地区电厂孤网运行在电网调度中的处理探讨

鹿 优 ，杨建国 ，徐 伟 ，何云龙

（1.山东省电力学校，山东 泰安 271000；2.泰山抽水蓄能电站，山东 泰安 271000）

0 引言

地区性发电厂是指按照五级调度划分的直属地级调度管辖的发电厂，具有装机容量不大，存在形式多样化的特点。以往，大型企业的自备电厂和热电联产的城市热电厂是地区性发电厂的主要存在形式。近年来，随着新能源发电技术的逐渐成熟，地区性发电厂的存在形式也由单一的火力发电向多样化转变，出现了风力发电站、太阳能电站、生物质能发电厂、抽水蓄能调峰电站等新的形式。这些小容量电厂的并网对电网的安全运行提出了较高的要求，一方面改变了电网正常运行和检修的方式，另一方面使继电保护和自动装置的相关配置复杂化。小发电并网的运行方式是电网调度工作关注的重点，假如小发电的并网通道或上级变电站的相关设备发生故障，则容易形成小发电与主网解列而带部分负荷独立运行的局面，从而形成一个脱离主网运行的孤立小电网，在这种情况下如何恢复小发电的并网运行是调度值班员亟待解决的一个问题。由此可见，总结地区性发电厂并网的运行方式，进一步探讨孤立电网的处理方案对于电网调度工作是十分必要的。

1 地区电厂并网的运行方式

地区电厂并网的运行方式主要包含电厂电气主接线采用的接线方式和与主网连接的方式。

由于并网电厂容量较小，而且建设在城市附近或工业负荷中心，所以无需远距离输电，并网线路的电压等级通常选用10 kV、35 kV以及110 kV，其电气主接线的接线方式通常采用无汇流母线的单元接线、桥形接线以及有汇流母线的单母线接线、单母线分段接线等。这几种接线方式具有接线简单、开关设备少、操作简便的优点，同时也存在灵活性、可靠性较差等技术问题。例如小火电通常采用发电机——升压变压器单元接线而不在机端并联运行，这种接线方式将大大减少发电机端的短路电流，但是也存在三个问题：第一，当主变发生故障时，主变高压侧的开关跳开的同时发电机的磁场开关也需要跳开；第二，当发电机故障时，若变压器高压侧开关失灵拒动，只能通过失灵保护出口启动母线差动保护或发出远方跳闸信号使线路对侧开关跳闸，若因通道原因远方跳闸信号失效，则只能由对侧后备保护切除故障，故障切除时间将大大延长，易造成发电机、主变严重损坏；第三，发电机因故跳闸，将失去厂用电，这种情况下备用电源的快速切换很可能不成功，机组将面临厂用电中断的威胁。

地区电厂与主网连接的方式在电力行业相关规程中存在规定。部颁标准《3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》规定：地区电源带就地负荷，宜以单回线或双回线在一个变电所与主系统单点联网，并在联网线路的一侧或两侧断路器上装设适当的解列装置。不宜在电厂向电网送电的主干线上接入分支线或支接变压器［1］。根据这些标准和地区电网的实际情况可以将小发电与主网连接的方式分为四种：单一线路并网型、双线路主备并网型、双线路分列并网型以及双线路并网合环运行型。具体的连接方式因地而异，现以模型示意图的形式总结如下。

1.1 单一线路并网型

单一线路并网型如图1所示，地区电厂可采用发电机——主变单元接线或桥形接线，例如两台发电机组通过开关K1并列运行，再经110 kV线路并入主网，并网时可以通过具有同期装置的K2开关进行同期并列。

图1 单一线路并网型

1.2 双线路一主一备型

双线路一主一备型如图2所示，在这种情况下，地区电厂通常采用单母线分段或桥形接线的方式，例如两台发电机组通过分段开关K5并列运行，由两条线路与主网并列，但正常运行时只通过一条线路并网，另外一条处于热备用状态，这就是双线路并网的一主一备型。在图中可见开关K1、K2合闸，“35 kV热变一线”处于运行状态，具有同期装置的开关K3分闸，开关K4合闸，“35 kV热变二线”处于热备用状态作为运行线路的备份。

图2 双线路一主一备型

1.3 双线路分列运行型

双线路分列运行型如图3所示，地区电厂通常采用单母线分段的接线方式，K5开关为电厂母线的分段开关，K6开关并网变电站的低压母线分段开关。电厂与上一级变电站通过两条线路并列，即“35 kV热变一线”和“35 kV热变二线”，两条线路均处于运行状态，而分段开关K5、K6均处于热备用状态，所以电厂的两条并网线路虽然同时运行但相对独立，称为双线路分列运行型。

图3 双线路分列运行型

1.4 双线路合环运行型

双线路合环运行型如图4所示，地区电厂与上一级变电站之间通过两条线路并网，两条并网线路均处于运行状态，同时并网线路、电厂及变电站的相应母线、分段开关形成闭合回路，在图4中合环运行是通过合上线路开关 K1、K2、K3、K4以及分段开关K5、K6实现的。这种并网方式的可靠性高，任何一路并网线路故障或检修均不需要调整运行方式，但对两条并网线路的保护配置要求较高［2］。

图4 双线路合环运行型

2 孤网系统的形成和电网并列的条件

以上4种地区电厂并网的运行方式涉及到了地区电厂、并网线路、上级变电站以及相关的用户负荷4个部分，地区电厂通过并网线路连接上级变电站，地区电厂的并网线路与用户负荷共同连接在上级变电站的母线上。一旦主网故障，例如上级变电站的主变跳闸或并网线路跳闸，往往会出现局部电网因某个断点与主网断开的情况，断开的这个小电网中存在电源与负载，即地区电厂带部分负荷独立运行的情况，孤网系统就此产生。孤立电网通常规模不大，一旦形成则地区电厂作为孤网的电源就成为孤网运行的核心，由于主网故障形成的孤网系统往往面临较大的功率缺额，频率及电压下降较快，孤网系统的稳定对孤网内的重要用户意义重大，必须配置一系列的继电保护以及自动装置实现孤网系统的稳定和对地区电厂的保护。

2.1 继电保护及自动装置的相关配置

在地区电厂方面。发电机组应配置低频低压解列、振荡解列、高频切机等自动装置。其中低频低压解列装置的整定值要与主网的低频低压减载装置相配合，当功率缺口较大时，频率与电压下降较快，低频低压解列装置跳开并网开关保护发电机组；振荡解列装置通常配置在110 kV及以上机组，在系统振荡或严重故障时跳开机组的并网开关，保证机组安全；高频切机装置通常配置在两台以上机组、带有直配负荷的公用电厂，当主网故障或孤网运行导致功率过剩超过电厂一台机组的额定功率时，装置将机组停运，以降低系统频率。此外，110 kV单母线分段的接线方式应配置母差保护，当母线故障时能够迅速的、有选择的切除母线故障。

在并网线路方面。并网线路变电站侧配置检无压重合闸，为了防止非同期合闸冲击发电机，重合闸动作应先检定线路无电压；并网线路电厂侧不配置重合闸装置。110 kV的并网线路配置纵联保护为主保护以求快速切除故障，配置三段式零序、距离保护为后备保护。35 kV及以下等级的并网线路配置三段式电流保护，其中的电流限时速断保护应具有指向线路的方向，整定值区分大、小方式，在并网机组的容量和数目变化较大时保证保护动作的灵敏性。

在变电站方面。主变低压侧或中压侧存在电厂并网时，应配置变压器中性点零序过流保护或间隙过电压保护来选跳并网线路，可以有效防止主变失电、外部故障或发电机因故未解列倒送故障电流。在变电站用户负荷处装设低频低压减载装置作为电网的第三道防线，在频率、电压大幅下降时，减除非重要用户防止系统崩溃，这一点对孤网系统的稳定有重要作用。

总之，因主网故障而形成孤网系统时，发电机组的调速系统可靠动作，低频低压减载装置正确的、按次序逐步切除部分负荷，使孤网系统稳定下来。所以，孤网系统中发电机组调速系统等自动装置可靠稳定、发电机组的出力与用户负荷基本平衡是孤网稳定运行的关键。孤网系统的稳定依赖于供用电平衡，所以必须合理配置并网变电站及其供电范围内的低频低压减载装置，调度也要合理安排正常和检修的运行方式。

2.2 电网并列的条件

孤网系统稳定运行可以确保孤网系统内的重要用户不停电，但孤网系统无法长期保持稳定运行，在故障处理完成后，调度员需要将孤网系统恢复到主网系统中来。孤网系统与主网恢复并网需要注意电网的同期条件，两个电网之间的频率、电压、相位可能存在偏差，无视同期条件的合闸操作会引发更大规模的故障，对电网造成巨大冲击和严重事故，必须通过具有同期装置的开关实现两网的并列，严禁非同期并列。

系统同期并列的理想条件为：两个待并系统的电压差、频率差、电压的相位差均为零［3］。但是影响两个待并系统电压、频率、相位角的因素较多，达到理想条件不现实。因此，这些参数只要在允许的范围内就可以实施两个系统的准同期并列。两个系统准同期并列的条件为：第一，两个待并系统的电压应接近相等，在数值上相差不应超过±（5%~10%）主网电压；第二，两个待并系统的频率应接近相等，在数值上相差不应超过±（0.2%~0.5%）主网频率；第三，同期开关的触头应在两个待并系统电压的相位差接近0°时刚好接通，所以合闸瞬间该相位差通常不应超过±10°。

3 孤网系统在电网调度中的处理方案

由于主网故障造成部分电网与主网断开，以地区电厂为电源带部分负荷孤立运行形成孤网系统。孤网系统恢复到主网中运行需要进行同期并列，从同期并网的位置加以区分可以将处理方案分为两种。

3.1 第一种方案“电厂侧并网”

首先向孤网系统的用户负荷下停电通知，其次孤网系统中的电厂与负荷解列，将孤网的用户负荷通过断路器合闸操作并入主网，最后在电厂侧与主网并列。即先甩负荷再由电厂侧并网。这种方案较为常规，普遍适合各种情况的孤网系统，是调度运行中经常使用的一种处理方案。执行这种方案的主要原因有两点：首先，由于地区电厂容量有限，当出现带部分负荷孤立运行时功率缺额过大，难以长期稳定，造成电厂解列，孤网系统崩溃；其次，部分地区电网的同期装置均配置在发电厂侧，而变电站中没有同期装置，导致同期并列的操作必须在电厂侧进行。

这种“电厂侧并网”方案的实施有两个要素：同期开关和并网线路。并网线路用于连接地区电厂与主网系统，同期开关用于地区电厂与主网系统的同期并列。并网线路电厂侧的开关带有同期装置，可以将该开关作为电厂并网的核心。具体处理方式因并网类型而异，调度值班员根据不同的并网类型进行相应的调度操作下令。

3.1.1 单一线路并网型

地区电厂单一线路并网，没有备用的并网线路和同期开关，一旦形成孤网系统，并网线路就成为孤网系统的一部分，所以地区电厂应当率先解列，由主网向并网线路送电，最终在并网线路电厂侧将电厂同期并网。在图1中，开关K2就是并网线路电厂侧的同期开关，可以拉开K2开关，由主网通过并网变电站向并网线路送电，最后再合K2开关，电厂并入主网。

3.1.2 双线路一主一备型

地区电厂通过两条线路并网，一条处于运行状态，另一条处于热备用状态，如图2所示，一旦形成孤网系统，处于运行状态的线路成为孤网系统中地区电厂的并网线路，可以使用备用并网线路和同期开关K3将孤网系统恢复到主网系统中去。先由主网系统对备用线路变电站侧的母线充电，再合上备用线路电厂侧的同期开关K3，实现电厂与主网的同期并列。

3.1.3 双线路分列运行型

地区电厂通过两条线路并网分列运行，如图3所示，两台发电机组相对独立，一旦形成孤网系统则可能出现两种局面：分列运行的发电机形成两个小系统；分列运行的发电机一台解列，一台运行。对于发电机形成两个小系统的情况，首先合上同期开关K5使两台机组并列运行，其次合上变电站中并网侧母线分段开关K6进行站内操作，变电站操作完成后再将K6拉开，并网线路电厂侧的同期开关有K1、K3两个，此时两者择一拉开（拉开K3）用以空出变电站的一条母线和并网线路，主网通过空出的母线对并网线路送电，最后合上K3完成孤网系统的恢复。对于发电机一台解列一台运行的处理方式与双线路一主一备型相似。

3.1.4 双线路合环运行型

地区电厂通过两条线路并网合环运行，如图4所示，一旦形成孤网系统，两台机组作为孤网的电源并列运行，其与主网并列的处理方案与上述的分列运行型相似，其核心思想均为创造并网所需的两个要素——同期开关和并网线路。此时只需将变电站母线分段开关K6、并网线路同期开关K1或K3拉开，则两个要素就出现了，主网通过空出的母线对并网线路送电，最后合上并网线路同期开关完成操作。

3.2 第二种方案“变电站同期”

在孤网系统与主网系统的断点处进行两个电网的同期并列。通常这个断点出现在地区电厂并网的上级变电站中，所以此时的两个电网并列是通过变电站的同期合闸操作来实现的。在不具备同期装置的变电站中进行合闸操作来实现两个电网的同期并列则会出现非同期并列的重大事故［4］，所以执行这种方案需要具备两个条件：首先，地区电厂并网变电站内装设低频低压减载装置，当出现孤网系统时，该装置可靠动作有效的切除部分负荷，保证孤网系统的短时稳定；其次，变电站中应装设自动准同期装置，该装置作为变电站综合自动化系统的重要组成部分，可以通过遥控等功能进行孤网与主网断点处的同期合闸操作，从而在变电站内实现两个电网的并列。此外，这种变电站准同期并列的实现也将突破以往在电厂侧同期并列的单一性，是未来智能电网达到“自愈性”的重要环节。

这种“变电站同期”的处理方案可以保证孤网的重要用户在不停电的情况下实现与主网系统的同期并列，这是“电厂侧并网”的处理方案不能企及的。此外，“变电站同期”的处理思想体现着一种调度运行的灵活性，该方案的实施以变电站综合自动化系统为依托，所以进一步增强变电站综合自动化系统的功能和可靠性是通向智能电网过程中的一项必要工作。

4 总结与问题

本文着重论述了当地区电厂孤网运行时，调度值班员对这种情况的处理方案。首先，配合图示阐明了地区电厂的并网运行方式；其次，从继电保护及自动装置的角度分析了孤网系统的形成过程，需要理解同期并列的具体概念；最后，在孤网系统恢复主网运行的处理方案中提出了两种处理方案，较为常规的“电厂侧并网”和较为灵活的“变电站同期”。

目前，地调对孤网系统的处理主要使用的是传统的“电厂侧并网”方案，这种方案所涉及的因素较少，处理方式较为简便。此外，这也是由地区电网的运行方式决定的，某些地区的同期装置全部安装在电厂侧，变电站侧没有同期装置，并且低频低压减载装置是从主网的角度进行整定的，不会在某一区域设置切负荷数，这导致一旦形成孤网系统，则很难稳定运行。所以，调度处理与调度运行密切相关，欲采取灵活的处理方式也必须存在灵活的运行方式。