鹿 優(yōu) ，楊建國 ，徐 偉 ，何云龍

（1.山東省電力學(xué)校，山東 泰安 271000；2.泰山抽水蓄能電站，山東 泰安 271000）

0 引言

地區(qū)性發(fā)電廠是指按照五級調(diào)度劃分的直屬地級調(diào)度管轄的發(fā)電廠，具有裝機容量不大，存在形式多樣化的特點。以往，大型企業(yè)的自備電廠和熱電聯(lián)產(chǎn)的城市熱電廠是地區(qū)性發(fā)電廠的主要存在形式。近年來，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，地區(qū)性發(fā)電廠的存在形式也由單一的火力發(fā)電向多樣化轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電站、太陽能電站、生物質(zhì)能發(fā)電廠、抽水蓄能調(diào)峰電站等新的形式。這些小容量電廠的并網(wǎng)對電網(wǎng)的安全運行提出了較高的要求，一方面改變了電網(wǎng)正常運行和檢修的方式，另一方面使繼電保護和自動裝置的相關(guān)配置復(fù)雜化。小發(fā)電并網(wǎng)的運行方式是電網(wǎng)調(diào)度工作關(guān)注的重點，假如小發(fā)電的并網(wǎng)通道或上級變電站的相關(guān)設(shè)備發(fā)生故障，則容易形成小發(fā)電與主網(wǎng)解列而帶部分負(fù)荷獨立運行的局面，從而形成一個脫離主網(wǎng)運行的孤立小電網(wǎng)，在這種情況下如何恢復(fù)小發(fā)電的并網(wǎng)運行是調(diào)度值班員亟待解決的一個問題。由此可見，總結(jié)地區(qū)性發(fā)電廠并網(wǎng)的運行方式，進一步探討孤立電網(wǎng)的處理方案對于電網(wǎng)調(diào)度工作是十分必要的。

1 地區(qū)電廠并網(wǎng)的運行方式

地區(qū)電廠并網(wǎng)的運行方式主要包含電廠電氣主接線采用的接線方式和與主網(wǎng)連接的方式。

由于并網(wǎng)電廠容量較小，而且建設(shè)在城市附近或工業(yè)負(fù)荷中心，所以無需遠(yuǎn)距離輸電，并網(wǎng)線路的電壓等級通常選用10 kV、35 kV以及110 kV，其電氣主接線的接線方式通常采用無匯流母線的單元接線、橋形接線以及有匯流母線的單母線接線、單母線分段接線等。這幾種接線方式具有接線簡單、開關(guān)設(shè)備少、操作簡便的優(yōu)點，同時也存在靈活性、可靠性較差等技術(shù)問題。例如小火電通常采用發(fā)電機——升壓變壓器單元接線而不在機端并聯(lián)運行，這種接線方式將大大減少發(fā)電機端的短路電流，但是也存在三個問題：第一，當(dāng)主變發(fā)生故障時，主變高壓側(cè)的開關(guān)跳開的同時發(fā)電機的磁場開關(guān)也需要跳開；第二，當(dāng)發(fā)電機故障時，若變壓器高壓側(cè)開關(guān)失靈拒動，只能通過失靈保護出口啟動母線差動保護或發(fā)出遠(yuǎn)方跳閘信號使線路對側(cè)開關(guān)跳閘，若因通道原因遠(yuǎn)方跳閘信號失效，則只能由對側(cè)后備保護切除故障，故障切除時間將大大延長，易造成發(fā)電機、主變嚴(yán)重?fù)p壞；第三，發(fā)電機因故跳閘，將失去廠用電，這種情況下備用電源的快速切換很可能不成功，機組將面臨廠用電中斷的威脅。

地區(qū)電廠與主網(wǎng)連接的方式在電力行業(yè)相關(guān)規(guī)程中存在規(guī)定。部頒標(biāo)準(zhǔn)《3～110 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程》規(guī)定：地區(qū)電源帶就地負(fù)荷，宜以單回線或雙回線在一個變電所與主系統(tǒng)單點聯(lián)網(wǎng)，并在聯(lián)網(wǎng)線路的一側(cè)或兩側(cè)斷路器上裝設(shè)適當(dāng)?shù)慕饬醒b置。不宜在電廠向電網(wǎng)送電的主干線上接入分支線或支接變壓器［1］。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)和地區(qū)電網(wǎng)的實際情況可以將小發(fā)電與主網(wǎng)連接的方式分為四種：單一線路并網(wǎng)型、雙線路主備并網(wǎng)型、雙線路分列并網(wǎng)型以及雙線路并網(wǎng)合環(huán)運行型。具體的連接方式因地而異，現(xiàn)以模型示意圖的形式總結(jié)如下。

1.1 單一線路并網(wǎng)型

單一線路并網(wǎng)型如圖1所示，地區(qū)電廠可采用發(fā)電機——主變單元接線或橋形接線，例如兩臺發(fā)電機組通過開關(guān)K1并列運行，再經(jīng)110 kV線路并入主網(wǎng)，并網(wǎng)時可以通過具有同期裝置的K2開關(guān)進行同期并列。

圖1 單一線路并網(wǎng)型

1.2 雙線路一主一備型

雙線路一主一備型如圖2所示，在這種情況下，地區(qū)電廠通常采用單母線分段或橋形接線的方式，例如兩臺發(fā)電機組通過分段開關(guān)K5并列運行，由兩條線路與主網(wǎng)并列，但正常運行時只通過一條線路并網(wǎng)，另外一條處于熱備用狀態(tài)，這就是雙線路并網(wǎng)的一主一備型。在圖中可見開關(guān)K1、K2合閘，“35 kV熱變一線”處于運行狀態(tài)，具有同期裝置的開關(guān)K3分閘，開關(guān)K4合閘，“35 kV熱變二線”處于熱備用狀態(tài)作為運行線路的備份。

圖2 雙線路一主一備型

1.3 雙線路分列運行型

雙線路分列運行型如圖3所示，地區(qū)電廠通常采用單母線分段的接線方式，K5開關(guān)為電廠母線的分段開關(guān)，K6開關(guān)并網(wǎng)變電站的低壓母線分段開關(guān)。電廠與上一級變電站通過兩條線路并列，即“35 kV熱變一線”和“35 kV熱變二線”，兩條線路均處于運行狀態(tài)，而分段開關(guān)K5、K6均處于熱備用狀態(tài)，所以電廠的兩條并網(wǎng)線路雖然同時運行但相對獨立，稱為雙線路分列運行型。

圖3 雙線路分列運行型

1.4 雙線路合環(huán)運行型

雙線路合環(huán)運行型如圖4所示，地區(qū)電廠與上一級變電站之間通過兩條線路并網(wǎng)，兩條并網(wǎng)線路均處于運行狀態(tài)，同時并網(wǎng)線路、電廠及變電站的相應(yīng)母線、分段開關(guān)形成閉合回路，在圖4中合環(huán)運行是通過合上線路開關(guān) K1、K2、K3、K4以及分段開關(guān)K5、K6實現(xiàn)的。這種并網(wǎng)方式的可靠性高，任何一路并網(wǎng)線路故障或檢修均不需要調(diào)整運行方式，但對兩條并網(wǎng)線路的保護配置要求較高［2］。

圖4 雙線路合環(huán)運行型

2 孤網(wǎng)系統(tǒng)的形成和電網(wǎng)并列的條件

以上4種地區(qū)電廠并網(wǎng)的運行方式涉及到了地區(qū)電廠、并網(wǎng)線路、上級變電站以及相關(guān)的用戶負(fù)荷4個部分，地區(qū)電廠通過并網(wǎng)線路連接上級變電站，地區(qū)電廠的并網(wǎng)線路與用戶負(fù)荷共同連接在上級變電站的母線上。一旦主網(wǎng)故障，例如上級變電站的主變跳閘或并網(wǎng)線路跳閘，往往會出現(xiàn)局部電網(wǎng)因某個斷點與主網(wǎng)斷開的情況，斷開的這個小電網(wǎng)中存在電源與負(fù)載，即地區(qū)電廠帶部分負(fù)荷獨立運行的情況，孤網(wǎng)系統(tǒng)就此產(chǎn)生。孤立電網(wǎng)通常規(guī)模不大，一旦形成則地區(qū)電廠作為孤網(wǎng)的電源就成為孤網(wǎng)運行的核心，由于主網(wǎng)故障形成的孤網(wǎng)系統(tǒng)往往面臨較大的功率缺額，頻率及電壓下降較快，孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定對孤網(wǎng)內(nèi)的重要用戶意義重大，必須配置一系列的繼電保護以及自動裝置實現(xiàn)孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和對地區(qū)電廠的保護。

2.1 繼電保護及自動裝置的相關(guān)配置

在地區(qū)電廠方面。發(fā)電機組應(yīng)配置低頻低壓解列、振蕩解列、高頻切機等自動裝置。其中低頻低壓解列裝置的整定值要與主網(wǎng)的低頻低壓減載裝置相配合，當(dāng)功率缺口較大時，頻率與電壓下降較快，低頻低壓解列裝置跳開并網(wǎng)開關(guān)保護發(fā)電機組；振蕩解列裝置通常配置在110 kV及以上機組，在系統(tǒng)振蕩或嚴(yán)重故障時跳開機組的并網(wǎng)開關(guān)，保證機組安全；高頻切機裝置通常配置在兩臺以上機組、帶有直配負(fù)荷的公用電廠，當(dāng)主網(wǎng)故障或孤網(wǎng)運行導(dǎo)致功率過剩超過電廠一臺機組的額定功率時，裝置將機組停運，以降低系統(tǒng)頻率。此外，110 kV單母線分段的接線方式應(yīng)配置母差保護，當(dāng)母線故障時能夠迅速的、有選擇的切除母線故障。

在并網(wǎng)線路方面。并網(wǎng)線路變電站側(cè)配置檢無壓重合閘，為了防止非同期合閘沖擊發(fā)電機，重合閘動作應(yīng)先檢定線路無電壓；并網(wǎng)線路電廠側(cè)不配置重合閘裝置。110 kV的并網(wǎng)線路配置縱聯(lián)保護為主保護以求快速切除故障，配置三段式零序、距離保護為后備保護。35 kV及以下等級的并網(wǎng)線路配置三段式電流保護，其中的電流限時速斷保護應(yīng)具有指向線路的方向，整定值區(qū)分大、小方式，在并網(wǎng)機組的容量和數(shù)目變化較大時保證保護動作的靈敏性。

在變電站方面。主變低壓側(cè)或中壓側(cè)存在電廠并網(wǎng)時，應(yīng)配置變壓器中性點零序過流保護或間隙過電壓保護來選跳并網(wǎng)線路，可以有效防止主變失電、外部故障或發(fā)電機因故未解列倒送故障電流。在變電站用戶負(fù)荷處裝設(shè)低頻低壓減載裝置作為電網(wǎng)的第三道防線，在頻率、電壓大幅下降時，減除非重要用戶防止系統(tǒng)崩潰，這一點對孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定有重要作用。

總之，因主網(wǎng)故障而形成孤網(wǎng)系統(tǒng)時，發(fā)電機組的調(diào)速系統(tǒng)可靠動作，低頻低壓減載裝置正確的、按次序逐步切除部分負(fù)荷，使孤網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定下來。所以，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)電機組的出力與用戶負(fù)荷基本平衡是孤網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定依賴于供用電平衡，所以必須合理配置并網(wǎng)變電站及其供電范圍內(nèi)的低頻低壓減載裝置，調(diào)度也要合理安排正常和檢修的運行方式。

2.2 電網(wǎng)并列的條件

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，對電網(wǎng)造成巨大沖擊和嚴(yán)重事故，必須通過具有同期裝置的開關(guān)實現(xiàn)兩網(wǎng)的并列，嚴(yán)禁非同期并列。

系統(tǒng)同期并列的理想條件為：兩個待并系統(tǒng)的電壓差、頻率差、電壓的相位差均為零［3］。但是影響兩個待并系統(tǒng)電壓、頻率、相位角的因素較多，達到理想條件不現(xiàn)實。因此，這些參數(shù)只要在允許的范圍內(nèi)就可以實施兩個系統(tǒng)的準(zhǔn)同期并列。兩個系統(tǒng)準(zhǔn)同期并列的條件為：第一，兩個待并系統(tǒng)的電壓應(yīng)接近相等，在數(shù)值上相差不應(yīng)超過±（5%~10%）主網(wǎng)電壓；第二，兩個待并系統(tǒng)的頻率應(yīng)接近相等，在數(shù)值上相差不應(yīng)超過±（0.2%~0.5%）主網(wǎng)頻率；第三，同期開關(guān)的觸頭應(yīng)在兩個待并系統(tǒng)電壓的相位差接近0°時剛好接通，所以合閘瞬間該相位差通常不應(yīng)超過±10°。

3 孤網(wǎng)系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)度中的處理方案

由于主網(wǎng)故障造成部分電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開，以地區(qū)電廠為電源帶部分負(fù)荷孤立運行形成孤網(wǎng)系統(tǒng)。孤網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)到主網(wǎng)中運行需要進行同期并列，從同期并網(wǎng)的位置加以區(qū)分可以將處理方案分為兩種。

3.1 第一種方案“電廠側(cè)并網(wǎng)”

首先向孤網(wǎng)系統(tǒng)的用戶負(fù)荷下停電通知，其次孤網(wǎng)系統(tǒng)中的電廠與負(fù)荷解列，將孤網(wǎng)的用戶負(fù)荷通過斷路器合閘操作并入主網(wǎng)，最后在電廠側(cè)與主網(wǎng)并列。即先甩負(fù)荷再由電廠側(cè)并網(wǎng)。這種方案較為常規(guī)，普遍適合各種情況的孤網(wǎng)系統(tǒng)，是調(diào)度運行中經(jīng)常使用的一種處理方案。執(zhí)行這種方案的主要原因有兩點：首先，由于地區(qū)電廠容量有限，當(dāng)出現(xiàn)帶部分負(fù)荷孤立運行時功率缺額過大，難以長期穩(wěn)定，造成電廠解列，孤網(wǎng)系統(tǒng)崩潰；其次，部分地區(qū)電網(wǎng)的同期裝置均配置在發(fā)電廠側(cè)，而變電站中沒有同期裝置，導(dǎo)致同期并列的操作必須在電廠側(cè)進行。

這種“電廠側(cè)并網(wǎng)”方案的實施有兩個要素：同期開關(guān)和并網(wǎng)線路。并網(wǎng)線路用于連接地區(qū)電廠與主網(wǎng)系統(tǒng)，同期開關(guān)用于地區(qū)電廠與主網(wǎng)系統(tǒng)的同期并列。并網(wǎng)線路電廠側(cè)的開關(guān)帶有同期裝置，可以將該開關(guān)作為電廠并網(wǎng)的核心。具體處理方式因并網(wǎng)類型而異，調(diào)度值班員根據(jù)不同的并網(wǎng)類型進行相應(yīng)的調(diào)度操作下令。

3.1.1 單一線路并網(wǎng)型

地區(qū)電廠單一線路并網(wǎng)，沒有備用的并網(wǎng)線路和同期開關(guān)，一旦形成孤網(wǎng)系統(tǒng)，并網(wǎng)線路就成為孤網(wǎng)系統(tǒng)的一部分，所以地區(qū)電廠應(yīng)當(dāng)率先解列，由主網(wǎng)向并網(wǎng)線路送電，最終在并網(wǎng)線路電廠側(cè)將電廠同期并網(wǎng)。在圖1中，開關(guān)K2就是并網(wǎng)線路電廠側(cè)的同期開關(guān)，可以拉開K2開關(guān)，由主網(wǎng)通過并網(wǎng)變電站向并網(wǎng)線路送電，最后再合K2開關(guān)，電廠并入主網(wǎng)。

3.1.2 雙線路一主一備型

地區(qū)電廠通過兩條線路并網(wǎng)，一條處于運行狀態(tài)，另一條處于熱備用狀態(tài)，如圖2所示，一旦形成孤網(wǎng)系統(tǒng)，處于運行狀態(tài)的線路成為孤網(wǎng)系統(tǒng)中地區(qū)電廠的并網(wǎng)線路，可以使用備用并網(wǎng)線路和同期開關(guān)K3將孤網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)到主網(wǎng)系統(tǒng)中去。先由主網(wǎng)系統(tǒng)對備用線路變電站側(cè)的母線充電，再合上備用線路電廠側(cè)的同期開關(guān)K3，實現(xiàn)電廠與主網(wǎng)的同期并列。

3.1.3 雙線路分列運行型

地區(qū)電廠通過兩條線路并網(wǎng)分列運行，如圖3所示，兩臺發(fā)電機組相對獨立，一旦形成孤網(wǎng)系統(tǒng)則可能出現(xiàn)兩種局面：分列運行的發(fā)電機形成兩個小系統(tǒng)；分列運行的發(fā)電機一臺解列，一臺運行。對于發(fā)電機形成兩個小系統(tǒng)的情況，首先合上同期開關(guān)K5使兩臺機組并列運行，其次合上變電站中并網(wǎng)側(cè)母線分段開關(guān)K6進行站內(nèi)操作，變電站操作完成后再將K6拉開，并網(wǎng)線路電廠側(cè)的同期開關(guān)有K1、K3兩個，此時兩者擇一拉開（拉開K3）用以空出變電站的一條母線和并網(wǎng)線路，主網(wǎng)通過空出的母線對并網(wǎng)線路送電，最后合上K3完成孤網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)。對于發(fā)電機一臺解列一臺運行的處理方式與雙線路一主一備型相似。

3.1.4 雙線路合環(huán)運行型

地區(qū)電廠通過兩條線路并網(wǎng)合環(huán)運行，如圖4所示，一旦形成孤網(wǎng)系統(tǒng)，兩臺機組作為孤網(wǎng)的電源并列運行，其與主網(wǎng)并列的處理方案與上述的分列運行型相似，其核心思想均為創(chuàng)造并網(wǎng)所需的兩個要素——同期開關(guān)和并網(wǎng)線路。此時只需將變電站母線分段開關(guān)K6、并網(wǎng)線路同期開關(guān)K1或K3拉開，則兩個要素就出現(xiàn)了，主網(wǎng)通過空出的母線對并網(wǎng)線路送電，最后合上并網(wǎng)線路同期開關(guān)完成操作。

3.2 第二種方案“變電站同期”

在孤網(wǎng)系統(tǒng)與主網(wǎng)系統(tǒng)的斷點處進行兩個電網(wǎng)的同期并列。通常這個斷點出現(xiàn)在地區(qū)電廠并網(wǎng)的上級變電站中，所以此時的兩個電網(wǎng)并列是通過變電站的同期合閘操作來實現(xiàn)的。在不具備同期裝置的變電站中進行合閘操作來實現(xiàn)兩個電網(wǎng)的同期并列則會出現(xiàn)非同期并列的重大事故［4］，所以執(zhí)行這種方案需要具備兩個條件：首先，地區(qū)電廠并網(wǎng)變電站內(nèi)裝設(shè)低頻低壓減載裝置，當(dāng)出現(xiàn)孤網(wǎng)系統(tǒng)時，該裝置可靠動作有效的切除部分負(fù)荷，保證孤網(wǎng)系統(tǒng)的短時穩(wěn)定；其次，變電站中應(yīng)裝設(shè)自動準(zhǔn)同期裝置，該裝置作為變電站綜合自動化系統(tǒng)的重要組成部分，可以通過遙控等功能進行孤網(wǎng)與主網(wǎng)斷點處的同期合閘操作，從而在變電站內(nèi)實現(xiàn)兩個電網(wǎng)的并列。此外，這種變電站準(zhǔn)同期并列的實現(xiàn)也將突破以往在電廠側(cè)同期并列的單一性，是未來智能電網(wǎng)達到“自愈性”的重要環(huán)節(jié)。

這種“變電站同期”的處理方案可以保證孤網(wǎng)的重要用戶在不停電的情況下實現(xiàn)與主網(wǎng)系統(tǒng)的同期并列，這是“電廠側(cè)并網(wǎng)”的處理方案不能企及的。此外，“變電站同期”的處理思想體現(xiàn)著一種調(diào)度運行的靈活性，該方案的實施以變電站綜合自動化系統(tǒng)為依托，所以進一步增強變電站綜合自動化系統(tǒng)的功能和可靠性是通向智能電網(wǎng)過程中的一項必要工作。

4 總結(jié)與問題

本文著重論述了當(dāng)?shù)貐^(qū)電廠孤網(wǎng)運行時，調(diào)度值班員對這種情況的處理方案。首先，配合圖示闡明了地區(qū)電廠的并網(wǎng)運行方式；其次，從繼電保護及自動裝置的角度分析了孤網(wǎng)系統(tǒng)的形成過程，需要理解同期并列的具體概念；最后，在孤網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)主網(wǎng)運行的處理方案中提出了兩種處理方案，較為常規(guī)的“電廠側(cè)并網(wǎng)”和較為靈活的“變電站同期”。

目前，地調(diào)對孤網(wǎng)系統(tǒng)的處理主要使用的是傳統(tǒng)的“電廠側(cè)并網(wǎng)”方案，這種方案所涉及的因素較少，處理方式較為簡便。此外，這也是由地區(qū)電網(wǎng)的運行方式?jīng)Q定的，某些地區(qū)的同期裝置全部安裝在電廠側(cè)，變電站側(cè)沒有同期裝置，并且低頻低壓減載裝置是從主網(wǎng)的角度進行整定的，不會在某一區(qū)域設(shè)置切負(fù)荷數(shù)，這導(dǎo)致一旦形成孤網(wǎng)系統(tǒng)，則很難穩(wěn)定運行。所以，調(diào)度處理與調(diào)度運行密切相關(guān)，欲采取靈活的處理方式也必須存在靈活的運行方式。