大唐石门电厂安全稳定控制方案研究

杨 丹，刘海峰，涂长庚，余晓鸿，王科清

（1.国家电网湖南省电力公司，湖南 长沙 410007；2.国家电网湖南省电力公司 电力科学研究院，湖南 长沙 410007；3.国家电网公司华中分部，湖北 武汉 430077；4.国家电网北京市电力公司 物资公司，北京 100031）

大唐石门电厂是中国湖南湘西北电网的主力电源之一，随着电网的发展，其送出断面潮流重载问题日益突出，严重时甚至导致电厂出力受限，采取母联断路器开环运行方式可以释放其部分受限出力，但是随着负荷的增长，开环运行也无法保证机组满出力外送。

为保证电力系统的安全稳定运行，除建立合理的电网结构、安排合理的运行方式外，二次系统也必须配备合理的安全稳定控制措施，组成一个完善的防御系统。电网安全稳定控制装置是保证电网安全稳定运行的“第二道防线”，也是提高受端电网受电能力及提高电厂外送能力的重要手段。通过配置稳控装置，能够在确保电网安全的前提下保证电厂外送［1-2］。

1 电厂送出潮流分析

大唐石门电厂通过石盘Ⅰ，Ⅱ（线型2×LGJ-300）、石岗Ⅰ，Ⅱ线（线型2×LGJ-240+LHGJT-440）4回220kV线路接入电网（石盘Ⅰ，Ⅱ线为同杆并架线路；石岗Ⅰ，Ⅱ线为同杆并架线路），其中，石盘Ⅰ，Ⅱ线既是电厂的重要外送线路也是向常德北部以及湖区电网供电的主力通道。

1.1 大唐石门正常方式下潮流分析

冬季大负荷方式下，若大唐石门、创元等火电机组全开满发，则大唐石门电厂出力主要通过石盘Ⅰ，Ⅱ线外送，石岗Ⅰ，Ⅱ线潮流较轻，甚至由岗市向石门电厂方向输送。如图1所示，若江垭、皂市、三江口等水电机组全停，石盘Ⅰ，Ⅱ线潮流均达到300 MW，超过热稳定极限；若石盘Ⅰ线跳闸，90%以上的潮流将转移至石盘Ⅱ线，石盘Ⅱ线将严重过载。按照“N-1原则”，需严格控制石盘Ⅰ，Ⅱ线潮流之和，导致大唐石门电厂出力受限。

图1 大唐石门送出潮流分布Figure 1 Power flow distribution of Shimen Power Plant

岗市主变是向常德地区供电的主力通道，冬季大负荷时期，下网压力较大。以2012年12月最大负荷点为例，常德地区负荷1 775MW，岗市主变下网624MW，负载率达96%。减轻岗市下网最有效手段即增加常益张地区220kV并网机组出力，而大唐石门电厂由于石盘断面的控制，出力限制在400MW左右，江垭、皂市以及常德、张家界地区110kV及以下并网的水电厂需长期大方式运行。对枯水期水电机组检修以及水库蓄水极为不利。随着负荷的不断增长，大唐石门出力受限甚至可能造成常德地区供电紧张。

1.2 大唐石门电厂母联开环方式潮流分析

为了释放大唐石门电厂受限电力，减轻江垭、皂市等电厂的顶峰压力，通过改变其接线方式可以提高石盘断面的输送能力。

1）开环方案1。

大唐石门电厂1＃机组及石岗Ⅰ，Ⅱ线置于一组母线，2＃机组及石盘Ⅰ，Ⅱ线置于另一组母线，母联600断开。此方式下虽然石盘断面重载问题得以解决，但是常德地区盘山、七重堰、窑坡等变电站及湖区护城、明山等变电站电压低落；另一方面，湖区电网80%以上的电力由220kV岗明、迎沅Ⅰ线获取，将导致湖区电网电力供应紧张，若江垭电厂小方式运行还会造成岗市零断面重载，因此，此方式不可取。

2）开环方案2。

大唐石门电厂＃1机组及石岗、石盘Ⅰ线置于一组母线，＃2机组及石岗、石盘Ⅱ线置于另一组母线，母联600断开。此方式下，潮流分布较正常方式基本没有变化，但是石盘Ⅰ线跳闸后，仅60%的潮流转移至石盘Ⅱ线，初始潮流及故障后潮流转移情况如表1所示。此方式下，石盘Ⅰ，Ⅱ线控制功率可提高，且保证了电厂每台机组都通过两回220kV线路与系统联系，可靠性较高。

采取母联开环的方式，释放了大唐石门电厂的部分受限出力，但是个别时段仍无法保证2台机组满发。在500kV常德北变电站投产前，随着湖区及常德北部电网负荷的不断增长，石盘断面重载的情况日益严重。石盘断面成为制约大唐石门电厂外送的重要瓶颈。

表1 大唐石门开合环方式潮流对比Table 1 Power flow comparison with the open loop and closed loop operation modes

2 电厂送出稳定校核

2.1 正常方式下稳定校核

正常方式下，大唐石门电厂外送稳定水平较高，重要外送线路石盘Ⅰ，Ⅱ线、石岗Ⅰ，Ⅱ线、盘窑线、盘七线等都能通过三相故障校核。即使同杆并架的石盘或者石岗双回发生异名相故障重合闸不成功而同时跳闸，大唐石门电厂机组也能保持稳定运行。

2.2 检修方式下稳定校核

检修方式下，重要设备三相故障可能造成大唐石门电厂功角失稳。例如：大唐石门电厂2台机组运行，石岗Ⅰ线停运方式下，石岗Ⅱ线三相故障跳闸将导致机组功角失稳，其功角曲线如图2（a）所示；若机组留5%的旋备，并辅以切机措施，该方式下所有设备都能通过三相故障校核，功角曲线如图2（b）所示，其中，2＃机组故障后被切除，1＃机组能够保持稳定运行。

图2 石岗Ⅱ线三相故障功角曲线Figure 2 Power-angle curves for three-phase fault of transmission line S-GⅡ

3 安全稳定控制装置设计方案

电网安全稳定控制装置是为保证电力系统在遇到大扰动时的稳定性而在电厂或者变电站内装设的控制设备，实现切机、切负荷、快速减出力、直流功率紧急提升或回降等功能，是保持电力系统安全稳定运行的第二道防线的重要设施［3］。目前，实现切机功能的稳控装置广泛应用于湖南电网，在正常情况下保证了电源的外送，故障情况下通过切机等措施确保了电网安全。

考虑单个厂站稳定控制系统的特点和要求，安全稳定控制装置一般有3种配置方案：单机、双机和三机容错系统［4］。大唐石门电厂安控装置对可靠性要求不高，可采取单机系统配置。

3.1 基本功能

在正常方式下，大唐石门电厂外送主要是热稳定问题；检修方式下则存在功角稳定问题。同时，考虑到大唐石门、皂市、三江口等常德地区水火电群的整体外送，装置需具备接收远方信号切机功能。大唐石门电厂稳控装置应实现的基本功能如下：

1）电厂任一出线故障或无故障跳闸（含线路本侧或对侧开关跳闸），启动切机。

2）同杆并架的石岗（石盘）双回同时跳闸启动切机。

3）自动识别运行方式（含正常方式、出线单回检修方式、开环方式等），并预留2～3个特殊方式。

4）开环方式下需识别机组及线路所接母线，实现线路跳闸切另一组母线机组功能。

5）自动判别电厂开机方式及大出力机组。

6）能够定义3～4个不同断面。

7）预留接收岗市、盘山方向来远切信号切本厂机组的功能。

8）2台机组运行时，保留1台机组不切。

3.2 装置策略结构表

根据功能需求，安全稳定控制装置策略结构如表2所示，其中，断面1定义为石盘Ⅰ，Ⅱ线潮流之和，断面2定义为石岗Ⅰ，Ⅱ线潮流之和，断面3定义为大唐石门2台机组出力之和。

3.3 接入电气量及压板设置

根据装置基本功能，需接入电气量：1＃，2＃主变高压侧的三相电压、三相电流，四回220kV出线及旁路的三相电流、切换后母线三相电压、母联三相电流；机组及线路挂母线刀闸位置、母联开关位置、保护动作三跳信号、线路开关位置信号等。

表2 大唐石门电厂策略结构Table 2 Strategy structural table for Shimen power plant

压板设置：总功能压板、特殊方式压板、四回线路检修压板、四回线路旁代压板、机组允切压板、通道压板；切换把手。

3.4 装置逻辑判别原理

1）线路投停判别逻辑。

正常方式下，石岗Ⅰ，Ⅱ线潮流较轻，如果仅根据线路电流判断投停可能造成误判，因此，需接入线路开关位置信号进行辅助判断。判别逻辑：①线路检修压板未投；②线路电流≥投运电流定值Ity；③线路有功功率≥投运功率定值Pty；④线路HWJ信号为1。

如果①满足且②③④中任一条件满足，即判为投运；若线路判为投运但④不满足，装置发出线路HWJ不一致异常告警信号。

2）线路跳闸判别逻辑。

线路跳闸可以分为线路故障跳闸、线路本侧无故障跳闸、线路对侧无故障跳闸。

故障跳闸可以采用电气量加跳闸开关量进行综合判断，判据完善可靠，即保护三跳信号为1，线路HWJ信号为0，电流突增量大于定值，电压突降量大于定值，4个条件同时满足时判为线路故障跳闸。

线路无故障跳闸判据一般采用电气量，较易满足，在联络线功率变化较大，特别是在功率反向时，可能出现电流突变，且电流和功率绝对值很小的情况。所以采用纯电气量的判别方式，受原理的限制，存在着不能正确判别是否跳闸的情况［5］。因电厂外送线路故障后潮流转移集中，可以引入相邻线路电流突变量作为防误判据，判别逻辑如图3所示。

图3 线路无故障跳闸判别逻辑图Figure 3 Logic diagram for tripping discretion without any fault

3.5 其他重要功能

1）装置具有TV，TA断线告警功能。

2）具有较强的抗干扰能力。交直流系统操作、大气过电压、系统谐波、无线电等不会引起拒动、误动及死机。

3）装置死机后具备快速自动复位功能。

4）配有RS485以及以太网通讯口，方便接入省调调度数据网集中管理系统。

5）面板信号灯可准确反映装置的运行、启动、动作、通道及异常情况。

4 配置稳控后效果

冬季枯水期大负荷方式下，石门电厂外送断面重载问题最为突出。采取母联600开关开环运行的方式可以释放电厂部分受限出力，若辅以稳控切机措施，石门电厂外送基本不受限。

故障前，石盘Ⅰ，Ⅱ线潮流之和为500MW，如图4（a）所示；石盘Ⅰ线跳闸，如果不采取措施，石盘Ⅱ线潮流达399MW，超热稳定极限运行，如图4（b）所示；稳控装置正确动作，切除2＃机组后，石盘Ⅱ线潮流为286MW，在热稳定极限功率之内，如图4（c）所示。经计算，石门电厂2＃机组对石盘Ⅱ线潮流的灵敏度高达38%，故障后通过稳控装置切除机组对降低石盘Ⅱ线潮流非常有效。

5 结语

图4 稳措实施后石盘Ⅰ线跳闸前、后潮流分布Figure 4 Power Flow distribution of transmission line S-PⅠafter the operation of stability control equipment

合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础。随着电源、负荷的增长，电网结构可能在短期内无法满足电源外送及负荷增长的需求。在电力系统中采用合理的、性能完善的安全稳定控制装置，是提高系统输送能力，保证系统安全稳定运行的重要措施［6-8］。

大唐石门电厂通过配置安全稳定控制装置，在重要送出线路跳闸时启动切除机组，提高了电厂的外送稳定水平，减少了电厂受限出力，对减轻500 kV岗市主变下网压力，合理安排周边水电机组运行方式，确保常德地区电力的可靠供应具有重要意义。

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