徐 劍

(國網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，福建 福州 350003)

為了提升小水電站安全生產(chǎn)管理和經(jīng)濟(jì)運營能效，建設(shè)運營小水電集中監(jiān)控中心，實現(xiàn)集中監(jiān)控與集群調(diào)控，成為小水電站提質(zhì)增效和能源可持續(xù)發(fā)展探索的關(guān)鍵路徑。小水電站處地偏遠(yuǎn)，普遍與區(qū)域電網(wǎng)通過單回線“弱聯(lián)系”，發(fā)電機在線路故障N-1時與大電網(wǎng)系統(tǒng)分裂獨立帶廠用電運行，受廠網(wǎng)定值整定配合約束，小水電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)功角δ擺開，檢同期自動重合閘成功率極低，近10年的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示自動重合閘成功率不到1%。在豐水期滿發(fā)潮流送出期間自動重合閘失敗，小水電站的輸電斷面受阻無法外送電量，此時需要運行值班人員根據(jù)水庫水情狀況和電氣設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行人工判斷并實施控制干預(yù)，一定程度上存在延遲送電現(xiàn)象。小水電站在豐水期因外送通道受阻經(jīng)常發(fā)生棄水事件，極大制約了水能利用提高率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，嚴(yán)重時還會發(fā)生漫壩事故，影響小水電站安全穩(wěn)定運行。

近年來，國內(nèi)已經(jīng)開展了大量關(guān)于小水電站集中監(jiān)控模式開發(fā)研究實踐，文獻(xiàn)[1]根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原則、結(jié)構(gòu)模式和水情信息傳輸方式構(gòu)建了中小水電集控系統(tǒng)總體方案；文獻(xiàn)[2]按“遠(yuǎn)程集控、少人維護(hù)”設(shè)計原則對水電站智能化建設(shè)提質(zhì)增效進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3]對以逐步逼近法為控制思想的水位控制法優(yōu)化徑流式二級水電站運行發(fā)電效率進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[4]研究了充分利用水利資源優(yōu)化水庫調(diào)度及機組運行方式，以提高水能利用率。實施小水電站集中監(jiān)控模式，實現(xiàn)了減員增效，極大改善了運行值班人員環(huán)境，提高了運行控制專業(yè)能力和運維檢修水平。

小水電站與區(qū)域電網(wǎng)之間的單回聯(lián)絡(luò)線屬于“弱聯(lián)系”，線路通道經(jīng)過山區(qū)茂林時，線樹矛盾突出，雷擊跳閘事件頻發(fā)，據(jù)近10年的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計瞬時性故障占比在95%以上，一旦發(fā)生瞬時性故障線路開關(guān)三相跳閘，電網(wǎng)側(cè)經(jīng)過重合閘整定延時先重合，受小水電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)功角δ擺開的影響，小水電側(cè)檢同期后重合的成功率極低。國內(nèi)已經(jīng)開展了大量關(guān)于提升小水電站重合閘成功率的研究，文獻(xiàn)[5]提出了一種適用于小電源地區(qū)聯(lián)絡(luò)線的自適應(yīng)重合閘方案，優(yōu)化快速重合閘裝置集成捕捉準(zhǔn)同期合閘模塊，文獻(xiàn)[6]提出采取快速捕捉檢同期重合閘裝置，依據(jù)最大允許合閘頻率及其合閘時間，啟動重合閘。以上方法均需要修改繼電保護(hù)裝置程序邏輯，不符合廠網(wǎng)繼電保護(hù)裝置通用性設(shè)計的規(guī)范應(yīng)用，而且新型自動重合閘裝置定值整定和運維檢修復(fù)雜，與小水電生產(chǎn)技術(shù)水平普遍薄弱的實際不相適應(yīng)。文獻(xiàn)[7]提出一種提高重合閘成功率的系統(tǒng)及方法，110kV線路故障時繼電保護(hù)裝置聯(lián)切35kV部分負(fù)荷，提高110kV線路重合閘成功率，文獻(xiàn)[8]指出小水電聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障后存在功率剩余，通過高周就地切機可有效控制頻率上升達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，從而提高重合閘成功率。以上方法均需要優(yōu)化繼電保護(hù)裝置，躲過重合閘動作整定時延，配合啟動完成低周切除負(fù)荷或者高周切除發(fā)電機，滿足檢同期重合閘的頻差和壓差要求。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]提出優(yōu)化繼電保護(hù)裝置的自動重合閘模塊提升重合閘成功率。

綜上所述，在小水電站集中監(jiān)控和集群調(diào)度的大趨勢下，實質(zhì)性改善“弱聯(lián)系”的輸電通道跳閘后重合閘成功率極低問題顯得尤為重要。國內(nèi)大量關(guān)于小水電站提升重合閘成功率的研究主要分為兩大類：第一類是定制保護(hù)裝置，第二類是延長重合閘時間。其研究和應(yīng)用的出發(fā)點在于改變“快速重合閘”的基本屬性，福建地區(qū)小水電自供區(qū)已經(jīng)全部移交屬地供電公司，上述方案在福建地區(qū)顯得“水土不服”。為了提高福建地區(qū)小水電站集中監(jiān)控運行模式下的供電可靠性，系統(tǒng)解決繼電保護(hù)裝置自動重合閘成功率極低的普遍性問題，本文依據(jù)存量小水電站自動化系統(tǒng)運行模式現(xiàn)狀，因地制宜制定了升級線路保護(hù)裝置、改造二次回路和升級站端監(jiān)控系統(tǒng)的3套方案，通過技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，選取最具普遍適用性的方案，形成“安全可靠、運維便捷”的技術(shù)路線，實際應(yīng)用結(jié)果表明管理效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 小水電站運行模式現(xiàn)狀

1.1 外送通道發(fā)生瞬時性故障的繼電保護(hù)動作典型案例

小水電站與區(qū)域電網(wǎng)之間普遍采用單回線路聯(lián)絡(luò)，處于“弱聯(lián)系”狀態(tài)，在外送通道發(fā)生瞬時性故障線路開關(guān)三相跳閘時，電網(wǎng)側(cè)經(jīng)過重合閘整定延時Tset先重合，受小水電側(cè)與電網(wǎng)側(cè)功角δ擺開的影響，小水電站側(cè)檢同期后重合的成功率極低。剖析小水電站側(cè)外送通道發(fā)生瞬時性故障的線路繼電保護(hù)裝置動作典型案例，具有普遍代表性和通用性。

集中監(jiān)控的龍湖小水電站通過單回110kV線路與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)，在豐水期遭雷擊發(fā)生C相瞬時性接地故障，見圖1，站網(wǎng)兩側(cè)距離Ⅰ段保護(hù)動作，水電站M側(cè)191開關(guān)、電網(wǎng)N側(cè)162開關(guān)跳開，故障點熄弧，電網(wǎng)N側(cè)162開關(guān)經(jīng)過整定延時Tset1先重合，線路L1帶電，水電站M側(cè)191開關(guān)經(jīng)過整定延時Tset2后重合，調(diào)度規(guī)程整定原則為Tset1

圖1 線路L1發(fā)生C相瞬時性接地故障

圖2 線路L1單相瞬時性接地故障切除后狀態(tài)

1.2 小水電站集控運行典型模式

小水電站集控運行普遍采用擴(kuò)大廠站模式與綜合廠站模式，系統(tǒng)分為集控層、站控層與間隔層。擴(kuò)大廠站模式適用于小水電站未應(yīng)用站端自動化監(jiān)控系統(tǒng)的運行方式，集控中心“端對端”直接控制水電站現(xiàn)地LCU裝置；綜合廠站模式適用于小水電站已經(jīng)應(yīng)用站端自動化監(jiān)控系統(tǒng)的運行方式，集控中心“互聯(lián)互通”站端自動化監(jiān)控系統(tǒng)，小水電站集控運行典型模式見圖3。

圖3 小水電站集控運行典型模式

2 集控小水電站智能合閘改造技術(shù)路徑與方案

依據(jù)存量小水電站運行模式，因地制宜制定了升級線路保護(hù)裝置、改造二次回路和升級站端監(jiān)控系統(tǒng)的3套方案，小水電站智能合閘技改方案見圖4。通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，選取最具普遍適用性的改造方案3，形成“安全可靠、運維便捷”的技術(shù)路線，小水電站智能合閘技改方案的技經(jīng)比對見表1。

圖4 智能合閘技改方案

表1 小水電站智能合閘技改方案的技經(jīng)比對

方案1：延用國內(nèi)大多數(shù)研究思路，采用重合閘出口啟動同期裝置。運行方式復(fù)雜，需要區(qū)分豐水期開機和枯水期停機2種運行方式，在不同運行方式下投退保護(hù)運行方式控制“重合閘不檢”，且利用重合閘備用出口HJ-2接點串聯(lián)新增硬壓板啟動同期裝置。該方案投資低，技術(shù)復(fù)雜，不適合集中控制的無人值守小水電站運維模式。

方案2：延用國內(nèi)大多數(shù)研究思路，升級線路保護(hù)裝置重合閘功能，增設(shè)捕捉準(zhǔn)同期合閘功能。該方案投資高、技改工期長，且增加了裝置定值試驗復(fù)雜度和運維難度，不適合集中控制的無人值守小水電站運維模式。

方案3：充分挖掘存量小水電站設(shè)備潛力，升級監(jiān)控系統(tǒng)模塊。增加智能手合功能進(jìn)程，小水電智能合閘邏輯進(jìn)程見圖5。該方案投資低，技改工期短，而且安全可靠。在3套方案中，最適合集中控制的無人值守小水電站運維模式。

圖5 智能合閘邏輯程序

3 結(jié) 論

小水電站數(shù)量多、分布廣，作為可再生能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，充分挖掘小水電能源體系的潛力，構(gòu)建運營集中監(jiān)控中心，實現(xiàn)農(nóng)村小水電集中監(jiān)控與集群調(diào)控至關(guān)重要。本文因地制宜制定了升級線路保護(hù)裝置、改造二次回路和升級站端監(jiān)控系統(tǒng)的3套方案，通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，選取最具普遍適用性的方案3應(yīng)用于無人值守試點站進(jìn)行升級改造。運營和生產(chǎn)實踐表明，該方案系統(tǒng)解決了集控小水電長期存在的繼電保護(hù)裝置自動重合閘成功率極低的問題，外送通道發(fā)生瞬時性故障至恢復(fù)合閘送電的處理效率提升了5倍以上，極大提升了小水電站大壩在汛期的安全管理承載能力，進(jìn)一步提高了集控小水電安全穩(wěn)定運行水平。