防孤島安穩(wěn)裝置的配置與分析

邵　林，岳付昌

(1. 國網鹽城供電公司電力調控中心，江蘇 鹽城　224006；2. 國網連云港供電公司,江蘇 連云港　222004)

防孤島安穩(wěn)裝置的配置與分析

邵林1，岳付昌2

(1. 國網鹽城供電公司電力調控中心，江蘇 鹽城224006；2. 國網連云港供電公司,江蘇 連云港222004)

摘要：分析了防孤島安穩(wěn)裝置的定位、功能以及硬件配置。針對風、光等非連續(xù)性新能源存在的孤島電能質量危機，分析了防孤島安穩(wěn)裝置如何系統(tǒng)解決了電網局部孤島問題，并給出了防孤島安穩(wěn)裝置的配置范圍、動作原理和判斷邏輯。分析了防孤島安穩(wěn)裝置運行中存在的風險，并給出配置安穩(wěn)裝置的建議，認為在電網局部安裝防孤島安穩(wěn)裝置，能夠有效解決新能源并網的孤島電能質量問題。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；新能源并網；孤島電能質量；防孤島安穩(wěn)裝置

隨著智能電網的不斷發(fā)展，電網系統(tǒng)接受風電、光伏等新能源的規(guī)模逐年加大，這就對電網的結構與安全穩(wěn)定性提出了更高的要求。為了保障電網系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，裝設安穩(wěn)裝置就成為了必然的選擇。不同于常規(guī)的切負荷切機安穩(wěn)裝置，針對新能源接入的安穩(wěn)裝置其核心目的是為防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生，避免由此產生的對人身和電網設備[1]的危害。

1安穩(wěn)裝置的發(fā)展

1.1常規(guī)安穩(wěn)系統(tǒng)的發(fā)展

常規(guī)安穩(wěn)裝置的發(fā)展[2]至今已較為成熟，根據(jù)電網規(guī)模以及發(fā)展程度的不同，配置安穩(wěn)裝置的規(guī)模也不盡相同。為了防止電網局部故障，如大機組解列、樞紐站失電、重要輸電通道跳閘等，造成全系統(tǒng)的低頻低壓崩潰，甚至暫態(tài)失穩(wěn)，電網企業(yè)在電網局部或者全域配置安穩(wěn)[3]裝置。以2006年的廣東電網[4]為例，因其復雜的交直流混供系統(tǒng)，其安穩(wěn)控制系統(tǒng)包含2個控制主站、13個控制子站以及69個切機切負荷執(zhí)行站[5]，通過控制主站的策略控制以及層層通信，第一時間通過局部切機切負荷，保障在事故狀態(tài)下電網總體安全穩(wěn)定性；2011年的桂林電網[6]，作為廣西局部電網，各類電廠多而工業(yè)負荷少，是一個典型的送端電網，其配置的安穩(wěn)裝置包含2個含自主判斷邏輯的執(zhí)行站，目的為防范電網內大型電廠解列有可能造成的桂林電網崩潰。綜上可見，常規(guī)安穩(wěn)裝置無論其規(guī)模大小，其核心目的為保障主網的安全穩(wěn)定。

1.2防孤島安穩(wěn)系統(tǒng)的定位

防孤島安穩(wěn)系統(tǒng)，其核心內容為防止形成局部孤島，所以其執(zhí)行目標為切除電廠并網線路。此類安穩(wěn)裝置主要配置于新能源并網區(qū)域，由于風力、光伏的間歇性、不穩(wěn)定性，其并網一旦形成局部孤島造成的電能質量危害也較為嚴重。以光伏發(fā)電為例，當前光伏電站的并網逆變器[7]具備一定的反孤島功能，無論是采用被動式或者主動式檢測孤島，單機逆變器都能夠在并網點有較好的孤島檢測能力；但當光伏大規(guī)模并網后[8]，大量光伏逆變器中低壓并聯(lián)繼而升壓上網，甚至多個大型光伏電站同時并網于同一座變電站，此時由于光伏所形成的局部供電系統(tǒng)規(guī)模較大，當電網內近區(qū)負載與光伏出力趨于平衡時，光伏電站的防孤島保護難以準確動作。所以在系統(tǒng)側配置防孤島安穩(wěn)裝置就成為了保障孤島狀態(tài)發(fā)生時可靠切除的第二道防線，也是電網企業(yè)保障其供電質量的有效舉措。

2防孤島安穩(wěn)系統(tǒng)配置

2.1防孤島安穩(wěn)裝置配置范圍

配置安穩(wěn)裝置首先需要分析孤島現(xiàn)象的影響范圍，繼而判斷出防孤島安穩(wěn)控制系統(tǒng)需在哪些變電站配置安穩(wěn)裝置。其分析原則為：逐級比較用電負荷與光伏發(fā)電量。這里以光伏并網線路對側的并網變電站高壓側母線作為第一級，該變電站的上級電源變電站的高壓側母線為第二級，逐級上推。以圖1為例，A站高壓側母線為第一級，B站高壓側母線為第二級，C站高壓側母線為第三級，其后以此類推。

圖1　孤島范圍逐級標示圖

母線供電負荷的計算：以A站為例，若A站光伏并網開關在A站I段母線上且母聯(lián)開關在分位，則該母線負荷僅以I段母線所供負荷計算；若母聯(lián)開關在合位，則該母線負荷以整段母線所供負荷計算。

第一級檢測方法：一級差額=A站高壓側母線供電負荷的有功最小值-光伏電站并網發(fā)電功率的最大值；若一級差額大于等于0，則孤島范圍延伸至A站即結束；若一級差額小于0，則孤島范圍伸出A站至B站，需進行第二級孤島范圍檢測；

第二級檢測方法：二級差額=A站與B站母線供電負荷之和的有功最小值-光伏電站并網發(fā)電功率的最大值；若二級差額大于等于0，則孤島范圍延伸到B站結束；若二級差額大于0，則孤島范圍伸出B站至C站，需進行第三級孤島范圍檢測。

根據(jù)江蘇省鹽城電網的實際運行經驗，一般的光伏電站的孤島范圍延伸至公共電網內變電站的中低壓側母線即結束，鹽城市新能源風電、光伏裝機容量占江蘇全省40%以上。以圖1為例，其孤島范圍延伸至B站結束，即只需在A站和B站配置安穩(wěn)裝置就可以確保對孤島現(xiàn)象的準確判斷。當然實際投運安穩(wěn)裝置時的計算以實際負荷的比較計算結果為準。下文中的安穩(wěn)裝置配置都以孤島范圍延伸至公共電網內變電站的中低壓側母線即結束作為分析前提，本文主要研究220 kV電壓等級以下并網的光伏電站，220 kV及以上電壓等級為環(huán)網運行，正常情況下不具備孤島發(fā)生條件，故此不做研究。

2.2典型防孤島安穩(wěn)系統(tǒng)

2.2.1典型防孤島安穩(wěn)裝置功能

以110 kV并網的光伏電站為例，假設光伏并網線路對側為110 kV明珠變的高壓側母線，而后經陳明953線并入220 kV陳堡變的中壓側母線，如圖2所示。

圖2　110 kV并網典型接線

根據(jù)安穩(wěn)裝置配置范圍分析得出，需在明珠變及陳堡變兩站配置安穩(wěn)控制裝置。

2.2.1.1安穩(wěn)裝置采集參數(shù)

(1)110 kV明珠變采集參數(shù)

1)采集本站陳明953開關位置及線路三相電流。

2)當陳明953線供明珠變時，陳明953線路或母差出口跳閘導致明珠變形成孤島時發(fā)令切除明珠變所有光伏并網開關。

3)動作判據(jù)：陳明953開關位置分位且線路無流切除明珠變所有光伏并網開關；接收陳堡變遠跳命令時切除明珠變所有光伏并網開關。

(2)220 kV陳堡變采集參數(shù)

1)采集本站#1、#2主變220 kV側開關位置；1、2號主變110 kV側開關位置及母線側閘刀位置；陳明953開關位置；110 kV 母聯(lián)710開關位置及7101、7102閘刀位置；220 kV母線電壓。

2)采集1、2號主變高壓側、中壓側、母聯(lián)電流、陳明953線路電流；

3)1、2號主變高壓側、中壓側、母聯(lián)、陳明線斷路器手跳或者合后位置。

2.2.2.2裝置動作原理

(1)110 kV明珠變動作邏輯

明珠變動作邏輯：明珠變陳明953開關分且無流，孤島出口切光伏并網開關光一921、光二922開關；收到陳堡變孤島遠跳令，孤島出口切所有光伏并網開關。

(2)220 kV陳堡變動作邏輯

裝置通過軟件分析上述開關閘刀位置，區(qū)分陳堡變不同方式下動作邏輯：

方式一：正常運行方式(兩臺主變110 kV側分別運行不同母線，母聯(lián)710開關分)；

方式二：單變檢修方式(一臺主變運行)；

方式三：并列運行方式(兩臺主變110 kV側并列運行，即兩臺主變運行于同一母線或兩臺主變運行于不同母線母聯(lián)710開關合)；

方式一對應動作邏輯：①陳明953開關跳閘；②與陳明953開關運行同一條母線上的主變高或中壓側開關跳閘；以上均發(fā)孤島遠跳令。

方式二對應動作邏輯：①陳明953開關跳閘；②陳明953與在運主變運行同一條母線，主變高或中壓側開關跳閘；③陳明953與在運主變不在同一條母線，母聯(lián)710開關跳閘或在運主變高或中壓側開關跳閘；以上均發(fā)孤島遠跳令。

方式三對應動作邏輯：①陳明953開關跳閘；②陳明953運行母線相對應的主變高壓側或中壓側開關跳閘且母聯(lián)710開關跳閘；③1號主變高或中壓側開關跳閘且2號主變高或中壓側開關跳閘；以上均發(fā)孤島遠跳令。

圖3　陳明安穩(wěn)裝置動作邏輯圖

2.2.1.2其他技術要求

(1)明珠變陳明953線路重合閘方式設定：①重合閘方式采用無壓重合閘；②電壓取明珠變110 kV母線電壓；③當明珠變側陳明953開關跳閘，明珠變110 kV母線無壓時重合閘啟動，有壓時不重；④當明珠變母線壓變停用(即電壓二次回路無壓)時，明珠變陳明953開關無壓重合閘停用。

(2)陳堡變及明珠變側裝置具備PT斷線閉鎖功能。

(3)陳堡變或明珠變任一側安穩(wěn)裝置停用時，明珠變陳明953開關重合閘停用。陳明953線路或兩側開關停用時，陳堡變及明珠變側安穩(wěn)裝置均停用。

(4)陳堡變220 kV母線分列運行時，陳堡變側裝置停用。

(5)陳堡變110 kV母線由外來電源特殊方式供電時，陳堡變側裝置停用。

(6)若明珠變側裝置停用時，陳堡變側裝置需陪停；若陳堡變側裝置停用時，明珠變側裝置無需停用。

2.2.2典型防孤島穩(wěn)控系統(tǒng)的硬件配置

2017年1月25日，天成控股對于2016年度業(yè)績預告是“預計2016年與上年同期相比將實現(xiàn)扭虧為盈，實現(xiàn)歸屬于上市公司股東的凈利潤在1000萬元至1500萬元之間”。但這份業(yè)績預告，既未進行董事會決議，也未征求獨立董事意見。

2.2.2.1防孤島安穩(wěn)裝置中主從機配合

防孤島安穩(wěn)控制系統(tǒng)包含多個廠站，每個廠站配置一套安穩(wěn)裝置，各廠站之間通過光纖進行通訊。就某個變電站而言，其防孤島安穩(wěn)裝置的硬件配置，與常規(guī)安穩(wěn)裝置的配置大體相同，每套穩(wěn)控裝置，包含1臺RCS-992A主機[9]和1臺RCS-990A從機。

RCS-992A主機內置安穩(wěn)控制策略，通過方式壓板的投退進行控制策略的切換，方式壓板根據(jù)現(xiàn)場實際運行狀態(tài)進行選擇投入，多個方式壓板不允許同時投入。RCS-990A從機，通過交流輸入插件，采集元件的三相電流、電壓值，通過弱電光耦插件，采集所需的開關及閘刀的變位開關量信息。從機裝置中包含出口插件，能夠輸出多組出口，每組出口至少包含兩副接點，一副用于出口跳閘，一副用于閉鎖開關重合閘。

RCS-992A主機中配置有保護定值和通信定值，保護定值僅配置線電壓突變啟動定值和失壓解列定值兩項；通信定值則配置安穩(wěn)控制系統(tǒng)內包含的各關聯(lián)廠站的通信地址。RCS-990A從機中，僅配置本站安穩(wěn)裝置各接入間隔(開關及各側閘刀)的故障判別定值，每個間隔的故障判定值包含12項內容，分別為額定電壓、額定電流、投運電流、投運功率、電流起動、功率起動、間隔類型、開關HWJ(合閘位置繼電器)接入、間隔跳閘前功率、間隔跳閘后功率、開關重合時間、開關無故障跳閘時間。

防孤島安穩(wěn)裝置，通過RCS-992A主機與RCS-990A從機的配合工作，結合相關定值，通過內置判別邏輯判斷相關間隔開關是否投運、是否無故障跳閘，從而為上文中各運行方式下的控制策略提供最基礎的元件狀態(tài)認定依據(jù)。

2.2.2.2元件狀態(tài)認定

(1) 元件投停判定邏輯

投停狀態(tài)判別所需輸入量：HWJ接入、投運電流、投運功率；

投停狀態(tài)判別邏輯：①實測功率大于投運功率，延時T后判定為投運狀態(tài)；②實測電流大于投運電流，延時T后判定為投運狀態(tài)；③HWJ接入且HWJ接點閉合，延時T后判定為投運狀態(tài)。當接入元件為線路或主變時，T為2 s，若接入元件為發(fā)電機，T為0 s。

HWJ位置報警判別邏輯：投停判別邏輯①或邏輯②成立，HWJ接入但HWJ接點斷開，則判定為HWJ位置報警。

(2) 元件無故障跳閘判定邏輯

無故障跳閘判別所需輸入量：投運電流、電流起動、功率起動、跳閘前功率、跳閘后功率、無故跳時間；

無故障跳閘判別邏輯：無故障跳閘必須同時滿足5個條件，分別為

①電流突變或功率突變，啟動無故障跳閘判別裝置；

②實測電流小于投運電流(Is)，Is應盡量?。?/p>

③啟動前200 ms功率大于跳閘前功率定值(Ps1)，Ps1定值應盡量大；

④當前功率P小于跳閘后功率定值(Ps2)，Ps2定值應盡量??；

3防孤島安穩(wěn)裝置的運行風險

防孤島安穩(wěn)裝置在投運前需進行大量前期準備工作，安穩(wěn)裝置的安裝涉及多個變電站，其間的調試工作包含各運行方式下邏輯回路驗收、光纖通道傳輸試驗、出口動作邏輯驗收、電壓電流開入開出試驗等大量工作。此類防孤島安穩(wěn)裝置需與開關重合閘、備自投、光纖差動等保護及安自裝置做好配合，需根據(jù)實際電網情況，選擇對應保護定值。安穩(wěn)裝置的投運[10]因為涉及調試設備多、邏輯復雜，因此不能忽視每一個調試細節(jié)，如CT回路實際變比和裝置參數(shù)設定變比不符導致安穩(wěn)裝置誤動、裝置CT回路絕緣擊穿導致安穩(wěn)裝置板件損壞等。

配置有防孤島安穩(wěn)裝置的變電站，在實際運維工作中，其設備狀態(tài)切換的工作量有時會增大，以安裝有安穩(wěn)裝置的變電站停運為例，運維人員需先停運安穩(wěn)裝置然后再停主變，其間工作票的填寫比之常規(guī)變電站自然會更復雜。同時安穩(wěn)裝置日常的運維工作也需謹慎對待，如誤投或漏投運行壓板導致安穩(wěn)裝置不正確動作、安穩(wěn)裝置壓板操作順序不當造成安穩(wěn)裝置誤動、站間光纖通道的日常維護[11]等。上述運行風險，在實際運維過程中，只需嚴格按照操作規(guī)程執(zhí)行則能夠保障安穩(wěn)裝置的正確運行。安穩(wěn)裝置調試安裝到位后，對于局部電網的運行能夠帶來可靠的安全保障。

4建議

安穩(wěn)裝置發(fā)展到今天，技術已較為成熟。但伴隨著新能源的不斷發(fā)展，電網的局部穩(wěn)定有了更多的挑戰(zhàn)，電網企業(yè)承載著無條件全電量接受新能源的歷史使命，所以發(fā)展防孤島安穩(wěn)裝置，是保障新能源并網安全可靠的有效選擇，也是發(fā)展綠色清潔能源，提高全網清潔能源消費量的重要系統(tǒng)支撐?？梢灶A見，在發(fā)展清潔能源的時代背景下，防孤島安穩(wěn)裝置必然憑借其可靠的動作特性，得到電網運營企業(yè)的重視和發(fā)展。

對于存在大量新能源接入的地區(qū)，配置防孤島安穩(wěn)系統(tǒng)是該區(qū)域電力系統(tǒng)一個有效的選擇，防孤島安穩(wěn)裝置可配置于存在110 kV及以下電壓等級并網新能源的電力系統(tǒng)側，對輸電網、配電網均能起到明顯的保護作用，避免了局部電能質量危機，保障了電網設備和人身安全。

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(本文編輯：楊林青)

Configuration and Analysis of Anti-Islanding Security and Stability Control Devices

SHAO Lin1, YUE Fu-chang2

(1. State Grid Yancheng Power Supply Company, Yancheng 224006, China;2. State Grid Lianyungang Power Supply Company, Lianyungang 222004, China)

Abstract:This paper analyzes the positioning, function and hardware configuration of anti-islanding security and stability control devices (ASSCD). As wind energy and light energy both have the characteristics of non-continuity, which leads to the islanded power quality crisis, this research analyzes how ASSCD can solve the power quality problems, and describes the operation principle, judgment logic, configuration range of ASSCD. It also analyzes the risks of ASSCD in the operation and maintenance period, and gives some recommendations about how to use and configure ASSCD. It is concluded that ASSCD installed in the local power grid can effectively solve the islanded power quality crisis which is aroused by grid-integration of new energy power plants.

Key words:power system; new energy grid access; islanded power quality; anti-islanding security and stability control devices (ASSCD)

DOI：10.11973/dlyny201601009

作者簡介：邵林(1987)，男，碩士，從事供電企業(yè)電力調度工作。

中圖分類號：TM744

文獻標志碼：B

文章編號：2095-1256(2016)01-0042-05

收稿日期：2015-10-22