独立局域电网三道防线建设方案分析

夏彦辉， 董 宸， 孙 丹， 邹 宇

(南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211153)



独立局域电网三道防线建设方案分析

夏彦辉， 董 宸， 孙 丹， 邹 宇

(南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211153)

文中首先总结了独立局域电网网架结构的特点，结合国家推进售电侧改革的发展趋势，分析了独立局域电网普遍存在的安全稳定问题。以某独立局域电网为例，提出了三道防线建设方案，对稳定控制系统、低频低压减载、高频切机、失步解列配置方案涉及到的一些关键技术问题进行了阐述，并通过实时数字仿真仪(RTDS)仿真试验和离线仿真验证了方案的适用性，对在线实时稳定控制系统的可行性进行了论证。最后对独立局域电网三道防线的建设原则进行了归纳总结。

独立局域电网；三道防线；稳定控制系统；安全自动装置；在线实时稳定控制

0 引言

独立局域电网指集“发、输、配、售”所有功能于一体的电网，被广泛应用于石油、化工、冶炼等各种行业，也可指独立于公网的区域配电网。在中国，独立局域电网这一概念更多强调的是电网的属性定位，它是对所有不隶属于国家电网和南方电网的地方电网的统称，这种独立包括资产独立、发输电独立、调度独立与定价独立4个层面。

独立局域电网与大电网(国家电网和南方电网)之间在电气上无联系或弱联系。与大电网之间无联系的独立局域电网也称孤立局域电网；所谓弱联系，是指在正常运行情况下大电网对独立局域电网的频率、电压波动支援作用有限，且在紧急情况下大电网会断开与独立局域电网的联网断面，使其非计划性地转化为孤立局域电网[1，2]。

独立局域电网网架结构薄弱，电压等级偏低，单台机组、单个负荷占系统容量比重较大，系统运行时往往不能满足“N-1”准则，单台机组或单个负荷跳闸即可引起联网断面潮流越限，被动转入孤网运行后存在严重的频率问题，如不采取相应的控制措施，甚至会造成系统崩溃事故[3-7]。此类电网也被称为“大机小网”或“大机大负荷小网”。同时，独立局域电网内部机组调节性能差(主要是指一次调频、调压性能)，负荷特性特殊(如电解铝负荷的恒电流特性、轧钢机的冲击特性、电动机的群起现象、冶炼炉的倒炉操作等)，都在一定程度上对系统的频率、电压稳定性起到了负作用。如果独立局域电网内部接入大量小水电机组，小水电并网线路的短路故障易引起低频振荡[8，9]，在主保护缺失的情况下，短路故障还可能引起小水电机组对主网的功角失稳。因此，除直流闭锁或换相失败之外，大电网中存在的安全稳定问题，在独立局域电网都存在，并且发生的概率更高[10-15]。

2016年3月7日，国家发展改革委下发《关于扩大输配电价改革试点范围有关事项的通知》。2016年4月8日，国家发改委、能源局对新疆生产建设兵团开展售电侧改革试点情况作出批复，同意新疆生产建设兵团开展售电侧改革试点，要求稳妥推进改革，确保电力安全，保证电网安全，保障民生用电。因此，确保电网安全稳定运行是独立局域电网面临的最大挑战。

1 某独立局域电网概况

DQS电网为地级区域电网，目前最高电压等级为220 kV，下辖HY电厂、JJ电厂等大电源，多座水电厂、光伏电站和30多座变电站。2016年，DQS电网装机容量912 MW，其中火电633 MW，水电169 MW，光伏110 MW，最大单台火电机组135 MW，水电机组出力具有明显的季节性。夏季最大负荷水平700 MW，夏季最小负荷水平216 MW，冬季最大负荷水平387 MW，冬季最小负荷水平163 MW，负荷季节性变化和峰谷差都比较大。

图1 DQS电网稳控系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of power system stability control system of DQS

DQS电网存在孤网运行、与国网XJ电网通过双回220 kV线路联网、与DBS电网通过双回220 kV线路联网3种运行方式。

2 稳定控制系统配置方案

根据DQS电网的运行需求，设计了稳定控制系统，其结构如图1所示。

通过收资、建模、仿真计算分析等工作，得出DQS电网孤网运行时存在的主要稳定问题。 频率稳定，机组跳闸或功率骤降、水电或光伏送出线路跳闸，引起的低频问题；热稳定，线路、主变过载；水电送出断面低频振荡。

DQS电网联网运行时存在的主要稳定问题有联网断面断开，系统频率失稳；联网断面潮流越限。

系统可采取的稳定控制措施有切负荷；切光伏，切水电，切RDEC机组，压JJ电厂、HY电厂出力；解列线路。

为了适应DQS电网小水电出力季节性明显、负荷季节峰谷差较大等特点，为其设计的电网稳控系统具有较强的自适应特点。

(1) 负荷水平的自适应。通过采集全网电源的出力，实时计算系统容量，动态调整稳控动作门槛(功率缺额)，自适应系统各种负荷水平，不需要设置大、小运行方式压板。

(2) 切机组合自适应。切光伏、切小水电、切小火电机组、压大火电机组出力措施相结合，稳控装置提供4付接点给分散控制系统(DCS)的开入回路(开入保持200 ms以上)，DCS根据4个开入组成8421码乘以系数(系数可整定)，转成模拟量输出到数字电液控制系统(DEH)的协调控制系统，由DEH完成快速减出力。每台大火电机组可减出力量受限于其可稳定燃烧出力水平。

(3) 切负荷的自适应。采集各站可切负荷，按照三、二、一级负荷的优先级排序，根据需要按照过切、欠切、最优切的原则组织切负荷。

(4) 运行方式的自适应。机组跳闸策略通过结合联网断面功率突变ΔP>Pset辅助判据，自动适应孤网、与国网联网、与DBS联网多种运行方式，不需要采集联网线路开关量或维护联网方式压板，提高稳控系统的智能化程度，降低运维工作量。Pset的整定主要考虑躲过稳控装置采样零漂，并保证足够的安全裕度(基于装置的采样精度考虑，建议取安全系数大于2)。

2016年2月，DQS电网稳控系统通过了实时数字仿真仪(RTDS)试验验证，共计模拟了200种运行工况。测试系统连接框架如图2所示。

图2 RTDS测试系统连接框架示意图Fig.2 Diagram of connection framework of RTDS test system

以孤网运行方式下HY电厂1号机组功率骤降为例，说明稳控系统的动作过程。HY电厂1号机组事故前出力为115.9 MW，功率骤降104.9 MW后，稳控系统判断需切除负荷总量为104.906 MW，实际切除负荷总量为104.825 MW，分别是KGQ变13.291 MW、SH变3.864 MW、HYH变51.965 MW、XJ变35.706 MW。从发生功率骤降瞬间至负荷切除的时间间隔为210 ms，整个过程系统暂态稳定。

稳控装置实时监测关键断面功率，当检测到HY电厂1号机组功率骤降后，装置查询策略表事件为“700 MW<发电量≤900 MW，HY1号机组功率骤降”，经过5 ms后发出切除KGQ变、SH变、HYH变、XJ变负荷的命令。经核实，RTDS仿真系统发电量位于700～900 MW，且各项参数与稳控装置保持一致。

HY电厂1号机组功率骤降后，引起系统频率下降，采取切负荷措施后，系统频率回升至正常范围内。整个过程全网频率最低为49.85 Hz。

3 第三道防线配置方案

3.1 低频低压减载配置方案

低频低压减载装置配置在各负荷变电站，总量最低按损失最大一个发电厂(装机容量2×135 MW，占全网最大负荷700 MW的39%)整定。条件容许的情况下，可配置全网负荷总量的40%以上。低频减载整定方案如表1所示，设定低频减载频率启动值为49.5 Hz。

表1 低频减载整定方案Table 1 Low frequency load shedding scheme

失去大容量发电厂后，系统功率缺额220 MW(事故前系统容量700 MW)。在第二道防线失效情况下，系统的频率偏差响应曲线如图3所示。

图3 失去大容量发电厂后的系统频率偏差响应曲线Fig.3 System frequency response curve after the loss of large capacity power plant

仿真表明，第三道防线低频减载动作3轮，共切除负荷175.6 MW，仿真过程中系统最低频率为48.57 Hz，恢复频率为49.65 Hz，系统的频率偏差响应曲线如图4所示。

图4 失去大容量发电厂在低频减载装置动作后的系统频率偏差响应曲线Fig.4 System frequency response curve after the loss of large capacity power plant with low frequency load shedding device action

低压减载整定方案如表2所示，设定低压减载启动值为0.85 p.u.。

表2 低压减载整定方案Table 2 Low voltage load shedding scheme

3.2 高频切机配置方案

高频切机装置配置在：光伏电站(THYG，JTY，LN)、水电站(XBQJ水电站、GYE水电站、TJ水电站)、火电厂(JJ电厂、HY电厂、RDEC)。

高频切机方案需要与机组的超速保护(OPC)定值协调配合。OPC定值建议整定为52.0 Hz，并且增加0.2 s的延时，避免OPC先于高频切机动作。高频切机整定方案如表3所示。

表3 高频切机整定方案Table 3 High frequency cutting machine scheme

3.3 失步解列配置方案

失步解列装置配置在：

(1) 水电送出断面。SH变(SH-LG)、GYE站(GYE-XJ)、TJ水电站(TJ-CZ)；

(2) 与外界联网断面。JJ电厂、WWZX变。

4 在线实时稳定控制系统的可行性分析

基于预决策的在线安全稳定综合防御系统被认为今后的发展方向，省级以上的调度中心已上线运行，但距实用化还有一定的距离，主要受限于外网的动态等值和下一级电网的建模。在大电网中实现实时稳定控制更加遥远。独立局域电网结构比较简单、区域范围较小，信息量少，不需与外网交换信息或交换信息很少，且没有暂态过程复杂的电力电子设备，光纤通信已普遍采用，在线实时稳定控制系统实现起来比大型电网容易的多，硬件与软件的投资相对较少。

目前，独立局域电网的技术力量较弱，电网安全稳定分析的水平难以满足电网发展的需要。在这种情况下，尽早应用在线实时稳定控制系统，提高电网的调度运行水平，做好电网的预防性控制、防患于未然，对减轻运行方式人员的工作量，提高安全稳定控制水平，将有着重要的意义。因此，建议这类电网的调度部门尽快开展在线实时稳定控制系统的应用工作，以较小的投资取得电网安全稳定性的有力保证。

SPORS-5100在线实时稳定控制系统[16]利用稳控装置采集数据(兼容远程终端单元RTU慢速数据)，获得电网的实时运行状态和故障信息，基于超实时仿真技术及优化算法在线进行电网稳定控制决策，完成电网安全稳定的综合评估和稳控策略的在线刷新，实现精确的闭环自适应稳定控制。在线实时稳定控制系统布置在调度控制中心安全I区，通过专用光纤与安装于各发电厂、变电站现场的稳控装置通信。系统硬件结构如图5所示。

图5 在线实时稳定控制系统硬件结构图Fig.5 Hardware structure of online real time stability control system

正常运行时利用稳控装置或RTU采样数据开展状态估计、潮流计算和预决策计算，当接收到稳控装置上送的故障信息后，触发稳定判别计算，当系统存在失稳风险时自动进行策略搜索，将控制措施下达至分布在各厂站的稳控装置或RTU执行。在线实时稳定控制系统的计算流程如图6所示。

图6 在线实时稳定控制系统计算流程图Fig.6 Flow chart of online real time stability control system

5 结语

通过前文分析可知，除直流闭锁或换相失败之外，大电网三道防线设计时考虑的故障类型，仍然适用于独立局域电网。稳控系统设计时，独立局域电网需要考虑N-1故障，重点应对损失大机组/大负荷、对外联络线跳闸；而大电网重点应对N-2故障。第三道防线设计时，大电网一般按固定的百分比配置减负荷总量，而独立局域电网减负荷总量最低按损失最大一个发电厂配置。

本文总结了独立局域电网网架结构的特点，并结合工程实践分析，对独立局域电网三道防线建设提出如下建议：

(1) 适当提高继电保护配置，加快故障切除速度。对于保护整定配合困难的情形，可采取解环运行+备自投的方式，提高供电可靠性。构建先进可靠的能量管理系统，通过自动发电控制(AGC)/自动电压控制(AVC)功能模块优化电网运行方式，提高电网运行的安全稳定裕度。

(2) 配置完善的第二道防线，即稳定控制系统，保障控制措施的精确性和快速性。重视切机、切负荷措施的不匹配量，切机时，优先切除光伏、水电、小火电。如果必须对大火电机组采取措施，对于轻度过载问题，优先采取压机组出力措施；对于严重过载问题和频率稳定问题，必须切除大火电机组时，应根据实际损失发电出力量，刷新需切负荷量，将系统功率不平衡量将至最低。

(3) 分散布置低频低压减载装置、高频切机装置，保证足够的可减载量和可切机量。还应在独立局域电网联网断面和小水电送出断面配置失步解列装置。重视第三道防线装置定值的整定配合以及第二道防线与第三道防线之间的协调配合，避免出现无序动作和重复动作。

电网一方面朝着极大方向(全球能源互联网)发展，另一方面朝着极小方向(微电网)发展，两者都成为了近几年来的研究热点。然而，独立局域电网作为电网发展的第三种趋势，在运行实践中已经出现了许多亟需解决的问题，系统崩溃事故经常发生，给企业带来了巨大的经济损失，造成了恶劣的社会影响，在当下却未引起充分的关注，本文抛砖引玉，希望业界更多地开展此类电网的研究。

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(编辑 徐林菊)

Analysis on Construction Scheme of Three Defense Lines for Independent Local Power Grid

XIA Yanhui, DONG Chen, SUN Dan, ZOU Yu

(Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd, Nanjing 211153, China)

The structure characteristics of the independent local power grid are summarized firstly. Then, the security and stability problem of the local power grid is analyzed, combined with the development trend of the state promoting sales side reform. Three lines of defense construction scheme are proposed taking an independent local power grid as an example. Some key technical problems related to the stability control system, low frequency and low voltage load shedding, high frequency cutting machine, out-of-step splitting solution are discussed. The applicability of the scheme is verified by RTDS and off-line simulation, the feasibility of on-line and real-time stability control system is demonstrated. Finally, the construction principles of the three lines of defense for the independent local power grid are summarized.

independent local power grid; three lines of defense; stability control system; automatic safety device; online realtime stability control

2017-01-15；

2017-02-23

江苏省科技项目(BZ2015010)

TM 762

A

2096-3203(2017)03-0076-06

夏彦辉

夏彦辉(1982—)，男，河南开封人，高级工程师，研究方向为电力系统安全稳定分析与控制;

董 宸(1982—)，女，安徽太和人，工程师，研究方向为电力系统安全稳定分析与控制;

孙 丹(1989—)，女，河北保定人，助理工

程师，研究方向为电力系统安全稳定分析与控制;

邹 宇(1975—)，男，四川自贡人，工程师，研究方向为安全自动装置开发。