楊尉薇，鄭惠萍，劉新元

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

大同電網(wǎng)嚴(yán)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(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)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(yán)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(jì)算分析穩(wěn)定計(jì)算程序，對(duì)可能引起大同電網(wǎng)與主網(wǎng)解列的極端嚴(yán)重故障進(jìn)行分析，制定安控配置策略表，并針對(duì)主要存在的頻率問(wèn)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(jī)

0 引言

山西大同電網(wǎng)是典型的大電源、小負(fù)荷、高送出的能源基地。屬于典型的送端電網(wǎng)，解環(huán)運(yùn)行后僅通過(guò)500 kV神雁雙回線與山西主網(wǎng)相連，通過(guò)500 kV大房三回線與華北主網(wǎng)相連，同時(shí)通過(guò)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(gè)送電通道潮流較重，大方式下超過(guò)單回100萬(wàn)kV。另一方面，由于大同電網(wǎng)從內(nèi)蒙受電1 200 MW，進(jìn)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(yán)重故障下與系統(tǒng)解列的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)大同與山西主網(wǎng)雙回500 kV聯(lián)絡(luò)線同時(shí)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(guò)靜穩(wěn)極限，引起線路上配置的失步解列裝置動(dòng)作，跳開聯(lián)絡(luò)線，最終導(dǎo)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(yán)重故障

大同電網(wǎng)負(fù)荷1 824MW，出力9 161MW（含內(nèi)蒙1 200MW），廠用電590MW，經(jīng)過(guò)神雁雙回線和大房三回線外送6 686.1MW。當(dāng)發(fā)生神雁雙回線N-2故障時(shí)，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(yùn)行時(shí)，大房聯(lián)絡(luò)線輸送功率達(dá)到4 900MW，當(dāng)失去神雁雙回外送通道，潮流轉(zhuǎn)移至大房三回線時(shí)，大房三回線潮流將可能超過(guò)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(shí)解開大房三回聯(lián)絡(luò)線，造成大同電網(wǎng)孤網(wǎng)。同理，當(dāng)大房聯(lián)絡(luò)線發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)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(huì)因?yàn)檫^(guò)負(fù)荷或過(guò)負(fù)荷引發(fā)的后續(xù)故障而跳開，線路連鎖跳閘最終導(dǎo)致大同電網(wǎng)孤網(wǎng)。

2 嚴(yán)重故障仿真分析

仿真采用電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件（Bonnevile Power Adminstration，以下簡(jiǎn)稱BPA程序），設(shè)置神雁N-2故障，大房N-3故障，仿真分析不同安控切機(jī)量下引起大同電網(wǎng)孤網(wǎng)的時(shí)刻，并分析孤網(wǎng)后系統(tǒng)頻率。

2.1 神雁N-2

設(shè)神雁雙回線跳閘連鎖切機(jī)安控切機(jī)量1 200 MW，該切機(jī)量小于神雁雙雁同側(cè)故障時(shí)N-2的臨界穩(wěn)定切機(jī)量，因此切機(jī)動(dòng)作后大同電網(wǎng)相對(duì)華北主網(wǎng)失步，失步斷面位于大房聯(lián)絡(luò)線上。當(dāng)大房三回線解列，大同電網(wǎng)損失所有外送通道后，計(jì)及大房解列連鎖切機(jī)2 400MW，功率盈余2 996MW，剩余功率是地區(qū)有功負(fù)荷的124%，功率不平衡嚴(yán)重。

仿真算例中未配置汽輪機(jī)超速保護(hù)，如按實(shí)際情況配置，大同電網(wǎng)機(jī)組將在頻率迅速上升的過(guò)程中無(wú)序跳閘，最終導(dǎo)致大同電網(wǎng)崩潰。頻率響應(yīng)主要指標(biāo)如表1所示。

表1 未配置高周切機(jī)時(shí)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(shí)，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(dòng)作或切機(jī)量不足，都會(huì)導(dǎo)致神雁雙回線潮流過(guò)靜穩(wěn)極限，引起大同電網(wǎng)相對(duì)山西主網(wǎng)失步。在此情況下也會(huì)導(dǎo)致大同電網(wǎng)孤網(wǎng)，頻率迅速上升。

由嚴(yán)重故障所導(dǎo)致大同電網(wǎng)穩(wěn)定問(wèn)題中可以看出，大同電網(wǎng)三道防線配置的關(guān)鍵問(wèn)題是功率剩余引起的頻率異常升高，因此，其主要研究的對(duì)象為高周切機(jī)策略的配置，由于地區(qū)負(fù)荷相對(duì)有功出力而言非常小，低頻減載在頻率剩余時(shí)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(dòng)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(jī)門坎5擋，當(dāng)斷面功率小于第1擋門坎定值時(shí)裝置無(wú)策略，裝置門坎定值應(yīng)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(dòng)作嚴(yán)格按照切機(jī)順序切除機(jī)組，同一順序機(jī)組先切出力較大機(jī)組，裝置不通過(guò)調(diào)整切不同機(jī)組來(lái)符合切機(jī)量。所以，裝置實(shí)際切除機(jī)組要大于定值中容量，最惡劣情況可能多切600MW。由于機(jī)組實(shí)際出力可能遠(yuǎn)小于機(jī)組額定容量，例如對(duì)應(yīng)切機(jī)容量1 200MW，裝置通常切機(jī)為3臺(tái)600MW機(jī)組，極端情況會(huì)切除4臺(tái)600MW機(jī)組（出力300 MW），最樂(lè)觀情況為僅切除2臺(tái)600MW機(jī)組。

大同裝置有最大切機(jī)容量限制，裝置在切機(jī)時(shí)保證不會(huì)切機(jī)超過(guò)2 000MW，裝置盡量切除最接近但不超過(guò)2 000MW機(jī)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(jī)順序如下。

a） 京隆電廠1臺(tái)600 MW機(jī)組（保留1臺(tái)600MW機(jī)組）。

b） 塔山電廠1臺(tái)600 MW機(jī)組（保留1臺(tái)600MW機(jī)組）。

c） 同二電廠2臺(tái)600 MW機(jī)組（保留1臺(tái)600MW機(jī)組）。

d）京隆電廠剩余的1臺(tái)600MW機(jī)組（不保留機(jī)組）。

e) 同二電廠1臺(tái)600MW機(jī)組（保留1臺(tái)600MW機(jī)組）。

f）塔山電廠剩余的1臺(tái)600MW機(jī)組（不保留機(jī)組）。

g）同二電廠剩余的1臺(tái)600MW機(jī)組（不保留機(jī)組）。

h） 同二電廠200 MW機(jī)組（保留1臺(tái)200 MW機(jī)組）。

4 大同電網(wǎng)嚴(yán)重故障下二、三道防線配置原則

山西大同電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性按照滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》三級(jí)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算分析。山西大同電網(wǎng)與主網(wǎng)解列孤網(wǎng)運(yùn)行，作為解決孤網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定控制措施。

首先考慮采取連鎖或遠(yuǎn)方切機(jī)措施，即嚴(yán)重故障時(shí)的緊急連鎖切機(jī)措施，快速切除機(jī)組，使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，針對(duì)大同電網(wǎng)，具體優(yōu)先選擇切除風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組容量不足時(shí)切除部分火電機(jī)組，原則上每個(gè)電廠保留1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，此為第一級(jí)安全穩(wěn)定控制措施。

在連鎖切機(jī)正常動(dòng)作不能滿足有功功率平衡或連鎖切機(jī)部分或全部拒動(dòng)的情況下，考慮采取高周切機(jī)措施，即解列后發(fā)電機(jī)高周切機(jī)，當(dāng)頻率達(dá)到定值時(shí)，經(jīng)過(guò)延時(shí)切除發(fā)電機(jī)，最終到達(dá)有功功率平衡，系統(tǒng)頻率恢復(fù)到可接受范圍之內(nèi)，此為第二級(jí)穩(wěn)定措施。

除此之外，還必須考慮系統(tǒng)遠(yuǎn)方連鎖切機(jī)、高周切機(jī)與火電機(jī)組103%等超速限制保護(hù)功能的協(xié)調(diào)配合，避免導(dǎo)致103%超速限制保護(hù)動(dòng)作引起電網(wǎng)頻率驟降的連鎖事故，即火電機(jī)組汽輪機(jī)控制與電網(wǎng)安全運(yùn)行的協(xié)調(diào)。具體操作如下：火電機(jī)組在掛網(wǎng)運(yùn)行方式下,超速保護(hù)控制單元OPC（Over Speed ProtectController）的103%超速功能閉鎖或增加動(dòng)作延時(shí)，保留110%超速保護(hù)，盡量通過(guò)第一、二級(jí)措施保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定且OPC不動(dòng)作，此為第三級(jí)穩(wěn)定措施。

針對(duì)大同電網(wǎng)嚴(yán)重故障的第一級(jí)控制措施與第二級(jí)控制措施應(yīng)該各自有效且相互獨(dú)立，第一級(jí)控制措施以第二級(jí)控制措施為補(bǔ)充。解決山西大同地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)致解列電網(wǎng)頻率升高問(wèn)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(shí)際數(shù)據(jù)的仿真，驗(yàn)證了大同電網(wǎng)與系統(tǒng)解列的嚴(yán)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(duì)這一情形，制定各站裝置策略表及切機(jī)方案，防止孤網(wǎng)情況發(fā)生，并且對(duì)嚴(yán)重故障下孤網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)致的高頻問(wèn)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(yán)重故障時(shí)，可維持獨(dú)立電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)城人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)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(dāng)陽(yáng)人，1993年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)分析工作；

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