作者：杭州和利时自动化有限公司 张颖宇，何瑞璋，田国栋

摘要：当汽轮发电机组因外网故障需要解列进入小网运行时，往往会造成供电率大幅波动，严重威胁供电质量与电网安全，甚至造成小网崩溃。和利时基于快速DCS系统研发了适用于电厂孤网运行的控制系统，可以大大降低因外网故障而造成电网崩溃的概率。目前，该系统已成功应用于某电厂，可以实现孤网切负荷并进入小网运行，整体运行情况良好。

关键词：汽轮发电机组；孤网协调系统；局域电网; 孤网运行；电网崩溃

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

某电厂坐落于西藏高原，电厂装机容量为2台6MW抽汽凝汽式汽轮机，于2018年建成投运并入当地电网运行，该电厂主要承担该地区居民用电、采暖任务。由于当地电网容量较小且不稳定，极易造成汽轮发电机组脱网，严重影响当地居民用电、用热安全。2020年10月，和利时与电厂共同配合完成了现场孤网协调系统改造，并取得成功。

2　孤网运行及调频

在孤立局域电网下，因单台发电机组的容量占电网总容量的比例很大，发电机组输出的功率必须实时跟随用户负荷而变，以维持供电频率稳定。由于单台机组进汽量变化对电网频率影响很大，汽轮机控制系统必须具有良好的一次调频性能才能维持频率稳定。

当发生输电线路开关跳闸将某个局域电网从大电网中分裂出来，发电厂要成功转换为局域电网或者单机孤网运行，目前常规手段是依靠汽轮发电机组的一次调频功能，且要求一次调频性能优良，否则，可能造成局域电网供电频率大幅度波动，甚至出现大面积停电。一次调频利用转速反馈，调整汽轮机发电量，平衡电网频率。但当电网解列，负荷变化非常大时，只依靠一次调频可能导致孤网运行供电品质较差，甚至孤网运行失败。

如果电厂存在一套“指挥系统”，在电网解列时刻快速联动汽轮发电机组各系统同步进行调整，将大大提高孤网运行的成功概率。

3　用户核心诉求

该电厂承担地区居民用电、采暖等民生任务，电网部门及用户提出如下两个核心诉求：

（1）当地网调要求电厂具备良好的一次调频和孤网调节能力，在国家电网故障时，电厂能安全、稳定、独立运行，保证该地区局域电网供电正常。

（2）在地区局域网故障不可逆转的情况下，主动脱离该地区局域，带厂用电稳定运行，当故障消除后快速恢复当地供电，并入国家电网。

4　项目难点分析

在充分了解用户需求的前提下，通过现场实地考察，与各方反复交流后，识别出该项目难点，主要如下：

（1）环境要求。在高海拔、宽温等恶劣条件下，控制系统必须能稳定运行。

（2）快速性要求。控制调节系统须满足快速性要求，信号“输入—运算—输出”的时间应小于40ms.

（3）系统多，协调难度大。涉及励磁、同期、DEH、故障解列、锅炉DCS、35kV开闭所等系统数据监视、采集、控制等任务。

（4）试验、投运方案制定及风险应对措施。

5　控制方案制定

在充分了解用户需求、项目难点的前提下，和利时提出了一套完整的解决方案，主要有：

（1）增加一套孤网协调装置。整套方案的核心装置。具备低频主动防御功能、故障解列功能、自动切负荷功能、机组快减负荷功能、自动同期功能。该装置采用和利时快速主控K-CU03系统，IEC标准运算周期为10ms，信号输入/输出小于40ms。满足孤网快速性要求。

（2）优化原有1#2#机组DEH控制方案。可接收孤网协调系统调度信号，实现机组快减负荷功能

（3）优化原有励磁系统。增加孤网状态投励磁自动信号、励磁增减等信号，与孤网协调系统配合，当机组进入孤网运行后，发电机励磁系统自动转为电压自动模式运行，自动调节厂内电网电压稳定。

（4）新增一套故障解列装置。实时检测厂内并网线路的电压、电流、开关位置，自动判断外侧供电线路状态，当外供电线路侧出现故障时，断开与外电网的联络开关。配合孤网协调系统自动转入孤网运行状态。

（5）优化原同期装置。增加电厂与外网联络线之间的并网同期需要的信号，实现孤网再次并入国家电网的功能。

（6）优化原锅炉主蒸汽放散阀逻辑。与孤网协调系统配合，自动控制锅炉出口压力，防止锅炉蒸汽超压。

孤网协调系统框架如图1所示。

图1 孤网协调系统框架

6　协调控制系统

孤网协调系统硬件采用和利时K系列DCS平台，其中主控器使用K-CU03高速主控。其主要性能如图2所示。

图2 K-CU03部分性能

孤网协调系统配置两块K-CU03控制器，控制器互为备用，其IEC标准运算周期设置为10ms，配合K系列高速I/O模块，实现信号“输入—运算—输出”的时间应小于40ms。孤网协调系统主站实时采集外网联络线的开关状态、联络线的电压值，联络线的功率值等信号，实时计算，一旦发生脱网，孤网协调系统将马上判断并向其它相关系统发送信号并使其进入孤网状态。由于孤网协调系统一直在实时精确计算负荷偏差，在解列甩负荷瞬间，DEH系统会精确执行减少蒸汽流量，配合DEH系统的一次调频功能，快速稳定转速。

本项目在主电子间设置1台孤网协调主柜，在35kV开闭所设置1台孤网协调扩展柜，主柜与扩展柜之间通过光纤通讯交互数据。在运行集控室设置1台工程师站，1台操作员站。同时孤网协调控制系统与原有的DCS系统、DEH系统实现了无缝链接。改造完成后，电厂DCS、DEH系统网络如图3所示。

图3 电厂DCS系统网络

7　试验及投运情况介绍

2020年9月30日，电厂孤网系统改造完成。为了主动验证孤网系统是否达到设计要求，经区调度、调试单位、监理单位、业主单位、和利时共同讨论后，编制了该项目的《孤网试验方案》，并上报电网管理单位进行审核并获得批复。

2020年10月17日，按照既定试验方案：电厂主动脱离当地电网，孤网系统主动指挥各系统进入孤网运行模式。甩负荷后，转速由3013rmp最高升至控制系统3029rmp，最终将转速控制在±3转，发电机组成功进入孤网运行模式，各项运行数据正常。机组稳定运行120分钟后，经同期装置控制，重新并入大网。试验数据及过程符合预期及设计要求，试验取得圆满成功。获取到试验数据如下：

机组转速最大超调量为16rpm；

机组转速稳定时间1min；

机组稳定转速3000±3rpm。

8　结语

基于和利时快速DCS平台的孤网协调控制系统可以统一协调DCS、DEH、电气等相关系统，大大提高孤网运行的成功率。孤网协调系统的成功实施及应用，说明其可以作为维护电网安全的一种策略。由于孤网系统实时监测发电侧和用电侧数据，该系统同样可以应用于冶金、造纸、化工等自备电厂。

作者简介：

张颖宇（1985-），男，陕西西安人，工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要从事汽轮机调节保护系统研究。

何瑞璋（1993-），男，山西运城人，工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要从事汽轮机调节保护系统项目实施。

田国栋（1984-），男，湖北武汉人，工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要从事汽轮机调节保护系统项目管理。

参考文献：

[1] 刘康宁, 纪云锋. 汽轮发电机组DEH一次调频功能的应用及检测[J]. 中国电业(技术版). 2012. (1) 38 - 42.

[2] 刘康宁. 论DEH一次调频功能[C]. 中国国际发电技术会议. 2007.

摘自《自动化博览》2021年10月刊