母線帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)自動切換技術(shù)的應(yīng)用研究

李中鶴

（寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司，寧夏 銀川 750002）

0 引言

某化工裝置內(nèi)部110 kV 變電站共有3 個單母分段的供電單元，每個供電單元包括2 臺的110 kV/35 kV 變壓器，其為2 段35 kV 母線提供電源。每段35 kV 母線上接入1 臺60 MW 汽輪發(fā)電機(jī)，共6 臺發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓為10 kV，采用線變組接線方式，通過35 kV/10 kV 升壓變接入35kV 母線。每個供電單元共設(shè)置五個同期點(diǎn)，分別位于2 個35 kV 升壓變間隔、2 個35 kV 進(jìn)線間隔和1 個母聯(lián)間隔，一次系統(tǒng)簡圖如圖1 所示。

1 系統(tǒng)運(yùn)行中存在的隱患

為了進(jìn)一步提高工藝裝置生產(chǎn)過程中多余的熱能，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，該項(xiàng)目選用余熱發(fā)電機(jī)組，不僅節(jié)能，而且利于環(huán)境保護(hù)。因使用工藝裝置的余熱蒸汽發(fā)電，造成母線帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的用電量和發(fā)電量會隨著工藝負(fù)荷的變化而變化，當(dāng)工藝負(fù)荷較高時，用于發(fā)電的剩余蒸汽就多，發(fā)電量就多，反之電量就少。

隨著工藝負(fù)荷的，梳理出近年來此系統(tǒng)所帶負(fù)荷用電量和發(fā)電量之間的關(guān)系，當(dāng)工藝系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時，該段35 kV 母線負(fù)荷可達(dá)50 MW，此時發(fā)電機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)滿發(fā)負(fù)荷50 MW，達(dá)到“發(fā)電、用電”平衡。當(dāng)工藝負(fù)荷調(diào)整時，出現(xiàn)發(fā)電量和用電負(fù)荷不對等的情況，尤其是工藝裝置開停車時和發(fā)電機(jī)突發(fā)故障解列時，偏差率較大。

一般情況下，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，35 kV 系統(tǒng)不設(shè)置自動裝置，所以當(dāng)35 kV 系統(tǒng)電源故障時，35 kV 母線和發(fā)電機(jī)將形成一個暫態(tài)的“小孤島”，這種狀態(tài)維持的時間很短，如果發(fā)電機(jī)無法及時調(diào)整負(fù)荷，暫態(tài)的系統(tǒng)平衡在發(fā)電機(jī)保護(hù)動作解列后打破，最終該段故障母線失電，工藝裝置大面積停車，危害性極大。

對比不同工況下的用電量與發(fā)電量數(shù)值，當(dāng)發(fā)電量與用電量基本相等或發(fā)電量略微大于用電量時，發(fā)電機(jī)通過自身控制系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷平衡成功的可能性較高，因?yàn)榇藭r發(fā)電機(jī)只需要微調(diào)勵磁系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電量與用電量平衡，發(fā)電機(jī)不需要大幅甩負(fù)荷，不需要調(diào)整汽輪機(jī)側(cè)的蒸汽閥門，系統(tǒng)形成以發(fā)電機(jī)帶所有負(fù)荷的孤島運(yùn)行狀態(tài)的可能性就很高；如果發(fā)電量小于用電量或發(fā)電量超出用電量負(fù)荷較大時，發(fā)電機(jī)通過自身控制系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷平衡的成功率幾乎為零，此時發(fā)電機(jī)調(diào)整勵磁系統(tǒng)已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)足夠的用電量，汽輪機(jī)側(cè)的蒸汽調(diào)閥的速度較慢，發(fā)電機(jī)保護(hù)在調(diào)整結(jié)束前已經(jīng)提前動作，發(fā)電機(jī)解列，該段35 kV 母線失電。而這種發(fā)電量于用電量平衡狀態(tài)，在工藝裝置中很難實(shí)時存在，大部分情況下均不平衡，所以需要研究可行的切換方案，以滿足該工況下電源能安全快速的切換，達(dá)到母線不失電的目的。

圖1 一次系統(tǒng)簡圖

2 可行措施優(yōu)缺點(diǎn)分析

針對該問題，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況展開討論，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 通過保護(hù)裝置聯(lián)動控制

該方法從110 kV/35 kV 變壓器主保護(hù)入手。通過增加主保護(hù)保護(hù)出口，分別聯(lián)跳發(fā)電機(jī)組，并合上35 kV 母聯(lián)。變壓器主保護(hù)包括線變組差動、本體差動和重瓦斯保護(hù)，三類主保護(hù)分別配置在3 個不同的保護(hù)裝置內(nèi)。

優(yōu)點(diǎn)：通過變壓器主保護(hù)裝置中的主保護(hù)邏輯，快速發(fā)出發(fā)電機(jī)解列信號與合母聯(lián)的開出信號，實(shí)現(xiàn)35 kV 母線電源故障后快速恢復(fù)供電的目的。

缺點(diǎn)：1）需要在每個主保護(hù)裝置內(nèi)增加2 個出口，它們分別作用于發(fā)電機(jī)解列與合35 kV 母聯(lián)，共計(jì)6 個出口，導(dǎo)致二次回路接線復(fù)雜，日常維護(hù)難度大。2）由于保護(hù)裝置一般不會采集發(fā)電機(jī)解列后的反饋節(jié)點(diǎn)，因此需要重新編輯保護(hù)動作邏輯導(dǎo)致其復(fù)雜化，對保護(hù)本身不利。3）在保護(hù)裝置發(fā)出發(fā)電機(jī)解列與合母聯(lián)信號并已切除發(fā)電機(jī)，在該暫態(tài)下無法判斷2 個系統(tǒng)是否同期，此時合上母聯(lián)會存在引發(fā)母聯(lián)非同期合閘事故。

2.2 通過穩(wěn)控裝置控制

該方法從接入35 kV 母線上的所有饋線開關(guān)入手。通過穩(wěn)控裝置實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡、切除發(fā)電機(jī)和合上母聯(lián)等操作。在穩(wěn)控裝置中接入變壓器主保護(hù)動作信號作為穩(wěn)控邏輯的啟動信號，再接入所有饋線開關(guān)控制和反饋信號，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷情況，合理設(shè)置穩(wěn)控裝置動作邏輯，實(shí)現(xiàn)該段母線的安全供電。

優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)控裝置在復(fù)雜的電網(wǎng)控制中具有較好的表現(xiàn)，采用溫控裝置可以全面平衡該段母線負(fù)荷和發(fā)電負(fù)荷之間的關(guān)系，通過采集的模擬量和開關(guān)量，寫入符合實(shí)際工況的判斷邏輯，即能快速判斷是否切除發(fā)電機(jī)組，并在短時間內(nèi)完成切換，實(shí)現(xiàn)35 kV 母線電源故障后快速恢復(fù)供電的目的。

缺點(diǎn)：1）穩(wěn)控裝置的控制邏輯較為復(fù)雜，會隨負(fù)荷和饋線間隔數(shù)量等諸多因素變化而變化，而且工藝系統(tǒng)調(diào)整引起的用發(fā)、電負(fù)荷變化是一個動態(tài)的過程， 如何設(shè)置好平衡發(fā)電負(fù)荷和用電負(fù)荷之間的相關(guān)參數(shù)，并能涵蓋所有控制邏輯將是一大難題。2）穩(wěn)控裝置二次回路復(fù)雜，需要采集此供電單元上所有饋線回路的模擬量和開關(guān)量信號，二次回路維護(hù)難度大幅增加，如果發(fā)生誤動將直接導(dǎo)致下級負(fù)荷失電，后果嚴(yán)重。

2.3 通過自動裝置控制

該方法從自動裝置入手。為了保證快速性，主要采用快切裝置實(shí)現(xiàn)快速切換功能。在35 kV 母聯(lián)上裝設(shè)快切裝置，分別接入2 個35 kV 升壓變間隔、2 個35 kV 進(jìn)線間隔和1 個母聯(lián)間隔的控制和反饋信號。同樣接入變壓器主保護(hù)動作信號作為快切的啟動信號，當(dāng)變壓器主保護(hù)動作時，快切裝置通過自身邏輯判斷，完成切除或保留發(fā)電機(jī)的快速切換功能[1]。

快切啟動后，失電母線上的電壓及頻率會隨著此時的用電負(fù)荷情況，按照一定的規(guī)律衰減。在衰減過程中，快切裝置會對比失電母線的殘壓值相和另外一條正常母線電壓，在每個周期內(nèi)判斷、確定合閘時刻，優(yōu)先選擇零度合閘點(diǎn)合閘，減少合閘后對系統(tǒng)的沖擊。現(xiàn)階段，不同廠家的快切裝置對于合閘判據(jù)的選擇有所不同，選擇快切裝置時需要參考現(xiàn)場實(shí)際工況。

優(yōu)點(diǎn)：裝置本身只需要采集此供電電源內(nèi)電源間隔和母聯(lián)間隔的相關(guān)模擬量和開關(guān)量，控制邏輯簡單、接線簡潔，35 kV 母線失電后恢復(fù)供電速度快。

缺點(diǎn)：1）快切裝置的判據(jù)中如果保留發(fā)電機(jī)，在合母聯(lián)時，裝置自身的合閘判據(jù)需要瞬間成功抓住“合閘零點(diǎn)”，并在發(fā)電機(jī)保護(hù)動作前完成，該動作邏輯要快速、準(zhǔn)確的在同期點(diǎn)合閘，會存在失敗風(fēng)險(xiǎn)，造成非同期和合閘的嚴(yán)重后果。2）在電源發(fā)生故障瞬間，負(fù)荷變化是一個暫態(tài)過程，并且發(fā)電負(fù)荷與用電負(fù)荷占比也會隨機(jī)變化，為了保證快切裝置的可靠性，要舍棄快切裝置的模擬量判斷功能。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了進(jìn)一步提升現(xiàn)場運(yùn)行的可靠性，該項(xiàng)目現(xiàn)場選用自動裝置的解決方案[2]。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行工況，選取一個供電單元下的3 類典型工況，統(tǒng)計(jì)發(fā)電量和用電量數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。典型工況下的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表，通過運(yùn)行負(fù)荷變化情況，有針對性地提出采用自動裝置解決電源故障快速切換的可行性。

表1 典型工況下的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

3.1 第一類工況

當(dāng)工藝工況穩(wěn)定時，發(fā)電量達(dá)到滿負(fù)荷，此時發(fā)電量與用電量基本平衡，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電量將由該段負(fù)荷全部消耗掉。此時模擬故障：當(dāng)1 段35 kV 母線電源出現(xiàn)故障，故障變壓器從系統(tǒng)中切除，快切裝置在接到故障指令后啟動快切邏輯，快速切除發(fā)電機(jī)，并迅速合上母聯(lián)。故障變壓器所在母線段損失的60 MW 發(fā)電量將瞬間轉(zhuǎn)移到另1 臺變壓器和發(fā)電機(jī)所在的母線上，運(yùn)行的變壓器帶兩段35 kV母線的負(fù)荷，此時運(yùn)行中的變壓器負(fù)荷率瞬間上升至最大值的50%，另外50%負(fù)荷由該段運(yùn)行的發(fā)電機(jī)提供。

3.2 第二類工況

當(dāng)裝置開車時，工藝汽輪機(jī)將使用大部分蒸汽，沒有多余的蒸汽供發(fā)電使用，此時發(fā)電機(jī)未運(yùn)行，該段負(fù)荷所需電量由變壓器提供。此時模擬故障：當(dāng)帶有發(fā)電機(jī)的35 kV 母線電源出現(xiàn)故障時，故障變壓器從系統(tǒng)中切除，快切裝置在接到故障指令后啟動快切邏輯，快速切除發(fā)電機(jī)，并迅速合上母聯(lián)。故障變壓器所在母線損失的最大負(fù)荷為60 MW，將瞬間轉(zhuǎn)移到另一臺變壓器上，此時運(yùn)行中的變壓器負(fù)荷率瞬間上升至最大值。

3.3 第三類工況

當(dāng)裝置停車時，工藝汽輪機(jī)使用蒸汽逐步退出，用電負(fù)荷逐步減少，而發(fā)電機(jī)負(fù)荷還在最大值，此時該段負(fù)荷所需用電量全部由發(fā)電機(jī)提供，還持續(xù)向電網(wǎng)上送電量。此時模擬故障：當(dāng)一段帶有發(fā)電機(jī)的35 kV 母線電源出現(xiàn)故障時，故障變壓器從系統(tǒng)中切除，快切裝置在接到故障指令后啟動快切邏輯，快速切除發(fā)電機(jī)，并迅速合上母聯(lián)。故障變壓器所在母線損失的60 MW 發(fā)電量，將瞬間轉(zhuǎn)移到另一臺變壓器和發(fā)電機(jī)所在的母線上，此時運(yùn)行中的變壓器負(fù)荷率變化最小。

根據(jù)以上分析，當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)電源故障后，如果發(fā)電量小于用電量，變壓器負(fù)載率將瞬間升到最高，剩余其他工況下負(fù)載率變化較小，最大將提升至50%，不會對變壓器穩(wěn)定運(yùn)行造成大的影響。

以上分析過程中所采集的數(shù)據(jù)，均為極端工況下的最大值，在實(shí)際運(yùn)行過程中不會頻繁出現(xiàn)，因此采用自動裝置完成該系統(tǒng)的切換方案是可行的，完全滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。但是需要注意一點(diǎn)，由于發(fā)電量與用電量隨工藝工況變化而變化，現(xiàn)有快切裝置內(nèi)關(guān)于模擬量的邏輯判斷功能無法滿足這樣復(fù)雜的潮流變化，因此退出快切裝置中的模擬量啟動切換功能。

4 對未來切換技術(shù)的展望

該章節(jié)重點(diǎn)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，總結(jié)快切運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，展望未來切換技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)多電源系統(tǒng)中，某個電源故障，在潮流分布變化最小的情況實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步切換，確保電源系統(tǒng)故障不會影響下級負(fù)荷供電。

母線段帶發(fā)電機(jī)的多電源接線方式的已經(jīng)普遍出現(xiàn)，切換裝置要能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在不解列的前提下，即可并入另一段供電母線，是此類切換技術(shù)的最佳狀態(tài)。就如何實(shí)現(xiàn)此技術(shù)，提出以下3 點(diǎn)意見：1）平衡發(fā)電負(fù)荷與用電負(fù)荷實(shí)現(xiàn)快速切換。發(fā)電機(jī)在進(jìn)行選型時，就縮小了發(fā)電負(fù)荷與用電負(fù)荷之間的差距。當(dāng)母線變壓器電源故障時，在短暫時間內(nèi)，通過切換裝置調(diào)整發(fā)電機(jī)負(fù)荷，切換裝置能小幅度、迅速地發(fā)出調(diào)整指令，在發(fā)電機(jī)保護(hù)動作跳閘前，能將發(fā)電機(jī)所在母線并入另一段母線。該控制方案的特點(diǎn)是可以由控制裝置直接替代發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)的部分功能，控制裝置在接到跳閘指令后，可以直接調(diào)整發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)，減少控制邏輯，提高迅速調(diào)整的目的。縮短負(fù)荷差距的辦法有：同電壓等級時，發(fā)電機(jī)選型的容量與用電量基本平衡，或者將發(fā)電機(jī)接入高電壓等級來平衡更多負(fù)荷。2）穩(wěn)住發(fā)電機(jī)形成“小孤島”再并入系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)所在母線上的變壓器電源出現(xiàn)故障以后，切換裝置能根據(jù)保護(hù)動作情況，控制同期裝置和勵磁裝置。優(yōu)先控制勵磁裝置調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)荷與用電負(fù)荷達(dá)到平衡，在發(fā)電機(jī)保護(hù)動作前，提前“穩(wěn)住”發(fā)電機(jī)，此時形成一個暫態(tài)的“小孤島”。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，再控制同期裝置，將發(fā)電機(jī)所在母線的“小孤島”并入另一段母線，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切換。該控制方案的特點(diǎn)是在切換邏輯做出反應(yīng)前優(yōu)先穩(wěn)住發(fā)電機(jī)所在系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)情況下再啟動切換功能，雖然用時較長，但是在穩(wěn)態(tài)情況下并入正式系統(tǒng)，安全性、可靠性均較高。3）預(yù)判負(fù)荷變化趨勢提前實(shí)現(xiàn)切換。切換裝置采集發(fā)電機(jī)出口、母線、變壓器和所有饋線系統(tǒng)電網(wǎng)中的模擬量，實(shí)時對比每個間隔中電流和電壓的變化情況，通過設(shè)置切換裝置中合理的模擬量變化區(qū)間，優(yōu)先發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)、變壓器與電網(wǎng)之間模擬量的變化率，切換裝置中不同的變化率對應(yīng)不同的故障類型，可以預(yù)判出即將發(fā)生的故障，提前啟動切換邏輯，直接切除可能出現(xiàn)故障的變壓器，并將剩余發(fā)電機(jī)所在母線并入正常的運(yùn)行系統(tǒng)。該控制方案的特點(diǎn)是在故障發(fā)生前就可以提前啟動控制邏輯，雖然采集的模擬量較多，運(yùn)算較為復(fù)雜，但是可以提前預(yù)防事故發(fā)生，而不是等到事故發(fā)生后，由保護(hù)切除故障設(shè)備，再啟動切換邏輯，該方法可以杜絕故障對系統(tǒng)的影響，尤其是高電壓等級時故障的影響范圍較大，隨著科技發(fā)展的進(jìn)步，相信預(yù)判式工作邏輯將有較大的發(fā)展空間。

5 結(jié)語

該文主要針對發(fā)電機(jī)帶母線的供電模式下，電源發(fā)生故障后如何安全、快速地恢復(fù)系統(tǒng)供電，提出現(xiàn)行技術(shù)下一些可行的解決方法，每類解決方法都存在自己的優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)不同的接線方式靈活進(jìn)行選擇。同時結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際情況，分析不同工況下的切換情況，得出可行的措施。在不同的項(xiàng)目中，無論選擇哪種方案，都應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用過程中優(yōu)先保證供電系統(tǒng)安全。

當(dāng)然，也可以考慮多種方案組合使用，但是需要把握“控制邏輯要盡可能簡單、二次回路盡可能簡潔”的原則，才能提高在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。