賀 曉,李懷強(qiáng),任龍飛,王康達(dá),金吉良,楊松浩
(1.國家電網(wǎng)有限公司西北分部,陜西西安 710048;2.西安交通大學(xué),陜西西安 710049)
安全穩(wěn)定控制裝置[1-4](簡稱“穩(wěn)控裝置”)是為保證電力系統(tǒng)在遇到大擾動時的穩(wěn)定性而在電廠或變電站內(nèi)裝設(shè)的控制設(shè)備,實(shí)現(xiàn)切機(jī)、切負(fù)荷、快速減出力、直流功率緊急提升或回降等功能,是保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)施。安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)(簡稱“穩(wěn)控系統(tǒng)”)是為解決一個區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的穩(wěn)定問題而由安裝在多個廠站的穩(wěn)定控制裝置組成,其經(jīng)通道和通信接口聯(lián)系在一起,站間相互交換運(yùn)行信息,傳送控制命令,實(shí)現(xiàn)區(qū)域或更大范圍的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制。
近年來,隨著國家能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略的深入推進(jìn),“西電東送”規(guī)模不斷擴(kuò)大,區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益增強(qiáng),西北電網(wǎng)進(jìn)入了快速發(fā)展期?!笆濉逼陂g,西北電網(wǎng)已建成6 條特高壓直流輸電通道,西北地區(qū)逐漸成為國家的清潔能源大送端。另一方面,隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,大規(guī)模開發(fā)利用清潔能源作為一種高性價比的實(shí)現(xiàn)途徑,已在全球范圍內(nèi)達(dá)成廣泛共識。西北地區(qū)的新能源資源稟賦好,風(fēng)光技術(shù)可開發(fā)量大,必將會是“雙碳”行動的主戰(zhàn)場。清潔能源要安全可靠的送至全國,不僅需要有強(qiáng)大的送端電網(wǎng),還要依賴送端電網(wǎng)側(cè)配置的區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)[5-12]。沒有先進(jìn)可靠的穩(wěn)控系統(tǒng)做支撐,清潔能源就無法安全高效外送,“雙碳”目標(biāo)的如期實(shí)現(xiàn)也就成為天方夜譚。
西北電網(wǎng)目前是國網(wǎng)六大區(qū)域電網(wǎng)中穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)量最多,規(guī)模最大的。至2021 年底,西北電網(wǎng)220 kV 及以上系統(tǒng)穩(wěn)控裝置數(shù)量達(dá)3 354 臺。穩(wěn)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,是西北電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ),也是西北地區(qū)清潔能源可靠高效外送的重要保障。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)大擾動時,穩(wěn)控系統(tǒng)中各個層級穩(wěn)控裝置全部可靠正確動作方可保證大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電廠穩(wěn)控裝置[13-15]接收上級命令執(zhí)行切機(jī)操作,是區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)的重要組成部分,該裝置的正確動作不僅決定了整個區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,也決定了區(qū)域電網(wǎng)第二道防線的防御效果,因此切機(jī)回路的可靠性至關(guān)重要。
本文介紹了穩(wěn)控裝置切機(jī)原理,列舉了西北地區(qū)部分主力電廠穩(wěn)控切機(jī)回路接線形式,分析了各種接線形式存在的問題,并結(jié)合一起穩(wěn)控裝置拒動事故案例提出了切實(shí)可行的穩(wěn)控裝置切機(jī)回路改進(jìn)措施,為電廠整改提供了參考依據(jù),也為新建機(jī)組穩(wěn)控裝置切機(jī)回路設(shè)計(jì)提供了借鑒。
穩(wěn)控裝置根據(jù)在穩(wěn)控系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用,一般分為穩(wěn)定控制主站、穩(wěn)定控制子站、穩(wěn)定控制執(zhí)行站等3 種類型[16-20]。西北電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)為主站-子站-執(zhí)行站多層架構(gòu),見圖1。
圖1 穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of stability control system
穩(wěn)定控制主站一般設(shè)在220 kV 及以上變電站,主要功能為匯集本站和相關(guān)站點(diǎn)的信息,根據(jù)預(yù)定的控制策略,下達(dá)具體控制措施至控制子站、執(zhí)行站或直接操作本站控制對象;穩(wěn)定控制子站一般設(shè)在220 kV 及以上變電站,主要功能為匯集本站和相關(guān)站點(diǎn)的信息,根據(jù)需要可采集判斷本地元件的故障與投停信息并上傳至主站,接收主站的控制措施,分配并下達(dá)至執(zhí)行站或直接操作本站控制對象;穩(wěn)定控制執(zhí)行站包含切機(jī)執(zhí)行站、直流執(zhí)行站、切負(fù)荷執(zhí)行站以及新能源執(zhí)行站等類型。穩(wěn)定控制切機(jī)執(zhí)行站一般設(shè)置在發(fā)電廠,其主要功能為采集機(jī)組信息,根據(jù)需要可采集判斷本地元件的故障與投停信息,并將信息上傳至上級控制站,接收上級控制站的切機(jī)命令,實(shí)施切機(jī)控制。
穩(wěn)控裝置一般由主機(jī)、從機(jī)(可選)及通信接口裝置組成。主機(jī)與從機(jī)、主機(jī)與通信接口裝置間應(yīng)采用專用光纖連接,穩(wěn)控裝置結(jié)構(gòu)見圖2。對于功率送出型電網(wǎng),配置的執(zhí)行站一般為切機(jī)執(zhí)行站,設(shè)置在區(qū)域內(nèi)的發(fā)電廠,切除對象主要為電廠內(nèi)的機(jī)組。220 kV 及以上并網(wǎng)發(fā)電廠一般雙重化配置2 套穩(wěn)控裝置,每一套裝置應(yīng)具備完整、獨(dú)立的功能,其中一套裝置因故障或檢修退出運(yùn)行時,不應(yīng)影響另一套裝置的正常運(yùn)行。
圖2 穩(wěn)控裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of stability control equipment
電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障,需要穩(wěn)控系統(tǒng)動作時,控制子站在完成故障判別、策略搜索、得出須切機(jī)總量后,將切機(jī)總量合理地分配至各執(zhí)行站,由執(zhí)行站穩(wěn)控裝置執(zhí)行切機(jī)操作。電廠2 套穩(wěn)控裝置收到上級子站發(fā)送的切機(jī)指令時,其主機(jī)或從機(jī)會驅(qū)動出口繼電器跳開機(jī)組出口開關(guān)或并網(wǎng)開關(guān),同時機(jī)組會滅磁、關(guān)主汽門直到停轉(zhuǎn)。因此,切除機(jī)組其實(shí)有2 個過程,一是跳開開關(guān),二是停轉(zhuǎn)機(jī)組。機(jī)組脫網(wǎng)后應(yīng)該迅速停轉(zhuǎn),否則會損傷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。
西北地區(qū)主力發(fā)電廠多數(shù)為600 MW 及以上機(jī)組,且均以220 kV 及以上電壓等級并網(wǎng),是大型區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)中的優(yōu)質(zhì)切機(jī)資源,地位極其重要。主力發(fā)電廠均雙重化配置兩套穩(wěn)控裝置,且以雙主或主輔模式運(yùn)行。電廠穩(wěn)控裝置收到切機(jī)指令動作時,不僅會給并網(wǎng)側(cè)開關(guān)或機(jī)組出口開關(guān)發(fā)跳閘命令,還會給機(jī)組發(fā)停機(jī)指令,從而實(shí)現(xiàn)切除機(jī)組的目的。目前,西北主力電廠穩(wěn)控裝置切機(jī)回路接線形式主要有4 種,如圖3—6。其中GS 代表發(fā)電機(jī)組,具體如下:
圖3 形式1接線示意圖Fig.3 Mode 1 wiring diagram
圖4 形式2接線示意圖Fig.4 Mode 2 wiring diagram
圖5 形式3接線示意圖Fig.5 Mode 3 wiring diagram
圖6 形式4接線示意圖Fig.6 Mode 4 wiring diagram
1)形式1:穩(wěn)控裝置切機(jī)命令開入發(fā)變組電量保護(hù)柜來實(shí)現(xiàn)跳閘和停機(jī)
2)形式2:穩(wěn)控裝置切機(jī)命令開入發(fā)變組非電量保護(hù)柜來實(shí)現(xiàn)跳閘和停機(jī)
3)形式3:穩(wěn)控裝置切機(jī)命令直接開入至開關(guān)操作箱(TJF)或機(jī)構(gòu)控制回路來實(shí)現(xiàn)跳閘
4)形式4:穩(wěn)控裝置切機(jī)命令同時開入發(fā)變組電量保護(hù)柜和開關(guān)操作箱來實(shí)現(xiàn)跳閘和停機(jī)。
其中,采用形式1 和形式2 的占比較高,形式3和形式4 的較少。由此可知,電廠穩(wěn)控裝置大多是通過發(fā)變組電量保護(hù)或是非電量保護(hù)去實(shí)現(xiàn)切機(jī)操作的。原因?yàn)榘l(fā)變組保護(hù)的跳閘出口不僅可以跳開關(guān)還能同時開出停機(jī)指令,與此同時,發(fā)變組保護(hù)的跳閘出口還可由控制字整定,跳開關(guān)、啟動失靈、機(jī)組全停等出口方式均可通過控制字來選擇。
形式1 和形式2 均通過發(fā)變組保護(hù)來實(shí)現(xiàn)切機(jī),若穩(wěn)控裝置的出口繼電器閉合時間與發(fā)變組保護(hù)的開入確認(rèn)時間失配,切機(jī)將不能成功。形式2 利用單套配置的非電量保護(hù)實(shí)現(xiàn)跳閘,兩套穩(wěn)控切機(jī)回路未相互獨(dú)立,若發(fā)變組非電量保護(hù)故障或退出將造成兩套穩(wěn)控同時拒動。形式1 和形式4 在跳高壓側(cè)開關(guān)的同時會啟動失靈保護(hù),穩(wěn)控動作開關(guān)未跳開切機(jī)失敗后,會由電網(wǎng)第三道防線介入干預(yù),而啟動開關(guān)失靈會造成切機(jī)廠站或整個系統(tǒng)事故擴(kuò)大。形式3 未開出停機(jī)指令,機(jī)組并網(wǎng)開關(guān)跳開后,發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷會造成轉(zhuǎn)子超速甚至飛車,此時需依賴熱工保護(hù)或是其它保護(hù),難免會延長停機(jī)時間,造成機(jī)組損傷。此外,還有個別電廠雙主運(yùn)行的穩(wěn)控裝置每套跳閘回路與開關(guān)的兩個跳圈均相連接,主輔閉鎖運(yùn)行的穩(wěn)控裝置只作用于開關(guān)一個跳圈,這些也均不符合相互獨(dú)立的要求。
由綜上分析可知,穩(wěn)控切機(jī)回路接線首先應(yīng)滿足以下3 點(diǎn):(1)雙套穩(wěn)控裝置的切機(jī)回路全鏈路應(yīng)該完全相互獨(dú)立且一一對應(yīng),不能有任何交叉(主輔閉鎖運(yùn)行的除外);(2)穩(wěn)控裝置切機(jī)跳閘時最好能夠直接接到開關(guān)控制回路,不宜經(jīng)過其它裝置轉(zhuǎn)接;(3)穩(wěn)控切機(jī)跳開關(guān)時不應(yīng)啟動失靈保護(hù),且最好能開出停機(jī)指令。
1)事件經(jīng)過。2021 年10 月19 日18 點(diǎn)10 分44 s 180 ms,西北某大型火電廠2 套穩(wěn)控裝置收到某特高壓換流站切除3 號機(jī)組命令,44 s 218 ms 發(fā)變組C 柜收穩(wěn)控切機(jī)信號,44 s 406 ms,穩(wěn)控切機(jī)信號返回,期間發(fā)變組保護(hù)C 柜未正常出口,3 號機(jī)高壓側(cè)開關(guān)并未跳開,切機(jī)失敗。
該電廠2 套穩(wěn)控裝置均為南瑞繼保生產(chǎn)的PCS-992 型號裝置,發(fā)變組C 柜非電量保護(hù)裝置為南瑞繼保生產(chǎn)的PCS-974 FG-G 型號裝置。事故前,該廠正在配合做直流穩(wěn)控系統(tǒng)實(shí)切傳動試驗(yàn),各個裝置屏內(nèi)壓板狀態(tài)如下:
(1)PCS-992 穩(wěn)控裝置1 屏內(nèi)“試驗(yàn)”壓板、“總功能”壓板、“投主運(yùn)狀態(tài)”壓板、“3 號機(jī)組允切”壓板和“#3 機(jī)組出口”壓板均處于投入狀態(tài)。
(2)PCS-992 穩(wěn)控裝置2 屏內(nèi)“試驗(yàn)”壓板、“總功能”壓板、“3 號機(jī)組允切”壓板和“3 號機(jī)組出口”壓板均處于投入狀態(tài),“投主運(yùn)狀態(tài)”壓板退出。
(3)3 號發(fā)變組保護(hù)C 屏內(nèi)“穩(wěn)控切機(jī)”壓板投入,“非電量延時”壓板退出,“跳邊斷路器I”壓板投入,“跳邊斷路器II”壓板投入,“跳中斷路器I”壓板投入,“跳中斷路器II”壓板投入,“非電量延時保護(hù)”軟壓板投入,“非電量二固定延時”控制字定值為“1”。
2)原因分析。經(jīng)核查,該電廠穩(wěn)控裝置切機(jī)回路接線為形式2,即廠內(nèi)的兩套穩(wěn)控裝置切機(jī)命令均開入3 號機(jī)1 套發(fā)變組非電量保護(hù)柜來實(shí)現(xiàn)跳閘和停機(jī)。該發(fā)變組非電量保護(hù)裝置提供4 路非電量延時跳閘功能,跳閘信號開入經(jīng)重動輸出后直接出口跳閘。本次穩(wěn)控裝置切機(jī)命令開入該非電量保護(hù)裝置第二路延時跳閘,具體邏輯[21]如下。
由圖7 可知,穩(wěn)控動作信號開入發(fā)變組非電量保護(hù)裝置后,還需裝置中的“非電量二固定延時”控制字整定為“1”、“非電量延時保護(hù)”軟壓板投入、“非電量延時保護(hù)”硬壓板投入等3 個條件同時滿足,方可出口跳閘。而該發(fā)變組非電量保護(hù)裝置的“非電量延時保護(hù)”軟壓板和“非電量延時保護(hù)”硬壓板為公用壓板,與其它非電量延時保護(hù)共用。實(shí)切試驗(yàn)前,3 號機(jī)處于檢修狀態(tài),為保證安全,現(xiàn)場人員將3 號發(fā)變組保護(hù)柜內(nèi)所有出口壓板、功能壓板均退出。當(dāng)進(jìn)行實(shí)切試驗(yàn)時,現(xiàn)場執(zhí)行投入穩(wěn)控切機(jī)相關(guān)壓板時漏投3 號發(fā)變組非電量保護(hù)柜內(nèi)的“非電量延時保護(hù)”硬壓板,從而造成了本次穩(wěn)控切機(jī)失敗事故。幸運(yùn)的是該次事故發(fā)生在實(shí)切試驗(yàn)中,若是發(fā)生在穩(wěn)控系統(tǒng)正常運(yùn)行中,則后果不堪設(shè)想。
圖7 非電量延時保護(hù)邏輯圖Fig.7 Logic diagram of non-electric delay protection
該次事故表面上看是一起人為誤操作事故,實(shí)質(zhì)上是因?yàn)榉€(wěn)控裝置切機(jī)回路設(shè)計(jì)不合理所致。兩套穩(wěn)控裝置切機(jī)命令若是直接接入開關(guān)操作箱進(jìn)行跳閘,未經(jīng)過中間環(huán)節(jié),該次事故則可避免。退一步來說,即便穩(wěn)控裝置可間接通過發(fā)變組保護(hù)來跳機(jī),也應(yīng)該通過發(fā)變組電量保護(hù)柜來實(shí)現(xiàn),而不是通過單套配置的非電量保護(hù)柜來實(shí)現(xiàn)。通過單套配置的非電量保護(hù)柜來實(shí)現(xiàn)切機(jī)明顯不符合雙重化配置的穩(wěn)控裝置輸出回路應(yīng)相互獨(dú)立的要求。
目前,關(guān)于電廠側(cè)穩(wěn)控裝置切機(jī)回路的接線應(yīng)如何設(shè)計(jì),現(xiàn)行的國家或電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范中尚處于空白[22]。但從《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則》、《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等穩(wěn)控系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則規(guī)范中[23-25]可以找到相關(guān)要求:穩(wěn)控裝置的出口宜直接接斷路器操作箱、智能終端等控制回路,發(fā)電廠穩(wěn)控裝置動作后需啟動停機(jī)流程的,可另增出口接點(diǎn)啟動停機(jī)流程;雙套配置的穩(wěn)控裝置切機(jī)回路應(yīng)相互獨(dú)立,且跳閘時不應(yīng)啟動開關(guān)失靈與重合閘;并列運(yùn)行的2 套穩(wěn)控裝置的跳閘回路應(yīng)與斷路器的2 個跳圈分別一一對應(yīng),主輔閉鎖運(yùn)行的穩(wěn)控裝置每套跳閘出口應(yīng)同時作用于斷路器的2 個跳圈。以上規(guī)范對穩(wěn)控裝置的要求與本文前述分析基本一致,穩(wěn)控切機(jī)回路采取的接線形式必須要保證裝置可靠動作并能夠成功切機(jī),否則就會導(dǎo)致電網(wǎng)第二道防線的防御功能失效。
為提高穩(wěn)控裝置可靠性,保證西北穩(wěn)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際提出了穩(wěn)控切機(jī)回路接線的改進(jìn)措施[26],詳見表1。對于形式1 可增加穩(wěn)控裝置至開關(guān)的直跳回路接線,以使裝置跳閘命令能直接開至開關(guān)操作箱,同時可將現(xiàn)有經(jīng)發(fā)變組電量保護(hù)間接跳閘的回路保留用作停機(jī),此時需在發(fā)變組保護(hù)內(nèi)修改相應(yīng)出口控制字取消穩(wěn)控裝置經(jīng)發(fā)變組電量保護(hù)跳閘及起動失靈功能即可;對于形式2 可增加穩(wěn)控裝置至開關(guān)的直跳回路接線,以使裝置跳閘命令能直接開至開關(guān)操作箱,可保留至發(fā)變組非電量保護(hù)的接線用作停機(jī);對于形式3 若機(jī)組突然甩負(fù)荷后熱工或其它保護(hù)不能迅速停機(jī),則可增加啟動停機(jī)回路;對于形式4 只需在發(fā)變組保護(hù)內(nèi)修改相應(yīng)控制字取消穩(wěn)控裝置經(jīng)發(fā)變組電量保護(hù)跳閘及起動失靈功能,保留其停機(jī)功能即可;對于個別穩(wěn)控裝置與開關(guān)跳閘線圈不對應(yīng)的情況,只需根據(jù)穩(wěn)控運(yùn)行模式改為“一對一”或“一對二”方式即可。上述改進(jìn)措施是在現(xiàn)有的切機(jī)回路基礎(chǔ)上進(jìn)行的,對現(xiàn)有設(shè)備的影響最小,且改動工作量較小,還可圓滿地解決現(xiàn)有切機(jī)回路存在的問題。
表1 不同接線形式改進(jìn)措施Table 1 Improvement measures of different wiring methods
已運(yùn)行的穩(wěn)控裝置進(jìn)行整改時,可結(jié)合廠內(nèi)機(jī)組大修或是技改進(jìn)行。對于新(擴(kuò))改建電廠,可直接參照本文改進(jìn)后的方案進(jìn)行穩(wěn)控裝置切機(jī)回路設(shè)計(jì)?,F(xiàn)場整改具體應(yīng)該注意的事項(xiàng)如下:
1)具有2 臺及以上機(jī)組的電廠,若只停1 臺機(jī)檢修時,2 套穩(wěn)控裝置應(yīng)采取輪退的方式進(jìn)行逐套改造。退出改造每一套時,應(yīng)只修改與停運(yùn)機(jī)組相關(guān)的出口回路,其它機(jī)組的出口回路改造待該機(jī)組停運(yùn)時再進(jìn)行。
2)改造后的穩(wěn)控裝置投運(yùn)前應(yīng)確保出口回路相關(guān)測試驗(yàn)證完好。當(dāng)機(jī)組與相應(yīng)并網(wǎng)開關(guān)不能同步停運(yùn)時,改造后的穩(wěn)控出口回路可采取分段測試驗(yàn)證方式,待啟機(jī)并網(wǎng)開關(guān)短時停運(yùn)時再進(jìn)行實(shí)傳試驗(yàn)。
3)整改時應(yīng)做好相關(guān)回路安全措施,謹(jǐn)防對其它無關(guān)回路或是運(yùn)行設(shè)備造成影響。
電廠側(cè)穩(wěn)控裝置切機(jī)回路設(shè)計(jì)無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),各電廠落實(shí)參考依據(jù)不足,現(xiàn)場執(zhí)行多憑主觀臆斷,從而導(dǎo)致切機(jī)回路接線千差萬別,不僅給穩(wěn)控系統(tǒng)運(yùn)行帶來巨大安全風(fēng)險,也給現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)和專業(yè)管理帶來諸多不便。本文提出的穩(wěn)控切機(jī)回路接線改進(jìn)措施,科學(xué)合理,實(shí)施簡單,能夠滿足現(xiàn)場整改需要,可圓滿解決現(xiàn)有切機(jī)回路存在的問題,消除穩(wěn)控系統(tǒng)潛在安全隱患,切實(shí)提高西北電網(wǎng)安全運(yùn)行水平。
作為穩(wěn)控系統(tǒng)“生態(tài)”鏈條的最末端,電廠側(cè)穩(wěn)控裝置的運(yùn)行可靠性最容易被忽略,亟需引起足夠重視。為此,本文提出3 點(diǎn)建議:(1)不滿足要求的電廠應(yīng)盡快制定方案,結(jié)合大修或技改逐步開展穩(wěn)控裝置切機(jī)回路問題整改;(2)在整個西北電網(wǎng)范圍內(nèi),開展大型并網(wǎng)電廠穩(wěn)控裝置切機(jī)回路隱患大排查,并進(jìn)行專項(xiàng)整治;(3)加快修制定電廠側(cè)穩(wěn)控裝置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系,補(bǔ)齊漏洞短板。