孤网运行与频率稳定研究综述

张健铭;毕天姝;刘辉;薛安成

【摘 要】It is of great significance to study the islanding operation, which is a working condition under the extreme case of power system. Based on the analysis of the islanded grid's structure and the concept of islanded power grids, the state of the art of islanding operation and stability control at home and abroad are summarized in detail. The frequency

characteristics of islanding operation and the contributions of primary frequency control, OPC, over frequency generator tripping and UFLS made to islanding operation are introduced. The trend of stability control technology for islanded power grids is also reviewed combining with the energy strategy and power development staus quo of China.%孤网运行作为电力系统极端情况下的运行工况,其研究具有特别重要的意义.从阐释孤网的结构与概念出发,综述了孤网运行特性及安全稳定控制研究现状,分析了孤网运行时的频率特点,较全面地介绍了一次调频、OPC,高频切机与低频减载对于孤网频率稳定的贡献,并结合中国能源战略与电力发展现状,对孤网安全稳定控制技术的发展进行展望. 【期刊名称】《电力系统保护与控制》 【年(卷),期】2011(039)011 【总页数】6页(P149-154)

【关键词】孤网运行;频率稳定;一次调频;OPC;高频切机;低频减载 【作 者】张健铭;毕天姝;刘辉;薛安成

【作者单位】华北电力大学,北京,102206;华北电力大学,北京,102206;华北电力科学研究院有限责任公司,北京,100045;华北电力大学,北京,102206 【正文语种】中 文 【中图分类】TM712 0 引言

“大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制”是我国电力的现状，可增强系统整体的资源配置，提高系统抵御故障的能力，但是，系统在大扰动下维持频率稳定的能力却在不断恶化。局部电网故障、极端天气或地质灾害的发生以及人为操作失误均可能导致与主网联系薄弱的地区电网与主网解列，形成孤网运行的情况。孤网运行时系统频率变化剧烈，如果控制措施不当，极可能出现大面积停电事故[1-4]。2008年冰灾期间，贵州、广西、云南的部分电网都曾出现孤网运行情况，给国民生产生活造成恶劣影响。因此，研究孤网运行及其安全稳定控制方案，具有显著的现实意义，也是我国电力系统现状的迫切需要[5-6]。

本文从阐释孤网的结构与概念出发，综述了国内外对孤网运行特性及安全稳定控制研究现状，并结合中国能源战略与电力发展现状，对孤网安全稳定控制技术的发展进行展望。 1 孤网的基本概念

电力建设规程规定，电网中单机容量应小于电网总容量的8%，以保证当该机发生甩负荷时，不影响电网的正常运行。根据这一判据，最大单机容量小于总容量的8%的电网，即为大电网，最大单机容量远远小于总容量的8%的电网，即为无穷大电网。相比之下，最大单机容量大于电网总容量的 8%的电网，即为小网。孤立运行的小网，即为孤网。文献[7]提出了一种基于电网故障甩负荷导致的电网高频问题

的判据：如果某片电网具有单一故障下甩掉的负荷超过电网负荷的8%（甩负荷率为8%）并具有形成孤立电网的可能，则认为这个电网也具有孤网特点。

简单来讲，孤网是指脱离大电网运行的小容量电网，孤网可分为以下几种情况[8]： （1）网中有数台机组并列运行，单机与电网容量比超过8%； （2）网中仅有一台机组供电，称为单机带负荷；

（3）甩负荷带厂用电，称为小岛运行工况，是单机带负荷的一种特例。

孤网发生的瞬间，孤网内所有机组所发的上网功率和地区孤网内所有负荷所消耗的受电功率之间存在一定的功率差额，这个差额就是孤网不平衡功率ΔP。根据运行状态，孤网具体包括两种情况：一种是孤网不平衡功率等于零或者数值很小，网中机组可正常运行；另外一种孤网不平衡功率较大，主要表现在以下两个方面：一是上网功率比例过大（ΔP>0）导致孤网频率升高的问题；二是地区电网受电功率过大（ΔP<0）导致孤网频率、电压降低的问题。 2 孤网运行的频率特点

频率是电力系统中同步发电机产生的交流正弦电压的频率。在稳态运行条件下，所有发电机组同步运行，整个电力系统的频率是相等的。系统频率与发电机组的转速以及角速度的关系为：

汽轮机转子力矩平衡方程为：

式中：p为发电机转子极对数；n为发电机组的转速；f为电力系统的频率；ω为发电机组的角速度；J为汽轮机轴上各转动部分的惯性矩；MT为汽轮机的蒸汽转矩；Me为发电机组的反力矩；ΔM为汽轮机不平衡力矩。

电磁功率与原动机输入功率之间的功率不平衡表现在力矩上就是汽轮机力矩的不平衡。由上式可以看出，转子角速度的变化率与汽轮机的力矩差成正比。当汽轮机所

受力矩发生变化时，发电机组的角速度将发生变化，引起发电机组转速的变化以及系统频率的变化。由此可知，影响系统频率变化的关键因素主要有两个：①负荷与发电机出力之间的不平衡量；②系统内所有发电机总转动惯量。

孤网容量较小，各单台机组和大型用电设备所占的功率比例较大，发电机组输出功率的变化量和负荷的扰动量相对值也较大，这将对孤网频率产生明显影响。而且，孤网中所有发电机组旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，自平衡能力差，同样的不平衡力矩会引起较大的发电机组转速变化，即同样的不平衡量在孤网运行时会导致频率出现较大幅度的波动。由此可见，孤网运行存在一定的风险，这风险主要在于孤网中机组侧出力或用户侧负荷变化时，会引起孤网频率较大的变化，进而使机组转速大幅度波动，造成机组超速或者相关原因停机，降低了机组运行的可靠性，同时也容易使电网瓦解[9-12]。

孤网运行面临最本质的问题是功率不平衡问题。如果具有有效的有功功率控制手段，快速地平衡系统中由于事故产生的不平衡功率，就有可能减小甚至消除系统受到扰动时对电网的冲击。孤网运行频率表现的特殊性，要求发电机组的出力随负荷的变化而快速变化，才能维持供电频率稳定。因此孤网运行中如何提高功率变化的快速性将是减少频率变化的主要手段。 3 孤网频率控制研究

频率稳定是电力系统安全稳定运行的重要因素，它反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态。由上述孤网运行所暴露的问题可知，孤网稳定控制关注的焦点，已经由解决电气设备及供电线路处于最佳经济运行状态的问题，转变为解决在较大不平衡功率时保证孤网频率稳定的问题。对应于孤网按运行情况的分类，孤网频率控制目标也包括两种情况：当孤网不平衡功率很小时，网内机组一次调频必须满足孤网中外界负荷的变化要求；当孤网不平衡功率较大时，需要更加快速及稳定的频率控制，对于控制系统的考核相比较前一种情况更为严格。

3.1 孤网运行的一次调频控制

近年来，由于孤网事故频发，一些文献就孤网事故进行了仿真分析。文献[13]用NETOMAC（Network Torsion Machine Control）软件，以2005年南方电网的实测数据为基础，通过仿真较准确地再现了贵阳南部电网故障后形成孤网并最终引发系统持续震荡的全过程。通过故障和反演仿真结果看出，在较小不平衡功率下，系统频率仍然持续上升，证明了孤网内大部分机组一次调频速率受限是孤网高频的主要原因。孤网运行的特殊性，要求此时机组的一次调频具有更高的灵敏度、更大的调节幅度、更小的迟缓率和更快的动态响应[14-16]。

2008年冰灾期间，南方电网公司通过变更一次调频的参数设置，保证了若干孤网的稳定运行，并在之后的研究中达成了一定共识[17-18]。研究表明，孤网运行时火电机组取消一次调频死区、放开一次调频下限，可以提高其一次调频动作灵敏度，有利于孤网稳定运行。文献[18]通过对一次调频下限从放大到完全放开的各种场景进行仿真计算，证明了该措施对孤网安全稳定运行的作用。

上述措施在过剩功率较大、频率飞升过快的情况下，仍然不能保证频率的稳定。经过研究发现，有必要对现有一次调频回路进行优化，寻找更适合孤网运行的控制方式。文献[19-21]分析了冰灾期间桂林地区孤网运行时一些机组的一次调频回路优化情况。根据电网频率偏差，使用折线函数直接给出、或者通过PID运算产生一个调频控制信号。该控制信号同现有一次调频共同作用于阀门控制指令，通过增加或减少阀的开度来调节机组有功功率。同时，切除功率反馈信号，投入汽轮机数字电液调节系统（Digital Electric-Hydraulic Control System，DEH）阀位控制。与原有一次调频相比，优化后的频率控制回路可以增大一次调频的调节速度，为孤网频率稳定奠定了基础。 3.2 孤网运行与OPC

机组 DEH系统中的超速保护功能 OPC（Overspeed Protection Controller），

是指当汽轮发电机组转速升到103%额定转速时，通过快速关闭调节气阀，使机组维持在额定转速运行，避免转速升高过快而遮断停机[22]。

OPC是防止汽轮机超速的第一道防线，是保证机组安全运行的重要保护措施。孤网运行时，过剩功率过大、一次调频能力受限均可能造成孤网频率飞升过快，机组转速过高，触发 OPC动作。OPC的动作，可以快速减少机组输出的机械功率，有利于抑制孤网功率不平衡。从机组稳定性角度来看，OPC的动作，减少了加速面积，增加了减速面积，为机组一次调频争取了时间。但是，当孤网过剩功率过大时，也有可能出现OPC反复动作的情况，导致频率大幅度波动。因此，OPC动作对频率稳定的影响，是孤网运行频率控制不可回避的研究课题[23-24]。

文献[15,19-21,25]就2008年冰灾时南方电网孤网运行期间电厂所采取的OPC动作措施进行了经验总结，并分析了OPC的动作逻辑及其对系统安全稳定的影响机理。文献[25]认为，OPC的动作是一个较大的干扰源，在孤网运行工况下，应尽量减少OPC的动作次数。文献[19]在2008年冰灾期间桂林某孤网运行时，为防止OPC频繁动作情况，根据具体情况取消了OPC功能。但是，OPC功能的取消，不能在并网情况下采用，仅能作为孤网运行时的临时措施。而且，该措施也仅适应于过剩功率不大的情况，否则，一旦出现转速飞升过快将导致设备受损甚至破坏，最终引起系统崩溃。冰灾期间的另一种做法是将OPC设置延时3 s动作，这样做的目的是保证机组的安全[15]。但是，电磁暂态过程十分迅速，3 s时间相对于电磁暂态过程来说是个漫长的过程。在这段时间中，孤网频率会有很大飞升，很可能导致多台机OPC同时动作而造成系统失稳。

OPC定值的合理设置，是孤网频率稳定的有力手段。文献[25-26]就单机带负荷以及双机带负荷的孤网运行情况，通过设置孤网高频故障，进行了两次OPC动态特性试验。OPC设置采取了适当抬高定值的措施，保证了试验孤网的频率稳定。一些技术人员还提出在多机孤网系统中错开不同机组 OPC定值的方法。当孤网中机

组转速飞升时，相对于OPC同开同关的情况，此时孤网系统功率变化较为平缓，可降低所能达到的孤网最高频率，提高所能达到的最低频率。文献[23]从保证汽轮机设备安全和电力系统稳定运行的角度，提出了OPC错开定值的调整建议。需要注意的是，这种方法也有一些缺点。OPC定值设置低的机组率先动作，其调门关闭的时间较长，会引起主汽压力升高，严重时可能触发锅炉保护动作，导致发电机跳闸。

4 孤网运行时的高频切机与低频减载

在以火电机组为主体的多机孤网系统中，当过剩功率大于一台或多台机组额定输出功率时，对于电网频率稳定问题，不仅要进行快速调节机组出力的措施，而且需要考虑机组高频切机保护。

文献[27]在文献[13]的基础上，通过仿真初步探讨了高频切机对高频的抑制作用，提出装有高频切机的电厂应优先选择距主节点电气距离较近的电厂，以提高切机动作后频率响应的快速性。文献[23]针对贵州主网及其地区电网孤网运行可能出现的高频问题，提出了发电机高频切机与汽轮机OPC协调配合的保护方案。在此基础上，文献[28]提出了高频切机的安全稳定多级控制措施，并给出了防止地区及大型送端电网解列后高频运行的配置方案。

对于电网低频问题，低频减载是根本性措施。作为防止系统出现频率崩溃的最后一道防线，它通过预先定值设定逐级跳所带负荷，以恢复频率至正常值[29]。 文献[30]提出了一个简单的低阶系统频率响应模型，可以分析突然负荷扰动下大系统或解列的子系统的频率过程。利用这个模型，文献[31]通过在最后步骤中考虑最大频率偏移的修改算法来完成减载任务。然而这个简单模型没有考虑系统电压水平的影响，不能适用于许多真实系统。文献[32]针对孤立小受端系统，通过仿真表明在大有功缺额扰动下此类系统极易出现低电压问题，从而很大程度上影响了频率行为，并影响了低频减载装置的动作。通过比较不同的并联电容投切模式对频率过程

的影响，指出了合理选择电容器跳开模式对孤立系统低频减载的重要性。文献[33]对某一系统形成孤网后的频率、电压动态和低频减载方案进行了时域仿真研究。文献[34]提出以频率滑差df/dt为判据的低频减载控制。文献[35]扩充了频率滑差df/dt的应用，引入了df/dt符号判据。文献[36]通过仿真，论述并证明了孤网运行时以上两种判据的可行性。但考虑到现阶段电力系统通信能力，以及频率下降率作为特征量本身存在的振荡问题等，该判据的适应性有待进一步研究。 5 结语

本文分析了孤网运行特性，并对孤网安全稳定控制研究现状进行了综述。孤网安全稳定与控制研究是一个工程问题，也是一个学术问题，已经得到了各方强烈关注。因其自身的复杂性，至今仍有许多问题未得到好的解决。但随着研究工作的深入和新技术的发展，孤网安全稳定技术会日臻完善。 参考文献

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