同期并網存在的問題及對策

胡航帆

(哈爾濱電業局，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

近年來，基于傳統閉鎖斷路器同期合閘回路的同期裝置已廣泛應用于我國發電廠、變電站的二次回路設計和微機保護測控及自動裝置中。然而由于對同期并網存在認識上的誤區，導致現有的變電站不能實現線路的自動同期以及雙端有電源的線路自動重合閘，從而使得現有大部分的斷路器仍處于目前的手動控制水平，使得真正意義上的無人值班變電站無法實現，阻礙了變電站綜合自動化水平的進一步提高，成為“調控一體化模式”推廣的重大障礙［1］。因此，本文從同期并網的概念出發，澄清了同期并網概念上的誤區，分析了非不同期并網帶來的危害，提出了新的形勢下同期裝置所應滿足的要求，及調度控制中心除應承擔電網調度傳統職責外應加強特殊情況下緊急遙控操作等職責。

1 同期并網概念的由來

在電力系統運行中，經常需要把發電機并到系統中運行，或者通過聯絡線把兩個解列的系統并列起來，或者將越來越多的環形網絡開環點合環，然后利用同期裝置來檢查兩個待并列系統電壓數值上是否相等，頻率差是否小于允許值，相位角是否足夠小，使沖擊電流盡可能約等于零，進而保證同期合閘不會給發電機及系統造成太大的損害，提高電力系統運行的安全性。

同期并列應具備的理想條件:

a.待并系統電壓等于運行系統電壓，允許電壓偏差不大于5%;

b.待并系統頻率等于運行系統頻率，允許頻率偏差不大于0.1 Hz;

c.待并系統電壓相位等于運行系統電壓相位。

2 非同期并網的危害

在圖1所示的兩個獨立電源組成的雙電源網絡中，利用聯絡線L的斷路器2DL進行同期并網。

a.當電壓不等的情況，并網瞬間產生的沖擊電流，其周期分量的有效值為

圖1 差頻并網單線示意圖

式中:Im為沖擊電流的周期分量的有效值;為待并系統電壓瞬時值;˙u2為運行系統電壓瞬時值;為待并系統次暫態電抗。

當待并系統電壓U1大于運行系統電壓U2時，im滯后90°，對待并系統發電機起去磁作用，系統并列后發電機立即帶無功功率。待并系統電壓U1小于運行系統電壓U2時，im超前˙u190°，對待并系統發電機起助磁作用，系統并列后發電機吸收無功功率。當壓差ΔU很大，則沖擊電流im很大，將會使發電機定子繞組發熱，使得定子繞組在電動力作用下受損。

b.當相位不一致時，并網瞬間產生的沖擊電流，其周期分量的有效值為

當待并系統電壓˙u1超前運行系統電壓˙u2時，im的主要成分為˙u1同相位的有功分量，待并系統并入系統時，立即帶有功功率，對發電機起制動作用，有利于將待并系統電壓拉到與系統電壓同相位。當待并系統電壓˙u1滯后運行系統電˙u2時，im的主要成分為˙u1反相位的有功分量，待并系統并入系統時，立即吸收有功功率，對發電機起加速作用，有利于將待并系統電壓拉到與系統電壓同相位。如果δ很大，則沖擊電流很大，其有功分量在發電機軸上產生沖擊力矩，使設備燒毀。特別是δ等于180°時，則沖擊電流等于系統首端三相短路電流的兩倍，損害最嚴重。

c.當頻率不等的情況，待并系統電壓˙u1與運行系統電壓˙u2之間具有相對運動，存在頻率差，如果頻率差較大，則在并列合閘后δ在0～360之間周期性變化，當δ=0和δ=360時，電壓差ΔU=0，則Im=0，當 δ=180 時，電壓差 ΔU=2U2=2U1，則 Im最大。待并系統在頻率差較大的情況下并網，立即帶上較多的有功功率，對發電機轉子產生較大的力矩，是待并系統發電機產生機械振動，嚴重時失步，造成并列不成功。如果待并系統頻率低于運行系統頻率，并列后發電機將會吸收電網有功，其逆功率對汽輪機末級葉片造成損壞。

3 合環操作的同期分析

隨著電網投資的不斷加大，電網結構的更加復雜化，電網連接的緊密程度進一步加深，雙回線路，環網架構的日益增多，發電機的投切、聯絡線路及雙回線路的投入經常表現為合環的形式，我們稱之為同頻并網即并網前開環點兩端的頻率相同。

下面分析環網形式下同頻并網的特點。

并網(合環)前開環點斷路器兩側是同一個系統。在圖2中的1DL處進行并網即屬同頻并網，開環點1DL的左側電壓˙u1和右側電壓˙u2均為同一頻率，但在其兩側有電壓差和相角差，此相角差為線路L2、L3構成的等值線路的運行功率角δ，如等值線路的傳輸功率為P，電抗為XL，則˙e1(發電廠等值發電機的電勢)和˙u2間的功角δ可由下式表述:

式中:Xd∑=Xd+XT+XL，Xd、XT分別為發電機同步電抗及變壓器電抗;E1為發電廠等值發電機電勢的有效值;U2為運行系統電壓的有效值。功角δ與線路傳輸功率P是正弦函數關系，因此其取值隨著P的增加應在0°～90°范圍。

圖2 合環并網單線示意圖

如果此時仍按傳統方式，把定值為30°的同期繼電器常閉接點接入合閘回路，那么因線路功角δ很容易達到閉鎖角定值30°，將無法實現合環操作，這樣一來新線路將會因同期繼電器斷開了合閘回路而無法投運，雖然此時可以通過壓板SSM1閉鎖同期繼電器的接點，然后手動強行合閘。但運行人員此時的操作帶有盲目性，并不知道功角δ到底是多少度。如果在δ很大時，強行合閘就可能誘發過負荷或失步而再次使線路跳閘，對系統造成不必要的擾動，甚至釀成事故。

為了避免強行手動合閘對系統造成的損害，我們可以通過潮流計算得到各個合環點在不同運行方式下的允許合環功角，可以采用不同運行方式下較小的計算值，這比采用一個固定的30°要合理一些，并且不會失去大量的合環機會。

4 同期并網采取的對策

通過上述分析可知，傳統的檢同期概念對于兩種不同形式的并網已經不合時宜了，因此在斷路器的操作回路中不能再簡單的利用同期繼電器來閉鎖合環操作了。考慮到現有變電站的硬件裝置和系統管理模式，采取更新同期裝置和繼電保護及測控裝置和加快調控一體化技術支持系統，完善調控一體管理制度等措施，使電網調度運行控制適應電網快速發展的要求［2］。

a.積極研究主網調控一體化工作，拓展調度工作職責，整合電網調度、設備運行集控功能，實現變電運行工作由有人、多人值班模式和集控模式層面向調控層面的升級和轉化。

調度運行工作應充分利用先進的技術手段，充分發揮現有潮流計算和穩態計算的作用，拓寬潮流計算的使用范圍，計算出不同運行方式下合環點的允許合環的功角，并把該功角應用到同期合閘回路的設計當中。

b.在完善同期合閘回路二次接線和自動裝置設計的基礎上，制造廠家應加大產品研制力度，生產出具備適應不同形式同期并網方式的繼電保護和自動裝置［3－5］。

線路的自動同期除了能夠適應不同形式的同期方式，實時測量合環點功角值，在不同系統運行方式下修改閉鎖角定值的功能外，還必須具備向調度部門上傳各種信息，及時地做出是否合環的決定，以及在不滿足合環條件時，調度管理人員能及時調整潮流，以便為合環創造條件。

［1］潘書燕，程利軍，劉維鋒，等.同期功能應用于關于線路保護測控單元［J］.電力自動化設備，2005，25(12):73 －76.

［2］李繼晟，鄭蔚，葉艷軍.一種新型的綜合測控裝置中同期功能的設計實現［J］.繼電器，2005，33(5):56 －58，62.

［3］彭曉濤，王少榮，程時杰.高性能微機自動準同期裝置［J］.電力系統自動化，2002，26(9):75 －77.

［4］周斌，魯國剛.具有檢同期合閘功能的變電站測控裝置［J］.電力自動化設備，2004，24(1):91 －93.

［5］郭建，周斌.新型微機自動準同期裝置設計［J］.電力自動化設備，2005，25(8):77 －81.