大同電網(wǎng)嚴重故障安全穩(wěn)定特性及第三道防線配置原則研究

楊尉薇，鄭惠萍，劉新元

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

大同電網(wǎng)嚴重故障安全穩(wěn)定特性及第三道防線配置原則研究

楊尉薇，鄭惠萍，劉新元

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

大同電網(wǎng)第三道防線的配置基于大同電網(wǎng)可能出現(xiàn)的極端嚴重故障，并且需要與現(xiàn)有的安全穩(wěn)定控制措施相協(xié)調(diào)。利用電力系統(tǒng)計算分析穩(wěn)定計算程序，對可能引起大同電網(wǎng)與主網(wǎng)解列的極端嚴重故障進行分析，制定安控配置策略表，并針對主要存在的頻率問題提出三道防線的配置原則。

電力系統(tǒng)；故障；第三道防線；高周切機

0 引言

山西大同電網(wǎng)是典型的大電源、小負荷、高送出的能源基地。屬于典型的送端電網(wǎng)，解環(huán)運行后僅通過500 kV神雁雙回線與山西主網(wǎng)相連，通過500 kV大房三回線與華北主網(wǎng)相連，同時通過單回500 kV線路接受內(nèi)蒙京隆電廠（2×600MW） 電力。由于大同地區(qū)電源眾多，送電需求大，這兩個送電通道潮流較重，大方式下超過單回100萬kV。另一方面，由于大同電網(wǎng)從內(nèi)蒙受電1 200 MW，進一步加劇了電能外送需求大和送電通道有限的矛盾。在這樣的背景下，大同地區(qū)電網(wǎng)存在嚴重故障下與系統(tǒng)解列的風險。當大同與山西主網(wǎng)雙回500 kV聯(lián)絡線同時或相繼故障跳閘，潮流將轉(zhuǎn)移至大同—房山三回線上，致使大房三回線潮流超過靜穩(wěn)極限，引起線路上配置的失步解列裝置動作，跳開聯(lián)絡線，最終導致大同電網(wǎng)孤網(wǎng)。因此制定適用于大電源送端的三道防線配置原則，顯得尤為重要。

1 引起大同電網(wǎng)與系統(tǒng)解列的嚴重故障

大同電網(wǎng)負荷1 824MW，出力9 161MW（含內(nèi)蒙1 200MW），廠用電590MW，經(jīng)過神雁雙回線和大房三回線外送6 686.1MW。當發(fā)生神雁雙回線N-2故障時，如沒有有效的安全穩(wěn)定控制措施，神雁雙回線潮流將大范圍轉(zhuǎn)移至大房三回線。目前大房三回線靜穩(wěn)極限為6 700MW，正常運行時，大房聯(lián)絡線輸送功率達到4 900MW，當失去神雁雙回外送通道，潮流轉(zhuǎn)移至大房三回線時，大房三回線潮流將可能超過靜穩(wěn)極限，引起大房三回線兩側(cè)系統(tǒng)失步。大房三回線配置失步解列裝置，在兩側(cè)系統(tǒng)失步時解開大房三回聯(lián)絡線，造成大同電網(wǎng)孤網(wǎng)。同理，當大房聯(lián)絡線發(fā)生嚴重故障時如果沒有有效的安全穩(wěn)定措施，潮流將轉(zhuǎn)移至相鄰線路或神雁送出通道，線路也會因為過負荷或過負荷引發(fā)的后續(xù)故障而跳開，線路連鎖跳閘最終導致大同電網(wǎng)孤網(wǎng)。

2 嚴重故障仿真分析

仿真采用電力系統(tǒng)計算分析軟件（Bonnevile Power Adminstration，以下簡稱BPA程序），設置神雁N-2故障，大房N-3故障，仿真分析不同安控切機量下引起大同電網(wǎng)孤網(wǎng)的時刻，并分析孤網(wǎng)后系統(tǒng)頻率。

2.1 神雁N-2

設神雁雙回線跳閘連鎖切機安控切機量1 200 MW，該切機量小于神雁雙雁同側(cè)故障時N-2的臨界穩(wěn)定切機量，因此切機動作后大同電網(wǎng)相對華北主網(wǎng)失步，失步斷面位于大房聯(lián)絡線上。當大房三回線解列，大同電網(wǎng)損失所有外送通道后，計及大房解列連鎖切機2 400MW，功率盈余2 996MW，剩余功率是地區(qū)有功負荷的124%，功率不平衡嚴重。

仿真算例中未配置汽輪機超速保護，如按實際情況配置，大同電網(wǎng)機組將在頻率迅速上升的過程中無序跳閘，最終導致大同電網(wǎng)崩潰。頻率響應主要指標如表1所示。

表1 未配置高周切機時山西大同電網(wǎng)頻率特性Hz

2.2 大房N-3

大房三回線大同側(cè)發(fā)生三永故障跳開大房三回線路時，潮流將轉(zhuǎn)移至神雁雙回線。如果大房三回線安控裝置未正確動作或切機量不足，都會導致神雁雙回線潮流過靜穩(wěn)極限，引起大同電網(wǎng)相對山西主網(wǎng)失步。在此情況下也會導致大同電網(wǎng)孤網(wǎng)，頻率迅速上升。

由嚴重故障所導致大同電網(wǎng)穩(wěn)定問題中可以看出，大同電網(wǎng)三道防線配置的關鍵問題是功率剩余引起的頻率異常升高，因此，其主要研究的對象為高周切機策略的配置，由于地區(qū)負荷相對有功出力而言非常小，低頻減載在頻率剩余時不能很好地發(fā)揮作用，因此不研究低頻、低壓減載的配置。

3 大同電網(wǎng)外送安控系統(tǒng)控制策略描述

安控動作策略是第三道防線配置的重要依據(jù)，山西北部外送安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)各站均采用策略表形式。策略表中分切機門坎5擋，當斷面功率小于第1擋門坎定值時裝置無策略，裝置門坎定值應滿足：第1擋門坎定值≤第2擋門坎定值≤第3擋門坎定值≤第4擋門坎定值≤第5擋門坎定值。

裝置動作嚴格按照切機順序切除機組，同一順序機組先切出力較大機組，裝置不通過調(diào)整切不同機組來符合切機量。所以，裝置實際切除機組要大于定值中容量，最惡劣情況可能多切600MW。由于機組實際出力可能遠小于機組額定容量，例如對應切機容量1 200MW，裝置通常切機為3臺600MW機組，極端情況會切除4臺600MW機組（出力300 MW），最樂觀情況為僅切除2臺600MW機組。

大同裝置有最大切機容量限制，裝置在切機時保證不會切機超過2 000MW，裝置盡量切除最接近但不超過2 000MW機組。

各站裝置策略表如表2所示。

表2 各站裝置策略表MW

大房三回或神雁雙掉故障切機順序如下。

a） 京隆電廠1臺600 MW機組（保留1臺600MW機組）。

b） 塔山電廠1臺600 MW機組（保留1臺600MW機組）。

c） 同二電廠2臺600 MW機組（保留1臺600MW機組）。

d）京隆電廠剩余的1臺600MW機組（不保留機組）。

e) 同二電廠1臺600MW機組（保留1臺600MW機組）。

f）塔山電廠剩余的1臺600MW機組（不保留機組）。

g）同二電廠剩余的1臺600MW機組（不保留機組）。

h） 同二電廠200 MW機組（保留1臺200 MW機組）。

4 大同電網(wǎng)嚴重故障下二、三道防線配置原則

山西大同電網(wǎng)孤網(wǎng)運行安全穩(wěn)定性按照滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》三級穩(wěn)定標準進行計算分析。山西大同電網(wǎng)與主網(wǎng)解列孤網(wǎng)運行，作為解決孤網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定控制措施。

首先考慮采取連鎖或遠方切機措施，即嚴重故障時的緊急連鎖切機措施，快速切除機組，使系統(tǒng)恢復穩(wěn)定，針對大同電網(wǎng)，具體優(yōu)先選擇切除風電機組，當風電機組容量不足時切除部分火電機組，原則上每個電廠保留1臺機組運行，此為第一級安全穩(wěn)定控制措施。

在連鎖切機正常動作不能滿足有功功率平衡或連鎖切機部分或全部拒動的情況下，考慮采取高周切機措施，即解列后發(fā)電機高周切機，當頻率達到定值時，經(jīng)過延時切除發(fā)電機，最終到達有功功率平衡，系統(tǒng)頻率恢復到可接受范圍之內(nèi)，此為第二級穩(wěn)定措施。

除此之外，還必須考慮系統(tǒng)遠方連鎖切機、高周切機與火電機組103%等超速限制保護功能的協(xié)調(diào)配合，避免導致103%超速限制保護動作引起電網(wǎng)頻率驟降的連鎖事故，即火電機組汽輪機控制與電網(wǎng)安全運行的協(xié)調(diào)。具體操作如下：火電機組在掛網(wǎng)運行方式下,超速保護控制單元OPC（Over Speed ProtectController）的103%超速功能閉鎖或增加動作延時，保留110%超速保護，盡量通過第一、二級措施保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定且OPC不動作，此為第三級穩(wěn)定措施。

針對大同電網(wǎng)嚴重故障的第一級控制措施與第二級控制措施應該各自有效且相互獨立，第一級控制措施以第二級控制措施為補充。解決山西大同地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運行導致解列電網(wǎng)頻率升高問題的安全穩(wěn)定措施必須協(xié)調(diào)配合一致。

5 結(jié)論

本文基于實際數(shù)據(jù)的仿真，驗證了大同電網(wǎng)與系統(tǒng)解列的嚴重故障下，有可能引發(fā)大同電網(wǎng)發(fā)生孤網(wǎng)的情形。針對這一情形，制定各站裝置策略表及切機方案，防止孤網(wǎng)情況發(fā)生，并且對嚴重故障下孤網(wǎng)運行導致的高頻問題，制定了合理的安全穩(wěn)定控制措施的配置原則，確保大同電網(wǎng)第三道防線牢固、可靠，保證大同電網(wǎng)嚴重故障時，可維持獨立電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

Security and Stability Characteristics of Serious Malfunction and the Configuration Principles of Third Line Defence in Datong Power Grid

YANGW eiwei，ZHENG Huiping，LIU Xinyuan
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Based on extremely seriousmalfunction thatmay occur in Datong powergrid,the third line defence ofDatong power grid must be configured and coordinated with the existing security and stability controlmeasures.Using power system stability calculation program,this paper analysed the extremely seriousmalfunction,and formulated strategy table of security control configuration.Finally, against frequency problem,this paper proposed the configuration principlesof the third line defence.

fault;powersystem；the third lineofdefence；removalunitofhigh cycle

TM712

A

1671-0320（2015）02-0031-03

2015-01-07，

2015-02-12

楊尉薇（1985），女，山西運城人，2010年畢業(yè)于太原理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)分析工作；

鄭惠萍（1972），女，湖北當陽人，1993年畢業(yè)于太原理工大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事電力系統(tǒng)分析工作；

劉新元（1986），男，山西汾陽人，2011年畢業(yè)于華北電力大學大學電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，碩士，從事電力系統(tǒng)分析工作。