CN103166241A - 一种孤网稳定控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孤网稳定控制系统，基于脱离大电网的小容量的电网，孤网电力系统稳定运行的一个重要质量指标，反映了电力系统有功功率的供需平衡状态，频率稳定是电力系统稳定的一个重要方面，电力系统正常频率偏差允许±0.2Hz，因此，在发电容量不足出现孤网的瞬间，根据孤网频率下降幅值及时切除部分负荷；对汽机控制系统及负荷监控分级系统进行整体设计，使汽轮发电机组间保持协调控制，保证电网供配电系统能安全稳定运行；根据实际使用的负荷，通过与DEH接口实施汽轮机调门工作，实现发电和用电的平衡确保发电机一、二次调频动作的快速性，保证系统频率稳定。

Description

一种孤网稳定控制系统

技术领域

本发明涉及发电、输电、变电、配电及用电等电力控制领域，具体涉及一种孤网稳定控制系统。

背景技术

孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量的电网，电力建设规程规定，最大单机容量小于电网总容量的8％的电网，可以称为大电网，目前我国各大地区电网的机网容量比已经小于8％，可以看作无限大电网，相比之下，机网容量比大于8％的电网，统称为小网；孤立运行的小网，称为孤网。

对于小网工况，网中各机组存在负荷分配问题，要求各机组调速系统具有相同的转速不等率，要求网中调度机构进行二次调频，维持额定功率，国家电力法规规定，任何发电厂不得私自销售非同一企业法人单位用电，而对用电单位和发电单位是同一法人代表或同属一集团公司的情况则鼓励企业自备电厂自给自足。

很多自备电厂新建或扩建后，要求稳定运行，却苦于没有批文而无法并网，由于电力部门监管，很多已得到批准并网的自备电厂每度电需向电力部门缴纳高额费用。

孤网运行最突出的特点，是由负荷控制转变为频率控制，要求调速系统具有负荷要求的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，能够保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定。这就是通常所说的一次调频功能。运行人员关注的问题不再是负荷调整，而是调整孤网频率，使之维持在额定频率的附近。这种调整通过操作调速系统的给定机构来完成，称为二次调频。由于孤网容量较小，其中旋转惯量储能和锅炉群所具备的能力势能均较小，要求机组的调速系统具有更高的灵敏度，更小的迟缓率和更快的动态响应特性。

因此，解决企业自备电厂非并网(即孤网)运行，直供高能耗项目用电，充分发挥自备电厂发电设备的效能，降低度电成本就势在必行！

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种孤网在碰到各种突发情况下、能够保证企业整个电网安全稳定运行的孤网稳定控制系统。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：一种孤网稳定控制系统，基于脱离大电网的小容量的电网，孤网电力系统稳定运行的一个重要质量指标，反映了电力系统有功功率的供需平衡状态，频率稳定是电力系统稳定的一个重要方面，电力系统正常频率偏差允许±0.2Hz，因此，在发电容量不足出现孤网的瞬间，根据孤网频率下降幅值及时切除部分负荷；对汽机控制系统及负荷监控分级系统进行整体设计，使汽轮发电机组间保持协调控制，保证电网供配电系统能安全稳定运行；根据实际使用的负荷，通过与DEH接口实施汽轮机调门工作，实现发电和用电的平衡确保发电机一、二次调频动作的快速性，保证系统频率稳定。

实现所述孤网电力系统稳定运行具体包括以下步骤：

a、汽轮发电机组控制系统、励磁系统设计：1、首先对汽机控制系统及负荷监控分级系统进行整体设计，使各个机组保持协调控制，保证孤网运行后，供配电系统能安全稳定运行，并根据实际使用的负荷，通过与DEH接口实施汽轮机调门工作，实现发电和用电的平衡，对发电机调速系统进行改善，确保发电机一、二次调频动作的快速性，保证系统频率稳定；2、在用电负荷变化较大的情况下，各台机组相互配合，共同增减负荷，满足孤立电网的负荷需要，稳定频率；3、再对励磁系统改善，强励倍数增加，强励最大时限加长，以保证系统电压的稳定性，能够最大限度的适应孤网运行；

b、负荷管理和控制系统及通信网络设计，在监控中心，通过建立一个全局性的供配电综合管理自动化系统，构成覆盖全部子系统和电气网络的两个功能层次的计算机网络系统，实现对电能等能源介质的自动监测，进而完成能源的优化调度和控制管理；系统采用可靠的工业网络构成的集散式数据采集监控分析管理系统，系统与蒸汽轮机通过通讯或硬接线方式实现通讯，实现发电机组负荷控制、机组间负荷自动分配及切负荷的实施；

上述系统包括主冗余软件和监控中心软件以及程序功能软件、各个子站处理器软件及与冗余系统的网络连接通讯软件、各子站处理器与现场终端设备之间的数据交互程序功能软件，各部分之间通过通讯实现联通共同完成孤网稳定控制系统；

c、孤网运行工况的稳定性设计，在碰到发电机故障跳机时，为了不使整个电网系统的瘫痪，在大电网与小电网之间的母联分段开关作为与系统并网的功率交换点；为确保发电机故障解列时迅速并网接入系统，在发电机所带孤网的和大电网之间增设一台同期跟踪隔离变压器，使发电机孤网运行时与系统实时同期。

进一步的，所述步骤a中，对所述汽轮发电机组控制系统设计，1、为了提高控制系统的反应速度，对DEH硬件进行优化，选用分散控制系统，设计直接接在IO总线上的伺服卡，省去了输出卡的环节；2、为了减少故障环节，将DEH核心部件-伺服卡直接接在IO总线上，省去输出卡的环节，控制器的控制周期减小到50ms，转速卡的测量时延减小到1ms，整个系统的时延在51ms内，由此产生的转速飞升减少80％以上；3、采用一体化转速加速度控制卡件，采用转速加速度计算预估的转速最高值，当预估的转速最高值高于OPC设定值时，提前动作OPC；4、在工况进入孤网运行状态时，通过抬高OPC保护定值，尽量避免OPC的发生，以防止电网频率变化时出现OPC保护动作将动作预设固定值抬高。

进一步的，所述步骤b中，所述负荷管理系统设置负荷分级快切系统，按照预先设定计划快速切除次要负荷或调节甚至切除发电机，保持电网运行稳定；所述控制系统采用专业数据采集及分布式控制系统，在各出线回路新增数据采集模块，在所带用户高压配电室和发电机就地设控制站，站控系统完成数据采集、处理、下发指令等功能，通过对各回路负荷重要性进行评估，将所有负荷按其重要性和危害性程度进行分类合并，最终形成不同的优先级别，确保系统甩负荷安全、快速、可靠，当出现系统负荷过重时快速、有效的分级切除；所述通信网络设计为可靠的工业网络构成的集散式数据采集监控分析管理系统，系统与蒸汽轮机通过硬接线方式实现通讯，实现发电机组负荷控制、机组间负荷自动分配及切负荷的实施，能保证机组实现长时间孤网运行的目的。

进一步的所述负荷分级快切系统必须保证在系统故障或大电机启动时不能误切负荷，响应速度满足发电机稳定性要求，负荷分级快切系统直接切用户高压配电室馈线，负荷分级快切系统服务器采用冗余设计，从就地监控装置到服务器全网络采用光纤通讯，要求系统动作响应速度小于200ms，在能源中心设监控上位机实时对系统进行监控与操作。

进一步的所述负荷管理系统增加低周减载系统，孤网运行工况遇发电机故障，优先考虑负荷快切方案，而低周减负荷作为后备方式，采用独立的低周减载系统来实现。

进一步的所述步骤b供配电综合管理自动化系统采用双机双网结构，在主控室配置两台热备冗余的数据服务器，用于实时数据采集与处理，历史数据库的存储，配置数据库的存储，并且把该系统数据转发到能源中心；配置两台操作站供值班员对系统日常运行监视及操作；配置一台工程师站供专业工程师对系统日常维护及数据分析；配置一套冗余处理器，通过光纤工业以太网与各个子站的处理器互联。

本发明具有以下优点：1、汽轮发电机组控制系统、励磁系统设计可以并网前启动控制、并网后的阀位控制、功率闭环控制、主汽压控制、孤网控制、主汽压保护、补汽控制、遥控及快速减负荷控制等控制功能；软件系统和硬件系统相互配合工作，保证整个电力系统安全稳定运行；具备单机二次调频功能，能够满足单机带厂用电及单机孤立运行功能；2、负荷管理和控制系统及通信网络设计，对输配电的各个回路的负荷控制进行监控，综合计算配电系统的工作状况，满足了孤网运行的要求；对发电和配电系统的情况进行综合的监控，根据实际使用的负荷，调节发电机工作，实现发电和用电的平衡，实现负荷管理。在发电设备出现异常的情况下对用电负荷进行调节和切换，保证异常情况下工厂的基本运行，满足了孤网运行的要求；3、孤网运行工况的稳定性设计，使发电机孤网运行就能实现大网运行功率控制，从而取代原发电机各自小网运行靠外网调节的控制。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图；

图2为本发明系统软件流程图。

具体实施方式

孤网稳定控制系统，基于脱离大电网的小容量的电网，孤网电力系统稳定运行的一个重要质量指标，反映了电力系统有功功率的供需平衡状态，频率稳定是电力系统稳定的一个重要方面，电力系统正常频率偏差允许±0.2Hz，因此，在发电容量不足出现孤网的瞬间，根据孤网频率下降幅值及时切除部分负荷；对汽机控制系统及负荷监控分级系统进行整体设计，使汽轮发电机组间保持协调控制，保证孤网系统供配电系统能安全稳定运行；根据实际使用的负荷，通过与DEH接口实施汽轮机调门工作，实现发电和用电的平衡确保发电机一、二次调频动作的快速性，保证系统频率稳定。

实施例一：

汽轮发电机组控制系统、励磁系统设计：1、首先对汽机控制系统及负荷监控分级系统进行整体设计，使各个机组保持协调控制，保证孤网后，供配电系统能安全稳定运行，并根据实际使用的负荷，通过与DEH接口实施汽轮机调门工作，实现发电和用电的平衡，对发电机调速系统进行改善，确保发电机一、二次调频动作的快速性，保证系统频率稳定；2、在用电负荷变化较大的情况下，各台机组相互配合，共同增减负荷，满足孤立电网的负荷需要，稳定频率；3、再对励磁系统改善，强励倍数增加，强励最大时限加长，以保证系统电压的稳定性，能够最大限度的适应孤网运行。

对所述汽轮发电机组控制系统设计，1、为了提高控制系统的反应速度，对DEH硬件进行优化，选用分散控制系统，设计直接接在IO总线上的伺服卡，省去了输出卡的环节；2、为了减少故障环节，将DEH核心部件-伺服卡直接接在IO总线上，省去输出卡的环节，控制器的控制周期减小到50ms，转速卡的测量时延减小到1ms，整个系统的时延在51ms内，由此产生的转速飞升减少80％以上；3、采用一体化转速加速度控制卡件，采用转速加速度计算预估的转速最高值，当预估的转速最高值高于OPC设定值时，提前动作OPC；4、在工况进入孤网运行状态时，通过抬高OPC保护定值，尽量避免OPC的发生，以防止电网频率变化时出现OPC保护动作将动作预设固定值抬高。

在进入孤网控制后，取消了103％动作的固定性。孤网运行中当出现甩负荷时，可能使机组转速迅速上升，OPC保护动作，迅速关闭调门，这时如果调速汽门关的太慢，容易让汽轮机转速继续飞升，超过3300rpm，而引起停机。或者因为孤网运行负荷较小，起停大型设备都可能造成转速大幅度波动。从而引起OPC反复动作，将大型设备烧坏。所以在工况进入孤网运行状态时，通过抬高OPC保护定值，尽量避免OPC的发生，以防止电网频率变化时出现OPC保护动作将103％动作固定值抬高。

实施例二：

负荷管理和控制系统及通信网络设计，在监控中心，通过建立一个全局性的供配电综合管理自动化系统，构成覆盖全部子系统和电气网络的两个功能层次的计算机网络系统，实现对电能等能源介质的自动监测，进而完成能源的优化调度和控制管理；系统采用可靠的工业网络构成的集散式数据采集监控分析管理系统，系统与蒸汽轮机通过通讯或硬接线方式实现通讯，实现发电机组负荷控制、机组间负荷自动分配及切负荷的实施。

图1所示，供配电综合管理自动化系统采用双机双网结构，在主控室配置两台热备冗余的数据服务器，用于实时数据采集与处理，历史数据库的存储，配置数据库的存储，并且把该系统数据转发到能源中心；配置两台操作站供值班员对系统日常运行监视及操作；配置一台工程师站供专业工程师对系统日常维护及数据分析；配置一套冗余处理器，通过光纤工业以太网与各个子站的处理器互联。

图1所示，上述系统包括主冗余软件和监控中心软件以及程序功能软件、各个子站处理器软件及与冗余系统的网络连接通讯软件、各子站处理器与现场终端设备之间的数据交互程序功能软件，各部分之间通过通讯实现联通共同完成孤网稳定控制系统。

负荷管理系统设置负荷分级快切系统，按照预先设定计划快速切除次要负荷或调节甚至切除发电机，保持电网运行稳定，负荷分级快切系统必须保证在系统故障或大电机启动时不能误切负荷，响应速度满足发电机稳定性要求，负荷分级快切系统直接切用户高压配电室馈线，负荷分级快切系统服务器采用冗余设计，从就地监控装置到服务器全网络采用光纤通讯，要求系统动作响应速度小于200ms，在能源中心设监控上位机，实时对系统进行监控与操作；所述控制系统采用专业数据采集及分布式控制系统，在各出线回路新增数据采集模块，在所带用户高压配电室和发电机就地设控制站，站控系统完成数据采集、处理、下发指令等功能，通过对各回路负荷重要性进行评估，将所有负荷按其重要性和危害性程度进行分类合并，最终形成不同的优先级别，确保系统甩负荷安全、快速、可靠，当出现系统负荷过重时快速、有效的分级切除；通信网络设计为可靠的工业网络构成的集散式数据采集监控分析管理系统，系统与蒸汽轮机通过硬接线方式实现通讯，实现发电机组负荷控制、机组间负荷自动分配及切负荷的实施，能保证机组实现长时间孤网运行的目的。

参见图2所示，考虑到故障跳机是作为整个负荷快切的直接启动条件，判断发电机故障跳机的判据除了判断发电机出口断路器位置外，还增加最小负荷判断，再考虑到机组PLC通讯中断或PLC故障的情况下，采集不到功率，会判断不到故障跳机，于是又增加了一个PLC通讯中断判断逻辑，增加发电机检修判断，防止在发电机检修时误启动快切负荷。

负荷管理系统增加低周减载系统，孤网运行工况遇发电机故障，优先考虑负荷快切方案，而低周减负荷作为后备方式，采用独立的低周减载系统来实现。

实施例三：

孤网运行工况的稳定性设计，在碰到发电机故障跳机时，为了不使整个电网系统的瘫痪，在大电网与小电网之间的母联分段开关作为与系统并网的功率交换点；为确保发电机故障解列时迅速并网接入系统，在发电机所带孤网和大电网之间增设一台同期跟踪隔离变压器，使发电机孤网运行时与系统实时同期。

当出现上述故障而母联合闸并网不成功，直接切入“负荷控制系统”以及“低周减载”进行负荷稳定控制；当出现同期隔离变压器故障，而母联无法合闸时，进入“完全孤网”状态。发电机组经改造后的调速系统“快速一次调频回路和二次调频”进入孤网控制，随时进行电网频率调节。同时“负荷控制系统”，“低周减载”等安保措施投入，随时在其他故障出现时能够使电网的发电和用电在短时间内达到一个合理的平衡。

实施例四：孤网稳定控制系统实现

1、本部分的功能监控中心的冗余总控制器PLC来实现，需要实现与2台服务器、1个操作站以及1个工程师站实现监控网络的通讯，之间的传输协议采用的是OPC的方式。总控制器PLC负责将从各子站采集的数据转发给后台服务器，另外还需接受后台服务器下发的数据并转发给各子站PLC。冗余总控制器PLC与后台自行构成一个小型的局域网，独立于冗余总控制器PLC与各子站控制器PLC网络之外。另外总控制器PLC还需要负责采集各个子站控制器PLC的数据，并进行逻辑运算，然后输出给各子站内的PLC，从而实现对终端设备的控制功能。所有的逻辑控制程序以及指令的发出都是在冗余的总控制器PLC的中完成。

2、本部分功能主要是实现冗余总控制器PLC与各子站控制器PLC之间的通讯功能，使其之间实现数据的交换。依靠EtherNet/IP模块和各子站控制室内的PLC建立一个自行的局域网，该网络也完全独立于总控制器PLC与后台系统的网络之外。总控制器与子站控制器PLC之间的数据交换采用MESSAGE指令来完成，每个子站PLC与总控制器PLC都需要通过3个MESSAGE指令来完成数据的读写操作(读AI、DI，写DO)。

3、本部分的软件主要是各子站控制器PLC接收到冗余总控制器PLC的控制指令以后，并将指令下发到对应的终端设备，另一方面从终端设备处将模拟量信号以及开入量信号采集回来，送往冗余的总控制器PLC以实现各终端设备当前状态的监控。

Claims (7)

1.一种孤网稳定控制系统，基于脱离大电网的小容量的电网，孤网电力系统稳定运行的一个重要质量指标，反映了电力系统有功功率的供需平衡状态，频率稳定是电力系统稳定的一个重要方面，电力系统正常频率偏差允许±0.2Hz，因此，在发电容量不足出现孤网的瞬间，根据孤网频率下降幅值及时切除部分负荷；对汽机控制系统及负荷监控分级系统进行整体设计，使汽轮发电机组间保持协调控制，保证电网供配电系统能安全稳定运行；根据实际使用的负荷，通过与DEH接口实施汽轮机调门工作，实现发电和用电的平衡确保发电机一、二次调频动作的快速性，保证系统频率稳定。

2.根据权利要求1所述的孤网稳定控制系统，其特征在于：实现所述孤网电力系统稳定运行具体包括以下步骤：

a、汽轮发电机组控制系统、励磁系统设计：1、首先对汽机控制系统及负荷监控分级系统进行整体设计，使各个机组保持协调控制，保证孤网运行后，供配电系统能安全稳定运行，并根据实际使用的负荷，通过与DEH接口实施汽轮机调门工作，实现发电和用电的平衡，对发电机调速系统进行改善，确保发电机一、二次调频动作的快速性，保证系统频率稳定；2、在用电负荷变化较大的情况下，各台机组相互配合，共同增减负荷，满足孤立电网的负荷需要，稳定频率；3、再对励磁系统改善，强励倍数增加，强励最大时限加长，以保证系统电压的稳定性，能够最大限度的适应孤网运行；

b、负荷管理和控制系统及通信网络设计，在监控中心，通过建立一个全局性的供配电综合管理自动化系统，构成覆盖全部子系统和电气网络的两个功能层次的计算机网络系统，实现对电能等能源介质的自动监测，进而完成能源的优化调度和控制管理；系统采用可靠的工业网络构成的集散式数据采集监控分析管理系统，系统与蒸汽轮机通过通讯或硬接线方式实现通讯，实现发电机组负荷控制、机组间负荷自动分配及切负荷的实施；

上述系统包括主冗余软件和监控中心软件以及程序功能软件、各个子站处理器软件及与冗余系统的网络连接通讯软件、各子站处理器与现场终端设备之间的数据交互程序功能软件，各部分之间通过通讯实现联通共同完成孤网稳定控制系统；

c、孤网运行工况的稳定性设计，在碰到发电机故障跳机时，为了不使整个电网系统的瘫痪，在大电网与小电网之间的母联分段开关作为与系统并网的功率交换点；为确保发电机故障解列时迅速并网接入系统，在发电机所带孤网的和大电网之间增设一台同期跟踪隔离变压器，使发电机孤网运行时与系统实时同期。

3.根据权利要求2所述的孤网稳定控制系统，其特征在于：所述步骤a中，对所述汽轮发电机组控制系统设计。1、)为了提高控制系统的反应速度，对DEH硬件进行优化，选用分散控制系统，设计直接接在IO总线上的伺服卡，省去了输出卡的环节；2、)为了减少故障环节，将DEH核心部件-伺服卡直接接在IO总线上，省去输出卡的环节，控制器的控制周期减小到50ms，转速卡的测量时延减小到1ms，整个系统的时延在51ms内，由此产生的转速飞升减少80％以上；3、)采用一体化转速加速度控制卡件，采用转速加速度计算预估的转速最高值，当预估的转速最高值高于OPC设定值时，提前动作OPC；4、)在工况进入孤网运行状态时，通过抬高OPC保护定值，尽量避免OPC的发生，以防止电网频率变化时出现OPC保护动作将动作预设固定值抬高。

4.根据权利要求1所述的孤网稳定控制系统，其特征在于：所述步骤b中，所述负荷管理系统设置负荷分级快切系统，按照预先设定计划快速切除次要负荷或调节甚至切除发电机，保持电网运行稳定；所述控制系统采用专业数据采集及分布式控制系统，在各出线回路新增数据采集模块，在所带用户高压配电室和发电机就地设控制站，站控系统完成数据采集、处理、下发指令等功能，通过对各回路负荷重要性进行评估，将所有负荷按其重要性和危害性程度进行分类合并，最终形成不同的优先级别，确保系统甩负荷安全、快速、可靠，当出现系统负荷过重时快速、有效的分级切除；所述通信网络设计为可靠的工业网络构成的集散式数据采集监控分析管理系统，系统与蒸汽轮机通过硬接线方式实现通讯，实现发电机组负荷控制、机组间负荷自动分配及切负荷的实施，能保证机组实现长时间孤网运行的目的。

5.根据权利要求4所述的孤网稳定控制系统，其特征在于：所述负荷分级快切系统必须保证在系统故障或大电机启动时不能误切负荷，响应速度满足发电机稳定性要求，负荷分级快切系统直接切用户高压配电室馈线，负荷分级快切系统服务器采用冗余设计，从就地监控装置到服务器全网络采用光纤通讯，要求系统动作响应速度小于200ms，在能源中心设监控上位机实时对系统进行监控与操作。

6.根据权利要求2或4所述的孤网稳定控制系统，其特征在于：所述负荷管理系统增加低周减载系统，孤网运行工况遇发电机故障，优先考虑负荷快切方案，而低周减负荷作为后备方式，采用独立的低周减载系统来实现。

7.根据权利要求2所述的孤网稳定控制系统，其特征在于：所述步骤b供配电综合管理自动化系统采用双机双网结构，在主控室配置两台热备冗余的数据服务器，用于实时数据采集与处理，历史数据库的存储，配置数据库的存储，并且把该系统数据转发到能源中心；配置两台操作站供值班员对系统日常运行监视及操作；配置一台工程师站供专业工程师对系统日常维护及数据分析；配置一套冗余处理器，通过光纤工业以太网与各个子站的处理器互联。

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