獨立局域電網三道防線建設方案分析

夏彥輝， 董 宸， 孫 丹， 鄒 宇

(南京國電南自電網自動化有限公司，江蘇 南京 211153)

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獨立局域電網三道防線建設方案分析

夏彥輝， 董 宸， 孫 丹， 鄒 宇

(南京國電南自電網自動化有限公司，江蘇 南京 211153)

文中首先總結了獨立局域電網網架結構的特點，結合國家推進售電側改革的發展趨勢，分析了獨立局域電網普遍存在的安全穩定問題。以某獨立局域電網為例，提出了三道防線建設方案，對穩定控制系統、低頻低壓減載、高頻切機、失步解列配置方案涉及到的一些關鍵技術問題進行了闡述，并通過實時數字仿真儀(RTDS)仿真試驗和離線仿真驗證了方案的適用性，對在線實時穩定控制系統的可行性進行了論證。最后對獨立局域電網三道防線的建設原則進行了歸納總結。

獨立局域電網；三道防線；穩定控制系統；安全自動裝置；在線實時穩定控制

0 引言

獨立局域電網指集“發、輸、配、售”所有功能于一體的電網，被廣泛應用于石油、化工、冶煉等各種行業，也可指獨立于公網的區域配電網。在中國，獨立局域電網這一概念更多強調的是電網的屬性定位，它是對所有不隸屬于國家電網和南方電網的地方電網的統稱，這種獨立包括資產獨立、發輸電獨立、調度獨立與定價獨立4個層面。

獨立局域電網與大電網(國家電網和南方電網)之間在電氣上無聯系或弱聯系。與大電網之間無聯系的獨立局域電網也稱孤立局域電網；所謂弱聯系，是指在正常運行情況下大電網對獨立局域電網的頻率、電壓波動支援作用有限，且在緊急情況下大電網會斷開與獨立局域電網的聯網斷面，使其非計劃性地轉化為孤立局域電網[1，2]。

獨立局域電網網架結構薄弱，電壓等級偏低，單臺機組、單個負荷占系統容量比重較大，系統運行時往往不能滿足“N-1”準則，單臺機組或單個負荷跳閘即可引起聯網斷面潮流越限，被動轉入孤網運行后存在嚴重的頻率問題，如不采取相應的控制措施，甚至會造成系統崩潰事故[3-7]。此類電網也被稱為“大機小網”或“大機大負荷小網”。同時，獨立局域電網內部機組調節性能差(主要是指一次調頻、調壓性能)，負荷特性特殊(如電解鋁負荷的恒電流特性、軋鋼機的沖擊特性、電動機的群起現象、冶煉爐的倒爐操作等)，都在一定程度上對系統的頻率、電壓穩定性起到了負作用。如果獨立局域電網內部接入大量小水電機組，小水電并網線路的短路故障易引起低頻振蕩[8，9]，在主保護缺失的情況下，短路故障還可能引起小水電機組對主網的功角失穩。因此，除直流閉鎖或換相失敗之外，大電網中存在的安全穩定問題，在獨立局域電網都存在，并且發生的概率更高[10-15]。

2016年3月7日，國家發展改革委下發《關于擴大輸配電價改革試點范圍有關事項的通知》。2016年4月8日，國家發改委、能源局對新疆生產建設兵團開展售電側改革試點情況作出批復，同意新疆生產建設兵團開展售電側改革試點，要求穩妥推進改革，確保電力安全，保證電網安全，保障民生用電。因此，確保電網安全穩定運行是獨立局域電網面臨的最大挑戰。

1 某獨立局域電網概況

DQS電網為地級區域電網，目前最高電壓等級為220 kV，下轄HY電廠、JJ電廠等大電源，多座水電廠、光伏電站和30多座變電站。2016年，DQS電網裝機容量912 MW，其中火電633 MW，水電169 MW，光伏110 MW，最大單臺火電機組135 MW，水電機組出力具有明顯的季節性。夏季最大負荷水平700 MW，夏季最小負荷水平216 MW，冬季最大負荷水平387 MW，冬季最小負荷水平163 MW，負荷季節性變化和峰谷差都比較大。

圖1 DQS電網穩控系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of power system stability control system of DQS

DQS電網存在孤網運行、與國網XJ電網通過雙回220 kV線路聯網、與DBS電網通過雙回220 kV線路聯網3種運行方式。

2 穩定控制系統配置方案

根據DQS電網的運行需求，設計了穩定控制系統，其結構如圖1所示。

通過收資、建模、仿真計算分析等工作，得出DQS電網孤網運行時存在的主要穩定問題。 頻率穩定，機組跳閘或功率驟降、水電或光伏送出線路跳閘，引起的低頻問題；熱穩定，線路、主變過載；水電送出斷面低頻振蕩。

DQS電網聯網運行時存在的主要穩定問題有聯網斷面斷開，系統頻率失穩；聯網斷面潮流越限。

系統可采取的穩定控制措施有切負荷；切光伏，切水電，切RDEC機組，壓JJ電廠、HY電廠出力；解列線路。

為了適應DQS電網小水電出力季節性明顯、負荷季節峰谷差較大等特點，為其設計的電網穩控系統具有較強的自適應特點。

(1) 負荷水平的自適應。通過采集全網電源的出力，實時計算系統容量，動態調整穩控動作門檻(功率缺額)，自適應系統各種負荷水平，不需要設置大、小運行方式壓板。

(2) 切機組合自適應。切光伏、切小水電、切小火電機組、壓大火電機組出力措施相結合，穩控裝置提供4付接點給分散控制系統(DCS)的開入回路(開入保持200 ms以上)，DCS根據4個開入組成8421碼乘以系數(系數可整定)，轉成模擬量輸出到數字電液控制系統(DEH)的協調控制系統，由DEH完成快速減出力。每臺大火電機組可減出力量受限于其可穩定燃燒出力水平。

(3) 切負荷的自適應。采集各站可切負荷，按照三、二、一級負荷的優先級排序，根據需要按照過切、欠切、最優切的原則組織切負荷。

(4) 運行方式的自適應。機組跳閘策略通過結合聯網斷面功率突變ΔP>Pset輔助判據，自動適應孤網、與國網聯網、與DBS聯網多種運行方式，不需要采集聯網線路開關量或維護聯網方式壓板，提高穩控系統的智能化程度，降低運維工作量。Pset的整定主要考慮躲過穩控裝置采樣零漂，并保證足夠的安全裕度(基于裝置的采樣精度考慮，建議取安全系數大于2)。

2016年2月，DQS電網穩控系統通過了實時數字仿真儀(RTDS)試驗驗證，共計模擬了200種運行工況。測試系統連接框架如圖2所示。

圖2 RTDS測試系統連接框架示意圖Fig.2 Diagram of connection framework of RTDS test system

以孤網運行方式下HY電廠1號機組功率驟降為例，說明穩控系統的動作過程。HY電廠1號機組事故前出力為115.9 MW，功率驟降104.9 MW后，穩控系統判斷需切除負荷總量為104.906 MW，實際切除負荷總量為104.825 MW，分別是KGQ變13.291 MW、SH變3.864 MW、HYH變51.965 MW、XJ變35.706 MW。從發生功率驟降瞬間至負荷切除的時間間隔為210 ms，整個過程系統暫態穩定。

穩控裝置實時監測關鍵斷面功率，當檢測到HY電廠1號機組功率驟降后，裝置查詢策略表事件為“700 MW<發電量≤900 MW，HY1號機組功率驟降”，經過5 ms后發出切除KGQ變、SH變、HYH變、XJ變負荷的命令。經核實，RTDS仿真系統發電量位于700～900 MW，且各項參數與穩控裝置保持一致。

HY電廠1號機組功率驟降后，引起系統頻率下降，采取切負荷措施后，系統頻率回升至正常范圍內。整個過程全網頻率最低為49.85 Hz。

3 第三道防線配置方案

3.1 低頻低壓減載配置方案

低頻低壓減載裝置配置在各負荷變電站，總量最低按損失最大一個發電廠(裝機容量2×135 MW，占全網最大負荷700 MW的39%)整定。條件容許的情況下，可配置全網負荷總量的40%以上。低頻減載整定方案如表1所示，設定低頻減載頻率啟動值為49.5 Hz。

表1 低頻減載整定方案Table 1 Low frequency load shedding scheme

失去大容量發電廠后，系統功率缺額220 MW(事故前系統容量700 MW)。在第二道防線失效情況下，系統的頻率偏差響應曲線如圖3所示。

圖3 失去大容量發電廠后的系統頻率偏差響應曲線Fig.3 System frequency response curve after the loss of large capacity power plant

仿真表明，第三道防線低頻減載動作3輪，共切除負荷175.6 MW，仿真過程中系統最低頻率為48.57 Hz，恢復頻率為49.65 Hz，系統的頻率偏差響應曲線如圖4所示。

圖4 失去大容量發電廠在低頻減載裝置動作后的系統頻率偏差響應曲線Fig.4 System frequency response curve after the loss of large capacity power plant with low frequency load shedding device action

低壓減載整定方案如表2所示，設定低壓減載啟動值為0.85 p.u.。

表2 低壓減載整定方案Table 2 Low voltage load shedding scheme

3.2 高頻切機配置方案

高頻切機裝置配置在：光伏電站(THYG，JTY，LN)、水電站(XBQJ水電站、GYE水電站、TJ水電站)、火電廠(JJ電廠、HY電廠、RDEC)。

高頻切機方案需要與機組的超速保護(OPC)定值協調配合。OPC定值建議整定為52.0 Hz，并且增加0.2 s的延時，避免OPC先于高頻切機動作。高頻切機整定方案如表3所示。

表3 高頻切機整定方案Table 3 High frequency cutting machine scheme

3.3 失步解列配置方案

失步解列裝置配置在：

(1) 水電送出斷面。SH變(SH-LG)、GYE站(GYE-XJ)、TJ水電站(TJ-CZ)；

(2) 與外界聯網斷面。JJ電廠、WWZX變。

4 在線實時穩定控制系統的可行性分析

基于預決策的在線安全穩定綜合防御系統被認為今后的發展方向，省級以上的調度中心已上線運行，但距實用化還有一定的距離，主要受限于外網的動態等值和下一級電網的建模。在大電網中實現實時穩定控制更加遙遠。獨立局域電網結構比較簡單、區域范圍較小，信息量少，不需與外網交換信息或交換信息很少，且沒有暫態過程復雜的電力電子設備，光纖通信已普遍采用，在線實時穩定控制系統實現起來比大型電網容易的多，硬件與軟件的投資相對較少。

目前，獨立局域電網的技術力量較弱，電網安全穩定分析的水平難以滿足電網發展的需要。在這種情況下，盡早應用在線實時穩定控制系統，提高電網的調度運行水平，做好電網的預防性控制、防患于未然，對減輕運行方式人員的工作量，提高安全穩定控制水平，將有著重要的意義。因此，建議這類電網的調度部門盡快開展在線實時穩定控制系統的應用工作，以較小的投資取得電網安全穩定性的有力保證。

SPORS-5100在線實時穩定控制系統[16]利用穩控裝置采集數據(兼容遠程終端單元RTU慢速數據)，獲得電網的實時運行狀態和故障信息，基于超實時仿真技術及優化算法在線進行電網穩定控制決策，完成電網安全穩定的綜合評估和穩控策略的在線刷新，實現精確的閉環自適應穩定控制。在線實時穩定控制系統布置在調度控制中心安全I區，通過專用光纖與安裝于各發電廠、變電站現場的穩控裝置通信。系統硬件結構如圖5所示。

圖5 在線實時穩定控制系統硬件結構圖Fig.5 Hardware structure of online real time stability control system

正常運行時利用穩控裝置或RTU采樣數據開展狀態估計、潮流計算和預決策計算，當接收到穩控裝置上送的故障信息后，觸發穩定判別計算，當系統存在失穩風險時自動進行策略搜索，將控制措施下達至分布在各廠站的穩控裝置或RTU執行。在線實時穩定控制系統的計算流程如圖6所示。

圖6 在線實時穩定控制系統計算流程圖Fig.6 Flow chart of online real time stability control system

5 結語

通過前文分析可知，除直流閉鎖或換相失敗之外，大電網三道防線設計時考慮的故障類型，仍然適用于獨立局域電網。穩控系統設計時，獨立局域電網需要考慮N-1故障，重點應對損失大機組/大負荷、對外聯絡線跳閘；而大電網重點應對N-2故障。第三道防線設計時，大電網一般按固定的百分比配置減負荷總量，而獨立局域電網減負荷總量最低按損失最大一個發電廠配置。

本文總結了獨立局域電網網架結構的特點，并結合工程實踐分析，對獨立局域電網三道防線建設提出如下建議：

(1) 適當提高繼電保護配置，加快故障切除速度。對于保護整定配合困難的情形，可采取解環運行+備自投的方式，提高供電可靠性。構建先進可靠的能量管理系統，通過自動發電控制(AGC)/自動電壓控制(AVC)功能模塊優化電網運行方式，提高電網運行的安全穩定裕度。

(2) 配置完善的第二道防線，即穩定控制系統，保障控制措施的精確性和快速性。重視切機、切負荷措施的不匹配量，切機時，優先切除光伏、水電、小火電。如果必須對大火電機組采取措施，對于輕度過載問題，優先采取壓機組出力措施；對于嚴重過載問題和頻率穩定問題，必須切除大火電機組時，應根據實際損失發電出力量，刷新需切負荷量，將系統功率不平衡量將至最低。

(3) 分散布置低頻低壓減載裝置、高頻切機裝置，保證足夠的可減載量和可切機量。還應在獨立局域電網聯網斷面和小水電送出斷面配置失步解列裝置。重視第三道防線裝置定值的整定配合以及第二道防線與第三道防線之間的協調配合，避免出現無序動作和重復動作。

電網一方面朝著極大方向(全球能源互聯網)發展，另一方面朝著極小方向(微電網)發展，兩者都成為了近幾年來的研究熱點。然而，獨立局域電網作為電網發展的第三種趨勢，在運行實踐中已經出現了許多亟需解決的問題，系統崩潰事故經常發生，給企業帶來了巨大的經濟損失，造成了惡劣的社會影響，在當下卻未引起充分的關注，本文拋磚引玉，希望業界更多地開展此類電網的研究。

[1] GB/T 26399—2011 電力系統安全穩定控制技術導則[S]. GB/T 26399—2011 Technical guide for electric power system security and stability control[S].

[2] KUNDUR P，PASERBA J，AJJARAPU V，et a1．Definition and classification of power system stability[J]． IEEE Trans on Power Systems，2004，19(2)：1387-1401.

[3] 蔡 筍，馮永新，鄧少翔，等． 孤網運行頻率穩定控制策略分析研究[J]． 廣東電力， 2012，25(2)：6-19. CAI Sun，FENG Yongxin，DENG Shaoxiang，et al. Analytical study on strategy for frequency stability control in isolated power system[J]． Guangdong Electric Power，2012，25(2)：6-19.

[4] 黃 河，徐光虎，余 暢． 2008年南方電網冰災期間孤網運行經驗[J]． 南方電網技術，2008，02(5)：6-9. HUANG He，XU Guanghu，YU Chang. Operation experience of isolated network in CSG during lee disaster (2008)[J]． Southern Power System Techinology，2008，02(5)：6-9.

[5] 孫東華，王雪冬，馬世英，等． 貴州主網及其地區電網孤網運行的安全穩定控制[J]． 電網技術，2008，32(17)：35-39. SUN Donghua，WANG Xuedong，MA Shiying，et al. Measures to improve system security and stability for isolated operation of Guizhou Main Power Grid and its regional power networks[J]． Power System Technology，2008，32(17)：35-39.

[6] 林火華，王 文，韋元養，等． 220 kV 桂林電網孤網穩定運行控制技術[J]． 南方電網技術，2008，02(3)：49-53. LIN Huohua，WANG Wen，WEI Yuanyang，et al. Stable operation control technologies for islanded networks in 220 kV Guilin Power Grid[J]． Southern Power System Techinology，2008，02(3)：49-53.

[7] 陳祺煒,吳 熙,李海峰，等. 孤網全黑狀態的恢復網架和分區優化算法[J]． 電力工程技術，2017，36(1)：74-78. CHEN Qiwei，WU Xi，LI Haifeng，et al. Recovery network and partition optimization algorithm of isolated networks under the full black state[J]． Electric Power Engineering Techinology，2017，36(1)：74-78.

[8] 付 超，杜 斌，柳勇軍，等. 云南電網小水電群地區電網低頻振蕩影響因素仿真分析[J]. 廣東電力，2014(12)：51-56. FU Chao，DU Bin，LIU Yongjun，et al. Simulation analysis on influencing factors on low frequency oscillation of regional power grids of small hydropower stations of Yunnan Power Grid[J]. Guangdong Electric Power，2014(12)：51-56.

[9] 李建設，蘇寅生，周劍. 地區電網低頻振蕩問題及其治理措施[J]. 廣東電力，2010，23(1)：5-9. LI Jianshe，SU Yinsheng，ZHOU Jian. Low-frequency oscillation of regional power network and corresponding treatment[J]. Guangdong Electric Power，2010，23(1)：5-9.

[10] WU C C，CHEN N．Frequency—based method for fast—response reserve dispatch in isolated power systems[J]． IEEE Proceedings—Generation，Transmission and Distribution，2004，151(1)：73-77.

[11] SIGRIST L．A method for the design of UFLS schemes of small isolated power systems[J]． IEEE Transactions on Power Systems，2011，27(2)：951-958.

[12] 周至平，孫新良，付晨鵬，等． 電力系統孤網運行動態特性試驗[J]． 電網技術，2008，32(S2)：78-81. ZHOU Zhiping，SUN Xinliang，FU Chenpeng，et al. Insular power system dynamic characteristic examination research[J]. Power System Technology，2008，32(S2)：78-81.

[13] 葉健忠，鄒俊雄，龍 霏，等． 地區電網火電機組孤網運行頻率控制策略研究[J]． 電力系統保護與控制，2012，40(7)：123-128. YE Jianzhong，ZOU Junxiong，LONG Fei，et al. Research on frequency control strategy for isolated grid operation of thermal power unit in regional power network[J]． Power System Protection and Control，2012，40(7)：123-128.

[14] 王家勝，鄧彤天，冉景川． 火電機組在孤(小)網中的啟動及運行方式研究[J]． 電力系統自動化，2008，32(21)：102-106. WANG Jiasheng，DENG Tongtian，RAN Jingchuan. Start-up and operational mode of fossil plant units in an isolated(little)power grid[J]． Automation of Electric Power Systems，2008，32(21)：102-106.

[15] 黃文英．“大機小網”電力系統安全穩定運行的措施[J]． 福建電力與電工，2001，21(4)：19-20. HUANG Wenying. Measures for safe and stable running of electric power system of “large units and small network”[J]． Fujian Power and Electrical Engineering，2001，21(4)：19-20.

[16] 夏彥輝. 電力系統在線實時穩定控制系統及控制方法: 中國, 201610133857.X[P]. 2016-3-10. XIA Yanhui. Power system on-line real-time stability control system and control method: China,201610133857.X[P]. 2016-3-10.

(編輯 徐林菊)

Analysis on Construction Scheme of Three Defense Lines for Independent Local Power Grid

XIA Yanhui, DONG Chen, SUN Dan, ZOU Yu

(Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd, Nanjing 211153, China)

The structure characteristics of the independent local power grid are summarized firstly. Then, the security and stability problem of the local power grid is analyzed, combined with the development trend of the state promoting sales side reform. Three lines of defense construction scheme are proposed taking an independent local power grid as an example. Some key technical problems related to the stability control system, low frequency and low voltage load shedding, high frequency cutting machine, out-of-step splitting solution are discussed. The applicability of the scheme is verified by RTDS and off-line simulation, the feasibility of on-line and real-time stability control system is demonstrated. Finally, the construction principles of the three lines of defense for the independent local power grid are summarized.

independent local power grid; three lines of defense; stability control system; automatic safety device; online realtime stability control

2017-01-15；

2017-02-23

江蘇省科技項目(BZ2015010)

TM 762

A

2096-3203(2017)03-0076-06

夏彥輝

夏彥輝(1982—)，男，河南開封人，高級工程師，研究方向為電力系統安全穩定分析與控制;

董 宸(1982—)，女，安徽太和人，工程師，研究方向為電力系統安全穩定分析與控制;

孫 丹(1989—)，女，河北保定人，助理工

程師，研究方向為電力系統安全穩定分析與控制;

鄒 宇(1975—)，男，四川自貢人，工程師，研究方向為安全自動裝置開發。