13:54 泉水地變報告110kV泉東線零序Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘，測距32km。

14:00 南熱電報告110kV南西線光纖差動保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，C相接地。

14:02 城西變報告110kV西南線光纖差動保護(hù)動作，開關(guān)跳閘。C相故障，無測距。

14:04 三級電站報告110kV三東線零序Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘。

14:04 城東變報告110kV三東線零序Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘。

同時報告瑪東Ⅰ、Ⅱ線潮流顯示為 0，判斷為解網(wǎng)。

14:04 南熱電報告區(qū)域穩(wěn)控動作，2#機(jī)出口開關(guān)跳閘。14:27并網(wǎng)正常。

14:12 調(diào)度令城東變 110kV東泉線試送電，14:13報告“手合出口保護(hù)動作”開關(guān)跳閘。

14:31 城北變報告110kV北明線相間距離Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘。

14:34 調(diào)度令明珠變110kV明東線送電，14:35送電正常。

14:30 調(diào)度申請中調(diào)110kV瑪東線并網(wǎng)。15:03 110kV瑪東線并網(wǎng)成功。

14:50 令四級35kV母聯(lián)并網(wǎng)，14:55并網(wǎng)正常。15:27令35kV母聯(lián)停電轉(zhuǎn)熱備用。15:30操作完畢。

14:57 令三級110kV三東線送電，15:01送電正常。

15:02 令城東變110kV三東線送電，15:03操作完畢。

15:03 令城西變110kV西南線試送電，15:04送電正常。

15:10 令南熱電110kV南西線送電，15:19送電正常。

15:24 城北變110kV北明線送電。

16:00 線路工區(qū)巡線人員報告 110kV三東線54#塔有絕緣子老化擊穿，申請停電報搶修單處理。21:34 110kV三東線缺陷處理完畢。

17:10 線路工區(qū)巡線人員報告 110kV東泉線25#塔處有翻斗車碰到線路，車主已被扣留。18:02 110kV東泉線兩側(cè)恢復(fù)送電。

17:25 電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)至事故發(fā)生前負(fù)荷。

此次事故造成市區(qū)及團(tuán)場變電站甩負(fù)荷達(dá)210MW，110kV瑪東線瑪電側(cè)負(fù)荷上網(wǎng)超過150MW。石河子電網(wǎng)和新疆電網(wǎng)解網(wǎng)運行約60min。

2 事故分析

按照電力規(guī)程有關(guān)規(guī)定，電網(wǎng)中單機(jī)容量應(yīng)小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%，以保證當(dāng)該機(jī)發(fā)生甩負(fù)荷時，不影響電網(wǎng)的正常運行。最大單機(jī)容量大于電網(wǎng)總?cè)萘康?%電網(wǎng)，即為小網(wǎng)。孤立運行的小網(wǎng)，即為孤網(wǎng)。簡單來講，孤網(wǎng)是指脫離大電網(wǎng)運行的小容量電網(wǎng)，孤網(wǎng)可分為以下幾種情況[1]：①網(wǎng)中有數(shù)臺機(jī)組并列運行，單機(jī)與電網(wǎng)容量比超過8%；②網(wǎng)中僅有一臺機(jī)組供電，稱為單機(jī)帶負(fù)荷；③甩負(fù)荷帶廠用電，稱為小島運行工況，是單機(jī)帶負(fù)荷的一種特例。孤網(wǎng)發(fā)生瞬間，孤網(wǎng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)組所發(fā)的功率和孤網(wǎng)地區(qū)內(nèi)所有負(fù)荷所消耗的受電功率之間存在功率差額，這個功率差額就是孤網(wǎng)不平衡功率ΔP。根據(jù)孤網(wǎng)瞬間運行狀態(tài)判斷包括兩種情況：一種是孤網(wǎng)不平衡功率等于文獻(xiàn)[2]零既發(fā)電與供電平衡或者發(fā)電與供電相差數(shù)值很小，孤網(wǎng)內(nèi)機(jī)組通過自身調(diào)整可正常運行；另外一種孤網(wǎng)既發(fā)電與供電不平衡功率較大，表現(xiàn)在以下兩個方面：①上網(wǎng)功率比例過大（ΔP＞0）引起孤網(wǎng)頻率升高；②地區(qū)電網(wǎng)受電功率過大（ΔP＜0）引起孤網(wǎng)頻率、電壓降低。

根據(jù)以上分析分析結(jié)合“7·26”事故經(jīng)過可得出結(jié)論：①石河子電網(wǎng)最大裝機(jī)容量330MW而電網(wǎng)負(fù)荷卻只有 885MW 屬于大機(jī)小網(wǎng)電網(wǎng)；②330MW機(jī)組和 220kV線路組成的小電網(wǎng)與石河子地區(qū)110kV主電網(wǎng)通過兩條110kV線路與新疆主電網(wǎng)連接，明顯屬于電網(wǎng)弱連接；③通過“7·26”事故現(xiàn)象分析石河子110kV主電網(wǎng)在大負(fù)荷情況下當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生N-2事故情況下，電網(wǎng)無法滿足運行條件，電力線路因無法承受事故潮流轉(zhuǎn)移過負(fù)荷跳閘引起連鎖跳閘事故導(dǎo)致電網(wǎng)事故；④由于負(fù)荷波動引起與新疆電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線穿越功率越線安全穩(wěn)定控制裝置動作解聯(lián)絡(luò)線，孤網(wǎng)內(nèi)不同片區(qū)負(fù)荷不平衡造成同一孤網(wǎng)內(nèi)再次分成若干孤網(wǎng)；⑤不同小孤網(wǎng)又因發(fā)電與供電負(fù)荷不平衡出現(xiàn)或高頻，或低頻的現(xiàn)象如果孤網(wǎng)內(nèi)安全穩(wěn)定控制自動裝置又因無法識別電網(wǎng)故障性質(zhì)，策略無法正確執(zhí)行直接導(dǎo)致電網(wǎng)“全黑”故障。

3 結(jié)合電網(wǎng)事故孤網(wǎng)運行安穩(wěn)控制策略研究

頻率穩(wěn)定是決定電力系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行的重要因素，它反映了電力系統(tǒng)中發(fā)電功率與負(fù)荷功率供需平衡的基本狀態(tài)。孤網(wǎng)運行就是如何解決在較大不平衡功率變化時保證孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定的問題。對應(yīng)于孤網(wǎng)運行情況孤網(wǎng)頻率控制目標(biāo)包括兩種情況：當(dāng)孤網(wǎng)不平衡功率很小時，網(wǎng)內(nèi)機(jī)組一次調(diào)頻必須滿足孤網(wǎng)中外界負(fù)荷的變化要求；當(dāng)孤網(wǎng)不平衡功率較大時，需要更加快速及穩(wěn)定的頻率控制即通過高頻切機(jī)或低頻切負(fù)荷來加以控制。

3.1 孤網(wǎng)運行的一次調(diào)頻控制

孤網(wǎng)運行的特殊性，要求此時機(jī)組的一次調(diào)頻具有更小的遲緩率、更大的調(diào)節(jié)幅度、更高的靈敏度和更快的動態(tài)響應(yīng)[3-5]。

當(dāng)“7·26”事故發(fā)生石河子地區(qū)電網(wǎng)對小機(jī)組一次調(diào)頻投入未作要求，作為發(fā)電廠更不愿意將一次調(diào)頻裝置投入不愿承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)頻責(zé)任所以當(dāng)事故發(fā)生后分片小孤網(wǎng)重新并網(wǎng)時由于調(diào)頻原因用時很長。事故后電網(wǎng)對全網(wǎng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)組按《新疆電網(wǎng)一次調(diào)頻運行管定》的要求將一次調(diào)頻投入。

也有研究表明，當(dāng)孤網(wǎng)運行時火電機(jī)組如果取消一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置、放開一次的調(diào)頻下限，可以提高一次調(diào)頻動作靈敏度，有利于孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。文獻(xiàn)[6]通過對一次調(diào)頻下限從放大到完全放開的各種場景進(jìn)行仿真計算，證明了該措施對孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的作用。

3.2 孤網(wǎng)運行下OPC定值設(shè)置

機(jī)組 DEH系統(tǒng)中的超速保護(hù)功能 OPC（Overspeed Protection Controller），是指當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速升到103%額定轉(zhuǎn)速時，通過快速關(guān)閉調(diào)節(jié)氣閥，使機(jī)組維持在額定轉(zhuǎn)速運行，避免轉(zhuǎn)速升高過快而遮斷停機(jī)[7]。OPC是防止汽輪機(jī)超速的第一道防線，是保證機(jī)組安全運行的重要保護(hù)措施。

石河子電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組OPC（超速保護(hù)控制）動作關(guān)調(diào)門定值采用不同機(jī)組差別化設(shè)定整定，避免了因達(dá)到動作定值后所有機(jī)組同時反復(fù)動作，直至電網(wǎng)崩潰。石河子電網(wǎng)機(jī)組OPC定值見表1。

表1 石河子電網(wǎng)機(jī)組OPC定值

差別化設(shè)置發(fā)電機(jī)組OPC定值，有效地減少了因孤網(wǎng)后造成頻率過高，發(fā)電機(jī)同時動作，造成電網(wǎng)低頻后相應(yīng)低頻減載裝置動作切負(fù)荷后頻率正常，各發(fā)電機(jī)OPC恢復(fù)正常，再次導(dǎo)致電網(wǎng)高頻重復(fù)動作，頻率反復(fù)拉鋸直到電網(wǎng)瓦解?！?·26”事故發(fā)生時石河子電網(wǎng)與新疆主電網(wǎng)解網(wǎng)后石河子孤網(wǎng)后內(nèi)部有形成兩個小孤網(wǎng)即石河子電網(wǎng)一次主接線簡圖及故障跳閘示意圖所表示#1部分和電網(wǎng)其余部分，其中#1部分為電網(wǎng)主力發(fā)電廠和大用戶集中部分，發(fā)電負(fù)荷在650MW而用電負(fù)荷在550MW左右當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時#1部分孤網(wǎng)高頻導(dǎo)致南熱電廠14:03 #2機(jī)穩(wěn)控裝置動作，#2機(jī)負(fù)荷從96MW降至到零，主蒸汽流量到零。#2機(jī) DEH顯示調(diào)速汽門關(guān)小，中、低壓旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉。機(jī)各段抽汽電動門、逆止門關(guān)閉。高加汽側(cè)解列語音報警出現(xiàn)。#2機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間上升后下降。14:05 #1機(jī)ETS畫面，汽機(jī)“超速報警”出現(xiàn)，負(fù)荷由98MW降至5.9MW，#1機(jī)OPC動作，DEH調(diào)速汽門關(guān)閉，OPC動作燈亮，各段抽汽逆止門電動門關(guān)閉，DCS上高加解列語音報警出現(xiàn)。14:06和 14:07 OPC動作三次，分別轉(zhuǎn)速3045r/min 3088r/min 3080r/min，轉(zhuǎn)速最低到2915r/min。南熱電機(jī)組OPC動作后配合低頻減載動作直至#1孤網(wǎng)片區(qū)穩(wěn)定運行。需要注意的是，這種方法也有一些缺點。因機(jī)組OPC定值設(shè)置較低的可能率先動作，因調(diào)門關(guān)閉的時間較長，引起主汽壓力升高，嚴(yán)重時可能觸發(fā)鍋爐的相關(guān)保護(hù)動作，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘文獻(xiàn)[8]。

3.3 孤網(wǎng)運行時的高頻切機(jī)與低頻、低壓減載

以火力發(fā)電機(jī)組為主的多機(jī)孤立運行電網(wǎng)中，當(dāng)過剩的負(fù)荷功率大于機(jī)組額定發(fā)電輸出功率時，電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題就不在是快速調(diào)節(jié)機(jī)組出力的問題，而是還要考慮機(jī)組高頻切機(jī)問題[9]。石河子電網(wǎng)用電負(fù)荷的特殊性既不可能長時間停電，高頻切機(jī)保護(hù)的投入應(yīng)與發(fā)電機(jī)OPC協(xié)調(diào)配置，過早的切機(jī)造成孤網(wǎng)片區(qū)所失用電負(fù)荷不能在短時間內(nèi)恢復(fù)對用戶造成的損失太大，由于有發(fā)電機(jī)OPC保護(hù)配合、穩(wěn)控裝置高頻切機(jī)切負(fù)荷配合，在目前情況下高頻切機(jī)未投入。

當(dāng)然當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電負(fù)荷旋轉(zhuǎn)備用足夠多，發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻足夠滿足電網(wǎng)安全運行時，作為發(fā)電機(jī)保護(hù)高頻切機(jī)還是應(yīng)該投入的。對于電網(wǎng)低頻問題，低頻減載是根本性解決措施。作為防止系統(tǒng)出現(xiàn)頻率崩潰的最后一道防線，它通過預(yù)先定值設(shè)定逐級跳所帶負(fù)荷，以恢復(fù)頻率至正常值。石河子電網(wǎng)低頻減載裝置的配置如下。

根據(jù)電力部《電力系統(tǒng)自動低頻減負(fù)荷技術(shù)規(guī)定》，按照自治區(qū)電力調(diào)度中心2012年低頻低壓減載總體方案的要求，結(jié)合石河子電網(wǎng)實際情況，制定2012年度石網(wǎng)低頻減載配置方案：石網(wǎng)低頻減載裝置共設(shè)置六個基本輪，頻率級差為 0.3Hz，動作時間為 0.3s，（49Hz/0.3s，48.7Hz/0.3s，48.4Hz/0.3s，48.1Hz/0.3s，47.8Hz/0.3s，47.5Hz/0.3s）和三個特殊輪（49Hz/15s，48.7Hz/15s，48.4Hz/15s）。

石網(wǎng)低頻減載切負(fù)荷的原則是：先切農(nóng)電，后切工業(yè)，最后切照明。石網(wǎng)主電網(wǎng)因季節(jié)變化要求，全網(wǎng)低頻減載裝置的配置分為冬、夏兩方案，夏季第一輪切荷量為最高負(fù)荷 9.29%，第二輪切荷量為最高負(fù)荷6.83%，第三輪切荷量為最高負(fù)荷8.7%，第四輪切荷量為最高負(fù)荷7.2%，第五輪切荷量為最高負(fù)荷5.17%，第六輪切荷量為最高負(fù)荷3.1%，六輪總切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的40.23%，三個特殊輪切荷量為最高負(fù)荷 4.17%，石河子電網(wǎng)夏季總切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的 44.4%。冬季第一輪切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的 3.5%，第二輪切荷量為最高負(fù)荷3.87%，第三輪切荷量為最高負(fù)荷5.06%，第四輪切荷量為最高負(fù)荷 4.02%，第五輪切荷量為最高負(fù)荷4.77%，第六輪切荷量為最高負(fù)荷 3.1%，六輪總切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的24.02%，三個特殊輪切荷量為最高負(fù)荷 3.85%，石河子電網(wǎng)冬季總切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的 27.9%。結(jié)合低頻減載設(shè)置還設(shè)置了低壓減載設(shè)置作為低頻減載的補(bǔ)充具體設(shè)置如下：石河子電網(wǎng)2012年低壓減負(fù)荷方案，設(shè)置了一個輪次，80%Ue，動作時間為5s。只投入110kV沙門子變、小拐變、炮臺變、西古城變、新安變五個變電站低壓減負(fù)荷裝置。夏季切荷量為總負(fù)荷的20.9%，冬季切荷量為總負(fù)荷的10.77%。結(jié)合“7.26”事故現(xiàn)象分析如石河子電網(wǎng)一次主接線簡圖及故障跳閘示意圖所示#1部分以外電網(wǎng)其余部分由于電廠出力原小于供電負(fù)荷，孤網(wǎng)后電網(wǎng)頻率下降導(dǎo)致第二輪低頻動作，切農(nóng)場變電所負(fù)荷 200MW 后達(dá)到發(fā)供平衡后電網(wǎng)基本平衡。而#1片區(qū)在南熱電 OPC動作后低頻動作切負(fù)荷60MW后孤網(wǎng)片區(qū)平衡。雖然電網(wǎng)配置低頻底裝置后可以有效減少頻率過低的問題，但也應(yīng)當(dāng)在設(shè)置低頻減載變電所處設(shè)置切負(fù)荷后切除電容器裝置以減少切負(fù)荷后電壓過高燒設(shè)備現(xiàn)象發(fā)生。

3.4 電力系統(tǒng)穩(wěn)控裝置設(shè)置

雖然電網(wǎng)可以通過保護(hù)裝置進(jìn)行切機(jī)切負(fù)荷保證電網(wǎng)安全，但是現(xiàn)在電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置的大量投入使用，也大大提高了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。從石河子電網(wǎng)安全穩(wěn)定裝置現(xiàn)狀分析，將各變電所低頻裝置量接入溫控裝置進(jìn)行計算可大大提高切負(fù)荷量的精細(xì)度，更合理安排電網(wǎng)切負(fù)荷量。但穩(wěn)控裝置在方式策略安排上如果沒有完全考慮所有事故將造成切錯機(jī)或切錯負(fù)荷造成事故擴(kuò)大。當(dāng)然在穩(wěn)控策略安排上有兩種分歧一是“簡單粗暴”針對現(xiàn)象進(jìn)行簡單的切機(jī)切負(fù)荷。二是復(fù)雜多樣既根據(jù)電網(wǎng)穩(wěn)定情況將電網(wǎng)穩(wěn)定計算、保護(hù)動作、暫態(tài)分析都和穩(wěn)控裝置結(jié)合達(dá)到精細(xì)化但缺點就是考慮的太多往往顧此失彼未能達(dá)到預(yù)期效果。筆者認(rèn)為：穩(wěn)定控制裝置只有在電網(wǎng)發(fā)展初期各項技術(shù)還不全面的情況下使用，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)展到一定程度就將其退出?！胺€(wěn)控裝置”就好比“吃藥”，電網(wǎng)身體不好的時候吃藥是為了健康，但電網(wǎng)身體健康了還“吃藥”就是在毒害身體。

4 結(jié)論

本文結(jié)合本地“7·26”事故，結(jié)合本地電網(wǎng)孤網(wǎng)運行情況對孤網(wǎng)運行穩(wěn)定策略進(jìn)行分析。將OPC差別化設(shè)置與低頻減載聯(lián)合設(shè)置結(jié)合應(yīng)用避免了本地電網(wǎng)在孤網(wǎng)后分成兩個孤網(wǎng)仍然達(dá)到穩(wěn)定運行。希望能為小電網(wǎng)和自備電網(wǎng)提供另一條孤網(wǎng)穩(wěn)定策略思路。

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