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作者：杭州和利時自動化有限公司 張穎宇，何瑞璋，田國棟

摘要：當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組因外網(wǎng)故障需要解列進(jìn)入小網(wǎng)運(yùn)行時，往往會造成供電率大幅波動，嚴(yán)重威脅供電質(zhì)量與電網(wǎng)安全，甚至造成小網(wǎng)崩潰。和利時基于快速DCS系統(tǒng)研發(fā)了適用于電廠孤網(wǎng)運(yùn)行的控制系統(tǒng)，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(tǒng)已成功應(yīng)用于某電廠，可以實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)切負(fù)荷并進(jìn)入小網(wǎng)運(yùn)行，整體運(yùn)行情況良好。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)組；孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)；局域電網(wǎng); 孤網(wǎng)運(yùn)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

某電廠坐落于西藏高原，電廠裝機(jī)容量為2臺6MW抽汽凝汽式汽輪機(jī)，于2018年建成投運(yùn)并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行，該電廠主要承擔(dān)該地區(qū)居民用電、采暖任務(wù)。由于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量較小且不穩(wěn)定，極易造成汽輪發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用裼秒姟⒂脽岚踩?020年10月，和利時與電廠共同配合完成了現(xiàn)場孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)改造，并取得成功。

2　孤網(wǎng)運(yùn)行及調(diào)頻

在孤立局域電網(wǎng)下，因單臺發(fā)電機(jī)組的容量占電網(wǎng)總?cè)萘康谋壤艽螅l(fā)電機(jī)組輸出的功率必須實(shí)時跟隨用戶負(fù)荷而變，以維持供電頻率穩(wěn)定。由于單臺機(jī)組進(jìn)汽量變化對電網(wǎng)頻率影響很大，汽輪機(jī)控制系統(tǒng)必須具有良好的一次調(diào)頻性能才能維持頻率穩(wěn)定。

當(dāng)發(fā)生輸電線路開關(guān)跳閘將某個局域電網(wǎng)從大電網(wǎng)中分裂出來，發(fā)電廠要成功轉(zhuǎn)換為局域電網(wǎng)或者單機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行，目前常規(guī)手段是依靠汽輪發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻功能，且要求一次調(diào)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，甚至出現(xiàn)大面積停電。一次調(diào)頻利用轉(zhuǎn)速反饋，調(diào)整汽輪機(jī)發(fā)電量，平衡電網(wǎng)頻率。但當(dāng)電網(wǎng)解列，負(fù)荷變化非常大時，只依靠一次調(diào)頻可能導(dǎo)致孤網(wǎng)運(yùn)行供電品質(zhì)較差，甚至孤網(wǎng)運(yùn)行失敗。

如果電廠存在一套“指揮系統(tǒng)”，在電網(wǎng)解列時刻快速聯(lián)動汽輪發(fā)電機(jī)組各系統(tǒng)同步進(jìn)行調(diào)整，將大大提高孤網(wǎng)運(yùn)行的成功概率。

3　用戶核心訴求

該電廠承擔(dān)地區(qū)居民用電、采暖等民生任務(wù)，電網(wǎng)部門及用戶提出如下兩個核心訴求：

（1）當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)調(diào)要求電廠具備良好的一次調(diào)頻和孤網(wǎng)調(diào)節(jié)能力，在國家電網(wǎng)故障時，電廠能安全、穩(wěn)定、獨(dú)立運(yùn)行，保證該地區(qū)局域電網(wǎng)供電正常。

（2）在地區(qū)局域網(wǎng)故障不可逆轉(zhuǎn)的情況下，主動脫離該地區(qū)局域，帶廠用電穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)故障消除后快速恢復(fù)當(dāng)?shù)毓╇姡⑷雵译娋W(wǎng)。

4　項(xiàng)目難點(diǎn)分析

在充分了解用戶需求的前提下，通過現(xiàn)場實(shí)地考察，與各方反復(fù)交流后，識別出該項(xiàng)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(tǒng)必須能穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）快速性要求。控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)須滿足快速性要求，信號“輸入—運(yùn)算—輸出”的時間應(yīng)小于40ms.

（3）系統(tǒng)多，協(xié)調(diào)難度大。涉及勵磁、同期、DEH、故障解列、鍋爐DCS、35kV開閉所等系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)視、采集、控制等任務(wù)。

（4）試驗(yàn)、投運(yùn)方案制定及風(fēng)險應(yīng)對措施。

5　控制方案制定

在充分了解用戶需求、項(xiàng)目難點(diǎn)的前提下，和利時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(diào)裝置。整套方案的核心裝置。具備低頻主動防御功能、故障解列功能、自動切負(fù)荷功能、機(jī)組快減負(fù)荷功能、自動同期功能。該裝置采用和利時快速主控K-CU03系統(tǒng)，IEC標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算周期為10ms，信號輸入/輸出小于40ms。滿足孤網(wǎng)快速性要求。

（2）優(yōu)化原有1#2#機(jī)組DEH控制方案。可接收孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)調(diào)度信號，實(shí)現(xiàn)機(jī)組快減負(fù)荷功能

（3）優(yōu)化原有勵磁系統(tǒng)。增加孤網(wǎng)狀態(tài)投勵磁自動信號、勵磁增減等信號，與孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)配合，當(dāng)機(jī)組進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為電壓自動模式運(yùn)行，自動調(diào)節(jié)廠內(nèi)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

（4）新增一套故障解列裝置。實(shí)時檢測廠內(nèi)并網(wǎng)線路的電壓、電流、開關(guān)位置，自動判斷外側(cè)供電線路狀態(tài)，當(dāng)外供電線路側(cè)出現(xiàn)故障時，斷開與外電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)。配合孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

（5）優(yōu)化原同期裝置。增加電廠與外網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線之間的并網(wǎng)同期需要的信號，實(shí)現(xiàn)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(diào)系統(tǒng)配合，自動控制鍋爐出口壓力，防止鍋爐蒸汽超壓。

孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)框架

6　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)硬件采用和利時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(diào)系統(tǒng)配置兩塊K-CU03控制器，控制器互為備用，其IEC標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算周期設(shè)置為10ms，配合K系列高速I/O模塊，實(shí)現(xiàn)信號“輸入—運(yùn)算—輸出”的時間應(yīng)小于40ms。孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)主站實(shí)時采集外網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的開關(guān)狀態(tài)、聯(lián)絡(luò)線的電壓值，聯(lián)絡(luò)線的功率值等信號，實(shí)時計算，一旦發(fā)生脫網(wǎng)，孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)將馬上判斷并向其它相關(guān)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)一直在實(shí)時精確計算負(fù)荷偏差，在解列甩負(fù)荷瞬間，DEH系統(tǒng)會精確執(zhí)行減少蒸汽流量，配合DEH系統(tǒng)的一次調(diào)頻功能，快速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

本項(xiàng)目在主電子間設(shè)置1臺孤網(wǎng)協(xié)調(diào)主柜，在35kV開閉所設(shè)置1臺孤網(wǎng)協(xié)調(diào)擴(kuò)展柜，主柜與擴(kuò)展柜之間通過光纖通訊交互數(shù)據(jù)。在運(yùn)行集控室設(shè)置1臺工程師站，1臺操作員站。同時孤網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與原有的DCS系統(tǒng)、DEH系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無縫鏈接。改造完成后，電廠DCS、DEH系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 電廠DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

7　試驗(yàn)及投運(yùn)情況介紹

2020年9月30日，電廠孤網(wǎng)系統(tǒng)改造完成。為了主動驗(yàn)證孤網(wǎng)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計要求，經(jīng)區(qū)調(diào)度、調(diào)試單位、監(jiān)理單位、業(yè)主單位、和利時共同討論后，編制了該項(xiàng)目的《孤網(wǎng)試驗(yàn)方案》，并上報電網(wǎng)管理單位進(jìn)行審核并獲得批復(fù)。

2020年10月17日，按照既定試驗(yàn)方案：電廠主動脫離當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，孤網(wǎng)系統(tǒng)主動指揮各系統(tǒng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式。甩負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速由3013rmp最高升至控制系統(tǒng)3029rmp，最終將轉(zhuǎn)速控制在±3轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)組成功進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式，各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)正常。機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行120分鐘后，經(jīng)同期裝置控制，重新并入大網(wǎng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)及過程符合預(yù)期及設(shè)計要求，試驗(yàn)取得圓滿成功。獲取到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

機(jī)組轉(zhuǎn)速最大超調(diào)量為16rpm；

機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間1min；

機(jī)組穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3000±3rpm。

8　結(jié)語

基于和利時快速DCS平臺的孤網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以統(tǒng)一協(xié)調(diào)DCS、DEH、電氣等相關(guān)系統(tǒng)，大大提高孤網(wǎng)運(yùn)行的成功率。孤網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的成功實(shí)施及應(yīng)用，說明其可以作為維護(hù)電網(wǎng)安全的一種策略。由于孤網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測發(fā)電側(cè)和用電側(cè)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)同樣可以應(yīng)用于冶金、造紙、化工等自備電廠。

作者簡介：

張穎宇（1985-），男，陜西西安人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，主要從事汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)研究。

何瑞璋（1993-），男，山西運(yùn)城人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，主要從事汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施。

田國棟（1984-），男，湖北武漢人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，主要從事汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)項(xiàng)目管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉康寧, 紀(jì)云鋒. 汽輪發(fā)電機(jī)組DEH一次調(diào)頻功能的應(yīng)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(diào)頻功能[C]. 中國國際發(fā)電技術(shù)會議. 2007.

摘自《自動化博覽》2021年10月刊