楊寶起
(新疆天富熱電股份有限公司電力調(diào)度所,新疆 石河子 832000)
“電網(wǎng)薄弱、大機(jī)小網(wǎng)、電廠接入電網(wǎng)方案不盡合理、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備容少、電網(wǎng)、電廠自動控制裝置不完善設(shè)置不合理”是多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)和用戶自備電網(wǎng)的現(xiàn)狀。只有增強(qiáng)系統(tǒng)資源整體配置,依靠安全穩(wěn)控控制裝置完善,提高系統(tǒng)抵御事故的能力,即使這樣也難以抵御系統(tǒng)在大的擾動下與主電網(wǎng)解網(wǎng)形成孤立電網(wǎng)后維持本電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。局部片區(qū)線路故障、惡略極端天氣的 發(fā)生以及因操作人員誤操而引起的電網(wǎng)事故作均可能導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列。孤網(wǎng)運行的情況,系統(tǒng)頻率、電壓劇烈波動,如果控制措施不當(dāng),極可能出現(xiàn)大面積停電或“黑網(wǎng)”事故。因此,探討孤網(wǎng)運行及安全穩(wěn)定控制策略,具有顯著的現(xiàn)實意義,也是薄弱地區(qū)電網(wǎng)和用戶自備電網(wǎng)的迫切需要。本文從闡釋孤網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與概念出發(fā),結(jié)合孤網(wǎng)運行特性及安全穩(wěn)定控制現(xiàn)狀,并以本地區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀及本地電網(wǎng)“7·26”電網(wǎng)事故保護(hù)和安穩(wěn)裝置動作情況,對孤網(wǎng)安全穩(wěn)定策略進(jìn)行分析。
1)事故發(fā)生前石河子電網(wǎng)運行方式
(1)南熱電2爐2機(jī)運行,天河電廠2爐2機(jī)運行。發(fā)電總出力:850MW。
(2) 110kV明珠變側(cè)110kV明東線開關(guān)熱備用。
說明:因110kV南東線過載,因此將110kV明珠變側(cè)開關(guān)熱備用。
(3)全網(wǎng)用電總負(fù)荷:885MW;110kV瑪東雙線負(fù)荷:下網(wǎng)30MW。
(4)事故發(fā)生時間:2012年07月26日14時天氣:晴。
(5)石河子電網(wǎng)一次主接線簡圖及故障跳閘示意圖。
圖1 石河子電網(wǎng)一次接線簡圖
2)事故經(jīng)過
13:54 城東變報告110kV東泉線高頻零序、距離Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘,測距6.4km;故障相別:A相。
13:54 泉水地變報告110kV泉東線零序Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘,測距32km。
14:00 南熱電報告110kV南西線光纖差動保護(hù)動作,開關(guān)跳閘,C相接地。
14:02 城西變報告110kV西南線光纖差動保護(hù)動作,開關(guān)跳閘。C相故障,無測距。
14:04 三級電站報告110kV三東線零序Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘。
14:04 城東變報告110kV三東線零序Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘。
同時報告瑪東Ⅰ、Ⅱ線潮流顯示為 0,判斷為解網(wǎng)。
14:04 南熱電報告區(qū)域穩(wěn)控動作,2#機(jī)出口開關(guān)跳閘。14:27并網(wǎng)正常。
14:12 調(diào)度令城東變 110kV東泉線試送電,14:13報告“手合出口保護(hù)動作”開關(guān)跳閘。
14:31 城北變報告110kV北明線相間距離Ⅰ段保護(hù)動作開關(guān)跳閘。
14:34 調(diào)度令明珠變110kV明東線送電,14:35送電正常。
14:30 調(diào)度申請中調(diào)110kV瑪東線并網(wǎng)。15:03 110kV瑪東線并網(wǎng)成功。
14:50 令四級35kV母聯(lián)并網(wǎng),14:55并網(wǎng)正常。15:27令35kV母聯(lián)停電轉(zhuǎn)熱備用。15:30操作完畢。
14:57 令三級110kV三東線送電,15:01送電正常。
15:02 令城東變110kV三東線送電,15:03操作完畢。
15:03 令城西變110kV西南線試送電,15:04送電正常。
15:10 令南熱電110kV南西線送電,15:19送電正常。
15:24 城北變110kV北明線送電。
16:00 線路工區(qū)巡線人員報告 110kV三東線54#塔有絕緣子老化擊穿,申請停電報搶修單處理。21:34 110kV三東線缺陷處理完畢。
17:10 線路工區(qū)巡線人員報告 110kV東泉線25#塔處有翻斗車碰到線路,車主已被扣留。18:02 110kV東泉線兩側(cè)恢復(fù)送電。
17:25 電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)至事故發(fā)生前負(fù)荷。
此次事故造成市區(qū)及團(tuán)場變電站甩負(fù)荷達(dá)210MW,110kV瑪東線瑪電側(cè)負(fù)荷上網(wǎng)超過150MW。石河子電網(wǎng)和新疆電網(wǎng)解網(wǎng)運行約60min。
按照電力規(guī)程有關(guān)規(guī)定,電網(wǎng)中單機(jī)容量應(yīng)小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%,以保證當(dāng)該機(jī)發(fā)生甩負(fù)荷時,不影響電網(wǎng)的正常運行。最大單機(jī)容量大于電網(wǎng)總?cè)萘康?%電網(wǎng),即為小網(wǎng)。孤立運行的小網(wǎng),即為孤網(wǎng)。簡單來講,孤網(wǎng)是指脫離大電網(wǎng)運行的小容量電網(wǎng),孤網(wǎng)可分為以下幾種情況[1]:①網(wǎng)中有數(shù)臺機(jī)組并列運行,單機(jī)與電網(wǎng)容量比超過8%;②網(wǎng)中僅有一臺機(jī)組供電,稱為單機(jī)帶負(fù)荷;③甩負(fù)荷帶廠用電,稱為小島運行工況,是單機(jī)帶負(fù)荷的一種特例。孤網(wǎng)發(fā)生瞬間,孤網(wǎng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)組所發(fā)的功率和孤網(wǎng)地區(qū)內(nèi)所有負(fù)荷所消耗的受電功率之間存在功率差額,這個功率差額就是孤網(wǎng)不平衡功率ΔP。根據(jù)孤網(wǎng)瞬間運行狀態(tài)判斷包括兩種情況:一種是孤網(wǎng)不平衡功率等于文獻(xiàn)[2]零既發(fā)電與供電平衡或者發(fā)電與供電相差數(shù)值很小,孤網(wǎng)內(nèi)機(jī)組通過自身調(diào)整可正常運行;另外一種孤網(wǎng)既發(fā)電與供電不平衡功率較大,表現(xiàn)在以下兩個方面:①上網(wǎng)功率比例過大(ΔP>0)引起孤網(wǎng)頻率升高;②地區(qū)電網(wǎng)受電功率過大(ΔP<0)引起孤網(wǎng)頻率、電壓降低。
根據(jù)以上分析分析結(jié)合“7·26”事故經(jīng)過可得出結(jié)論:①石河子電網(wǎng)最大裝機(jī)容量330MW而電網(wǎng)負(fù)荷卻只有 885MW 屬于大機(jī)小網(wǎng)電網(wǎng);②330MW機(jī)組和 220kV線路組成的小電網(wǎng)與石河子地區(qū)110kV主電網(wǎng)通過兩條110kV線路與新疆主電網(wǎng)連接,明顯屬于電網(wǎng)弱連接;③通過“7·26”事故現(xiàn)象分析石河子110kV主電網(wǎng)在大負(fù)荷情況下當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生N-2事故情況下,電網(wǎng)無法滿足運行條件,電力線路因無法承受事故潮流轉(zhuǎn)移過負(fù)荷跳閘引起連鎖跳閘事故導(dǎo)致電網(wǎng)事故;④由于負(fù)荷波動引起與新疆電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線穿越功率越線安全穩(wěn)定控制裝置動作解聯(lián)絡(luò)線,孤網(wǎng)內(nèi)不同片區(qū)負(fù)荷不平衡造成同一孤網(wǎng)內(nèi)再次分成若干孤網(wǎng);⑤不同小孤網(wǎng)又因發(fā)電與供電負(fù)荷不平衡出現(xiàn)或高頻,或低頻的現(xiàn)象如果孤網(wǎng)內(nèi)安全穩(wěn)定控制自動裝置又因無法識別電網(wǎng)故障性質(zhì),策略無法正確執(zhí)行直接導(dǎo)致電網(wǎng)“全黑”故障。
頻率穩(wěn)定是決定電力系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運行的重要因素,它反映了電力系統(tǒng)中發(fā)電功率與負(fù)荷功率供需平衡的基本狀態(tài)。孤網(wǎng)運行就是如何解決在較大不平衡功率變化時保證孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定的問題。對應(yīng)于孤網(wǎng)運行情況孤網(wǎng)頻率控制目標(biāo)包括兩種情況:當(dāng)孤網(wǎng)不平衡功率很小時,網(wǎng)內(nèi)機(jī)組一次調(diào)頻必須滿足孤網(wǎng)中外界負(fù)荷的變化要求;當(dāng)孤網(wǎng)不平衡功率較大時,需要更加快速及穩(wěn)定的頻率控制即通過高頻切機(jī)或低頻切負(fù)荷來加以控制。
孤網(wǎng)運行的特殊性,要求此時機(jī)組的一次調(diào)頻具有更小的遲緩率、更大的調(diào)節(jié)幅度、更高的靈敏度和更快的動態(tài)響應(yīng)[3-5]。
當(dāng)“7·26”事故發(fā)生石河子地區(qū)電網(wǎng)對小機(jī)組一次調(diào)頻投入未作要求,作為發(fā)電廠更不愿意將一次調(diào)頻裝置投入不愿承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)頻責(zé)任所以當(dāng)事故發(fā)生后分片小孤網(wǎng)重新并網(wǎng)時由于調(diào)頻原因用時很長。事故后電網(wǎng)對全網(wǎng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)組按《新疆電網(wǎng)一次調(diào)頻運行管定》的要求將一次調(diào)頻投入。
也有研究表明,當(dāng)孤網(wǎng)運行時火電機(jī)組如果取消一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置、放開一次的調(diào)頻下限,可以提高一次調(diào)頻動作靈敏度,有利于孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。文獻(xiàn)[6]通過對一次調(diào)頻下限從放大到完全放開的各種場景進(jìn)行仿真計算,證明了該措施對孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的作用。
機(jī)組 DEH系統(tǒng)中的超速保護(hù)功能 OPC(Overspeed Protection Controller),是指當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速升到103%額定轉(zhuǎn)速時,通過快速關(guān)閉調(diào)節(jié)氣閥,使機(jī)組維持在額定轉(zhuǎn)速運行,避免轉(zhuǎn)速升高過快而遮斷停機(jī)[7]。OPC是防止汽輪機(jī)超速的第一道防線,是保證機(jī)組安全運行的重要保護(hù)措施。
石河子電網(wǎng)內(nèi)機(jī)組OPC(超速保護(hù)控制)動作關(guān)調(diào)門定值采用不同機(jī)組差別化設(shè)定整定,避免了因達(dá)到動作定值后所有機(jī)組同時反復(fù)動作,直至電網(wǎng)崩潰。石河子電網(wǎng)機(jī)組OPC定值見表1。
表1 石河子電網(wǎng)機(jī)組OPC定值
差別化設(shè)置發(fā)電機(jī)組OPC定值,有效地減少了因孤網(wǎng)后造成頻率過高,發(fā)電機(jī)同時動作,造成電網(wǎng)低頻后相應(yīng)低頻減載裝置動作切負(fù)荷后頻率正常,各發(fā)電機(jī)OPC恢復(fù)正常,再次導(dǎo)致電網(wǎng)高頻重復(fù)動作,頻率反復(fù)拉鋸直到電網(wǎng)瓦解?!?·26”事故發(fā)生時石河子電網(wǎng)與新疆主電網(wǎng)解網(wǎng)后石河子孤網(wǎng)后內(nèi)部有形成兩個小孤網(wǎng)即石河子電網(wǎng)一次主接線簡圖及故障跳閘示意圖所表示#1部分和電網(wǎng)其余部分,其中#1部分為電網(wǎng)主力發(fā)電廠和大用戶集中部分,發(fā)電負(fù)荷在650MW而用電負(fù)荷在550MW左右當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時#1部分孤網(wǎng)高頻導(dǎo)致南熱電廠14:03 #2機(jī)穩(wěn)控裝置動作,#2機(jī)負(fù)荷從96MW降至到零,主蒸汽流量到零。#2機(jī) DEH顯示調(diào)速汽門關(guān)小,中、低壓旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉。機(jī)各段抽汽電動門、逆止門關(guān)閉。高加汽側(cè)解列語音報警出現(xiàn)。#2機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間上升后下降。14:05 #1機(jī)ETS畫面,汽機(jī)“超速報警”出現(xiàn),負(fù)荷由98MW降至5.9MW,#1機(jī)OPC動作,DEH調(diào)速汽門關(guān)閉,OPC動作燈亮,各段抽汽逆止門電動門關(guān)閉,DCS上高加解列語音報警出現(xiàn)。14:06和 14:07 OPC動作三次,分別轉(zhuǎn)速3045r/min 3088r/min 3080r/min,轉(zhuǎn)速最低到2915r/min。南熱電機(jī)組OPC動作后配合低頻減載動作直至#1孤網(wǎng)片區(qū)穩(wěn)定運行。需要注意的是,這種方法也有一些缺點。因機(jī)組OPC定值設(shè)置較低的可能率先動作,因調(diào)門關(guān)閉的時間較長,引起主汽壓力升高,嚴(yán)重時可能觸發(fā)鍋爐的相關(guān)保護(hù)動作,導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘文獻(xiàn)[8]。
以火力發(fā)電機(jī)組為主的多機(jī)孤立運行電網(wǎng)中,當(dāng)過剩的負(fù)荷功率大于機(jī)組額定發(fā)電輸出功率時,電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題就不在是快速調(diào)節(jié)機(jī)組出力的問題,而是還要考慮機(jī)組高頻切機(jī)問題[9]。石河子電網(wǎng)用電負(fù)荷的特殊性既不可能長時間停電,高頻切機(jī)保護(hù)的投入應(yīng)與發(fā)電機(jī)OPC協(xié)調(diào)配置,過早的切機(jī)造成孤網(wǎng)片區(qū)所失用電負(fù)荷不能在短時間內(nèi)恢復(fù)對用戶造成的損失太大,由于有發(fā)電機(jī)OPC保護(hù)配合、穩(wěn)控裝置高頻切機(jī)切負(fù)荷配合,在目前情況下高頻切機(jī)未投入。
當(dāng)然當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電負(fù)荷旋轉(zhuǎn)備用足夠多,發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻足夠滿足電網(wǎng)安全運行時,作為發(fā)電機(jī)保護(hù)高頻切機(jī)還是應(yīng)該投入的。對于電網(wǎng)低頻問題,低頻減載是根本性解決措施。作為防止系統(tǒng)出現(xiàn)頻率崩潰的最后一道防線,它通過預(yù)先定值設(shè)定逐級跳所帶負(fù)荷,以恢復(fù)頻率至正常值。石河子電網(wǎng)低頻減載裝置的配置如下。
根據(jù)電力部《電力系統(tǒng)自動低頻減負(fù)荷技術(shù)規(guī)定》,按照自治區(qū)電力調(diào)度中心2012年低頻低壓減載總體方案的要求,結(jié)合石河子電網(wǎng)實際情況,制定2012年度石網(wǎng)低頻減載配置方案:石網(wǎng)低頻減載裝置共設(shè)置六個基本輪,頻率級差為 0.3Hz,動作時間為 0.3s,(49Hz/0.3s,48.7Hz/0.3s,48.4Hz/0.3s,48.1Hz/0.3s,47.8Hz/0.3s,47.5Hz/0.3s)和三個特殊輪(49Hz/15s,48.7Hz/15s,48.4Hz/15s)。
石網(wǎng)低頻減載切負(fù)荷的原則是:先切農(nóng)電,后切工業(yè),最后切照明。石網(wǎng)主電網(wǎng)因季節(jié)變化要求,全網(wǎng)低頻減載裝置的配置分為冬、夏兩方案,夏季第一輪切荷量為最高負(fù)荷 9.29%,第二輪切荷量為最高負(fù)荷6.83%,第三輪切荷量為最高負(fù)荷8.7%,第四輪切荷量為最高負(fù)荷7.2%,第五輪切荷量為最高負(fù)荷5.17%,第六輪切荷量為最高負(fù)荷3.1%,六輪總切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的40.23%,三個特殊輪切荷量為最高負(fù)荷 4.17%,石河子電網(wǎng)夏季總切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的 44.4%。冬季第一輪切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的 3.5%,第二輪切荷量為最高負(fù)荷3.87%,第三輪切荷量為最高負(fù)荷5.06%,第四輪切荷量為最高負(fù)荷 4.02%,第五輪切荷量為最高負(fù)荷4.77%,第六輪切荷量為最高負(fù)荷 3.1%,六輪總切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的24.02%,三個特殊輪切荷量為最高負(fù)荷 3.85%,石河子電網(wǎng)冬季總切荷量為電網(wǎng)最高負(fù)荷的 27.9%。結(jié)合低頻減載設(shè)置還設(shè)置了低壓減載設(shè)置作為低頻減載的補(bǔ)充具體設(shè)置如下:石河子電網(wǎng)2012年低壓減負(fù)荷方案,設(shè)置了一個輪次,80%Ue,動作時間為5s。只投入110kV沙門子變、小拐變、炮臺變、西古城變、新安變五個變電站低壓減負(fù)荷裝置。夏季切荷量為總負(fù)荷的20.9%,冬季切荷量為總負(fù)荷的10.77%。結(jié)合“7.26”事故現(xiàn)象分析如石河子電網(wǎng)一次主接線簡圖及故障跳閘示意圖所示#1部分以外電網(wǎng)其余部分由于電廠出力原小于供電負(fù)荷,孤網(wǎng)后電網(wǎng)頻率下降導(dǎo)致第二輪低頻動作,切農(nóng)場變電所負(fù)荷 200MW 后達(dá)到發(fā)供平衡后電網(wǎng)基本平衡。而#1片區(qū)在南熱電 OPC動作后低頻動作切負(fù)荷60MW后孤網(wǎng)片區(qū)平衡。雖然電網(wǎng)配置低頻底裝置后可以有效減少頻率過低的問題,但也應(yīng)當(dāng)在設(shè)置低頻減載變電所處設(shè)置切負(fù)荷后切除電容器裝置以減少切負(fù)荷后電壓過高燒設(shè)備現(xiàn)象發(fā)生。
雖然電網(wǎng)可以通過保護(hù)裝置進(jìn)行切機(jī)切負(fù)荷保證電網(wǎng)安全,但是現(xiàn)在電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置的大量投入使用,也大大提高了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。從石河子電網(wǎng)安全穩(wěn)定裝置現(xiàn)狀分析,將各變電所低頻裝置量接入溫控裝置進(jìn)行計算可大大提高切負(fù)荷量的精細(xì)度,更合理安排電網(wǎng)切負(fù)荷量。但穩(wěn)控裝置在方式策略安排上如果沒有完全考慮所有事故將造成切錯機(jī)或切錯負(fù)荷造成事故擴(kuò)大。當(dāng)然在穩(wěn)控策略安排上有兩種分歧一是“簡單粗暴”針對現(xiàn)象進(jìn)行簡單的切機(jī)切負(fù)荷。二是復(fù)雜多樣既根據(jù)電網(wǎng)穩(wěn)定情況將電網(wǎng)穩(wěn)定計算、保護(hù)動作、暫態(tài)分析都和穩(wěn)控裝置結(jié)合達(dá)到精細(xì)化但缺點就是考慮的太多往往顧此失彼未能達(dá)到預(yù)期效果。筆者認(rèn)為:穩(wěn)定控制裝置只有在電網(wǎng)發(fā)展初期各項技術(shù)還不全面的情況下使用,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)展到一定程度就將其退出?!胺€(wěn)控裝置”就好比“吃藥”,電網(wǎng)身體不好的時候吃藥是為了健康,但電網(wǎng)身體健康了還“吃藥”就是在毒害身體。
本文結(jié)合本地“7·26”事故,結(jié)合本地電網(wǎng)孤網(wǎng)運行情況對孤網(wǎng)運行穩(wěn)定策略進(jìn)行分析。將OPC差別化設(shè)置與低頻減載聯(lián)合設(shè)置結(jié)合應(yīng)用避免了本地電網(wǎng)在孤網(wǎng)后分成兩個孤網(wǎng)仍然達(dá)到穩(wěn)定運行。希望能為小電網(wǎng)和自備電網(wǎng)提供另一條孤網(wǎng)穩(wěn)定策略思路。
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