母线带发电机系统自动切换技术的应用研究

李中鹤

（宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司，宁夏 银川 750002）

0 引言

某化工装置内部110 kV 变电站共有3 个单母分段的供电单元，每个供电单元包括2 台的110 kV/35 kV 变压器，其为2 段35 kV 母线提供电源。每段35 kV 母线上接入1 台60 MW 汽轮发电机，共6 台发电机组，发电机出口电压为10 kV，采用线变组接线方式，通过35 kV/10 kV 升压变接入35kV 母线。每个供电单元共设置五个同期点，分别位于2 个35 kV 升压变间隔、2 个35 kV 进线间隔和1 个母联间隔，一次系统简图如图1 所示。

1 系统运行中存在的隐患

为了进一步提高工艺装置生产过程中多余的热能，将热能转换为电能，该项目选用余热发电机组，不仅节能，而且利于环境保护。因使用工艺装置的余热蒸汽发电，造成母线带发电机系统中的用电量和发电量会随着工艺负荷的变化而变化，当工艺负荷较高时，用于发电的剩余蒸汽就多，发电量就多，反之电量就少。

随着工艺负荷的，梳理出近年来此系统所带负荷用电量和发电量之间的关系，当工艺系统满负荷运行时，该段35 kV 母线负荷可达50 MW，此时发电机也可以实现满发负荷50 MW，达到“发电、用电”平衡。当工艺负荷调整时，出现发电量和用电负荷不对等的情况，尤其是工艺装置开停车时和发电机突发故障解列时，偏差率较大。

一般情况下，为了保证系统稳定，35 kV 系统不设置自动装置，所以当35 kV 系统电源故障时，35 kV 母线和发电机将形成一个暂态的“小孤岛”，这种状态维持的时间很短，如果发电机无法及时调整负荷，暂态的系统平衡在发电机保护动作解列后打破，最终该段故障母线失电，工艺装置大面积停车，危害性极大。

对比不同工况下的用电量与发电量数值，当发电量与用电量基本相等或发电量略微大于用电量时，发电机通过自身控制系统调整负荷平衡成功的可能性较高，因为此时发电机只需要微调励磁系统，即可实现发电量与用电量平衡，发电机不需要大幅甩负荷，不需要调整汽轮机侧的蒸汽阀门，系统形成以发电机带所有负荷的孤岛运行状态的可能性就很高；如果发电量小于用电量或发电量超出用电量负荷较大时，发电机通过自身控制系统调整负荷平衡的成功率几乎为零，此时发电机调整励磁系统已经无法实现足够的用电量，汽轮机侧的蒸汽调阀的速度较慢，发电机保护在调整结束前已经提前动作，发电机解列，该段35 kV 母线失电。而这种发电量于用电量平衡状态，在工艺装置中很难实时存在，大部分情况下均不平衡，所以需要研究可行的切换方案，以满足该工况下电源能安全快速的切换，达到母线不失电的目的。

图1 一次系统简图

2 可行措施优缺点分析

针对该问题，结合实际运行情况展开讨论，分析其优缺点。

2.1 通过保护装置联动控制

该方法从110 kV/35 kV 变压器主保护入手。通过增加主保护保护出口，分别联跳发电机组，并合上35 kV 母联。变压器主保护包括线变组差动、本体差动和重瓦斯保护，三类主保护分别配置在3 个不同的保护装置内。

优点：通过变压器主保护装置中的主保护逻辑，快速发出发电机解列信号与合母联的开出信号，实现35 kV 母线电源故障后快速恢复供电的目的。

缺点：1）需要在每个主保护装置内增加2 个出口，它们分别作用于发电机解列与合35 kV 母联，共计6 个出口，导致二次回路接线复杂，日常维护难度大。2）由于保护装置一般不会采集发电机解列后的反馈节点，因此需要重新编辑保护动作逻辑导致其复杂化，对保护本身不利。3）在保护装置发出发电机解列与合母联信号并已切除发电机，在该暂态下无法判断2 个系统是否同期，此时合上母联会存在引发母联非同期合闸事故。

2.2 通过稳控装置控制

该方法从接入35 kV 母线上的所有馈线开关入手。通过稳控装置实现负荷平衡、切除发电机和合上母联等操作。在稳控装置中接入变压器主保护动作信号作为稳控逻辑的启动信号，再接入所有馈线开关控制和反馈信号，根据实际运行负荷情况，合理设置稳控装置动作逻辑，实现该段母线的安全供电。

优点：稳控装置在复杂的电网控制中具有较好的表现，采用温控装置可以全面平衡该段母线负荷和发电负荷之间的关系，通过采集的模拟量和开关量，写入符合实际工况的判断逻辑，即能快速判断是否切除发电机组，并在短时间内完成切换，实现35 kV 母线电源故障后快速恢复供电的目的。

缺点：1）稳控装置的控制逻辑较为复杂，会随负荷和馈线间隔数量等诸多因素变化而变化，而且工艺系统调整引起的用发、电负荷变化是一个动态的过程， 如何设置好平衡发电负荷和用电负荷之间的相关参数，并能涵盖所有控制逻辑将是一大难题。2）稳控装置二次回路复杂，需要采集此供电单元上所有馈线回路的模拟量和开关量信号，二次回路维护难度大幅增加，如果发生误动将直接导致下级负荷失电，后果严重。

2.3 通过自动装置控制

该方法从自动装置入手。为了保证快速性，主要采用快切装置实现快速切换功能。在35 kV 母联上装设快切装置，分别接入2 个35 kV 升压变间隔、2 个35 kV 进线间隔和1 个母联间隔的控制和反馈信号。同样接入变压器主保护动作信号作为快切的启动信号，当变压器主保护动作时，快切装置通过自身逻辑判断，完成切除或保留发电机的快速切换功能[1]。

快切启动后，失电母线上的电压及频率会随着此时的用电负荷情况，按照一定的规律衰减。在衰减过程中，快切装置会对比失电母线的残压值相和另外一条正常母线电压，在每个周期内判断、确定合闸时刻，优先选择零度合闸点合闸，减少合闸后对系统的冲击。现阶段，不同厂家的快切装置对于合闸判据的选择有所不同，选择快切装置时需要参考现场实际工况。

优点：装置本身只需要采集此供电电源内电源间隔和母联间隔的相关模拟量和开关量，控制逻辑简单、接线简洁，35 kV 母线失电后恢复供电速度快。

缺点：1）快切装置的判据中如果保留发电机，在合母联时，装置自身的合闸判据需要瞬间成功抓住“合闸零点”，并在发电机保护动作前完成，该动作逻辑要快速、准确的在同期点合闸，会存在失败风险，造成非同期和合闸的严重后果。2）在电源发生故障瞬间，负荷变化是一个暂态过程，并且发电负荷与用电负荷占比也会随机变化，为了保证快切装置的可靠性，要舍弃快切装置的模拟量判断功能。

3 现场应用

为了进一步提升现场运行的可靠性，该项目现场选用自动装置的解决方案[2]。

根据现场实际运行工况，选取一个供电单元下的3 类典型工况，统计发电量和用电量数据，相关数据见表1。典型工况下的负荷统计表，通过运行负荷变化情况，有针对性地提出采用自动装置解决电源故障快速切换的可行性。

表1 典型工况下的负荷统计表

3.1 第一类工况

当工艺工况稳定时，发电量达到满负荷，此时发电量与用电量基本平衡，发电机发出的电量将由该段负荷全部消耗掉。此时模拟故障：当1 段35 kV 母线电源出现故障，故障变压器从系统中切除，快切装置在接到故障指令后启动快切逻辑，快速切除发电机，并迅速合上母联。故障变压器所在母线段损失的60 MW 发电量将瞬间转移到另1 台变压器和发电机所在的母线上，运行的变压器带两段35 kV母线的负荷，此时运行中的变压器负荷率瞬间上升至最大值的50%，另外50%负荷由该段运行的发电机提供。

3.2 第二类工况

当装置开车时，工艺汽轮机将使用大部分蒸汽，没有多余的蒸汽供发电使用，此时发电机未运行，该段负荷所需电量由变压器提供。此时模拟故障：当带有发电机的35 kV 母线电源出现故障时，故障变压器从系统中切除，快切装置在接到故障指令后启动快切逻辑，快速切除发电机，并迅速合上母联。故障变压器所在母线损失的最大负荷为60 MW，将瞬间转移到另一台变压器上，此时运行中的变压器负荷率瞬间上升至最大值。

3.3 第三类工况

当装置停车时，工艺汽轮机使用蒸汽逐步退出，用电负荷逐步减少，而发电机负荷还在最大值，此时该段负荷所需用电量全部由发电机提供，还持续向电网上送电量。此时模拟故障：当一段带有发电机的35 kV 母线电源出现故障时，故障变压器从系统中切除，快切装置在接到故障指令后启动快切逻辑，快速切除发电机，并迅速合上母联。故障变压器所在母线损失的60 MW 发电量，将瞬间转移到另一台变压器和发电机所在的母线上，此时运行中的变压器负荷率变化最小。

根据以上分析，当发生系统电源故障后，如果发电量小于用电量，变压器负载率将瞬间升到最高，剩余其他工况下负载率变化较小，最大将提升至50%，不会对变压器稳定运行造成大的影响。

以上分析过程中所采集的数据，均为极端工况下的最大值，在实际运行过程中不会频繁出现，因此采用自动装置完成该系统的切换方案是可行的，完全满足电力系统安全稳定运行的要求。但是需要注意一点，由于发电量与用电量随工艺工况变化而变化，现有快切装置内关于模拟量的逻辑判断功能无法满足这样复杂的潮流变化，因此退出快切装置中的模拟量启动切换功能。

4 对未来切换技术的展望

该章节重点结合现场实际运行情况，总结快切运行经验，展望未来切换技术，真正实现多电源系统中，某个电源故障，在潮流分布变化最小的情况实现稳步切换，确保电源系统故障不会影响下级负荷供电。

母线段带发电机的多电源接线方式的已经普遍出现，切换装置要能实现发电机在不解列的前提下，即可并入另一段供电母线，是此类切换技术的最佳状态。就如何实现此技术，提出以下3 点意见：1）平衡发电负荷与用电负荷实现快速切换。发电机在进行选型时，就缩小了发电负荷与用电负荷之间的差距。当母线变压器电源故障时，在短暂时间内，通过切换装置调整发电机负荷，切换装置能小幅度、迅速地发出调整指令，在发电机保护动作跳闸前，能将发电机所在母线并入另一段母线。该控制方案的特点是可以由控制装置直接替代发电机励磁系统的部分功能，控制装置在接到跳闸指令后，可以直接调整发电机励磁系统，减少控制逻辑，提高迅速调整的目的。缩短负荷差距的办法有：同电压等级时，发电机选型的容量与用电量基本平衡，或者将发电机接入高电压等级来平衡更多负荷。2）稳住发电机形成“小孤岛”再并入系统。当发电机所在母线上的变压器电源出现故障以后，切换装置能根据保护动作情况，控制同期装置和励磁装置。优先控制励磁装置调节发电机负荷与用电负荷达到平衡，在发电机保护动作前，提前“稳住”发电机，此时形成一个暂态的“小孤岛”。当系统稳定后，再控制同期装置，将发电机所在母线的“小孤岛”并入另一段母线，实现稳定切换。该控制方案的特点是在切换逻辑做出反应前优先稳住发电机所在系统，在稳态情况下再启动切换功能，虽然用时较长，但是在稳态情况下并入正式系统，安全性、可靠性均较高。3）预判负荷变化趋势提前实现切换。切换装置采集发电机出口、母线、变压器和所有馈线系统电网中的模拟量，实时对比每个间隔中电流和电压的变化情况，通过设置切换装置中合理的模拟量变化区间，优先发现发电机、变压器与电网之间模拟量的变化率，切换装置中不同的变化率对应不同的故障类型，可以预判出即将发生的故障，提前启动切换逻辑，直接切除可能出现故障的变压器，并将剩余发电机所在母线并入正常的运行系统。该控制方案的特点是在故障发生前就可以提前启动控制逻辑，虽然采集的模拟量较多，运算较为复杂，但是可以提前预防事故发生，而不是等到事故发生后，由保护切除故障设备，再启动切换逻辑，该方法可以杜绝故障对系统的影响，尤其是高电压等级时故障的影响范围较大，随着科技发展的进步，相信预判式工作逻辑将有较大的发展空间。

5 结语

该文主要针对发电机带母线的供电模式下，电源发生故障后如何安全、快速地恢复系统供电，提出现行技术下一些可行的解决方法，每类解决方法都存在自己的优缺点，可以根据不同的接线方式灵活进行选择。同时结合该项目的实际情况，分析不同工况下的切换情况，得出可行的措施。在不同的项目中，无论选择哪种方案，都应在实际应用过程中优先保证供电系统安全。

当然，也可以考虑多种方案组合使用，但是需要把握“控制逻辑要尽可能简单、二次回路尽可能简洁”的原则，才能提高在实际应用中的可行性。