西藏中部電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)的幾點(diǎn)思考

王鄭鋒，董衛(wèi)國(guó)，吳 沖

(1.西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000；2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

西藏中部電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)的幾點(diǎn)思考

王鄭鋒1，董衛(wèi)國(guó)1，吳 沖2

(1.西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000；2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

近年來，西藏電網(wǎng)快速發(fā)展，特別是青藏直流聯(lián)網(wǎng)等工程的投產(chǎn)，一方面緩解了西藏電網(wǎng)缺電的狀況，另一方面則給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了更大的挑戰(zhàn)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，西藏電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，必須依靠安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)正確動(dòng)作，才能夠保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)是一套復(fù)雜系統(tǒng)，涉及到從規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)、安裝調(diào)試、策略制定、運(yùn)行維護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)。從規(guī)劃設(shè)計(jì)、系統(tǒng)可靠性和大容量光伏電站帶來的挑戰(zhàn)等幾個(gè)方面展開討論。

藏中電網(wǎng)；安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)；切負(fù)荷執(zhí)行站；光伏電站；并列運(yùn)行

0 引 言

西藏中部電網(wǎng)由最初的以羊湖電站為源頭、通過鏈?zhǔn)骄W(wǎng)架向拉薩地區(qū)供電的110 kV電網(wǎng)，歷經(jīng)林芝與拉薩聯(lián)網(wǎng)工程、西藏中部220 kV環(huán)網(wǎng)工程、青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程、旁多電站和藏木電站送出工程，已經(jīng)發(fā)展成為連接藏中4地市、以拉薩220 kV環(huán)網(wǎng)為核心的堅(jiān)強(qiáng)網(wǎng)架。藏中電網(wǎng)裝機(jī)容量盡管較小，但其作為“強(qiáng)直弱交”的典型，以及近年來光伏發(fā)電的快速發(fā)展，其電網(wǎng)特性發(fā)生深刻變化。

林芝與拉薩聯(lián)網(wǎng)后，由于聯(lián)網(wǎng)線路較長(zhǎng)且林芝地區(qū)水電送出較多，對(duì)其可能帶來的弱阻尼問題進(jìn)行了相關(guān)研究[1]。青藏直流投運(yùn)后，直流輸電與藏中電網(wǎng)的交互影響也得到了較多的研究[2-4]，藏中電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)也發(fā)生了較大變化[5]。

隨著西南地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和西部水電開發(fā)的深入發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了西南電網(wǎng)的構(gòu)想。其中，西藏電網(wǎng)是重要的一環(huán)，藏中電網(wǎng)與內(nèi)地電網(wǎng)的互聯(lián)也是指日可待。藏中電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)如何適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的需要是值得思考的重要問題。受自然條件等因素影響，藏中電網(wǎng)枯期缺電而豐期電力基本平衡或者略有富余，在今后一段時(shí)間內(nèi)仍將維持這一特點(diǎn)，因此，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的完善是首要任務(wù)。

1 110 kV切負(fù)荷執(zhí)行站的布局

藏中電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的架構(gòu)是隨著一次網(wǎng)架的發(fā)展而不斷完善的，從初期的逐級(jí)切負(fù)荷鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，發(fā)展到現(xiàn)在以切負(fù)荷為主要功能、分層分區(qū)的控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

藏中電網(wǎng)切負(fù)荷執(zhí)行站的布點(diǎn)主要在110 kV變電站，部分在220 kV用戶變電站，如驅(qū)龍多金屬礦專用變電站；切負(fù)荷執(zhí)行站的控制對(duì)象是站內(nèi)的35 kV和10 kV饋線。隨著西藏地區(qū)用電負(fù)荷的增加，尤其是藏區(qū)農(nóng)網(wǎng)的延伸，未來將新增大量的110 kV變電站。如果在所有的新建110 kV變電站都配置遠(yuǎn)方切負(fù)荷執(zhí)行裝置，將使得切負(fù)荷執(zhí)行站的規(guī)模過于龐大，設(shè)備管理愈加復(fù)雜，從工程經(jīng)濟(jì)性的角度來看也是不太合理的。

對(duì)于農(nóng)網(wǎng)延伸工程而言，110 kV網(wǎng)架普遍采用單射線鏈路結(jié)構(gòu)。以藏北地區(qū)的當(dāng)雄—納木措—青龍—班戈110 kV線路為例，當(dāng)雄變電站已經(jīng)配置有1套安全自動(dòng)裝置，目前的控制策略是接收、執(zhí)行和轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)方切負(fù)荷指令。新建的納木措、青龍、班戈110 kV變電站，每個(gè)變電站的初期負(fù)荷都只有數(shù)百kW到數(shù)MW之間，與整個(gè)藏中電網(wǎng)數(shù)百M(fèi)W的負(fù)荷量相比是非常少的。在這些站點(diǎn)全部都配置遠(yuǎn)方切負(fù)荷執(zhí)行裝置的性價(jià)比是很低的，并且3個(gè)站都距離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)，交通不便，運(yùn)行維護(hù)比較困難。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，在當(dāng)雄變電站采取直接切除當(dāng)雄—納木措110 kV線路的措施，可以直接甩掉該鏈路全部負(fù)荷。在當(dāng)雄變電站現(xiàn)有安全自動(dòng)裝置增加這一控制策略是比較容易的。同時(shí)，該鏈路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障后的恢復(fù)供電也比較方便。

誠(chéng)然，這種粗線條的控制手段也可能帶來一些問題。比如，在鏈路上有某些重要負(fù)荷也會(huì)一并被甩掉。針對(duì)這樣的情況，應(yīng)該要求重要負(fù)荷配備柴油發(fā)電設(shè)備或者在有重要負(fù)荷的站點(diǎn)配置遠(yuǎn)方切負(fù)荷執(zhí)行裝置，有選擇地切除負(fù)荷。另一種情況是，該鏈路以前是某環(huán)網(wǎng)的一部分，后來該環(huán)網(wǎng)打開并且在某個(gè)110 kV變電站配置有備自投裝置。一旦該變電站失壓，備自投裝置將立即投入另一回備用電源，從而導(dǎo)致預(yù)想的切負(fù)荷控制失效。這些可能出現(xiàn)的問題，都需要結(jié)合具體情況進(jìn)行具體分析。

總的來說，對(duì)于單射線式的負(fù)荷支路，建議只在起點(diǎn)變電站和有特殊供電要求的變電站(如有事關(guān)安全生產(chǎn)的保安負(fù)荷)配置遠(yuǎn)方切負(fù)荷執(zhí)行裝置。執(zhí)行切負(fù)荷控制時(shí)，在起點(diǎn)變電站切除110 kV射線鏈路的出線開關(guān)。

2 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置一般都考慮雙套配置。一般安控系統(tǒng)的控制措施針對(duì)的不是單一元件，例如同時(shí)控制同一電廠的多臺(tái)機(jī)組，為防止一些情況下雙套裝置決策差異導(dǎo)致實(shí)際控制效果失當(dāng)，必須考慮同一廠站雙套裝置決策優(yōu)先權(quán)問題[6]。雙套裝置主輔運(yùn)行就是基于上述考慮的結(jié)果，在一套裝置動(dòng)作后閉鎖另一套裝置，主輔運(yùn)模式的主要問題是裝置拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

西藏電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置的配置有以下幾種模式：

1)切負(fù)荷控制系統(tǒng)中，220 kV控制主站是雙套配置，主要是負(fù)責(zé)切負(fù)荷控制的決策，包括接收上一級(jí)主站發(fā)來的切負(fù)荷量和下一級(jí)執(zhí)行站發(fā)來的可切負(fù)荷量，按照優(yōu)先級(jí)順序?qū)汕胸?fù)荷進(jìn)行排序，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，按照既定的負(fù)荷排序?qū)⑶胸?fù)荷指令發(fā)給執(zhí)行站。(部分控制主站有切本地電抗器和本地饋線的功能)；

2)110 kV切負(fù)荷執(zhí)行站是單套裝置、雙通道配置，雙通道分別與上一級(jí)主站的A套裝置和B套裝置通信；

3)個(gè)別承載大工業(yè)負(fù)荷的220 kV切負(fù)荷執(zhí)行站是雙重化配置；

4)切機(jī)執(zhí)行站都是雙套配置。

目前西藏電網(wǎng)雙重化配置的安全自動(dòng)裝置，大部分采用主輔運(yùn)模式，即一套裝置為主運(yùn)，另一套裝置為輔運(yùn)，當(dāng)主運(yùn)裝置動(dòng)作后，發(fā)一副接點(diǎn)閉鎖輔運(yùn)裝置，實(shí)際上，只有一套裝置動(dòng)作出口。

在主站采用主輔運(yùn)模式，如果實(shí)際出口的裝置因?yàn)橥ㄐ沤涌诘仍蚓軇?dòng)，造成措施量不夠，極端情況下甚至造成整套穩(wěn)控系統(tǒng)拒動(dòng)，給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)，因此，建議主站采用雙主并列運(yùn)行方式，即，兩套裝置各自獨(dú)立運(yùn)行、獨(dú)立決策、獨(dú)立出口。雙主并列運(yùn)行需要解決的問題是，由于測(cè)量誤差等因素帶來的問題，兩套裝置的策略表可能不同，故障時(shí)的控制決策也不同，可能造成過切。解決方案之一是，兩套裝置統(tǒng)一出口策略，即，兩套裝置通過光纖直連，當(dāng)裝置動(dòng)作出口時(shí)，兩套裝置交互控制策略，并按控制措施更嚴(yán)重的策略表來執(zhí)行。

當(dāng)切機(jī)執(zhí)行站采用主、輔運(yùn)相互閉鎖模式，將可能造成雙套穩(wěn)控裝置相互閉鎖，從而導(dǎo)致雙套穩(wěn)控裝置均無法出口。在輔運(yùn)裝置設(shè)置40～50 ms延時(shí)后，兩套裝置相互閉鎖可能性很小。

3 大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)的應(yīng)對(duì)策略

西藏地區(qū)太陽能資源非常豐富，大容量兆瓦級(jí)并網(wǎng)太陽能光伏電站呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，截至2012年年底，西藏中部電網(wǎng)接入的太陽能光伏發(fā)電規(guī)模為80 MW，占電網(wǎng)總裝機(jī)的8.7%。目前藏中電網(wǎng)峰值負(fù)荷約為500 MW，谷值負(fù)荷約為250 MW。從藏中電網(wǎng)的負(fù)荷特性來看，光伏電站出力的峰值時(shí)間大致對(duì)應(yīng)電網(wǎng)腰值負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間，此時(shí)光伏電站出力大概占到全網(wǎng)負(fù)荷的15%～20%，光伏的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)藏中電網(wǎng)有較大影響，主要原因有以下兩點(diǎn)：

1)光伏發(fā)電作為無旋轉(zhuǎn)慣量的電源方式，在其并網(wǎng)規(guī)模達(dá)到一定程度后，使得電網(wǎng)的穩(wěn)定裕度減少。電網(wǎng)從自身安全運(yùn)行的角度出發(fā)，要求并網(wǎng)光伏電站具備一定的電源特性，如規(guī)程規(guī)定光伏電站近區(qū)發(fā)生短路故障時(shí)，若其母線電壓低于其低電壓穿越能力的限值(規(guī)程規(guī)定為0.2 p.u.)，光伏電站將會(huì)閉鎖退出運(yùn)行。目前，很多逆變產(chǎn)品都聲稱具備低電壓穿越功能，但實(shí)際的光伏電站往往為保證逆變器安全而采取低電壓切機(jī)。

2)作為典型的可再生能源，由于受到環(huán)境溫度、太陽光照強(qiáng)度以及天氣條件的影響，太陽能光伏發(fā)電最大的特點(diǎn)就是隨機(jī)波動(dòng)性。西藏羊八井光伏電站在實(shí)際運(yùn)行中有3 s內(nèi)，出力降低50%～70%的記錄。

因此，大容量光伏電站的接入帶來的頻率穩(wěn)定問題是必須要考慮的。西藏電網(wǎng)光伏電站接入電網(wǎng)一般是光伏電池組件所發(fā)電力經(jīng)匯流箱、直流配電柜接至逆變器，再經(jīng)箱式變電站升壓至35 kV后，經(jīng)過集電線路接入光伏項(xiàng)目35 kV匯集站。35 kV匯集站通過35 kV線路接入系統(tǒng)內(nèi)35 kV變電站或是110 kV變電站的35 kV側(cè)。對(duì)于太陽光照條件好且場(chǎng)地條件較好的項(xiàng)目，會(huì)有多個(gè)光伏匯集站接入同一個(gè)110 kV變電站，如山南地區(qū)的赤康110 kV變電站。近區(qū)電網(wǎng)發(fā)生短路故障可能導(dǎo)致幾個(gè)光伏電站同時(shí)閉鎖，或者是太陽光照條件發(fā)生變化導(dǎo)致該地區(qū)的幾個(gè)光伏電站的出力同時(shí)發(fā)生快速降低，將可能導(dǎo)致藏中電網(wǎng)頻率跌落至49 Hz以下，觸發(fā)第三道防線低頻切負(fù)荷動(dòng)作，此時(shí)應(yīng)該由第二道防線的安全自動(dòng)裝置自動(dòng)檢測(cè)出故障后采取就近切負(fù)荷措施。

檢測(cè)光伏電站的出力降低有兩種方式，一種是在每個(gè)35 kV光伏匯集站配置裝置，裝置檢測(cè)電源出線的功率變化，將功率降低量發(fā)送給系統(tǒng)內(nèi)的安全自動(dòng)裝置。當(dāng)光伏出力的變化量達(dá)到動(dòng)作值時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的裝置動(dòng)作于切負(fù)荷。另一種是直接在匯集多個(gè)光伏電站的系統(tǒng)內(nèi)110 kV變電站設(shè)置一套安全自動(dòng)裝置，該裝置接入光伏進(jìn)線的二次電流電壓，計(jì)算得到功率，并通過功率間接判別光伏電站的出力變化，并采取相應(yīng)的控制措施。

上述兩種配置方案均能滿足調(diào)度控制的需求，從簡(jiǎn)化安全自動(dòng)裝置管理運(yùn)行和降低工程造價(jià)的角度出發(fā)，方案2只在匯集多個(gè)光伏電站的系統(tǒng)內(nèi)變電站設(shè)置安全自動(dòng)裝置，更加實(shí)用和簡(jiǎn)化管理。

4 結(jié)論和建議

1)西藏電網(wǎng)規(guī)模不斷增大使得安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。為了確保安控系統(tǒng)的可靠性，一方面需要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行完善，在已有的重要廠站考慮雙重化配置、雙主并列運(yùn)行；另一方面，要考慮控制安控系統(tǒng)的規(guī)模，優(yōu)化布點(diǎn)。

2)光伏電站出力對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)引起的電壓波動(dòng)高度敏感，藏中電網(wǎng)進(jìn)一步接納光伏電站接入的同時(shí)，需要常規(guī)機(jī)組增加旋轉(zhuǎn)備用容量以加強(qiáng)協(xié)作靈活性。

3)隨著電網(wǎng)規(guī)模越來越大，西藏電網(wǎng)的運(yùn)行和管理要求將更高。需要研究和制定適合于西藏電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)管理體系，對(duì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理進(jìn)行規(guī)范。

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In recent years, the rapid development of Tibet power grid, especially the DC interconnection project from Qinghai to Tibet being put into operation, on one hand, to ease the power shortage in Tibet, but on the other hand, to bring the greater challenges to the safe and stable operation of the grid. The practical experiences show that during the catastrophic failure in Tibet power grid, it must rely on the correct operation of security and stability control system to ensure the stable operation of the grid. Security and stability control system is a complex system, involving the planning and design, equipment procurement, installation and commissioning, strategic planning, operation and maintenance etc. So the challenges brought by the planning and design, the system reliability and the photovoltaic power stations with high capacity are discussed.

power grid in central Tibet; security and stability control system; load-shedding station; photovoltaic power station; parallel operation

TM76

A

1003-6954(2015)03-0055-03

2015-02-28)

王鄭鋒(1982)，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。