作者：杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司 張穎宇，何瑞璋，田國棟

摘要：當汽輪發(fā)電機組因外網(wǎng)故障需要解列進(jìn)入小網(wǎng)運行時(shí)，往往會(huì )造成供電率大幅波動(dòng)，嚴重威脅供電質(zhì)量與電網(wǎng)安全，甚至造成小網(wǎng)崩潰。和利時(shí)基于快速DCS系統研發(fā)了適用于電廠(chǎng)孤網(wǎng)運行的控制系統，可以大大降低因外網(wǎng)故障而造成電網(wǎng)崩潰的概率。目前，該系統已成功應用于某電廠(chǎng)，可以實(shí)現孤網(wǎng)切負荷并進(jìn)入小網(wǎng)運行，整體運行情況良好。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機組；孤網(wǎng)協(xié)調系統；局域電網(wǎng); 孤網(wǎng)運行；電網(wǎng)崩潰

Abstract: When the steam turbine generator unit needs to be disconnectedand switch to the Small-scale grid mode for operation due to externalpower grid fault, it will often cause large fluctuation of power supplyfrequency, seriously threaten the power supply quality and power gridsafety, and even cause the collapse of the Small-scale grid. Based onthe fast DCS system, Hollysys has developed a control system suitablefor isolated grid operation of power plant, which can greatly reduce theprobability of power grid collapse caused by external power grid fault. Atpresent, the system has been successfully applied in a power plant, whichcan realize isolated grid load shedding and switch to the Small-scale gridmode operation, and the performance is good.

Key words: Steam turbine generator; Isolated gird coordination system;Local power grid; Isolated gird operation; Grid collapse

1　前言

某電廠(chǎng)坐落于西藏高原，電廠(chǎng)裝機容量為2臺6MW抽汽凝汽式汽輪機，于2018年建成投運并入當地電網(wǎng)運行，該電廠(chǎng)主要承擔該地區居民用電、采暖任務(wù)。由于當地電網(wǎng)容量較小且不穩定，極易造成汽輪發(fā)電機組脫網(wǎng)，嚴重影響當地居民用電、用熱安全。2020年10月，和利時(shí)與電廠(chǎng)共同配合完成了現場(chǎng)孤網(wǎng)協(xié)調系統改造，并取得成功。

2　孤網(wǎng)運行及調頻

在孤立局域電網(wǎng)下，因單臺發(fā)電機組的容量占電網(wǎng)總容量的比例很大，發(fā)電機組輸出的功率必須實(shí)時(shí)跟隨用戶(hù)負荷而變，以維持供電頻率穩定。由于單臺機組進(jìn)汽量變化對電網(wǎng)頻率影響很大，汽輪機控制系統必須具有良好的一次調頻性能才能維持頻率穩定。

當發(fā)生輸電線(xiàn)路開(kāi)關(guān)跳閘將某個(gè)局域電網(wǎng)從大電網(wǎng)中分裂出來(lái)，發(fā)電廠(chǎng)要成功轉換為局域電網(wǎng)或者單機孤網(wǎng)運行，目前常規手段是依靠汽輪發(fā)電機組的一次調頻功能，且要求一次調頻性能優(yōu)良，否則，可能造成局域電網(wǎng)供電頻率大幅度波動(dòng)，甚至出現大面積停電。一次調頻利用轉速反饋，調整汽輪機發(fā)電量，平衡電網(wǎng)頻率。但當電網(wǎng)解列，負荷變化非常大時(shí)，只依靠一次調頻可能導致孤網(wǎng)運行供電品質(zhì)較差，甚至孤網(wǎng)運行失敗。

如果電廠(chǎng)存在一套“指揮系統”，在電網(wǎng)解列時(shí)刻快速聯(lián)動(dòng)汽輪發(fā)電機組各系統同步進(jìn)行調整，將大大提高孤網(wǎng)運行的成功概率。

3　用戶(hù)核心訴求

該電廠(chǎng)承擔地區居民用電、采暖等民生任務(wù)，電網(wǎng)部門(mén)及用戶(hù)提出如下兩個(gè)核心訴求：

（1）當地網(wǎng)調要求電廠(chǎng)具備良好的一次調頻和孤網(wǎng)調節能力，在國家電網(wǎng)故障時(shí)，電廠(chǎng)能安全、穩定、獨立運行，保證該地區局域電網(wǎng)供電正常。

（2）在地區局域網(wǎng)故障不可逆轉的情況下，主動(dòng)脫離該地區局域，帶廠(chǎng)用電穩定運行，當故障消除后快速恢復當地供電，并入國家電網(wǎng)。

4　項目難點(diǎn)分析

在充分了解用戶(hù)需求的前提下，通過(guò)現場(chǎng)實(shí)地考察，與各方反復交流后，識別出該項目難點(diǎn)，主要如下：

（1）環(huán)境要求。在高海拔、寬溫等惡劣條件下，控制系統必須能穩定運行。

（2）快速性要求?？刂普{節系統須滿(mǎn)足快速性要求，信號“輸入—運算—輸出”的時(shí)間應小于40ms.

（3）系統多，協(xié)調難度大。涉及勵磁、同期、DEH、故障解列、鍋爐DCS、35kV開(kāi)閉所等系統數據監視、采集、控制等任務(wù)。

（4）試驗、投運方案制定及風(fēng)險應對措施。

5　控制方案制定

在充分了解用戶(hù)需求、項目難點(diǎn)的前提下，和利時(shí)提出了一套完整的解決方案，主要有：

（1）增加一套孤網(wǎng)協(xié)調裝置。整套方案的核心裝置。具備低頻主動(dòng)防御功能、故障解列功能、自動(dòng)切負荷功能、機組快減負荷功能、自動(dòng)同期功能。該裝置采用和利時(shí)快速主控K-CU03系統，IEC標準運算周期為10ms，信號輸入/輸出小于40ms。滿(mǎn)足孤網(wǎng)快速性要求。

（2）優(yōu)化原有1#2#機組DEH控制方案?？山邮展戮W(wǎng)協(xié)調系統調度信號，實(shí)現機組快減負荷功能

（3）優(yōu)化原有勵磁系統。增加孤網(wǎng)狀態(tài)投勵磁自動(dòng)信號、勵磁增減等信號，與孤網(wǎng)協(xié)調系統配合，當機組進(jìn)入孤網(wǎng)運行后，發(fā)電機勵磁系統自動(dòng)轉為電壓自動(dòng)模式運行，自動(dòng)調節廠(chǎng)內電網(wǎng)電壓穩定。

（4）新增一套故障解列裝置。實(shí)時(shí)檢測廠(chǎng)內并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓、電流、開(kāi)關(guān)位置，自動(dòng)判斷外側供電線(xiàn)路狀態(tài)，當外供電線(xiàn)路側出現故障時(shí)，斷開(kāi)與外電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)。配合孤網(wǎng)協(xié)調系統自動(dòng)轉入孤網(wǎng)運行狀態(tài)。

（5）優(yōu)化原同期裝置。增加電廠(chǎng)與外網(wǎng)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)之間的并網(wǎng)同期需要的信號，實(shí)現孤網(wǎng)再次并入國家電網(wǎng)的功能。

（6）優(yōu)化原鍋爐主蒸汽放散閥邏輯。與孤網(wǎng)協(xié)調系統配合，自動(dòng)控制鍋爐出口壓力，防止鍋爐蒸汽超壓。

孤網(wǎng)協(xié)調系統框架如圖1所示。

圖1 孤網(wǎng)協(xié)調系統框架

6　協(xié)調控制系統

孤網(wǎng)協(xié)調系統硬件采用和利時(shí)K系列DCS平臺，其中主控器使用K-CU03高速主控。其主要性能如圖2所示。

圖2 K-CU03部分性能

孤網(wǎng)協(xié)調系統配置兩塊K-CU03控制器，控制器互為備用，其IEC標準運算周期設置為10ms，配合K系列高速I(mǎi)/O模塊，實(shí)現信號“輸入—運算—輸出”的時(shí)間應小于40ms。孤網(wǎng)協(xié)調系統主站實(shí)時(shí)采集外網(wǎng)聯(lián)絡(luò )線(xiàn)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、聯(lián)絡(luò )線(xiàn)的電壓值，聯(lián)絡(luò )線(xiàn)的功率值等信號，實(shí)時(shí)計算，一旦發(fā)生脫網(wǎng)，孤網(wǎng)協(xié)調系統將馬上判斷并向其它相關(guān)系統發(fā)送信號并使其進(jìn)入孤網(wǎng)狀態(tài)。由于孤網(wǎng)協(xié)調系統一直在實(shí)時(shí)精確計算負荷偏差，在解列甩負荷瞬間，DEH系統會(huì )精確執行減少蒸汽流量，配合DEH系統的一次調頻功能，快速穩定轉速。

本項目在主電子間設置1臺孤網(wǎng)協(xié)調主柜，在35kV開(kāi)閉所設置1臺孤網(wǎng)協(xié)調擴展柜，主柜與擴展柜之間通過(guò)光纖通訊交互數據。在運行集控室設置1臺工程師站，1臺操作員站。同時(shí)孤網(wǎng)協(xié)調控制系統與原有的DCS系統、DEH系統實(shí)現了無(wú)縫鏈接。改造完成后，電廠(chǎng)DCS、DEH系統網(wǎng)絡(luò )如圖3所示。

圖3 電廠(chǎng)DCS系統網(wǎng)絡(luò )

7　試驗及投運情況介紹

2020年9月30日，電廠(chǎng)孤網(wǎng)系統改造完成。為了主動(dòng)驗證孤網(wǎng)系統是否達到設計要求，經(jīng)區調度、調試單位、監理單位、業(yè)主單位、和利時(shí)共同討論后，編制了該項目的《孤網(wǎng)試驗方案》，并上報電網(wǎng)管理單位進(jìn)行審核并獲得批復。

2020年10月17日，按照既定試驗方案：電廠(chǎng)主動(dòng)脫離當地電網(wǎng)，孤網(wǎng)系統主動(dòng)指揮各系統進(jìn)入孤網(wǎng)運行模式。甩負荷后，轉速由3013rmp最高升至控制系統3029rmp，最終將轉速控制在±3轉，發(fā)電機組成功進(jìn)入孤網(wǎng)運行模式，各項運行數據正常。機組穩定運行120分鐘后，經(jīng)同期裝置控制，重新并入大網(wǎng)。試驗數據及過(guò)程符合預期及設計要求，試驗取得圓滿(mǎn)成功。獲取到試驗數據如下：

機組轉速最大超調量為16rpm；

機組轉速穩定時(shí)間1min；

機組穩定轉速3000±3rpm。

8　結語(yǔ)

基于和利時(shí)快速DCS平臺的孤網(wǎng)協(xié)調控制系統可以統一協(xié)調DCS、DEH、電氣等相關(guān)系統，大大提高孤網(wǎng)運行的成功率。孤網(wǎng)協(xié)調系統的成功實(shí)施及應用，說(shuō)明其可以作為維護電網(wǎng)安全的一種策略。由于孤網(wǎng)系統實(shí)時(shí)監測發(fā)電側和用電側數據，該系統同樣可以應用于冶金、造紙、化工等自備電廠(chǎng)。

作者簡(jiǎn)介：

張穎宇（1985-），男，陜西西安人，工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，主要從事汽輪機調節保護系統研究。

何瑞璋（1993-），男，山西運城人，工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，主要從事汽輪機調節保護系統項目實(shí)施。

田國棟（1984-），男，湖北武漢人，工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，主要從事汽輪機調節保護系統項目管理。

參考文獻：

[1] 劉康寧, 紀云鋒. 汽輪發(fā)電機組DEH一次調頻功能的應用及檢測[J]. 中國電業(yè)(技術(shù)版). 2012. (1) 38 - 42.

[2] 劉康寧. 論DEH一次調頻功能[C]. 中國國際發(fā)電技術(shù)會(huì )議. 2007.

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年10月刊