湖南五凌電力科技有限公司 姜 運(yùn) 萬 元 潘平衡

發(fā)電廠同期并網(wǎng)是一項(xiàng)頻繁且自動(dòng)化程度高的操作，同期裝置作為其控制設(shè)備，其動(dòng)作正確性、可靠性尤為重要[1]。同期并列的條件是待并發(fā)電機(jī)的電壓和系統(tǒng)的電壓的壓差、頻差負(fù)荷設(shè)置的定值。同期裝置啟動(dòng)后，自動(dòng)檢測(cè)壓差、頻差，當(dāng)超出并網(wǎng)要求范圍時(shí)，同期裝置發(fā)出指令，控制勵(lì)磁系統(tǒng)增減勵(lì)磁以調(diào)節(jié)待并側(cè)電壓，控制原動(dòng)機(jī)功率以調(diào)節(jié)機(jī)組待并側(cè)頻率，若任何一項(xiàng)參數(shù)達(dá)不到要求，均會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)失敗[2-4]。由于勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)涉及的控制環(huán)節(jié)較多，故并網(wǎng)失敗的原因較多，一般需要拷貝錄波波形綜合分析具體原因[5]。

1 事件經(jīng)過

水電機(jī)組自動(dòng)開機(jī)過程，勵(lì)磁系統(tǒng)投入，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于95%時(shí)，同期系統(tǒng)投入，同期超時(shí)，并網(wǎng)不成功，同期系統(tǒng)告警并閉鎖。監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元（LCU）記錄如下：

08:48:14勵(lì)磁系統(tǒng)投入

08:48:15水輪機(jī)轉(zhuǎn)速>95%

08:48:25同期屏回路失電（動(dòng)作）

08:48:26同期屏回路失電（復(fù)歸）

08:48:27同期裝置就緒（動(dòng)作）

08:50:25限時(shí)投發(fā)電機(jī)出口斷路器同期失?。▌?dòng)作）

08:50:26同期裝置就緒（復(fù)歸）

08:50:26同期裝置報(bào)警（動(dòng)作）

08:50:26期閉鎖（動(dòng)作）

08:50:26同期裝置報(bào)警（復(fù)歸）

08:50:26同期閉鎖（復(fù)歸）

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

由于同期失敗后，微機(jī)同期裝置自動(dòng)掉電，且無告警記錄、錄波文件，所以只能從監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)及現(xiàn)地控制單元（LCU）查看報(bào)警信息。上位機(jī)告警記錄：8:51:15“4號(hào)機(jī)組投804同期（開出）”，8:51:16“4號(hào)機(jī)組同期裝置就緒”，8:51:20“4號(hào)機(jī)組啟動(dòng)同期（開出）”，8:53:15“4號(hào)機(jī)組限時(shí)發(fā)電機(jī)出口斷路器同期失敗”。

LCU 告警記錄：08:48:27監(jiān)控報(bào)“同期裝置就緒（動(dòng)作）”，08:50:25報(bào)“限時(shí)投發(fā)電機(jī)出口斷路器同期失?。▌?dòng)作）”，08:50:26報(bào)“同期裝置報(bào)警（動(dòng)作）”“同期閉鎖（動(dòng)作）”。

3 原因查找及分析

根據(jù)告警記錄，同期裝置上電后，延時(shí)5秒監(jiān)控系統(tǒng)開出了啟動(dòng)同期的信號(hào)，微機(jī)同期裝置自檢無誤后報(bào)“同期就緒”，2分鐘后，監(jiān)控報(bào)“限時(shí)投發(fā)電機(jī)出口斷路器同期失?。▌?dòng)作）”。對(duì)照監(jiān)控系統(tǒng)投同期的PLC 程序，此次投同期的流程執(zhí)行正確。

同期并網(wǎng)允許壓差±3%，允許頻差±0.15Hz，且要求差頻并網(wǎng)（系統(tǒng)側(cè)與待并側(cè)頻率差大于±0.04 Hz）。當(dāng)電壓或頻率不滿足并網(wǎng)要求，同期將發(fā)令至勵(lì)磁、調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至同期超時(shí)（超2min）。

分析此次同期失敗原因可能有三個(gè)方面，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)?？偨Y(jié)如下：

3.1 微機(jī)同期裝置發(fā)合閘令后未被執(zhí)行

向微機(jī)同期裝置施加模擬電壓量，系統(tǒng)側(cè)AC 100V，50Hz，待并側(cè)AC 102V，50.2Hz，使其不滿足同期并網(wǎng)條件，達(dá)到同期超時(shí)時(shí)間后，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“同期裝置報(bào)警”“同期閉鎖”，該告警信號(hào)與9月18日上午并網(wǎng)失敗一致。

橫向?qū)Ρ?號(hào)機(jī)同期并網(wǎng)失敗的情況（微機(jī)同期裝置已發(fā)合閘令，同期繼電器TJJ 未正確動(dòng)作），LCU 告警記錄區(qū)別很大。同期裝置就緒后30s，同期合閘后立即報(bào)：“同期合閘（動(dòng)作）”“同期裝置就緒（復(fù)歸）”“同期合閘（復(fù)歸）”“同期閉鎖（動(dòng)作）”，達(dá)到同期超時(shí)時(shí)間后，報(bào)“限時(shí)投發(fā)電機(jī)出口斷路器同期失?。▌?dòng)作）”“同期閉鎖（復(fù)歸）”。

綜上所述，驗(yàn)證了9月18日并網(wǎng)失敗原因?yàn)椋何催_(dá)到同期并網(wǎng)條件，微機(jī)同期裝置未發(fā)合閘令。

3.2 電壓未滿足同期并網(wǎng)條件

采樣有誤。9月25日晚，用繼電保護(hù)測(cè)試儀施加模擬量進(jìn)行試驗(yàn)。向交流采樣通道施加電壓一小時(shí)，觀察無異常，裝置無壓差越限，低電壓等告警，裝置采樣正常。排除了裝置采樣有誤導(dǎo)致未達(dá)到同期并網(wǎng)條件的情況。

實(shí)際電壓有波動(dòng)。從監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)查到“4號(hào)機(jī)組同期裝置就緒”的時(shí)間為8:51:16。上位機(jī)與PMU均使用GPS 對(duì)時(shí)系統(tǒng)，且對(duì)時(shí)正常。查看PMU 波形（圖1、圖2），同期并網(wǎng)過程2分鐘內(nèi)，待并側(cè)電壓（紅色）正常，波動(dòng)較小，且未超過允許壓差范圍。

圖1 機(jī)端電壓與系統(tǒng)電壓對(duì)比（采樣時(shí)長(zhǎng)30s）

圖2 機(jī)端電壓與系統(tǒng)電壓對(duì)比（采樣時(shí)長(zhǎng)180s）

3.3 頻率未滿足同期并網(wǎng)條件

通過PMU 波形（圖3）查看頻率，機(jī)組頻率在轉(zhuǎn)速升至額定后2分鐘內(nèi)波動(dòng)較大，不滿足0.15Hz頻差要求，2分鐘后頻率趨于穩(wěn)定，但是監(jiān)控已將同期裝置退出。結(jié)合監(jiān)控程序，從水輪機(jī)轉(zhuǎn)速>95%到“限時(shí)投發(fā)電機(jī)出口斷路器同期失?。▌?dòng)作）”時(shí)間約130S，頻率穩(wěn)定時(shí)間與同期超時(shí)報(bào)警正好處于臨界時(shí)段，導(dǎo)致同期超時(shí)退出，并網(wǎng)失敗。

圖3 機(jī)組轉(zhuǎn)速（SPR）、頻率（ ODF）及電網(wǎng)頻率

對(duì)比正常并網(wǎng)過程（如圖4），頻率比較穩(wěn)定，頻差保持在0.15Hz 范圍內(nèi)，同期裝置接收到啟動(dòng)同期令后，快速同期并網(wǎng)，同期時(shí)間基本在30S 以內(nèi)。

圖4 正常同期的頻率（ODF）波動(dòng)圖

（1）波形分析

通過PMU 波形（轉(zhuǎn)速與頻率部分）可以看出，在轉(zhuǎn)速升至額定95%后，轉(zhuǎn)速進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)，該趨勢(shì)時(shí)間段內(nèi)待并側(cè)頻率峰值達(dá)到50.3Hz，遠(yuǎn)大于同期裝置的允許頻差0.15Hz。頻率谷值月為49.7Hz，經(jīng)過約兩分鐘后PLC 關(guān)閉同期裝置，同期超時(shí)報(bào)警閉鎖。

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)波形中，當(dāng)機(jī)組頻率為50.3Hz 時(shí)（或機(jī)組頻率為49.7Hz），同期裝置是否能發(fā)出對(duì)應(yīng)的減速（加速）脈沖，調(diào)速器是否能收到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

對(duì)裝置加模擬電壓量，系統(tǒng)側(cè)加AC 100V，50Hz；待并側(cè)加AC102V，50.3Hz，待同期裝置就緒后，啟動(dòng)同期，裝置頻差燈亮，不斷發(fā)出減速脈沖，同時(shí)調(diào)速器可以收到該指令。將待并側(cè)頻率降至50.15Hz 以內(nèi)后，頻差燈熄滅，裝置不再發(fā)出減速脈沖，待角差為0°裝置合閘出口。

對(duì)裝置加模擬電壓量，系統(tǒng)側(cè)加A C10 0 V，50Hz；待并側(cè)加AC102V，49.7Hz，待同期裝置就緒后，啟動(dòng)同期，裝置頻差燈亮，不斷發(fā)出加速脈沖，同時(shí)調(diào)速器可以收到該指令。將待并側(cè)頻率升至49.85Hz 以上后，頻差燈熄滅，裝置不再發(fā)出加速脈沖，待角差為0°裝置合閘出口。

實(shí)驗(yàn)證明了同期裝置去調(diào)速器系統(tǒng)的信號(hào)回路完好，調(diào)速指令下達(dá)正確無誤。

（3）原因分析

機(jī)組頻率在轉(zhuǎn)速升至額定后，啟動(dòng)同期后裝置開始調(diào)速。由于同期的過程中頻率偏離50Hz 最大有0.3Hz，且調(diào)速器空載狀態(tài)自動(dòng)跟蹤50Hz 的頻率，同期裝置并網(wǎng)要求頻差小于0.15Hz，因此當(dāng)頻率為50.3Hz 時(shí)，調(diào)速器和同期都將同時(shí)發(fā)減速令，又由于頻率的反饋需要時(shí)間，減速令的數(shù)量將持續(xù)累計(jì)，當(dāng)頻率降至50Hz 時(shí)，仍有未執(zhí)行的減速令，此后將持續(xù)拉低頻率，導(dǎo)致頻率跌至49.7Hz，此時(shí)調(diào)速器和同期裝置又將同時(shí)發(fā)加速令，將頻率拉升。因此兩個(gè)調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中導(dǎo)致頻率在50Hz 左右持續(xù)大范圍振蕩，難以控制。同期裝置的并網(wǎng)方式是差頻并網(wǎng)，即系統(tǒng)側(cè)與待并側(cè)頻率差大于±0.04Hz，且為了滿足合閘角度要求，需要在頻率的波動(dòng)過程中找到0°合閘角。最后，同期裝置在2分鐘內(nèi)，沒有找到滿足上述條件的工況，合閘失敗。

另一方面，4號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉啟動(dòng)開度的第二段為18%（水頭51米），3號(hào)機(jī)組相同水頭下的啟動(dòng)開度為14%，而4號(hào)機(jī)空載導(dǎo)葉開度大概為9%-10%，因此啟動(dòng)開度較大可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉開度減小不及時(shí)，使調(diào)速器在同期過程出現(xiàn)超調(diào)。

最后，此次同期時(shí)，調(diào)速器水頭與實(shí)際不符，若保持汛期低水頭，同樣啟動(dòng)開度，在高水頭工況下，調(diào)速器的實(shí)際調(diào)節(jié)速率將更快，導(dǎo)致開機(jī)過程機(jī)組波動(dòng)較大。

結(jié)論：水頭數(shù)據(jù)未及時(shí)更新，導(dǎo)致實(shí)際水頭比當(dāng)前高，導(dǎo)致開機(jī)過程機(jī)組頻率波動(dòng)較大，使得待并側(cè)與系統(tǒng)側(cè)頻差波動(dòng)較大，難以達(dá)到同期條件。導(dǎo)葉啟動(dòng)開度較大，導(dǎo)致機(jī)組頻率超調(diào)，未能將頻率限制在并網(wǎng)條件要求的區(qū)間內(nèi)。

4 解決措施

水頭有變化時(shí)，及時(shí)錄入最新數(shù)據(jù)。此次同期失敗后，對(duì)水頭數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，同期并網(wǎng)均成功。

參照3號(hào)機(jī)，對(duì)4號(hào)機(jī)導(dǎo)葉啟動(dòng)開度進(jìn)行調(diào)整，分析啟動(dòng)開度與水頭的關(guān)系。

檢查其它機(jī)組水頭及導(dǎo)葉啟動(dòng)數(shù)據(jù)，結(jié)合最近幾次同期過程的錄波數(shù)據(jù)，判斷同期過程頻率是否波動(dòng)過大，或存在超調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)。