某區(qū)級電網(wǎng)準同期并列問題的分析與應(yīng)用

任明遠，崔慧明，宋德琦，王學(xué)斌

（1.國網(wǎng)白銀市供電公司，甘肅 白銀 730900；2.國網(wǎng)蘭州供電公司，蘭州 730070）

現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展趨勢是互聯(lián)［1］。從安全穩(wěn)定運行的角度來看，電網(wǎng)規(guī)模越大、結(jié)構(gòu)越合理，抵御外界干擾的能力就越強，經(jīng)濟效益和供電可靠性也就越高［2－5］；但過大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也帶來了許多新的問題［6－7］。除了穩(wěn)定問題之外，電網(wǎng)在運行時，有很多原因可以導(dǎo)致大電網(wǎng)解列為幾個小網(wǎng)孤立運行［8－9］。

某地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)，在D 變—H 變—S變—W 水電廠—T 變—D 變110 kV 環(huán)網(wǎng)內(nèi)，在 W 水電廠1101、1102、1100、1113、1114五個間隔和H 變1100母線聯(lián)絡(luò)斷路器（以下簡稱母聯(lián)）、1120 DH 線、1112HS二線間隔實現(xiàn)同期操作，在自然災(zāi)害或外力破壞情況下，容易引起W 水電廠孤網(wǎng)運行，不但使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變?nèi)?，而且使供電可靠性大大降低。為了安全順利地使解列的小網(wǎng)重新聯(lián)網(wǎng)運行，掌握電網(wǎng)的準同期并列的措施是十分有必要的。

1 某區(qū)級電網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

某區(qū)級電網(wǎng)位于西北電網(wǎng)中G 電網(wǎng)中北部，地處N 電網(wǎng)和L 電網(wǎng)之間，是連接G 和N 電網(wǎng)的樞紐電網(wǎng)，骨干網(wǎng)架形成330kV、220kV 為主網(wǎng)架的大型區(qū)域電網(wǎng)，110kV 網(wǎng)絡(luò)形成4個片區(qū)網(wǎng)絡(luò)。該地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)35kV 及以上變電站122座，主變?nèi)萘?39.72萬kVA，網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)調(diào)裝機容量4 410.4 MW，其中火電3 440 MW，水電464.5 MW，風電436 MW，光伏69.9 MW；圖1為該地區(qū)電網(wǎng)110kV 環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

1.2 孤網(wǎng)運行情況分析

從圖l中可以看出，W 水電廠由1113WS一線、1114WS二線雙回線并列運行，通過S變上網(wǎng)輸送電量，異常情況下若1120DH 線和1120SS線同時發(fā)生故障，W 水電廠將與大電網(wǎng)失去互聯(lián)，孤網(wǎng)運行。因主網(wǎng)線路故障而形成孤網(wǎng)系統(tǒng)時，W 水電廠發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)可靠動作，變電站低頻低壓減載裝置正確的、按次序逐步切除部分負荷，使孤網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定下來。此時，孤網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)等自動裝置可靠穩(wěn)定、發(fā)電機組的出力與負荷基本平衡，孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。

孤網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行可以確保孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的重要用戶不停電，但孤網(wǎng)系統(tǒng)無法長期保持穩(wěn)定運行，在故障處理完成后，調(diào)度員需要將孤網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)到主網(wǎng)系統(tǒng)中來。孤網(wǎng)系統(tǒng)與主網(wǎng)恢復(fù)并網(wǎng)需要注意電網(wǎng)的同期條件，兩個電網(wǎng)之間的頻率、電壓、相位可能存在偏差，無視同期條件的合閘操作會引發(fā)更大規(guī)模的故障。

2 同期情況分析

2.1 同期情況分類及特點

電網(wǎng)同期通常有2種情況：其一是差頻并網(wǎng)，指2個獨立運行著的電網(wǎng)之間通過一條線路同期并聯(lián)；其二是同頻并網(wǎng)，指同一電網(wǎng)中2個變電站之間再投入一條線路的同期并聯(lián)。

差頻并網(wǎng)的特點是待并列斷路器兩側(cè)不僅存在著電壓差，而且還存在著頻率差和變化著的相角差，差頻并網(wǎng)要通過準同期方式完成；同頻并網(wǎng)的特點是待并列斷路器兩側(cè)電壓的頻率相等，頻差為零，壓差存在，相角差是一個固定值，同頻并網(wǎng)需要解決電網(wǎng)的合環(huán)（環(huán)并）問題。

2.2 同期并列要因分析

在實際電網(wǎng)并列過程中，除了壓差是固有的以外，由于兩個電網(wǎng)的頻率也不可能完全一致，導(dǎo)致在并列點處的相角差也隨著兩側(cè)頻差的存在而呈現(xiàn)周期性的變化，因此，研究兩側(cè)的壓差、頻差和相角差對于電網(wǎng)的并列具有非常重要的意義。圖2為兩個電網(wǎng)同期并列接線示意圖及相量圖。圖中，QF 為同期并列的聯(lián)絡(luò)斷路器，U1和U2分別是兩個電網(wǎng)在并列點的電壓，X1和X2分別是兩個電網(wǎng)到并列點的等效電抗。

假定兩個電網(wǎng)的電壓都是標準的正弦波，ω1、ω2分別是兩個電網(wǎng)電角速度，φ1、φ2分別為兩個電網(wǎng)電壓初相角，其瞬時值分別為：

圖1 某地區(qū)110kV環(huán)網(wǎng)接線示意圖

圖2 兩個電網(wǎng)同期并列接線示意圖及相量圖

2.2.1 壓差對沖擊電流的影響

電壓差計算公式為：

從圖2可知，由脈動電壓ΔU產(chǎn)生的沖擊電流為：

假設(shè)U1＝U2＝U，其中δ是系統(tǒng)的功角，則其大小為：

2.2.2 相角差對沖擊電流的影響

由式（1）可得系統(tǒng)兩側(cè)發(fā)電機在任意時刻的相角差為：

因此，從沖擊電流產(chǎn)生的機理上可以看出，發(fā)電機在并網(wǎng)時的沖擊電流是兩個電網(wǎng)之間的相互作用。只要產(chǎn)生沖擊電流，兩個相連的電網(wǎng)之間就必然會出現(xiàn)有功功率或無功功率的交換，而且這一交換是瞬時發(fā)生的，對兩個電網(wǎng)都有不同程度的影響。一般而言，電網(wǎng)越大、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越合理，其承受沖擊的能力就越強；反之，電網(wǎng)越小、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)越不合理，承受沖擊的能力就越弱。

在實際運行中，電壓差和頻率差兩個要素與相位差相比，對于系統(tǒng)的影響相對要小，因為電壓和頻率較容易滿足準同期要求，因此，電網(wǎng)并列的準同期操作過程，實際上就是同期裝置捕捉相角差δ為零的過程，而電壓差和頻率差僅僅是作為同期時的限定條件。

目前，該地區(qū)電網(wǎng)在H 變1100母聯(lián)上安裝了PSS 660 數(shù)字式自動準同期裝置。在整定計算過程中，對電壓差和頻率差整定值如下：－5V≤（Ug－Us）≤5V；－0.25 Hz≤（fg－fs）≤0.25 Hz（其中Ug和Us分 別為G、N 兩 電 網(wǎng) 的 母 線 電 壓，fg和fs為其頻率），允許合環(huán)角15°；在進行電網(wǎng)間的同期并列過程中，由于初始相角無法控制，即使電壓差ΔU滿足同期要求，也很容易出現(xiàn)相角差δ不滿足準同期要求而使聯(lián)網(wǎng)操作無法成功。在這種情況下，唯一的方法就是調(diào)整某一側(cè)電網(wǎng)機組的出力或?qū)^大負荷進行投切來使其頻率發(fā)生微小的改變，使之滿足同期條件，然后再進行同期捕捉。如果超過同期復(fù)歸時間后仍未捕捉到同期，裝置會報同期超時失敗，使得同期操作難以成功。綜上所述，出現(xiàn)這種情況是必然的，在頻率差很小時，只能通過多次操作來確保同期操作的成功，這在該地區(qū)電網(wǎng)事故處理期間進行電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)操作時就曾出現(xiàn)過。

3 頻率、電壓調(diào)整方法

3.1 頻率調(diào)整方法

調(diào)頻率就是調(diào)整功率平衡。調(diào)整的主要手段是調(diào)節(jié)發(fā)電機機端出力和調(diào)整受電側(cè)負荷，使發(fā)電、供電趨向平衡。當小電網(wǎng)與大電網(wǎng)解列后，小電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電機組根據(jù)功率平衡情況自行增減水輪機進水量，從而實現(xiàn)一次調(diào)頻，一次調(diào)頻是有差調(diào)頻，還需要進行自動發(fā)電控制（AGC）或調(diào)頻器調(diào)節(jié)，進行二次調(diào)頻。

小電網(wǎng)調(diào)頻的方法及手段要根據(jù)實際情況靈活掌握。小電網(wǎng)調(diào)頻操作的步驟是：首先利用小電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機調(diào)頻，以頻率過低為例，應(yīng)先投入備用發(fā)電機發(fā)電，按照事故情況下帶負荷能力增大運行機組出力，增加機端出力。如果投入備用機組、增加出力仍然不能滿足頻率要求，則只能按照批準的事故拉閘限電序位表有序拉閘，進行負荷側(cè)功率調(diào)整。功率調(diào)整遵循“頻率－負荷”變化規(guī)律，一般使用“二五”比率，即電網(wǎng)負荷變化5%，頻率變化2%，即負荷頻率變化率比值為2.5。

如果獨立小電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)，正常大電網(wǎng)數(shù)萬甚至數(shù)十萬千瓦的功率波動，頻率變動都微乎其微，所以正常情況下大電網(wǎng)進行調(diào)頻不現(xiàn)實，也會擴大影響，因此，通常情況下調(diào)頻操作只由獨立小電網(wǎng)完成。在獨立小電網(wǎng)頻率偏低的情況下，一方面提高獨立小電網(wǎng)機組出力，另一方面限制小電網(wǎng)負荷，使小電網(wǎng)有功功率平衡，從而提升頻率，滿足同期條件。調(diào)整幅度要適量，根據(jù)計算數(shù)據(jù)逐漸調(diào)控負荷，不能盲目調(diào)整，避免因調(diào)整不當造成獨立小電網(wǎng)崩潰。

3.2 電壓調(diào)整方法

電壓調(diào)整的常用方法一般有以下幾種：增減無功功率調(diào)壓，改變有功功率和無功功率調(diào)壓，改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)壓，通過靜止無功補償器調(diào)壓，特殊情況下采用調(diào)整用電負荷或限負荷調(diào)壓。如果獨立小電網(wǎng)電壓異常，則在調(diào)整獨立小電網(wǎng)的同時可以調(diào)整正常電網(wǎng)的同期點電壓。以獨立小電網(wǎng)電壓過高為例，一般情況下，由獨立網(wǎng)內(nèi)發(fā)電廠根據(jù)電壓自行調(diào)整，減少無功出力，降低機端電壓，同時可以調(diào)整正常電網(wǎng)電壓，將正常電網(wǎng)的電容器組投入，調(diào)整主變分接頭，從而調(diào)高正常電網(wǎng)同期點的電壓，使電壓滿足同期條件；反之，小電網(wǎng)電壓過低時，進行相反的操作，但獨立小電網(wǎng)不宜進行容量過大的電容器組、電抗器的投切，避免大的功率擾動對小電網(wǎng)造成沖擊，威脅小電網(wǎng)穩(wěn)定，甚至使小電網(wǎng)電壓崩潰。

在該地區(qū)電網(wǎng)中，W 水電站孤網(wǎng)運行情況下進入小網(wǎng)模式運行，電網(wǎng)振蕩較大，對水電機組沖擊較大，甚至會造成水電機組的損壞，因此，需要水電機組迅速保持穩(wěn)定，盡一切能力保障水電機組的運行，防止因水電機組解列而導(dǎo)致脫網(wǎng)運行。

4 防范措施

4.1 加強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，加裝保護以及同期并列裝置

D 變到H 變增加一回線路，加強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；建議1120DH 線加裝光差保護，當線路發(fā)生故障時能快速切除故障實現(xiàn)全線速斷，避免保護失配造成越級跳閘，縮小停電范圍，減少對電網(wǎng)的影響；在T變、D 變、S變加裝同期并列裝置。

4.2 加強對孤網(wǎng)運行的負荷特性分析與研究

在孤網(wǎng)形成以后，孤網(wǎng)運行處于一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)，在該地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)，硅鐵、電石等高耗能負荷在總用電負荷中所占比重大，產(chǎn)品生產(chǎn)與出爐時負荷變化快，高耗能負荷的突然變化造成孤網(wǎng)的電網(wǎng)崩潰也是重要原因之一。針對網(wǎng)內(nèi)各類高耗能用戶負荷特性，加強對其用電時段、負荷運行曲線及電網(wǎng)運行影響的分析與研究，總結(jié)規(guī)律，制定針對性防范措施與保供電預(yù)案，把電網(wǎng)影響用戶供電因素及用戶負荷影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行的因素均降至最小，更利于電網(wǎng)調(diào)度順利進行。

4.3 增強調(diào)度員對電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的事故處理能力

增強調(diào)度員對電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的事故處理能力，要求每一位調(diào)度員學(xué)習和研究孤網(wǎng)運行方案，特別是要增強每一位調(diào)度員學(xué)習孤網(wǎng)運行初期的運行特點，掌握電網(wǎng)事故解列后孤網(wǎng)運行的明顯特征，在發(fā)生事故時做出準確判斷，及時匯報、溝通，并在此基礎(chǔ)上要求調(diào)度員加強電網(wǎng)孤網(wǎng)運行事故處理預(yù)案的學(xué)習，使各級專業(yè)人員做到反應(yīng)快、聯(lián)系快、操作快。

在該地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)孤網(wǎng)運行情況下，首先應(yīng)采取有力措施保障電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，確保孤網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率均在正常范圍內(nèi)，防止孤網(wǎng)由于劇烈振蕩而垮網(wǎng)；其次應(yīng)盡快選擇合適的并網(wǎng)地點進行并網(wǎng)操作，在最短的時間內(nèi)使單獨運行的小網(wǎng)并聯(lián)大電網(wǎng)，從而確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運行。

5 結(jié)束語

為了加強該地區(qū)孤網(wǎng)運行時電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，并選擇合適的并網(wǎng)地點在最短時間內(nèi)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，通過加強網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，加裝保護以及同期并列裝置，加強對孤網(wǎng)運行的負荷特性分析與研究，增強調(diào)度員對電網(wǎng)孤網(wǎng)運行的事故處理能力，針對該地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)制定相應(yīng)的措施，確保了該地區(qū)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。

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