方健，陳海榮，夏玉裕

(南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，南京 211153)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及電力體制的改革，現(xiàn)階段我國(guó)部分企業(yè)在發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了集“發(fā)、輸、配、售”于一體的企業(yè)自備電網(wǎng)，這種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)通常與主網(wǎng)(即國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng))存在弱聯(lián)系或無(wú)聯(lián)系[1-2]。弱聯(lián)系時(shí)，主網(wǎng)對(duì)企業(yè)自備電網(wǎng)頻率、電壓起支撐作用，當(dāng)自備電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)頻率、電壓明顯異常時(shí)，會(huì)緊急斷開(kāi)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，使自備電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行，以免對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生影響。獨(dú)立運(yùn)行的自備電網(wǎng)呈現(xiàn)“大機(jī)組、大負(fù)荷、小電網(wǎng)”的特征，其機(jī)組的功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定影響很大，自備電網(wǎng)的自愈能力弱，存在很多安全穩(wěn)定問(wèn)題[3-6]。在大多數(shù)情況下，企業(yè)自備電網(wǎng)為了追求經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)組和負(fù)荷都是滿載運(yùn)行。機(jī)組滿載運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于低頻的抗干擾能力弱，進(jìn)一步加強(qiáng)了企業(yè)自備電網(wǎng)對(duì)于安全穩(wěn)定控制的需求[7-9]，下面以XF集團(tuán)自備電網(wǎng)為例進(jìn)行研究。

1 自備電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)模

XF集團(tuán)自備電網(wǎng)擁有7臺(tái)660 MW機(jī)組，4臺(tái)330 MW機(jī)組，擁有600 MW電解鋁負(fù)荷3組，220 MW電解鋁負(fù)荷8組，集團(tuán)周邊工業(yè)園若干。XF集團(tuán)總裝機(jī)容量6 795 MW，最大單機(jī)容量660 MW，最大單系列電解鋁負(fù)荷容量570 MW，屬典型的“大機(jī)大負(fù)荷小網(wǎng)”。此區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)包含1個(gè)穩(wěn)控主站、3個(gè)穩(wěn)控子站、22個(gè)切機(jī)切負(fù)荷執(zhí)行站，雙套配置，站控層配置穩(wěn)定控制集中管理系統(tǒng)，遠(yuǎn)方調(diào)度配置穩(wěn)定控制集中管理主站，為國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的企業(yè)電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

2 功率驟降問(wèn)題分析

2016年XF集團(tuán)自備電網(wǎng)1臺(tái)660 MW大機(jī)組主蒸汽閥關(guān)閉，導(dǎo)致機(jī)組減出力，有功功率(以下簡(jiǎn)稱功率)緩慢降低，此時(shí)機(jī)組功率和電流不滿足機(jī)組跳閘判據(jù)，無(wú)法執(zhí)行機(jī)組跳閘切負(fù)荷的穩(wěn)定控制策略。由于正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組出力大，系統(tǒng)占比大，當(dāng)機(jī)組減出力時(shí)對(duì)系統(tǒng)頻率影響較大[10]，第3道防線低頻減載動(dòng)作切負(fù)荷，正確動(dòng)作。此時(shí)機(jī)組出力繼續(xù)減少直到減為零，逆功率運(yùn)行，吸收系統(tǒng)功率。當(dāng)機(jī)組功率過(guò)零點(diǎn)時(shí)，鍋爐主燃料跳閘(MFT)動(dòng)作，聯(lián)跳汽機(jī)，機(jī)組電氣系統(tǒng)跳閘，滿足安全穩(wěn)定控制裝置機(jī)組跳閘判據(jù)，執(zhí)行切負(fù)荷命令，需切負(fù)荷功率為機(jī)組啟動(dòng)前功率660 MW；切除660 MW大電解鋁負(fù)荷，第2道和第3道防線重復(fù)動(dòng)作，過(guò)切負(fù)荷過(guò)大，系統(tǒng)頻率上升，導(dǎo)致系統(tǒng)高頻切機(jī)；切機(jī)后再切負(fù)荷，整個(gè)過(guò)程系統(tǒng)先低頻、后高頻、再低頻，最終導(dǎo)致全廠形成“蹺蹺板”，全系統(tǒng)切機(jī)切負(fù)荷，最終全廠停電。

上述事故形成的主要原因有以下幾點(diǎn)。

(1)自備電網(wǎng)中機(jī)組容量多為660 MW和330 MW，負(fù)荷為600 MW和220 MW，是典型“大機(jī)大負(fù)荷小網(wǎng)”系統(tǒng)。機(jī)組、負(fù)荷顆粒度大，切除相應(yīng)的機(jī)組和負(fù)荷后使得系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)階梯式變化，事故中系統(tǒng)頻率偏移曲線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)頻率偏移曲線

(2)自備電網(wǎng)第2、第3道防線存在配合問(wèn)題：

第3道防線低頻減載動(dòng)作后，第2道防線安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)重復(fù)動(dòng)作，多次重復(fù)動(dòng)作后形成“蹺蹺板”。

(3)安全穩(wěn)定控制策略不完善，缺少識(shí)別自備電網(wǎng)中機(jī)組功率驟降的策略。事故中機(jī)組功率變化曲線如圖2所示，現(xiàn)有的機(jī)組策略無(wú)法識(shí)別圖2中功率變化。

圖2 機(jī)組功率變化曲線

3 安全穩(wěn)定控制策略方案

事故分析得知，機(jī)組功率驟降對(duì)自備電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定影響很大，自備電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制策略需對(duì)機(jī)組功率驟降采取必要措施。為此，增加安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)功率驟降判據(jù)來(lái)識(shí)別機(jī)組功率驟降。

根據(jù)圖2中機(jī)組功率變化曲線可以看出，判別功率驟降的主要依據(jù)還是功率變化，輔助條件為系統(tǒng)頻率變化量。圖1系統(tǒng)頻率偏移曲線表明，解決機(jī)組驟降穩(wěn)定問(wèn)題，根本上是解決系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題，若機(jī)組驟降以后系統(tǒng)熱備用出力足夠，能夠瞬時(shí)彌補(bǔ)系統(tǒng)功率缺額，不影響系統(tǒng)頻率，則安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)就不需要執(zhí)行相應(yīng)的策略。

所以，制定機(jī)組驟降判別依據(jù)如圖3所示，其中：ΔP為功率下降量，是裝置啟動(dòng)前200 ms的有功功率與當(dāng)前有功功率的差(正值)；Pset為有功功率驟降量定值，根據(jù)自備電網(wǎng)實(shí)際機(jī)組容量設(shè)定，XF集團(tuán)設(shè)為200 MW；ts為驟降判別延時(shí)；ΔI為相電流下降量，是裝置啟動(dòng)前200 ms的相電流與當(dāng)前相電流的差(正值)；Δf為頻率下降量，是裝置啟動(dòng)前200 ms的頻率與當(dāng)前頻率的差(正值)；fset為功率驟降頻率變化量定值，默認(rèn)為0.05 Hz，用于反映系統(tǒng)實(shí)際存在功率缺額，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降；Imax為當(dāng)前最大相電流；Umax為當(dāng)前最大相電壓；3U0≥0.1UN或Umax<0.2UN且I≥IR為PT斷線判別邏輯；3I≥0.06IN或3I0≥0.125Imax為CT斷線判別邏輯；當(dāng)機(jī)組元件發(fā)生電壓互感器(PT)或者電流互感器(CT)斷線時(shí)，閉鎖功率驟降判別，用于防止誤動(dòng)。

圖3 機(jī)組功率驟降判據(jù)

由于XF集團(tuán)自備電網(wǎng)機(jī)組出力大，同類型機(jī)組多，存在以下3種驟降故障情況。

(1)A，B兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)功率驟降。XF集團(tuán)同類型機(jī)組多，存在同一個(gè)啟動(dòng)周期內(nèi)2臺(tái)機(jī)組同時(shí)功率驟降的情況，分別按照各自功率驟降策略執(zhí)行，由于負(fù)荷顆粒度過(guò)大，后一次機(jī)組功率驟降切負(fù)荷的需切量要考慮前一次切負(fù)荷誤差量，以減少切負(fù)荷不平衡量。A機(jī)組功率驟降切負(fù)荷不平衡量

Pres=ΔPA-Popt，

(1)

式中：ΔPA為A機(jī)組啟動(dòng)前功率與當(dāng)前功率差值(正值)；Ppot為實(shí)際切負(fù)荷量。

由于選切結(jié)構(gòu)執(zhí)行最優(yōu)切，當(dāng)機(jī)組功率驟降過(guò)切負(fù)荷時(shí)，Pres為負(fù)值；當(dāng)機(jī)組功率驟降欠切負(fù)荷時(shí)，Pres為正值；同一個(gè)啟動(dòng)周期內(nèi)，B機(jī)組功率驟降切負(fù)荷需切量

Pshd=ΔPB+Pres。

(2)

模擬XF集團(tuán)2臺(tái)機(jī)組功率驟降，啟動(dòng)前功率都為630 MW，#1機(jī)組功率驟降317.54 MW，#2機(jī)組功率驟降113.45 MW。#1機(jī)組功率驟降后切除217.79 MW的負(fù)荷，欠切量99.75 MW累計(jì)到#2機(jī)組功率驟降中統(tǒng)一加切213.20 MW的負(fù)荷。判據(jù)正確動(dòng)作，在同一啟動(dòng)周期內(nèi)2臺(tái)機(jī)組功率驟降各自切負(fù)荷并考慮了累計(jì)誤差。

(2)同一臺(tái)機(jī)組功率驟降后再驟降。XF集團(tuán)機(jī)組出力大，在一個(gè)啟動(dòng)周期內(nèi)當(dāng)機(jī)組功率驟降滿足門檻值以后再次驟降，圖3中機(jī)組功率驟降判據(jù)無(wú)法響應(yīng)二輪驟降，安全穩(wěn)定控制策略不動(dòng)作。故修正機(jī)組功率驟降判據(jù)如圖4所示，其中：Pset1，Pset2，Pset3分別為有功功率驟降量一輪、二輪、三輪定值；輪級(jí)數(shù)根據(jù)自備電網(wǎng)實(shí)際機(jī)組出力設(shè)定。當(dāng)機(jī)組功率驟降執(zhí)行一輪功率驟降策略后，此時(shí)機(jī)組故障未排除繼續(xù)驟降，達(dá)到二輪功率驟降門檻后繼續(xù)執(zhí)行策略切負(fù)荷(此處切負(fù)荷同樣考慮切負(fù)荷不平衡量，這里不再贅述)，進(jìn)而穩(wěn)定自備電網(wǎng)頻率。

XF集團(tuán)自備電網(wǎng)設(shè)置三輪驟降定值，Pset1=100 MW，Pset2=300 MW，Pset3=450 MW。模擬XF集團(tuán)大機(jī)組驟降以后再驟降，機(jī)組啟動(dòng)前功率630 MW，第1次驟降129.48 MW≥Pset1，一輪驟降動(dòng)作；當(dāng)機(jī)組第2次驟降到290.5 MW，ΔP=339.5 MW≥Pset2時(shí)，執(zhí)行二輪驟降策略。加切負(fù)荷，穩(wěn)定控制方

案能夠正確識(shí)別多次驟降，并能在切負(fù)荷過(guò)程中減去已切負(fù)荷量，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖4 機(jī)組多輪級(jí)功率驟降判據(jù)

(3)同一臺(tái)機(jī)組功率驟降后再跳閘。當(dāng)機(jī)組功率驟降執(zhí)行策略后，機(jī)組故障無(wú)法恢復(fù)導(dǎo)致機(jī)組跳閘，并且跳閘過(guò)程中伴隨頻率下降，此時(shí)機(jī)組跳閘同時(shí)滿足功率驟降判據(jù)。跳閘策略和驟降策略會(huì)重復(fù)動(dòng)作，重復(fù)切負(fù)荷，導(dǎo)致自備電網(wǎng)頻率失衡。由于跳閘是瞬時(shí)動(dòng)作的故障類型，而功率驟降是緩慢動(dòng)作的故障類型，當(dāng)機(jī)組跳閘與功率驟降策略同時(shí)滿足時(shí)，可利用跳閘閉鎖功率驟降，此時(shí)把跳閘確認(rèn)時(shí)間整定值小于功率驟降判別延時(shí)ts即可；當(dāng)機(jī)組跳閘伴隨系統(tǒng)頻率下降，滿足功率驟降判別時(shí)只按照機(jī)組跳閘策略動(dòng)作，閉鎖功率驟降策略。

模擬XF集團(tuán)機(jī)組，在23 ms時(shí)機(jī)組功率驟降啟動(dòng)，30 ms時(shí)機(jī)組跳閘，此時(shí)機(jī)組跳閘結(jié)束后啟動(dòng)返回，機(jī)組功率驟降只啟動(dòng)不動(dòng)作，機(jī)組跳閘成功閉鎖機(jī)組功率驟降動(dòng)作，穩(wěn)定控制方案正確動(dòng)作。

4 結(jié)論

本文針對(duì)企業(yè)自備電網(wǎng)大機(jī)組、大負(fù)荷運(yùn)行模式下的機(jī)組功率驟降問(wèn)題，從多個(gè)方面、多個(gè)故障類型進(jìn)行分析，并給出了安全穩(wěn)定控制策略，為解決同類型企業(yè)自備電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制問(wèn)題提供了參考意見(jiàn)。