防止地区电网孤网运行的改进方法

刘明群，和 鹏

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 引 言

随着电力系统的跨区域互联和电网规模的不断扩大，各级系统之间的联系越来越紧密[1]。但是，边远地区的局部电网由于经济、环境等各个方面的影响，与主网连续较为薄弱，通过单回线路与系统相连的地区电网并不少见。极端天气或人为操作失误均可能导致地区电网的单回联络线故障，造成地区孤网运行，甚至导致地区电网系统崩溃[2,3]。通过改进断路器动作和继电保护策略，可大大提高地区电网供电的稳定性和可靠性，减少停电的经济损失。

1 事故案例

某地区电网通过单回110 kV新（城）-白（汉场）线路与系统连接，地理接线示意如图1所示，丰水季节大量小水电通过新白线上网。2020年7月8日，新白线路因人为原因造成单相永久故障，发生单相接地故障后，线路跳开后地区电网孤网运行，高美变电站的备自投装置因不满足同期（频差过大）而不能合断路器，地区电网因频率过高使发电厂机组的高周切机相继动作，最终造成地区电网崩溃，引起大面积停电。

图1 某地区电网地理接线示意

仿真计算和运行经验表明，当地区电网联络线的功率超过某一定值时，联络线发生瞬时接地故障，即使联络线的继电保护配置有重合闸功能，地区电网也会因功率不平衡引起频率偏差，造成重合闸不满足同期条件不会重合。图2是联络线发生瞬时单相接地故障引起的频率波动情况，因不满足同期条件强行重合而引起了系统振荡。针对这种情况，部分地区电网配置了联络线跳闸联切机组的稳定策略。

图2 强行重合引起系统频率振荡

2 电力系统自动装置

联络线发生故障断开后，地区电网孤网运行。故障发生时刻，联络线的潮流大小决定孤网运行的稳定性，当潮流较小时，孤网可以稳定运行，潮流较大时，无论上网还是下网，都会引起地区电网频率偏离正常值，偏差过大会导致高周切机装置或低频减载装置动作，使得发电功率与负荷功率平衡。潮流大于某一数值时，如果电力系统自动装置不能正确动作，则会引起地区电网崩溃，造成严重的停电事故。为保证系统稳定运行，地区电网一般配置下列安全自动装置。

一是高周切机装置。孤网形成后，如果多台机组并列运行，则电厂功率将大于负荷功率，多余功率导致发电机组转子加速，系统频率升高，孤网失去稳定。高周切机装置正确动作，孤网形成初始，在频率上升到门槛值时切掉适量机组，减少功率不平衡程度，保持频率稳定。

二是低周减载装置。孤网形成前，地区电网机组功率小于负荷功率，联络线大量功率下网，功率严重不平衡的情况下，孤网形成后导致发电机组转子减速，系统频率降低，孤网失去稳定。设置低频减载装置，当孤网形成后，频率下降到门槛值时切掉适量负荷，减少功率不平衡量，以提高孤网运行的稳定性。

三是连锁切机装置。为解决孤网运行的高频问题，当联络线的功率相对较大时，可优先采取连锁切机装置，即当联络线传输功率大于设定值时，一旦发生跳闸，系统直接下达切除部分机组的指令，此时不再判断系统的频率大小，尽快降低地区电网的机组出力与负荷不平衡程度。地区电网需要采集相关厂站运行的实时信息，并进行联切策略的编制。

3 改进措施

高压断路器是电力系统中的重要元件之一，在电力系统运行方式调整及对系统中故障隔离起重要作用[4]。我国电网中110 kV及以下系统均采用三相机械联动断路器，220 kV及以上系统中线路单元高压断路器因考虑系统联网运行可靠性以及线路故障中单相故障占比较高等因素，多采用分相操作断路器[4]。借鉴主网运行经验，首先将110 kV联络线断路器由三相联动改为分相动作。

目前，应对联络线发生的故障（单相、两相和三相），继电保护普遍采用的措施如下。当发生两相或三相故障时，保护动作跳开三相断路器，不再重合。如果判断为单相故障，跳开三相断路器，躲过规定的电弧去游离时间，重合三相断路器，若故障仍然存在则跳开三相断路器。为了提高地区电网应对联络线故障能力，在单相故障发生时进行单相故障隔离，其他两相断路器不断开，保持地区电网与主网的联络。改进措施前继电保护动作如图3所示，改进措施后继电保护动作如图4所示。

图3 改进前的地区电网联络线保护动作

图4 改进后的地区电网联络线保护动作

案例中的联络线功率为50 MW，对于单相瞬时故障，采用原有的保护逻辑，系统不能稳定运行，仿真曲线如图2所示。改进措施后，单相瞬时故障，跳单相，单相重合成功，地区电网与主网能保持同步，不会发生失稳现象，仿真过程如图5所示。

图5 联络线单相瞬时故障录波图

改进措施前，对于单相永久故障，系统重合后会立即跳闸，仿真过程如图6所示。

图6 原控制措施联络线单相永久故障录波图

改进措施后，发生单相永久性故障，保护装置跳开单相断路器，经延时后单相断路器重新合闸，因故障仍存在，再次跳开单相断路器，地区电网与系统保持两相联络，处于非全相运行状态，仿真过程如图7所示。地区电网虽然受到扰动，但是不会失去稳定，一方面备自投装置可以快速投入备用电源，另一方面运行人员可以快速处理，尽快达到功率平衡后断开联络线，即使地区电网孤网也能保持稳定运行。

图7 改进措施联络线单相永久故障录波图

4 结 论

通过对地区电网弱联络线故障分析和仿真计算可以得到如下结论。一是单联络线功率大于某一定值，发生单相瞬时接地故障，重合闸功能因频差过大不满足同期条件而不能合闸，造成地区电网孤网运行；二是采用改进措施，不论单相瞬时故障，还是单相永久故障，都能保证地区电网与主网同步稳定运行；三是采用改进措施后，方便地区电网采取切机切负荷等控制措施，避免造成地区电网崩溃。