楊 丹，劉海峰，涂長庚，余曉鴻，王科清

（1.國家電網(wǎng)湖南省電力公司，湖南 長沙 410007；2.國家電網(wǎng)湖南省電力公司 電力科學研究院，湖南 長沙 410007；3.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077；4.國家電網(wǎng)北京市電力公司 物資公司，北京 100031）

大唐石門電廠是中國湖南湘西北電網(wǎng)的主力電源之一，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，其送出斷面潮流重載問題日益突出，嚴重時甚至導致電廠出力受限，采取母聯(lián)斷路器開環(huán)運行方式可以釋放其部分受限出力，但是隨著負荷的增長，開環(huán)運行也無法保證機組滿出力外送。

為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，除建立合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、安排合理的運行方式外，二次系統(tǒng)也必須配備合理的安全穩(wěn)定控制措施，組成一個完善的防御系統(tǒng)。電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的“第二道防線”，也是提高受端電網(wǎng)受電能力及提高電廠外送能力的重要手段。通過配置穩(wěn)控裝置，能夠在確保電網(wǎng)安全的前提下保證電廠外送［1-2］。

1 電廠送出潮流分析

大唐石門電廠通過石盤Ⅰ，Ⅱ（線型2×LGJ-300）、石崗Ⅰ，Ⅱ線（線型2×LGJ-240+LHGJT-440）4回220kV線路接入電網(wǎng)（石盤Ⅰ，Ⅱ線為同桿并架線路；石崗Ⅰ，Ⅱ線為同桿并架線路），其中，石盤Ⅰ，Ⅱ線既是電廠的重要外送線路也是向常德北部以及湖區(qū)電網(wǎng)供電的主力通道。

1.1 大唐石門正常方式下潮流分析

冬季大負荷方式下，若大唐石門、創(chuàng)元等火電機組全開滿發(fā)，則大唐石門電廠出力主要通過石盤Ⅰ，Ⅱ線外送，石崗Ⅰ，Ⅱ線潮流較輕，甚至由崗市向石門電廠方向輸送。如圖1所示，若江埡、皂市、三江口等水電機組全停，石盤Ⅰ，Ⅱ線潮流均達到300 MW，超過熱穩(wěn)定極限；若石盤Ⅰ線跳閘，90%以上的潮流將轉(zhuǎn)移至石盤Ⅱ線，石盤Ⅱ線將嚴重過載。按照“N-1原則”，需嚴格控制石盤Ⅰ，Ⅱ線潮流之和，導致大唐石門電廠出力受限。

圖1 大唐石門送出潮流分布Figure 1 Power flow distribution of Shimen Power Plant

崗市主變是向常德地區(qū)供電的主力通道，冬季大負荷時期，下網(wǎng)壓力較大。以2012年12月最大負荷點為例，常德地區(qū)負荷1 775MW，崗市主變下網(wǎng)624MW，負載率達96%。減輕崗市下網(wǎng)最有效手段即增加常益張地區(qū)220kV并網(wǎng)機組出力，而大唐石門電廠由于石盤斷面的控制，出力限制在400MW左右，江埡、皂市以及常德、張家界地區(qū)110kV及以下并網(wǎng)的水電廠需長期大方式運行。對枯水期水電機組檢修以及水庫蓄水極為不利。隨著負荷的不斷增長，大唐石門出力受限甚至可能造成常德地區(qū)供電緊張。

1.2 大唐石門電廠母聯(lián)開環(huán)方式潮流分析

為了釋放大唐石門電廠受限電力，減輕江埡、皂市等電廠的頂峰壓力，通過改變其接線方式可以提高石盤斷面的輸送能力。

1）開環(huán)方案1。

大唐石門電廠1＃機組及石崗Ⅰ，Ⅱ線置于一組母線，2＃機組及石盤Ⅰ，Ⅱ線置于另一組母線，母聯(lián)600斷開。此方式下雖然石盤斷面重載問題得以解決，但是常德地區(qū)盤山、七重堰、窯坡等變電站及湖區(qū)護城、明山等變電站電壓低落；另一方面，湖區(qū)電網(wǎng)80%以上的電力由220kV崗明、迎沅Ⅰ線獲取，將導致湖區(qū)電網(wǎng)電力供應(yīng)緊張，若江埡電廠小方式運行還會造成崗市零斷面重載，因此，此方式不可取。

2）開環(huán)方案2。

大唐石門電廠＃1機組及石崗、石盤Ⅰ線置于一組母線，＃2機組及石崗、石盤Ⅱ線置于另一組母線，母聯(lián)600斷開。此方式下，潮流分布較正常方式基本沒有變化，但是石盤Ⅰ線跳閘后，僅60%的潮流轉(zhuǎn)移至石盤Ⅱ線，初始潮流及故障后潮流轉(zhuǎn)移情況如表1所示。此方式下，石盤Ⅰ，Ⅱ線控制功率可提高，且保證了電廠每臺機組都通過兩回220kV線路與系統(tǒng)聯(lián)系，可靠性較高。

采取母聯(lián)開環(huán)的方式，釋放了大唐石門電廠的部分受限出力，但是個別時段仍無法保證2臺機組滿發(fā)。在500kV常德北變電站投產(chǎn)前，隨著湖區(qū)及常德北部電網(wǎng)負荷的不斷增長，石盤斷面重載的情況日益嚴重。石盤斷面成為制約大唐石門電廠外送的重要瓶頸。

表1 大唐石門開合環(huán)方式潮流對比Table 1 Power flow comparison with the open loop and closed loop operation modes

2 電廠送出穩(wěn)定校核

2.1 正常方式下穩(wěn)定校核

正常方式下，大唐石門電廠外送穩(wěn)定水平較高，重要外送線路石盤Ⅰ，Ⅱ線、石崗Ⅰ，Ⅱ線、盤窯線、盤七線等都能通過三相故障校核。即使同桿并架的石盤或者石崗雙回發(fā)生異名相故障重合閘不成功而同時跳閘，大唐石門電廠機組也能保持穩(wěn)定運行。

2.2 檢修方式下穩(wěn)定校核

檢修方式下，重要設(shè)備三相故障可能造成大唐石門電廠功角失穩(wěn)。例如：大唐石門電廠2臺機組運行，石崗Ⅰ線停運方式下，石崗Ⅱ線三相故障跳閘將導致機組功角失穩(wěn)，其功角曲線如圖2（a）所示；若機組留5%的旋備，并輔以切機措施，該方式下所有設(shè)備都能通過三相故障校核，功角曲線如圖2（b）所示，其中，2＃機組故障后被切除，1＃機組能夠保持穩(wěn)定運行。

圖2 石崗Ⅱ線三相故障功角曲線Figure 2 Power-angle curves for three-phase fault of transmission line S-GⅡ

3 安全穩(wěn)定控制裝置設(shè)計方案

電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置是為保證電力系統(tǒng)在遇到大擾動時的穩(wěn)定性而在電廠或者變電站內(nèi)裝設(shè)的控制設(shè)備，實現(xiàn)切機、切負荷、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)定運行的第二道防線的重要設(shè)施［3］。目前，實現(xiàn)切機功能的穩(wěn)控裝置廣泛應(yīng)用于湖南電網(wǎng)，在正常情況下保證了電源的外送，故障情況下通過切機等措施確保了電網(wǎng)安全。

考慮單個廠站穩(wěn)定控制系統(tǒng)的特點和要求，安全穩(wěn)定控制裝置一般有3種配置方案：單機、雙機和三機容錯系統(tǒng)［4］。大唐石門電廠安控裝置對可靠性要求不高，可采取單機系統(tǒng)配置。

3.1 基本功能

在正常方式下，大唐石門電廠外送主要是熱穩(wěn)定問題；檢修方式下則存在功角穩(wěn)定問題。同時，考慮到大唐石門、皂市、三江口等常德地區(qū)水火電群的整體外送，裝置需具備接收遠方信號切機功能。大唐石門電廠穩(wěn)控裝置應(yīng)實現(xiàn)的基本功能如下：

1）電廠任一出線故障或無故障跳閘（含線路本側(cè)或?qū)?cè)開關(guān)跳閘），啟動切機。

2）同桿并架的石崗（石盤）雙回同時跳閘啟動切機。

3）自動識別運行方式（含正常方式、出線單回檢修方式、開環(huán)方式等），并預(yù)留2～3個特殊方式。

4）開環(huán)方式下需識別機組及線路所接母線，實現(xiàn)線路跳閘切另一組母線機組功能。

5）自動判別電廠開機方式及大出力機組。

6）能夠定義3～4個不同斷面。

7）預(yù)留接收崗市、盤山方向來遠切信號切本廠機組的功能。

8）2臺機組運行時，保留1臺機組不切。

3.2 裝置策略結(jié)構(gòu)表

根據(jù)功能需求，安全穩(wěn)定控制裝置策略結(jié)構(gòu)如表2所示，其中，斷面1定義為石盤Ⅰ，Ⅱ線潮流之和，斷面2定義為石崗Ⅰ，Ⅱ線潮流之和，斷面3定義為大唐石門2臺機組出力之和。

3.3 接入電氣量及壓板設(shè)置

根據(jù)裝置基本功能，需接入電氣量：1＃，2＃主變高壓側(cè)的三相電壓、三相電流，四回220kV出線及旁路的三相電流、切換后母線三相電壓、母聯(lián)三相電流；機組及線路掛母線刀閘位置、母聯(lián)開關(guān)位置、保護動作三跳信號、線路開關(guān)位置信號等。

表2 大唐石門電廠策略結(jié)構(gòu)Table 2 Strategy structural table for Shimen power plant

壓板設(shè)置：總功能壓板、特殊方式壓板、四回線路檢修壓板、四回線路旁代壓板、機組允切壓板、通道壓板；切換把手。

3.4 裝置邏輯判別原理

1）線路投停判別邏輯。

正常方式下，石崗Ⅰ，Ⅱ線潮流較輕，如果僅根據(jù)線路電流判斷投?？赡茉斐烧`判，因此，需接入線路開關(guān)位置信號進行輔助判斷。判別邏輯：①線路檢修壓板未投；②線路電流≥投運電流定值Ity；③線路有功功率≥投運功率定值Pty；④線路HWJ信號為1。

如果①滿足且②③④中任一條件滿足，即判為投運；若線路判為投運但④不滿足，裝置發(fā)出線路HWJ不一致異常告警信號。

2）線路跳閘判別邏輯。

線路跳閘可以分為線路故障跳閘、線路本側(cè)無故障跳閘、線路對側(cè)無故障跳閘。

故障跳閘可以采用電氣量加跳閘開關(guān)量進行綜合判斷，判據(jù)完善可靠，即保護三跳信號為1，線路HWJ信號為0，電流突增量大于定值，電壓突降量大于定值，4個條件同時滿足時判為線路故障跳閘。

線路無故障跳閘判據(jù)一般采用電氣量，較易滿足，在聯(lián)絡(luò)線功率變化較大，特別是在功率反向時，可能出現(xiàn)電流突變，且電流和功率絕對值很小的情況。所以采用純電氣量的判別方式，受原理的限制，存在著不能正確判別是否跳閘的情況［5］。因電廠外送線路故障后潮流轉(zhuǎn)移集中，可以引入相鄰線路電流突變量作為防誤判據(jù)，判別邏輯如圖3所示。

圖3 線路無故障跳閘判別邏輯圖Figure 3 Logic diagram for tripping discretion without any fault

3.5 其他重要功能

1）裝置具有TV，TA斷線告警功能。

2）具有較強的抗干擾能力。交直流系統(tǒng)操作、大氣過電壓、系統(tǒng)諧波、無線電等不會引起拒動、誤動及死機。

3）裝置死機后具備快速自動復(fù)位功能。

4）配有RS485以及以太網(wǎng)通訊口，方便接入省調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)集中管理系統(tǒng)。

5）面板信號燈可準確反映裝置的運行、啟動、動作、通道及異常情況。

4 配置穩(wěn)控后效果

冬季枯水期大負荷方式下，石門電廠外送斷面重載問題最為突出。采取母聯(lián)600開關(guān)開環(huán)運行的方式可以釋放電廠部分受限出力，若輔以穩(wěn)控切機措施，石門電廠外送基本不受限。

故障前，石盤Ⅰ，Ⅱ線潮流之和為500MW，如圖4（a）所示；石盤Ⅰ線跳閘，如果不采取措施，石盤Ⅱ線潮流達399MW，超熱穩(wěn)定極限運行，如圖4（b）所示；穩(wěn)控裝置正確動作，切除2＃機組后，石盤Ⅱ線潮流為286MW，在熱穩(wěn)定極限功率之內(nèi)，如圖4（c）所示。經(jīng)計算，石門電廠2＃機組對石盤Ⅱ線潮流的靈敏度高達38%，故障后通過穩(wěn)控裝置切除機組對降低石盤Ⅱ線潮流非常有效。

5 結(jié)語

圖4 穩(wěn)措實施后石盤Ⅰ線跳閘前、后潮流分布Figure 4 Power Flow distribution of transmission line S-PⅠafter the operation of stability control equipment

合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。隨著電源、負荷的增長，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可能在短期內(nèi)無法滿足電源外送及負荷增長的需求。在電力系統(tǒng)中采用合理的、性能完善的安全穩(wěn)定控制裝置，是提高系統(tǒng)輸送能力，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要措施［6-8］。

大唐石門電廠通過配置安全穩(wěn)定控制裝置，在重要送出線路跳閘時啟動切除機組，提高了電廠的外送穩(wěn)定水平，減少了電廠受限出力，對減輕500 kV崗市主變下網(wǎng)壓力，合理安排周邊水電機組運行方式，確保常德地區(qū)電力的可靠供應(yīng)具有重要意義。

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