母線帶發電機系統自動切換技術的應用研究

李中鶴

（寧夏煤業有限責任公司煤制油分公司，寧夏 銀川 750002）

0 引言

某化工裝置內部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 汽輪發電機，共6 臺發電機組，發電機出口電壓為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。每個供電單元共設置五個同期點，分別位于2 個35 kV 升壓變間隔、2 個35 kV 進線間隔和1 個母聯間隔，一次系統簡圖如圖1 所示。

1 系統運行中存在的隱患

為了進一步提高工藝裝置生產過程中多余的熱能，將熱能轉換為電能，該項目選用余熱發電機組，不僅節能，而且利于環境保護。因使用工藝裝置的余熱蒸汽發電，造成母線帶發電機系統中的用電量和發電量會隨著工藝負荷的變化而變化，當工藝負荷較高時，用于發電的剩余蒸汽就多，發電量就多，反之電量就少。

隨著工藝負荷的，梳理出近年來此系統所帶負荷用電量和發電量之間的關系，當工藝系統滿負荷運行時，該段35 kV 母線負荷可達50 MW，此時發電機也可以實現滿發負荷50 MW，達到“發電、用電”平衡。當工藝負荷調整時，出現發電量和用電負荷不對等的情況，尤其是工藝裝置開停車時和發電機突發故障解列時，偏差率較大。

一般情況下，為了保證系統穩定，35 kV 系統不設置自動裝置，所以當35 kV 系統電源故障時，35 kV 母線和發電機將形成一個暫態的“小孤島”，這種狀態維持的時間很短，如果發電機無法及時調整負荷，暫態的系統平衡在發電機保護動作解列后打破，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電量數值，當發電量與用電量基本相等或發電量略微大于用電量時，發電機通過自身控制系統調整負荷平衡成功的可能性較高，因為此時發電機只需要微調勵磁系統，即可實現發電量與用電量平衡，發電機不需要大幅甩負荷，不需要調整汽輪機側的蒸汽閥門，系統形成以發電機帶所有負荷的孤島運行狀態的可能性就很高；如果發電量小于用電量或發電量超出用電量負荷較大時，發電機通過自身控制系統調整負荷平衡的成功率幾乎為零，此時發電機調整勵磁系統已經無法實現足夠的用電量，汽輪機側的蒸汽調閥的速度較慢，發電機保護在調整結束前已經提前動作，發電機解列，該段35 kV 母線失電。而這種發電量于用電量平衡狀態，在工藝裝置中很難實時存在，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，達到母線不失電的目的。

圖1 一次系統簡圖

2 可行措施優缺點分析

針對該問題，結合實際運行情況展開討論，分析其優缺點。

2.1 通過保護裝置聯動控制

該方法從110 kV/35 kV 變壓器主保護入手。通過增加主保護保護出口，分別聯跳發電機組，并合上35 kV 母聯。變壓器主保護包括線變組差動、本體差動和重瓦斯保護，三類主保護分別配置在3 個不同的保護裝置內。

優點：通過變壓器主保護裝置中的主保護邏輯，快速發出發電機解列信號與合母聯的開出信號，實現35 kV 母線電源故障后快速恢復供電的目的。

缺點：1）需要在每個主保護裝置內增加2 個出口，它們分別作用于發電機解列與合35 kV 母聯，共計6 個出口，導致二次回路接線復雜，日常維護難度大。2）由于保護裝置一般不會采集發電機解列后的反饋節點，因此需要重新編輯保護動作邏輯導致其復雜化，對保護本身不利。3）在保護裝置發出發電機解列與合母聯信號并已切除發電機，在該暫態下無法判斷2 個系統是否同期，此時合上母聯會存在引發母聯非同期合閘事故。

2.2 通過穩控裝置控制

該方法從接入35 kV 母線上的所有饋線開關入手。通過穩控裝置實現負荷平衡、切除發電機和合上母聯等操作。在穩控裝置中接入變壓器主保護動作信號作為穩控邏輯的啟動信號，再接入所有饋線開關控制和反饋信號，根據實際運行負荷情況，合理設置穩控裝置動作邏輯，實現該段母線的安全供電。

優點：穩控裝置在復雜的電網控制中具有較好的表現，采用溫控裝置可以全面平衡該段母線負荷和發電負荷之間的關系，通過采集的模擬量和開關量，寫入符合實際工況的判斷邏輯，即能快速判斷是否切除發電機組，并在短時間內完成切換，實現35 kV 母線電源故障后快速恢復供電的目的。

缺點：1）穩控裝置的控制邏輯較為復雜，會隨負荷和饋線間隔數量等諸多因素變化而變化，而且工藝系統調整引起的用發、電負荷變化是一個動態的過程， 如何設置好平衡發電負荷和用電負荷之間的相關參數，并能涵蓋所有控制邏輯將是一大難題。2）穩控裝置二次回路復雜，需要采集此供電單元上所有饋線回路的模擬量和開關量信號，二次回路維護難度大幅增加，如果發生誤動將直接導致下級負荷失電，后果嚴重。

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現快速切換功能。在35 kV 母聯上裝設快切裝置，分別接入2 個35 kV 升壓變間隔、2 個35 kV 進線間隔和1 個母聯間隔的控制和反饋信號。同樣接入變壓器主保護動作信號作為快切的啟動信號，當變壓器主保護動作時，快切裝置通過自身邏輯判斷，完成切除或保留發電機的快速切換功能[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荷情況，按照一定的規律衰減。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，在每個周期內判斷、確定合閘時刻，優先選擇零度合閘點合閘，減少合閘后對系統的沖擊。現階段，不同廠家的快切裝置對于合閘判據的選擇有所不同，選擇快切裝置時需要參考現場實際工況。

優點：裝置本身只需要采集此供電電源內電源間隔和母聯間隔的相關模擬量和開關量，控制邏輯簡單、接線簡潔，35 kV 母線失電后恢復供電速度快。

缺點：1）快切裝置的判據中如果保留發電機，在合母聯時，裝置自身的合閘判據需要瞬間成功抓住“合閘零點”，并在發電機保護動作前完成，該動作邏輯要快速、準確的在同期點合閘，會存在失敗風險，造成非同期和合閘的嚴重后果。2）在電源發生故障瞬間，負荷變化是一個暫態過程，并且發電負荷與用電負荷占比也會隨機變化，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 現場應用

為了進一步提升現場運行的可靠性，該項目現場選用自動裝置的解決方案[2]。

根據現場實際運行工況，選取一個供電單元下的3 類典型工況，統計發電量和用電量數據，相關數據見表1。典型工況下的負荷統計表，通過運行負荷變化情況，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 典型工況下的負荷統計表

3.1 第一類工況

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

3.2 第二類工況

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

3.3 第三類工況

當裝置停車時，工藝汽輪機使用蒸汽逐步退出，用電負荷逐步減少，而發電機負荷還在最大值，此時該段負荷所需用電量全部由發電機提供，還持續向電網上送電量。此時模擬故障：當一段帶有發電機的35 kV 母線電源出現故障時，故障變壓器從系統中切除，快切裝置在接到故障指令后啟動快切邏輯，快速切除發電機，并迅速合上母聯。故障變壓器所在母線損失的60 MW 發電量，將瞬間轉移到另一臺變壓器和發電機所在的母線上，此時運行中的變壓器負荷率變化最小。

根據以上分析，當發生系統電源故障后，如果發電量小于用電量，變壓器負載率將瞬間升到最高，剩余其他工況下負載率變化較小，最大將提升至50%，不會對變壓器穩定運行造成大的影響。

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

4 對未來切換技術的展望

該章節重點結合現場實際運行情況，總結快切運行經驗，展望未來切換技術，真正實現多電源系統中，某個電源故障，在潮流分布變化最小的情況實現穩步切換，確保電源系統故障不會影響下級負荷供電。

母線段帶發電機的多電源接線方式的已經普遍出現，切換裝置要能實現發電機在不解列的前提下，即可并入另一段供電母線，是此類切換技術的最佳狀態。就如何實現此技術，提出以下3 點意見：1）平衡發電負荷與用電負荷實現快速切換。發電機在進行選型時，就縮小了發電負荷與用電負荷之間的差距。當母線變壓器電源故障時，在短暫時間內，通過切換裝置調整發電機負荷，切換裝置能小幅度、迅速地發出調整指令，在發電機保護動作跳閘前，能將發電機所在母線并入另一段母線。該控制方案的特點是可以由控制裝置直接替代發電機勵磁系統的部分功能，控制裝置在接到跳閘指令后，可以直接調整發電機勵磁系統，減少控制邏輯，提高迅速調整的目的。縮短負荷差距的辦法有：同電壓等級時，發電機選型的容量與用電量基本平衡，或者將發電機接入高電壓等級來平衡更多負荷。2）穩住發電機形成“小孤島”再并入系統。當發電機所在母線上的變壓器電源出現故障以后，切換裝置能根據保護動作情況，控制同期裝置和勵磁裝置。優先控制勵磁裝置調節發電機負荷與用電負荷達到平衡，在發電機保護動作前，提前“穩住”發電機，此時形成一個暫態的“小孤島”。當系統穩定后，再控制同期裝置，將發電機所在母線的“小孤島”并入另一段母線，實現穩定切換。該控制方案的特點是在切換邏輯做出反應前優先穩住發電機所在系統，在穩態情況下再啟動切換功能，雖然用時較長，但是在穩態情況下并入正式系統，安全性、可靠性均較高。3）預判負荷變化趨勢提前實現切換。切換裝置采集發電機出口、母線、變壓器和所有饋線系統電網中的模擬量，實時對比每個間隔中電流和電壓的變化情況，通過設置切換裝置中合理的模擬量變化區間，優先發現發電機、變壓器與電網之間模擬量的變化率，切換裝置中不同的變化率對應不同的故障類型，可以預判出即將發生的故障，提前啟動切換邏輯，直接切除可能出現故障的變壓器，并將剩余發電機所在母線并入正常的運行系統。該控制方案的特點是在故障發生前就可以提前啟動控制邏輯，雖然采集的模擬量較多，運算較為復雜，但是可以提前預防事故發生，而不是等到事故發生后，由保護切除故障設備，再啟動切換邏輯，該方法可以杜絕故障對系統的影響，尤其是高電壓等級時故障的影響范圍較大，隨著科技發展的進步，相信預判式工作邏輯將有較大的發展空間。

5 結語

該文主要針對發電機帶母線的供電模式下，電源發生故障后如何安全、快速地恢復系統供電，提出現行技術下一些可行的解決方法，每類解決方法都存在自己的優缺點，可以根據不同的接線方式靈活進行選擇。同時結合該項目的實際情況，分析不同工況下的切換情況，得出可行的措施。在不同的項目中，無論選擇哪種方案，都應在實際應用過程中優先保證供電系統安全。

當然，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，才能提高在實際應用中的可行性。