糖厂自备电厂频率保护策略研究与实践

周广兴，张 茹，周 川，邝玉芬，汤晏文，管红斌，姚 鹏，章建军，罗林楚

(1云南海力特电气自动化有限公司，云南昆明650221；2昆明电器科学研究所，云南昆明650221；3俊发集团有限公司，云南昆明650225；4云南人民电力电气有限公司，云南昆明650503；5云南英茂糖业(集团)有限公司，云南昆明650228；6云南省科学技术情报研究院，云南昆明650051)

0 引言

食糖是我国居民日常生活必需品，又是国家重要的大宗农产品，在国计民生中具有重要地位[1-4]。从制糖的原料和成品的角度来看，我国有2类糖厂，一类是以甘蔗或甜菜为原料生产白砂糖和绵白糖，另一类是以原糖等原料生产精炼糖[5-6]，无论是哪一类糖厂，都对能源具有极大的需求：生产白砂糖和绵白糖需要经过切丝或撕裂、压榨、澄清、蒸发、煮炼、结晶、分蜜、干燥等工序，需要电能和热能；生产精炼糖需要经过回溶、饱充、蒸发、再结晶等工序，也需要电能和热能。糖厂的煮炼过程需要消耗大量的过热蒸汽，同时，糖厂的整体生产运行过程需要耗费大量电能，因此糖厂对电能的依赖性极高。但目前糖厂厂址一般离供电中心较远，线路容量有限，继电保护灵敏度差，有功功率平衡及无功功率平衡难度较大，电压、频率稳定性差，供电可靠性较低。为保证糖厂安全稳定、持续经济地运行，在进行糖厂电力系统设计时，常常综合考虑原材料的综合利用以及电能、热能、物料的三平衡，配置大功率发电机组增加就地供电容量[7]。糖厂自备电厂通过锅炉燃烧蔗渣产生蒸汽为汽轮机提供动力来源，糖厂自备热电厂一般选用背压式汽轮机[8]，从汽轮机中排出的背压汽经过减温减压后更适于澄清、蒸发、煮炼工段的加热工艺，保证蒸发、煮炼工序的用汽温度与用汽压力。

糖厂自备电厂的运行分为并网运行与孤网运行2种方式[9-10]。并网运行就是自备电厂发电机组与外部主网发电机组并列运行，增强系统的可靠性和稳定性；孤网运行就是自备电厂发电机组与外部主网发电机组解列运行，所有厂内负荷均由自备电厂供电。自备电厂外部主网并网运行时，如外部主网故障失电，会导致自备电厂向厂外负荷送电，过大的负荷会拖垮自备电厂，造成系统崩溃，设备与人员受伤害，带来经济损失；自备电厂孤网运行时，容易引起频率、电压波动，造成整个系统不稳定，需要自行调节负荷来维持系统的平衡。

在工程应用中，为保证糖厂顺利开机停机、安全稳定的运行，自备电厂多采用外部主网并网运行的工作方式，当外部主网故障失电时，快速准确地实施继电保护，使自备电厂与外部主网解列，独立对厂内负荷供电，避免过大的外部主网负荷把自备电厂拖垮，因此糖厂自备电厂频率保护策略的研究与实践具有非常重要的理论与工程实践意义[11]。

1 孤岛效应

从电力系统的角度以及糖厂自备电厂的装机容量来看，糖厂自备电厂与外部主网构成了分布式供用电系统，分布式供用电系统设计、建设、运行过程中必须加以解决的首要问题就是孤岛效应问题。

1.1 孤岛效应的定义与分类

孤岛效应是指包括分布式电源的电力网络因故障或故障维修跳闸之后，分布式电源因未能检测到主电网故障状态，没有做出与电网脱离的动作，仍带负荷运行，最后形成由分布式电源和与之连接的负载组成的仅靠分布式电源支撑的发电系统[12-13]。

孤岛效应分为计划孤岛效应和非计划孤岛效应2种[14]。如果分布式电源未能检测到孤岛，接入主网的断路器仍处于合闸位置，导致非计划孤岛效应的出现，电力系统崩溃、损害设备及人身安全。计划孤岛效应则是分布式电源能够及时检测到孤岛效应的出现，并按计划采取有效的操作，进入有计划的孤岛运行状态，分布式电源系统的优势得以发挥，消除了运行障碍，提高了供电的稳定性以及可靠性，并在外部主网故障时减少外部主网系统及自备电厂自身系统受到的危害。为保证主网及自备电厂的稳定性和可靠性，准确快速地对孤岛效应进行监测是关键，确保主网失电时能迅速解列或者按设计进入计划孤岛效应的运行状态。

1.2 孤岛效应的检测方法

孤岛效应的检测方法根据是否主动向电网注入检测辅助信号来进行分类，可以分为主动式检测方法和被动式检测方法2种[15]。

1.2.1 主动式检测方法

主动式检测方法又分为滑模频率偏移法、主动频率偏移检测法以及阻抗检测法[12,15]。

(1)主动频率偏移检测法：周期性地向电网中加入电流频率差，系统正常，并网运行时，由于锁相环的作用，自备电厂电流的频率与主电网的频率相同，不会发生频率偏移，孤岛运行时，自备电厂与主网解列，输出的电流频率会受到内部不稳定电流的影响，受到变动的负荷的影响而改变，超出标准规定的范围，以此检出孤岛效应。

(2)滑模频率偏移法：自备电厂与主网并列运行时，由于锁相环的作用，检测装置始终实时采集频率信号；自备电厂处于孤岛运行状态时，检测装置无法获得主网电压信号，自备电厂缺少大电网的钳制，会导致自备电厂与主网并列点处的电压频率发生偏移。频率偏移导致相位偏移，两者相互影响使频率的偏移越来越大，超出标准规定的范围，以此检出孤岛效应[16-17]。

(3)阻抗检测法：注入扰动信号改变输出电压，使电压波形产生畸变，实时检测并列点阻抗值 dU/dI，以之判断是否产生孤岛效应。并列运行时，扰动信号导致的电压畸量变小，dU/dI的值变化也小，发生孤岛效应时，阻抗值dU/dI则变化明显，以此检出孤岛效应。

1.2.2 被动式检测方法

被动式检测方法又分为过压/欠压检测法、过频/欠频检测法、电压谐波检测法和电压相位变化检测法。

(1)过压/欠压检测法：当主网失去电压，自备电厂独立给厂内及外部主网负荷供电时，有功功率不平衡，电压幅值超过或低于阈值，超过标准规定，以此检出孤岛效应[18]。

(2)过频/欠频检测法：并网运行状态下自备电厂频率与主网频率保持一致，孤岛运行时，自备电厂受负载需求变化的影响，系统频率会快速变化，超过标准规定的阈值，以此检出孤岛效应[17]。

(3)电压谐波检测法：检测自备电厂与外部主网连接处的谐波畸变率来检测孤岛。正常运行时，主网侧从电力系统的角度来说是一个无穷大系统，是一个小阻抗电压源，自备电厂是多台机组与多个负载组成的混联系统，体现为大阻抗电压源，两者在并列点并联，并列点处的谐波电压畸变率很小；孤岛时，并列点处的阻抗较大，一旦发生电流畸变，会导致较大的电压畸变，以此检出孤岛效应[19]。

(4)电压相位变化检测法：并网运行时，锁相环的功能加上大电网的钳制作用，并列点电源的功率因数为 1，自备电厂与主网的电压与电流同步，孤岛状态运行时，自备电厂脱离主网前后输出的功率发生变化，导致相位跃变，超过标准规定的阈值，以此检出孤岛效应。

2 糖厂自备电厂频率保护装置

糖厂电网孤岛效应及时准确的检测是预防的基础和前提，糖厂自备电厂与风力发电、太阳能光伏发电的原理、技术装备均不相同，实现其防孤岛保护的频率保护装置亦有所不同。频率保护装置输入、输出信号的带宽也不相同，有必要设计专用的装置。

2.1 糖厂自备电厂频率保护装置硬件

系统采用微机控制器LPCI768为核心，据此配置：电源电路、信号采样电路、晶振电路、外部信号输入与调理电路、放大输出电路等外围硬件，原理框图如图1所示。

图1 硬件电路框图

通过处理器对采集到的电流、电压、电流电压相角差、频率等参数进行处理，与继电保护标准定值进行对比，若超过阈值，则发出解列指令，待系统解列，再按照低频率减载策略及控制逻辑依据负荷的重要程度逐渐减载，确保重要负荷的正常供电，确保糖厂的正常运转，解列减载系统原理如图2所示。

本研究采用被动式检测方法中的过压/欠压检测法和过频/欠频检测法实现孤岛的检测。其工作原理如图3所示。图中低频继电器DZJ当频率低于限值时动作，低压继电器 lYJ当A、C相电压低于限值时动作，低压继电器2YJ当B、C相电压低于限值时动作，低压继电器3YJ当C 、A相电压低于限值时动作，系统采用过压/欠压检测法为孤岛检测主方法，过频/欠频检测法为辅助方法。图中的断线闭锁装置BZJ用于屏蔽低压继电器线圈回路断线误检，信号继电器1XJ误报。

低频继电器DZJ动作时，接通时间继电器1SJ，低压继电器lYJ、2YJ、3YJ动作后接通时间继电器2SJ，1SJ与DZJ配套使用，时间定值小于与lYJ、2YJ、3YJ配套使用的时间继电器2SJ的定值。1SJ、2SJ定值时间到，发出断路器分断指令，断路器分闸，机组解列运行。机组解列后，保护装置发出低频减载逻辑控制信号。

图2 解列减载系统原理图

图3 低频率解列原理图

2.2 糖厂自备电厂频率保护装置软件

2.2.1 电压、电流采集

交流电压的采集采用2只变比为380/100的电压互感器完成，采用 VV接法实现，原边分别接在A、B相与B、C相之间，实现2相线电压的采集，副边分别接于不同的糖厂自备电厂频率保护装置模拟量输入端子。频率保护装置内部设计的 100/3.3变压器将电压互感器副边的电压信号进一步降压以适配微处理器，使得数值能够在处理器ADC模块的测量电压范围内，供ADC模块进行处理。交流电流的采集分为相电流的采集与零序电流的采集，相电流的采集采用2只电流互感器实现，在3相平衡的情况下，2只电流互感器可以获得 3相电流，电流互感器副边接于糖厂自备电厂频率保护装置模拟量输入端子。零序电流的采集采用3只电流互感器实现，原边分别接于A、B、C线路中，3只电流互感器副边首尾端分别连在一起，首端、尾端各引1根线到糖厂自备电厂频率保护装置模拟量输入端子。频率保护装置内部设计的5/0.05和1/0.05的变压器将电流互感器副边的电流信号进一步降压以适配微处理器。

2.2.2 频率的采集

系统的频率是通过采集时间间隔，通过数学计算的方式间接获得，交流波形相连2个拐点之间的时间间隔就是周期，周期的倒数即为频率。其计算公式如式1所示。

式(1)中：fs为系统频率；tup(i)为第i次下极值拐点，tup(i+1)为第i次上极值拐点。

频率采集软件的设计。频率采集的程序如图4所示。

图4 频率采集软件框图

装置软件包括：电力参数采集模块、逻辑判断模块、闭锁保护模块、显示模块、解列减载模块、键盘模块等。

3 糖厂自备电厂防孤岛保护

基于糖厂生产过程稳定、经济、安全运行的需要，本研究根据糖厂的具体电力系统参数，制定了包含防孤岛保护、低频率减载(低压减载)功能的、具有可行性的完善的糖厂自备电厂防孤岛保护方案，该方案采用被动式的过压/欠压检测法以及过频/欠频检测法实现孤岛效应的检测，检测效果快速，可靠性高。

3.1 糖厂电力系统运行情况

糖厂典型的主接线图如图5所示。该糖厂配置了12 MW、10 kV发电机组1台，7 MW、10 kV发电机组1台，主网配置10 kV进线1条，厂内一次回路采用10 kV单回路母线接线，分2段运行，配1台10 kV母联柜，糖厂内部的重要负荷有压榨车间的切丝机、压榨机，锅炉车间的鼓引风机，给水间水泵等，在加上照明行车等一般负荷，总负荷大约为13000 kW，全厂电力系统分0.4、10 kV 2个电压等级。

主网电源从图5中“外电”处接入，相应回路上的断路器即为并网并列点，为确保糖厂的顺利开机与停机，安全稳定的运行，采用自备电厂与主网并列的运行方式，避免大负荷冲击引起的频率波动以及系统崩溃，确保生产过程的安全性与经济性。

图5 糖厂典型的主接线图

3.2 防孤岛保护

如图6所示，该套保护装置装设在糖厂自备电厂接入电网的公共耦合点处(PCC点)，同时实现电力参数的采集和防孤岛保护功能。

图6 公共接入点图

防孤岛保护由频率保护、低电压保护、电流保护3个部分组成，频率保护、低电压保护采用不同的原理检测孤岛效应的发生与否。频率保护通过对频率的检测，判断是否发生孤岛效应，依据低频保护控制逻辑给出是否控制系统解列的指令，同时实现低频率减载功能。低压保护通过3相电压的检测，判断是否发生孤岛效应，依据低压保护控制逻辑给出是否控制系统解列的指令。电流保护是普通保护在防孤岛保护中的延伸，属于普通保护，必须集成到防孤岛保护中，是是否需要解列最为重要的判据。

3.3 低压低频率减载

3.3.1 低频率减载

分布式电力系统中，无论是发电机故障还是突然增加负荷导致有功功率严重不足时，都会导致电源频率下降，如不能及时保证供电侧与用电侧的有功功率和无功功率的平衡，频率持续下降，最后电力系统崩溃。低频率自动减负荷功能是在发电机出力不足，电网频率不能稳定运行于规定值时，有计划地甩掉部分负荷的电力系统调节功能。在糖厂生产流程不被中断的情况下避免电力系统崩溃。

3.3.2 低压减载

分布式电力系统中，无论是发电机故障还是突然增加负荷导致功率严重不足时，都会导致电源电压下降，电压下降到一定的限值时，会导致设备的损坏和人身伤害。由电源缺额导致的电源参数变化，都可以通过减载的方式来加以调节。低压减载通过减载稳定电压，低频减载通过减载稳定频率。

防孤岛保护通过频率检测、电压检测、电流检测的方式判断孤岛效应是否发生，无论是哪种检测方法判断孤岛效应发生，系统在0.1～0.3 s内解列，一般来说频率检测的解列时间靠近0.1 s，电压检测的解列时间靠近0.3 s，电流检测的解列时间略大于电压检测的解列时间。

3.4 解列减载逻辑控制

糖厂自备电厂的解列功能与减载功能必须协调统一(无论是低频减载还是低压减载)：当系统通过频率、电压、电流、功率方向检测判定发生孤岛效应，满足解列条件时，系统解列，然后根据频率、电压检测的情况进行减载操作，调节频率、电压恢复正常；当系统检测不到联网电流时，判定为主网失电，满足解列条件时，系统解列，然后根据频率、电压检测的情况进行减载操作，调节频率、电压恢复正常。

系统的动作逻辑是先作闭锁判断，再作解列减载判断，减载判断是在判断系统己可靠解列后再进行，而闭锁保护的优先级最高。电力系统运行中的断路故障也会导致电网频率的下降、电网电压的下降，下降幅度大于解列定值时，系统会误判为孤岛效应，保护装置误动作，输出解列、减载指令，导致不必要的麻烦。因此，系统采取闭锁保护的优先级高于解列、减载的措施，当电力系统发生故障时，先发出警告，排除故障因素后，再发出解列、减载的信号。

4 结语

本文分析研究了作为并网小电源的糖厂自备电厂的运行方式特点，为糖厂防孤岛判据的选择提供了依据。在满足国家小电源接入大电网技术规定的基础上，充分考虑了糖厂的经济效益、运行安全，考虑了自备电厂处于远城电网等特点，制定了一套基于频率保护的解列减载方案，分析了孤岛检测判据，设定了针对糖厂自备电厂的较为灵活的解列减载判据。目前，企业自备电厂的继电保护尚未完善，许多保护系统未能考虑到自备电厂处于电网末梢，具有的独特并网运行特点，本文系统能同时实现解列、减载的功能，在自备电厂可靠解列后，还能适当减载来保证自备电厂的运行稳定，设计时充分考虑了可靠性、适应性、开放性与可扩展性，能根据实际情况调整功能，对自备电厂继电保护系统功能、性能的提升具有实际意义。

5 致谢

本文的构思和写作，得益于常年在糖厂服务过程中积累的一点经验和方法，以及平时工作接触的潜移默化中得到了糖业界资深教授级高级工程师周崇兴的指导，在此特表谢意！