糖廠自備電廠頻率保護策略研究與實踐

周廣興，張 茹，周 川，鄺玉芬，湯晏文，管紅斌，姚 鵬，章建軍，羅林楚

(1云南海力特電氣自動化有限公司，云南昆明650221；2昆明電器科學研究所，云南昆明650221；3俊發集團有限公司，云南昆明650225；4云南人民電力電氣有限公司，云南昆明650503；5云南英茂糖業(集團)有限公司，云南昆明650228；6云南省科學技術情報研究院，云南昆明650051)

0 引言

食糖是我國居民日常生活必需品，又是國家重要的大宗農產品，在國計民生中具有重要地位[1-4]。從制糖的原料和成品的角度來看，我國有2類糖廠，一類是以甘蔗或甜菜為原料生產白砂糖和綿白糖，另一類是以原糖等原料生產精煉糖[5-6]，無論是哪一類糖廠，都對能源具有極大的需求：生產白砂糖和綿白糖需要經過切絲或撕裂、壓榨、澄清、蒸發、煮煉、結晶、分蜜、干燥等工序，需要電能和熱能；生產精煉糖需要經過回溶、飽充、蒸發、再結晶等工序，也需要電能和熱能。糖廠的煮煉過程需要消耗大量的過熱蒸汽，同時，糖廠的整體生產運行過程需要耗費大量電能，因此糖廠對電能的依賴性極高。但目前糖廠廠址一般離供電中心較遠，線路容量有限，繼電保護靈敏度差，有功功率平衡及無功功率平衡難度較大，電壓、頻率穩定性差，供電可靠性較低。為保證糖廠安全穩定、持續經濟地運行，在進行糖廠電力系統設計時，常常綜合考慮原材料的綜合利用以及電能、熱能、物料的三平衡，配置大功率發電機組增加就地供電容量[7]。糖廠自備電廠通過鍋爐燃燒蔗渣產生蒸汽為汽輪機提供動力來源，糖廠自備熱電廠一般選用背壓式汽輪機[8]，從汽輪機中排出的背壓汽經過減溫減壓后更適于澄清、蒸發、煮煉工段的加熱工藝，保證蒸發、煮煉工序的用汽溫度與用汽壓力。

糖廠自備電廠的運行分為并網運行與孤網運行2種方式[9-10]。并網運行就是自備電廠發電機組與外部主網發電機組并列運行，增強系統的可靠性和穩定性；孤網運行就是自備電廠發電機組與外部主網發電機組解列運行，所有廠內負荷均由自備電廠供電。自備電廠外部主網并網運行時，如外部主網故障失電，會導致自備電廠向廠外負荷送電，過大的負荷會拖垮自備電廠，造成系統崩潰，設備與人員受傷害，帶來經濟損失；自備電廠孤網運行時，容易引起頻率、電壓波動，造成整個系統不穩定，需要自行調節負荷來維持系統的平衡。

在工程應用中，為保證糖廠順利開機停機、安全穩定的運行，自備電廠多采用外部主網并網運行的工作方式，當外部主網故障失電時，快速準確地實施繼電保護，使自備電廠與外部主網解列，獨立對廠內負荷供電，避免過大的外部主網負荷把自備電廠拖垮，因此糖廠自備電廠頻率保護策略的研究與實踐具有非常重要的理論與工程實踐意義[11]。

1 孤島效應

從電力系統的角度以及糖廠自備電廠的裝機容量來看，糖廠自備電廠與外部主網構成了分布式供用電系統，分布式供用電系統設計、建設、運行過程中必須加以解決的首要問題就是孤島效應問題。

1.1 孤島效應的定義與分類

孤島效應是指包括分布式電源的電力網絡因故障或故障維修跳閘之后，分布式電源因未能檢測到主電網故障狀態，沒有做出與電網脫離的動作，仍帶負荷運行，最后形成由分布式電源和與之連接的負載組成的僅靠分布式電源支撐的發電系統[12-13]。

孤島效應分為計劃孤島效應和非計劃孤島效應2種[14]。如果分布式電源未能檢測到孤島，接入主網的斷路器仍處于合閘位置，導致非計劃孤島效應的出現，電力系統崩潰、損害設備及人身安全。計劃孤島效應則是分布式電源能夠及時檢測到孤島效應的出現，并按計劃采取有效的操作，進入有計劃的孤島運行狀態，分布式電源系統的優勢得以發揮，消除了運行障礙，提高了供電的穩定性以及可靠性，并在外部主網故障時減少外部主網系統及自備電廠自身系統受到的危害。為保證主網及自備電廠的穩定性和可靠性，準確快速地對孤島效應進行監測是關鍵，確保主網失電時能迅速解列或者按設計進入計劃孤島效應的運行狀態。

1.2 孤島效應的檢測方法

孤島效應的檢測方法根據是否主動向電網注入檢測輔助信號來進行分類，可以分為主動式檢測方法和被動式檢測方法2種[15]。

1.2.1 主動式檢測方法

主動式檢測方法又分為滑模頻率偏移法、主動頻率偏移檢測法以及阻抗檢測法[12,15]。

(1)主動頻率偏移檢測法：周期性地向電網中加入電流頻率差，系統正常，并網運行時，由于鎖相環的作用，自備電廠電流的頻率與主電網的頻率相同，不會發生頻率偏移，孤島運行時，自備電廠與主網解列，輸出的電流頻率會受到內部不穩定電流的影響，受到變動的負荷的影響而改變，超出標準規定的范圍，以此檢出孤島效應。

(2)滑模頻率偏移法：自備電廠與主網并列運行時，由于鎖相環的作用，檢測裝置始終實時采集頻率信號；自備電廠處于孤島運行狀態時，檢測裝置無法獲得主網電壓信號，自備電廠缺少大電網的鉗制，會導致自備電廠與主網并列點處的電壓頻率發生偏移。頻率偏移導致相位偏移，兩者相互影響使頻率的偏移越來越大，超出標準規定的范圍，以此檢出孤島效應[16-17]。

(3)阻抗檢測法：注入擾動信號改變輸出電壓，使電壓波形產生畸變，實時檢測并列點阻抗值 dU/dI，以之判斷是否產生孤島效應。并列運行時，擾動信號導致的電壓畸量變小，dU/dI的值變化也小，發生孤島效應時，阻抗值dU/dI則變化明顯，以此檢出孤島效應。

1.2.2 被動式檢測方法

被動式檢測方法又分為過壓/欠壓檢測法、過頻/欠頻檢測法、電壓諧波檢測法和電壓相位變化檢測法。

(1)過壓/欠壓檢測法：當主網失去電壓，自備電廠獨立給廠內及外部主網負荷供電時，有功功率不平衡，電壓幅值超過或低于閾值，超過標準規定，以此檢出孤島效應[18]。

(2)過頻/欠頻檢測法：并網運行狀態下自備電廠頻率與主網頻率保持一致，孤島運行時，自備電廠受負載需求變化的影響，系統頻率會快速變化，超過標準規定的閾值，以此檢出孤島效應[17]。

(3)電壓諧波檢測法：檢測自備電廠與外部主網連接處的諧波畸變率來檢測孤島。正常運行時，主網側從電力系統的角度來說是一個無窮大系統，是一個小阻抗電壓源，自備電廠是多臺機組與多個負載組成的混聯系統，體現為大阻抗電壓源，兩者在并列點并聯，并列點處的諧波電壓畸變率很小；孤島時，并列點處的阻抗較大，一旦發生電流畸變，會導致較大的電壓畸變，以此檢出孤島效應[19]。

(4)電壓相位變化檢測法：并網運行時，鎖相環的功能加上大電網的鉗制作用，并列點電源的功率因數為 1，自備電廠與主網的電壓與電流同步，孤島狀態運行時，自備電廠脫離主網前后輸出的功率發生變化，導致相位躍變，超過標準規定的閾值，以此檢出孤島效應。

2 糖廠自備電廠頻率保護裝置

糖廠電網孤島效應及時準確的檢測是預防的基礎和前提，糖廠自備電廠與風力發電、太陽能光伏發電的原理、技術裝備均不相同，實現其防孤島保護的頻率保護裝置亦有所不同。頻率保護裝置輸入、輸出信號的帶寬也不相同，有必要設計專用的裝置。

2.1 糖廠自備電廠頻率保護裝置硬件

系統采用微機控制器LPCI768為核心，據此配置：電源電路、信號采樣電路、晶振電路、外部信號輸入與調理電路、放大輸出電路等外圍硬件，原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件電路框圖

通過處理器對采集到的電流、電壓、電流電壓相角差、頻率等參數進行處理，與繼電保護標準定值進行對比，若超過閾值，則發出解列指令，待系統解列，再按照低頻率減載策略及控制邏輯依據負荷的重要程度逐漸減載，確保重要負荷的正常供電，確保糖廠的正常運轉，解列減載系統原理如圖2所示。

本研究采用被動式檢測方法中的過壓/欠壓檢測法和過頻/欠頻檢測法實現孤島的檢測。其工作原理如圖3所示。圖中低頻繼電器DZJ當頻率低于限值時動作，低壓繼電器 lYJ當A、C相電壓低于限值時動作，低壓繼電器2YJ當B、C相電壓低于限值時動作，低壓繼電器3YJ當C 、A相電壓低于限值時動作，系統采用過壓/欠壓檢測法為孤島檢測主方法，過頻/欠頻檢測法為輔助方法。圖中的斷線閉鎖裝置BZJ用于屏蔽低壓繼電器線圈回路斷線誤檢，信號繼電器1XJ誤報。

低頻繼電器DZJ動作時，接通時間繼電器1SJ，低壓繼電器lYJ、2YJ、3YJ動作后接通時間繼電器2SJ，1SJ與DZJ配套使用，時間定值小于與lYJ、2YJ、3YJ配套使用的時間繼電器2SJ的定值。1SJ、2SJ定值時間到，發出斷路器分斷指令，斷路器分閘，機組解列運行。機組解列后，保護裝置發出低頻減載邏輯控制信號。

圖2 解列減載系統原理圖

圖3 低頻率解列原理圖

2.2 糖廠自備電廠頻率保護裝置軟件

2.2.1 電壓、電流采集

交流電壓的采集采用2只變比為380/100的電壓互感器完成，采用 VV接法實現，原邊分別接在A、B相與B、C相之間，實現2相線電壓的采集，副邊分別接于不同的糖廠自備電廠頻率保護裝置模擬量輸入端子。頻率保護裝置內部設計的 100/3.3變壓器將電壓互感器副邊的電壓信號進一步降壓以適配微處理器，使得數值能夠在處理器ADC模塊的測量電壓范圍內，供ADC模塊進行處理。交流電流的采集分為相電流的采集與零序電流的采集，相電流的采集采用2只電流互感器實現，在3相平衡的情況下，2只電流互感器可以獲得 3相電流，電流互感器副邊接于糖廠自備電廠頻率保護裝置模擬量輸入端子。零序電流的采集采用3只電流互感器實現，原邊分別接于A、B、C線路中，3只電流互感器副邊首尾端分別連在一起，首端、尾端各引1根線到糖廠自備電廠頻率保護裝置模擬量輸入端子。頻率保護裝置內部設計的5/0.05和1/0.05的變壓器將電流互感器副邊的電流信號進一步降壓以適配微處理器。

2.2.2 頻率的采集

系統的頻率是通過采集時間間隔，通過數學計算的方式間接獲得，交流波形相連2個拐點之間的時間間隔就是周期，周期的倒數即為頻率。其計算公式如式1所示。

式(1)中：fs為系統頻率；tup(i)為第i次下極值拐點，tup(i+1)為第i次上極值拐點。

頻率采集軟件的設計。頻率采集的程序如圖4所示。

圖4 頻率采集軟件框圖

裝置軟件包括：電力參數采集模塊、邏輯判斷模塊、閉鎖保護模塊、顯示模塊、解列減載模塊、鍵盤模塊等。

3 糖廠自備電廠防孤島保護

基于糖廠生產過程穩定、經濟、安全運行的需要，本研究根據糖廠的具體電力系統參數，制定了包含防孤島保護、低頻率減載(低壓減載)功能的、具有可行性的完善的糖廠自備電廠防孤島保護方案，該方案采用被動式的過壓/欠壓檢測法以及過頻/欠頻檢測法實現孤島效應的檢測，檢測效果快速，可靠性高。

3.1 糖廠電力系統運行情況

糖廠典型的主接線圖如圖5所示。該糖廠配置了12 MW、10 kV發電機組1臺，7 MW、10 kV發電機組1臺，主網配置10 kV進線1條，廠內一次回路采用10 kV單回路母線接線，分2段運行，配1臺10 kV母聯柜，糖廠內部的重要負荷有壓榨車間的切絲機、壓榨機，鍋爐車間的鼓引風機，給水間水泵等，在加上照明行車等一般負荷，總負荷大約為13000 kW，全廠電力系統分0.4、10 kV 2個電壓等級。

主網電源從圖5中“外電”處接入，相應回路上的斷路器即為并網并列點，為確保糖廠的順利開機與停機，安全穩定的運行，采用自備電廠與主網并列的運行方式，避免大負荷沖擊引起的頻率波動以及系統崩潰，確保生產過程的安全性與經濟性。

圖5 糖廠典型的主接線圖

3.2 防孤島保護

如圖6所示，該套保護裝置裝設在糖廠自備電廠接入電網的公共耦合點處(PCC點)，同時實現電力參數的采集和防孤島保護功能。

圖6 公共接入點圖

防孤島保護由頻率保護、低電壓保護、電流保護3個部分組成，頻率保護、低電壓保護采用不同的原理檢測孤島效應的發生與否。頻率保護通過對頻率的檢測，判斷是否發生孤島效應，依據低頻保護控制邏輯給出是否控制系統解列的指令，同時實現低頻率減載功能。低壓保護通過3相電壓的檢測，判斷是否發生孤島效應，依據低壓保護控制邏輯給出是否控制系統解列的指令。電流保護是普通保護在防孤島保護中的延伸，屬于普通保護，必須集成到防孤島保護中，是是否需要解列最為重要的判據。

3.3 低壓低頻率減載

3.3.1 低頻率減載

分布式電力系統中，無論是發電機故障還是突然增加負荷導致有功功率嚴重不足時，都會導致電源頻率下降，如不能及時保證供電側與用電側的有功功率和無功功率的平衡，頻率持續下降，最后電力系統崩潰。低頻率自動減負荷功能是在發電機出力不足，電網頻率不能穩定運行于規定值時，有計劃地甩掉部分負荷的電力系統調節功能。在糖廠生產流程不被中斷的情況下避免電力系統崩潰。

3.3.2 低壓減載

分布式電力系統中，無論是發電機故障還是突然增加負荷導致功率嚴重不足時，都會導致電源電壓下降，電壓下降到一定的限值時，會導致設備的損壞和人身傷害。由電源缺額導致的電源參數變化，都可以通過減載的方式來加以調節。低壓減載通過減載穩定電壓，低頻減載通過減載穩定頻率。

防孤島保護通過頻率檢測、電壓檢測、電流檢測的方式判斷孤島效應是否發生，無論是哪種檢測方法判斷孤島效應發生，系統在0.1～0.3 s內解列，一般來說頻率檢測的解列時間靠近0.1 s，電壓檢測的解列時間靠近0.3 s，電流檢測的解列時間略大于電壓檢測的解列時間。

3.4 解列減載邏輯控制

糖廠自備電廠的解列功能與減載功能必須協調統一(無論是低頻減載還是低壓減載)：當系統通過頻率、電壓、電流、功率方向檢測判定發生孤島效應，滿足解列條件時，系統解列，然后根據頻率、電壓檢測的情況進行減載操作，調節頻率、電壓恢復正常；當系統檢測不到聯網電流時，判定為主網失電，滿足解列條件時，系統解列，然后根據頻率、電壓檢測的情況進行減載操作，調節頻率、電壓恢復正常。

系統的動作邏輯是先作閉鎖判斷，再作解列減載判斷，減載判斷是在判斷系統己可靠解列后再進行，而閉鎖保護的優先級最高。電力系統運行中的斷路故障也會導致電網頻率的下降、電網電壓的下降，下降幅度大于解列定值時，系統會誤判為孤島效應，保護裝置誤動作，輸出解列、減載指令，導致不必要的麻煩。因此，系統采取閉鎖保護的優先級高于解列、減載的措施，當電力系統發生故障時，先發出警告，排除故障因素后，再發出解列、減載的信號。

4 結語

本文分析研究了作為并網小電源的糖廠自備電廠的運行方式特點，為糖廠防孤島判據的選擇提供了依據。在滿足國家小電源接入大電網技術規定的基礎上，充分考慮了糖廠的經濟效益、運行安全，考慮了自備電廠處于遠城電網等特點，制定了一套基于頻率保護的解列減載方案，分析了孤島檢測判據，設定了針對糖廠自備電廠的較為靈活的解列減載判據。目前，企業自備電廠的繼電保護尚未完善，許多保護系統未能考慮到自備電廠處于電網末梢，具有的獨特并網運行特點，本文系統能同時實現解列、減載的功能，在自備電廠可靠解列后，還能適當減載來保證自備電廠的運行穩定，設計時充分考慮了可靠性、適應性、開放性與可擴展性，能根據實際情況調整功能，對自備電廠繼電保護系統功能、性能的提升具有實際意義。

5 致謝

本文的構思和寫作，得益于常年在糖廠服務過程中積累的一點經驗和方法，以及平時工作接觸的潛移默化中得到了糖業界資深教授級高級工程師周崇興的指導，在此特表謝意！