防止地區電網孤網運行的改進方法

劉明群，和 鵬

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 引 言

隨著電力系統的跨區域互聯和電網規模的不斷擴大，各級系統之間的聯系越來越緊密[1]。但是，邊遠地區的局部電網由于經濟、環境等各個方面的影響，與主網連續較為薄弱，通過單回線路與系統相連的地區電網并不少見。極端天氣或人為操作失誤均可能導致地區電網的單回聯絡線故障，造成地區孤網運行，甚至導致地區電網系統崩潰[2,3]。通過改進斷路器動作和繼電保護策略，可大大提高地區電網供電的穩定性和可靠性，減少停電的經濟損失。

1 事故案例

某地區電網通過單回110 kV新（城）-白（漢場）線路與系統連接，地理接線示意如圖1所示，豐水季節大量小水電通過新白線上網。2020年7月8日，新白線路因人為原因造成單相永久故障，發生單相接地故障后，線路跳開后地區電網孤網運行，高美變電站的備自投裝置因不滿足同期（頻差過大）而不能合斷路器，地區電網因頻率過高使發電廠機組的高周切機相繼動作，最終造成地區電網崩潰，引起大面積停電。

圖1 某地區電網地理接線示意

仿真計算和運行經驗表明，當地區電網聯絡線的功率超過某一定值時，聯絡線發生瞬時接地故障，即使聯絡線的繼電保護配置有重合閘功能，地區電網也會因功率不平衡引起頻率偏差，造成重合閘不滿足同期條件不會重合。圖2是聯絡線發生瞬時單相接地故障引起的頻率波動情況，因不滿足同期條件強行重合而引起了系統振蕩。針對這種情況，部分地區電網配置了聯絡線跳閘聯切機組的穩定策略。

圖2 強行重合引起系統頻率振蕩

2 電力系統自動裝置

聯絡線發生故障斷開后，地區電網孤網運行。故障發生時刻，聯絡線的潮流大小決定孤網運行的穩定性，當潮流較小時，孤網可以穩定運行，潮流較大時，無論上網還是下網，都會引起地區電網頻率偏離正常值，偏差過大會導致高周切機裝置或低頻減載裝置動作，使得發電功率與負荷功率平衡。潮流大于某一數值時，如果電力系統自動裝置不能正確動作，則會引起地區電網崩潰，造成嚴重的停電事故。為保證系統穩定運行，地區電網一般配置下列安全自動裝置。

一是高周切機裝置。孤網形成后，如果多臺機組并列運行，則電廠功率將大于負荷功率，多余功率導致發電機組轉子加速，系統頻率升高，孤網失去穩定。高周切機裝置正確動作，孤網形成初始，在頻率上升到門檻值時切掉適量機組，減少功率不平衡程度，保持頻率穩定。

二是低周減載裝置。孤網形成前，地區電網機組功率小于負荷功率，聯絡線大量功率下網，功率嚴重不平衡的情況下，孤網形成后導致發電機組轉子減速，系統頻率降低，孤網失去穩定。設置低頻減載裝置，當孤網形成后，頻率下降到門檻值時切掉適量負荷，減少功率不平衡量，以提高孤網運行的穩定性。

三是連鎖切機裝置。為解決孤網運行的高頻問題，當聯絡線的功率相對較大時，可優先采取連鎖切機裝置，即當聯絡線傳輸功率大于設定值時，一旦發生跳閘，系統直接下達切除部分機組的指令，此時不再判斷系統的頻率大小，盡快降低地區電網的機組出力與負荷不平衡程度。地區電網需要采集相關廠站運行的實時信息，并進行聯切策略的編制。

3 改進措施

高壓斷路器是電力系統中的重要元件之一，在電力系統運行方式調整及對系統中故障隔離起重要作用[4]。我國電網中110 kV及以下系統均采用三相機械聯動斷路器，220 kV及以上系統中線路單元高壓斷路器因考慮系統聯網運行可靠性以及線路故障中單相故障占比較高等因素，多采用分相操作斷路器[4]。借鑒主網運行經驗，首先將110 kV聯絡線斷路器由三相聯動改為分相動作。

目前，應對聯絡線發生的故障（單相、兩相和三相），繼電保護普遍采用的措施如下。當發生兩相或三相故障時，保護動作跳開三相斷路器，不再重合。如果判斷為單相故障，跳開三相斷路器，躲過規定的電弧去游離時間，重合三相斷路器，若故障仍然存在則跳開三相斷路器。為了提高地區電網應對聯絡線故障能力，在單相故障發生時進行單相故障隔離，其他兩相斷路器不斷開，保持地區電網與主網的聯絡。改進措施前繼電保護動作如圖3所示，改進措施后繼電保護動作如圖4所示。

圖3 改進前的地區電網聯絡線保護動作

圖4 改進后的地區電網聯絡線保護動作

案例中的聯絡線功率為50 MW，對于單相瞬時故障，采用原有的保護邏輯，系統不能穩定運行，仿真曲線如圖2所示。改進措施后，單相瞬時故障，跳單相，單相重合成功，地區電網與主網能保持同步，不會發生失穩現象，仿真過程如圖5所示。

圖5 聯絡線單相瞬時故障錄波圖

改進措施前，對于單相永久故障，系統重合后會立即跳閘，仿真過程如圖6所示。

圖6 原控制措施聯絡線單相永久故障錄波圖

改進措施后，發生單相永久性故障，保護裝置跳開單相斷路器，經延時后單相斷路器重新合閘，因故障仍存在，再次跳開單相斷路器，地區電網與系統保持兩相聯絡，處于非全相運行狀態，仿真過程如圖7所示。地區電網雖然受到擾動，但是不會失去穩定，一方面備自投裝置可以快速投入備用電源，另一方面運行人員可以快速處理，盡快達到功率平衡后斷開聯絡線，即使地區電網孤網也能保持穩定運行。

圖7 改進措施聯絡線單相永久故障錄波圖

4 結 論

通過對地區電網弱聯絡線故障分析和仿真計算可以得到如下結論。一是單聯絡線功率大于某一定值，發生單相瞬時接地故障，重合閘功能因頻差過大不滿足同期條件而不能合閘，造成地區電網孤網運行；二是采用改進措施，不論單相瞬時故障，還是單相永久故障，都能保證地區電網與主網同步穩定運行；三是采用改進措施后，方便地區電網采取切機切負荷等控制措施，避免造成地區電網崩潰。