獨(dú)立局域電網(wǎng)三道防線建設(shè)方案分析

夏彥輝， 董 宸， 孫 丹， 鄒 宇

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211153)

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獨(dú)立局域電網(wǎng)三道防線建設(shè)方案分析

夏彥輝， 董 宸， 孫 丹， 鄒 宇

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211153)

文中首先總結(jié)了獨(dú)立局域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合國家推進(jìn)售電側(cè)改革的發(fā)展趨勢，分析了獨(dú)立局域電網(wǎng)普遍存在的安全穩(wěn)定問題。以某獨(dú)立局域電網(wǎng)為例，提出了三道防線建設(shè)方案，對穩(wěn)定控制系統(tǒng)、低頻低壓減載、高頻切機(jī)、失步解列配置方案涉及到的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了闡述，并通過實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(RTDS)仿真試驗(yàn)和離線仿真驗(yàn)證了方案的適用性，對在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了論證。最后對獨(dú)立局域電網(wǎng)三道防線的建設(shè)原則進(jìn)行了歸納總結(jié)。

獨(dú)立局域電網(wǎng)；三道防線；穩(wěn)定控制系統(tǒng)；安全自動裝置；在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制

0 引言

獨(dú)立局域電網(wǎng)指集“發(fā)、輸、配、售”所有功能于一體的電網(wǎng)，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶煉等各種行業(yè)，也可指獨(dú)立于公網(wǎng)的區(qū)域配電網(wǎng)。在中國，獨(dú)立局域電網(wǎng)這一概念更多強(qiáng)調(diào)的是電網(wǎng)的屬性定位，它是對所有不隸屬于國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)的地方電網(wǎng)的統(tǒng)稱，這種獨(dú)立包括資產(chǎn)獨(dú)立、發(fā)輸電獨(dú)立、調(diào)度獨(dú)立與定價(jià)獨(dú)立4個(gè)層面。

獨(dú)立局域電網(wǎng)與大電網(wǎng)(國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng))之間在電氣上無聯(lián)系或弱聯(lián)系。與大電網(wǎng)之間無聯(lián)系的獨(dú)立局域電網(wǎng)也稱孤立局域電網(wǎng)；所謂弱聯(lián)系，是指在正常運(yùn)行情況下大電網(wǎng)對獨(dú)立局域電網(wǎng)的頻率、電壓波動支援作用有限，且在緊急情況下大電網(wǎng)會斷開與獨(dú)立局域電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)斷面，使其非計(jì)劃性地轉(zhuǎn)化為孤立局域電網(wǎng)[1，2]。

獨(dú)立局域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，電壓等級偏低，單臺機(jī)組、單個(gè)負(fù)荷占系統(tǒng)容量比重較大，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)往往不能滿足“N-1”準(zhǔn)則，單臺機(jī)組或單個(gè)負(fù)荷跳閘即可引起聯(lián)網(wǎng)斷面潮流越限，被動轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行后存在嚴(yán)重的頻率問題，如不采取相應(yīng)的控制措施，甚至?xí)斐上到y(tǒng)崩潰事故[3-7]。此類電網(wǎng)也被稱為“大機(jī)小網(wǎng)”或“大機(jī)大負(fù)荷小網(wǎng)”。同時(shí)，獨(dú)立局域電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組調(diào)節(jié)性能差(主要是指一次調(diào)頻、調(diào)壓性能)，負(fù)荷特性特殊(如電解鋁負(fù)荷的恒電流特性、軋鋼機(jī)的沖擊特性、電動機(jī)的群起現(xiàn)象、冶煉爐的倒?fàn)t操作等)，都在一定程度上對系統(tǒng)的頻率、電壓穩(wěn)定性起到了負(fù)作用。如果獨(dú)立局域電網(wǎng)內(nèi)部接入大量小水電機(jī)組，小水電并網(wǎng)線路的短路故障易引起低頻振蕩[8，9]，在主保護(hù)缺失的情況下，短路故障還可能引起小水電機(jī)組對主網(wǎng)的功角失穩(wěn)。因此，除直流閉鎖或換相失敗之外，大電網(wǎng)中存在的安全穩(wěn)定問題，在獨(dú)立局域電網(wǎng)都存在，并且發(fā)生的概率更高[10-15]。

2016年3月7日，國家發(fā)展改革委下發(fā)《關(guān)于擴(kuò)大輸配電價(jià)改革試點(diǎn)范圍有關(guān)事項(xiàng)的通知》。2016年4月8日，國家發(fā)改委、能源局對新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)開展售電側(cè)改革試點(diǎn)情況作出批復(fù)，同意新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)開展售電側(cè)改革試點(diǎn)，要求穩(wěn)妥推進(jìn)改革，確保電力安全，保證電網(wǎng)安全，保障民生用電。因此，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是獨(dú)立局域電網(wǎng)面臨的最大挑戰(zhàn)。

1 某獨(dú)立局域電網(wǎng)概況

DQS電網(wǎng)為地級區(qū)域電網(wǎng)，目前最高電壓等級為220 kV，下轄HY電廠、JJ電廠等大電源，多座水電廠、光伏電站和30多座變電站。2016年，DQS電網(wǎng)裝機(jī)容量912 MW，其中火電633 MW，水電169 MW，光伏110 MW，最大單臺火電機(jī)組135 MW，水電機(jī)組出力具有明顯的季節(jié)性。夏季最大負(fù)荷水平700 MW，夏季最小負(fù)荷水平216 MW，冬季最大負(fù)荷水平387 MW，冬季最小負(fù)荷水平163 MW，負(fù)荷季節(jié)性變化和峰谷差都比較大。

圖1 DQS電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of power system stability control system of DQS

DQS電網(wǎng)存在孤網(wǎng)運(yùn)行、與國網(wǎng)XJ電網(wǎng)通過雙回220 kV線路聯(lián)網(wǎng)、與DBS電網(wǎng)通過雙回220 kV線路聯(lián)網(wǎng)3種運(yùn)行方式。

2 穩(wěn)定控制系統(tǒng)配置方案

根據(jù)DQS電網(wǎng)的運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過收資、建模、仿真計(jì)算分析等工作，得出DQS電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)存在的主要穩(wěn)定問題。 頻率穩(wěn)定，機(jī)組跳閘或功率驟降、水電或光伏送出線路跳閘，引起的低頻問題；熱穩(wěn)定，線路、主變過載；水電送出斷面低頻振蕩。

DQS電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)存在的主要穩(wěn)定問題有聯(lián)網(wǎng)斷面斷開，系統(tǒng)頻率失穩(wěn)；聯(lián)網(wǎng)斷面潮流越限。

系統(tǒng)可采取的穩(wěn)定控制措施有切負(fù)荷；切光伏，切水電，切RDEC機(jī)組，壓JJ電廠、HY電廠出力；解列線路。

為了適應(yīng)DQS電網(wǎng)小水電出力季節(jié)性明顯、負(fù)荷季節(jié)峰谷差較大等特點(diǎn)，為其設(shè)計(jì)的電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)特點(diǎn)。

(1) 負(fù)荷水平的自適應(yīng)。通過采集全網(wǎng)電源的出力，實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)容量，動態(tài)調(diào)整穩(wěn)控動作門檻(功率缺額)，自適應(yīng)系統(tǒng)各種負(fù)荷水平，不需要設(shè)置大、小運(yùn)行方式壓板。

(2) 切機(jī)組合自適應(yīng)。切光伏、切小水電、切小火電機(jī)組、壓大火電機(jī)組出力措施相結(jié)合，穩(wěn)控裝置提供4付接點(diǎn)給分散控制系統(tǒng)(DCS)的開入回路(開入保持200 ms以上)，DCS根據(jù)4個(gè)開入組成8421碼乘以系數(shù)(系數(shù)可整定)，轉(zhuǎn)成模擬量輸出到數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，由DEH完成快速減出力。每臺大火電機(jī)組可減出力量受限于其可穩(wěn)定燃燒出力水平。

(3) 切負(fù)荷的自適應(yīng)。采集各站可切負(fù)荷，按照三、二、一級負(fù)荷的優(yōu)先級排序，根據(jù)需要按照過切、欠切、最優(yōu)切的原則組織切負(fù)荷。

(4) 運(yùn)行方式的自適應(yīng)。機(jī)組跳閘策略通過結(jié)合聯(lián)網(wǎng)斷面功率突變ΔP>Pset輔助判據(jù)，自動適應(yīng)孤網(wǎng)、與國網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、與DBS聯(lián)網(wǎng)多種運(yùn)行方式，不需要采集聯(lián)網(wǎng)線路開關(guān)量或維護(hù)聯(lián)網(wǎng)方式壓板，提高穩(wěn)控系統(tǒng)的智能化程度，降低運(yùn)維工作量。Pset的整定主要考慮躲過穩(wěn)控裝置采樣零漂，并保證足夠的安全裕度(基于裝置的采樣精度考慮，建議取安全系數(shù)大于2)。

2016年2月，DQS電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)通過了實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(RTDS)試驗(yàn)驗(yàn)證，共計(jì)模擬了200種運(yùn)行工況。測試系統(tǒng)連接框架如圖2所示。

圖2 RTDS測試系統(tǒng)連接框架示意圖Fig.2 Diagram of connection framework of RTDS test system

以孤網(wǎng)運(yùn)行方式下HY電廠1號機(jī)組功率驟降為例，說明穩(wěn)控系統(tǒng)的動作過程。HY電廠1號機(jī)組事故前出力為115.9 MW，功率驟降104.9 MW后，穩(wěn)控系統(tǒng)判斷需切除負(fù)荷總量為104.906 MW，實(shí)際切除負(fù)荷總量為104.825 MW，分別是KGQ變13.291 MW、SH變3.864 MW、HYH變51.965 MW、XJ變35.706 MW。從發(fā)生功率驟降瞬間至負(fù)荷切除的時(shí)間間隔為210 ms，整個(gè)過程系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

穩(wěn)控裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測關(guān)鍵斷面功率，當(dāng)檢測到HY電廠1號機(jī)組功率驟降后，裝置查詢策略表事件為“700 MW<發(fā)電量≤900 MW，HY1號機(jī)組功率驟降”，經(jīng)過5 ms后發(fā)出切除KGQ變、SH變、HYH變、XJ變負(fù)荷的命令。經(jīng)核實(shí)，RTDS仿真系統(tǒng)發(fā)電量位于700～900 MW，且各項(xiàng)參數(shù)與穩(wěn)控裝置保持一致。

HY電廠1號機(jī)組功率驟降后，引起系統(tǒng)頻率下降，采取切負(fù)荷措施后，系統(tǒng)頻率回升至正常范圍內(nèi)。整個(gè)過程全網(wǎng)頻率最低為49.85 Hz。

3 第三道防線配置方案

3.1 低頻低壓減載配置方案

低頻低壓減載裝置配置在各負(fù)荷變電站，總量最低按損失最大一個(gè)發(fā)電廠(裝機(jī)容量2×135 MW，占全網(wǎng)最大負(fù)荷700 MW的39%)整定。條件容許的情況下，可配置全網(wǎng)負(fù)荷總量的40%以上。低頻減載整定方案如表1所示，設(shè)定低頻減載頻率啟動值為49.5 Hz。

表1 低頻減載整定方案Table 1 Low frequency load shedding scheme

失去大容量發(fā)電廠后，系統(tǒng)功率缺額220 MW(事故前系統(tǒng)容量700 MW)。在第二道防線失效情況下，系統(tǒng)的頻率偏差響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 失去大容量發(fā)電廠后的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)曲線Fig.3 System frequency response curve after the loss of large capacity power plant

仿真表明，第三道防線低頻減載動作3輪，共切除負(fù)荷175.6 MW，仿真過程中系統(tǒng)最低頻率為48.57 Hz，恢復(fù)頻率為49.65 Hz，系統(tǒng)的頻率偏差響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 失去大容量發(fā)電廠在低頻減載裝置動作后的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)曲線Fig.4 System frequency response curve after the loss of large capacity power plant with low frequency load shedding device action

低壓減載整定方案如表2所示，設(shè)定低壓減載啟動值為0.85 p.u.。

表2 低壓減載整定方案Table 2 Low voltage load shedding scheme

3.2 高頻切機(jī)配置方案

高頻切機(jī)裝置配置在：光伏電站(THYG，JTY，LN)、水電站(XBQJ水電站、GYE水電站、TJ水電站)、火電廠(JJ電廠、HY電廠、RDEC)。

高頻切機(jī)方案需要與機(jī)組的超速保護(hù)(OPC)定值協(xié)調(diào)配合。OPC定值建議整定為52.0 Hz，并且增加0.2 s的延時(shí)，避免OPC先于高頻切機(jī)動作。高頻切機(jī)整定方案如表3所示。

表3 高頻切機(jī)整定方案Table 3 High frequency cutting machine scheme

3.3 失步解列配置方案

失步解列裝置配置在：

(1) 水電送出斷面。SH變(SH-LG)、GYE站(GYE-XJ)、TJ水電站(TJ-CZ)；

(2) 與外界聯(lián)網(wǎng)斷面。JJ電廠、WWZX變。

4 在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可行性分析

基于預(yù)決策的在線安全穩(wěn)定綜合防御系統(tǒng)被認(rèn)為今后的發(fā)展方向，省級以上的調(diào)度中心已上線運(yùn)行，但距實(shí)用化還有一定的距離，主要受限于外網(wǎng)的動態(tài)等值和下一級電網(wǎng)的建模。在大電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制更加遙遠(yuǎn)。獨(dú)立局域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較簡單、區(qū)域范圍較小，信息量少，不需與外網(wǎng)交換信息或交換信息很少，且沒有暫態(tài)過程復(fù)雜的電力電子設(shè)備，光纖通信已普遍采用，在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來比大型電網(wǎng)容易的多，硬件與軟件的投資相對較少。

目前，獨(dú)立局域電網(wǎng)的技術(shù)力量較弱，電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析的水平難以滿足電網(wǎng)發(fā)展的需要。在這種情況下，盡早應(yīng)用在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提高電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行水平，做好電網(wǎng)的預(yù)防性控制、防患于未然，對減輕運(yùn)行方式人員的工作量，提高安全穩(wěn)定控制水平，將有著重要的意義。因此，建議這類電網(wǎng)的調(diào)度部門盡快開展在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的應(yīng)用工作，以較小的投資取得電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的有力保證。

SPORS-5100在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)[16]利用穩(wěn)控裝置采集數(shù)據(jù)(兼容遠(yuǎn)程終端單元RTU慢速數(shù)據(jù))，獲得電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，基于超實(shí)時(shí)仿真技術(shù)及優(yōu)化算法在線進(jìn)行電網(wǎng)穩(wěn)定控制決策，完成電網(wǎng)安全穩(wěn)定的綜合評估和穩(wěn)控策略的在線刷新，實(shí)現(xiàn)精確的閉環(huán)自適應(yīng)穩(wěn)定控制。在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)布置在調(diào)度控制中心安全I(xiàn)區(qū)，通過專用光纖與安裝于各發(fā)電廠、變電站現(xiàn)場的穩(wěn)控裝置通信。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Hardware structure of online real time stability control system

正常運(yùn)行時(shí)利用穩(wěn)控裝置或RTU采樣數(shù)據(jù)開展?fàn)顟B(tài)估計(jì)、潮流計(jì)算和預(yù)決策計(jì)算，當(dāng)接收到穩(wěn)控裝置上送的故障信息后，觸發(fā)穩(wěn)定判別計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)自動進(jìn)行策略搜索，將控制措施下達(dá)至分布在各廠站的穩(wěn)控裝置或RTU執(zhí)行。在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的計(jì)算流程如圖6所示。

圖6 在線實(shí)時(shí)穩(wěn)定控制系統(tǒng)計(jì)算流程圖Fig.6 Flow chart of online real time stability control system

5 結(jié)語

通過前文分析可知，除直流閉鎖或換相失敗之外，大電網(wǎng)三道防線設(shè)計(jì)時(shí)考慮的故障類型，仍然適用于獨(dú)立局域電網(wǎng)。穩(wěn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，獨(dú)立局域電網(wǎng)需要考慮N-1故障，重點(diǎn)應(yīng)對損失大機(jī)組/大負(fù)荷、對外聯(lián)絡(luò)線跳閘；而大電網(wǎng)重點(diǎn)應(yīng)對N-2故障。第三道防線設(shè)計(jì)時(shí)，大電網(wǎng)一般按固定的百分比配置減負(fù)荷總量，而獨(dú)立局域電網(wǎng)減負(fù)荷總量最低按損失最大一個(gè)發(fā)電廠配置。

本文總結(jié)了獨(dú)立局域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并結(jié)合工程實(shí)踐分析，對獨(dú)立局域電網(wǎng)三道防線建設(shè)提出如下建議：

(1) 適當(dāng)提高繼電保護(hù)配置，加快故障切除速度。對于保護(hù)整定配合困難的情形，可采取解環(huán)運(yùn)行+備自投的方式，提高供電可靠性。構(gòu)建先進(jìn)可靠的能量管理系統(tǒng)，通過自動發(fā)電控制(AGC)/自動電壓控制(AVC)功能模塊優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定裕度。

(2) 配置完善的第二道防線，即穩(wěn)定控制系統(tǒng)，保障控制措施的精確性和快速性。重視切機(jī)、切負(fù)荷措施的不匹配量，切機(jī)時(shí)，優(yōu)先切除光伏、水電、小火電。如果必須對大火電機(jī)組采取措施，對于輕度過載問題，優(yōu)先采取壓機(jī)組出力措施；對于嚴(yán)重過載問題和頻率穩(wěn)定問題，必須切除大火電機(jī)組時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際損失發(fā)電出力量，刷新需切負(fù)荷量，將系統(tǒng)功率不平衡量將至最低。

(3) 分散布置低頻低壓減載裝置、高頻切機(jī)裝置，保證足夠的可減載量和可切機(jī)量。還應(yīng)在獨(dú)立局域電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)斷面和小水電送出斷面配置失步解列裝置。重視第三道防線裝置定值的整定配合以及第二道防線與第三道防線之間的協(xié)調(diào)配合，避免出現(xiàn)無序動作和重復(fù)動作。

電網(wǎng)一方面朝著極大方向(全球能源互聯(lián)網(wǎng))發(fā)展，另一方面朝著極小方向(微電網(wǎng))發(fā)展，兩者都成為了近幾年來的研究熱點(diǎn)。然而，獨(dú)立局域電網(wǎng)作為電網(wǎng)發(fā)展的第三種趨勢，在運(yùn)行實(shí)踐中已經(jīng)出現(xiàn)了許多亟需解決的問題，系統(tǒng)崩潰事故經(jīng)常發(fā)生，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，造成了惡劣的社會影響，在當(dāng)下卻未引起充分的關(guān)注，本文拋磚引玉，希望業(yè)界更多地開展此類電網(wǎng)的研究。

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(編輯 徐林菊)

Analysis on Construction Scheme of Three Defense Lines for Independent Local Power Grid

XIA Yanhui, DONG Chen, SUN Dan, ZOU Yu

(Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd, Nanjing 211153, China)

The structure characteristics of the independent local power grid are summarized firstly. Then, the security and stability problem of the local power grid is analyzed, combined with the development trend of the state promoting sales side reform. Three lines of defense construction scheme are proposed taking an independent local power grid as an example. Some key technical problems related to the stability control system, low frequency and low voltage load shedding, high frequency cutting machine, out-of-step splitting solution are discussed. The applicability of the scheme is verified by RTDS and off-line simulation, the feasibility of on-line and real-time stability control system is demonstrated. Finally, the construction principles of the three lines of defense for the independent local power grid are summarized.

independent local power grid; three lines of defense; stability control system; automatic safety device; online realtime stability control

2017-01-15；

2017-02-23

江蘇省科技項(xiàng)目(BZ2015010)

TM 762

A

2096-3203(2017)03-0076-06

夏彥輝

夏彥輝(1982—)，男，河南開封人，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制;

董 宸(1982—)，女，安徽太和人，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制;

孫 丹(1989—)，女，河北保定人，助理工

程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制;

鄒 宇(1975—)，男，四川自貢人，工程師，研究方向?yàn)榘踩詣友b置開發(fā)。