由我国同期装置的现状所引发的思考

叶念国

 

【摘要】不良同期装置和手动并网是发电机的隐形杀手。通过扫描我国同期装置的现状，提出几个有关发电机并网值得高度重视的问题。

 

【关键词】并网、准同期、控制、自动化、冲击

一、概述

    发电机并网无疑是发电厂的一项事关重大的操作，它直接涉及到系统运行的稳定及发电机的安全。对这一操作的要求归纳起来是四个字－－快速准确。

手动并网尽管存在着重大的安全隐患，但目前我国还有为数可观的发电厂在使用这一方式。究其原因，主要是目前在我国广为流传的模拟式自动准同期装置不仅原理粗糙，而且经常发生误并列。所以，尽管大部分电厂都有自动准同期装置，但大多数在停用状态。

随着电力系统的发展，发电机的单机容量越来越大，人们已开始注意到对发电机和电网产生重大危害的发电机组转子轴系扭振问题。扭振并不是单纯的机械问题，而是在某种特定情况下电网与转子轴系机械系统发生的电磁共振，即所谓次同步谐振。此时电气系统通过发电机定子产生电磁力矩作用于发电机转子轴系机械系统，而转子轴系机械系统则通过转子的角位移及角速度影响电气系统，相互形成共振。导致定子的电磁力矩和转子轴系的扭矩不断增长。它们相互间的这种能量交换最终引起转子轴系的严重损坏。非同期并网就是诱发扭振的重要原因之一。因此提高并网操作的质量及自动化程度显得尤为重要。特别是对那些担挡调峰、调频任务的发电厂由于并网频繁，多次不良并网操作给发电机组带来的累积损伤是严重的。对于要实行“无人值班”的水电厂和变电站更是要用能受上位计算机控制的优良微机准同期装置取代手动同期和落后的无法与上位计算机通讯的纯硬件不良同期装置。

 

二、对同期操作的认识误区

　　1. 认为只要能把发电机并上电网，不论是用手动还是用误差极大的同期装置，能并就行。

　　2. 认为把待并发电机对系统的电压差和频率差调节得越小，并网时的冲击就越小，因此不惜多花些时间去精心调节发电机频率和电压。

3. 认为并网时发电机与系统电压间存在一定的相角差也无妨。只要在合闸回路中串进同期检查继电器（TJJ）的闭锁接点就万事大吉了，了不起在30°的相角差下并网。

4. 认为并网仅是个操作，只算安全帐，不存在经济问题。

5.认为线路阻抗大，用简单带检同期的手动同期就可以对付线路并网。

6.认为线路两端为同一系统时的合环操作必须限制在30°内进行。

　　这些认识误区带来了以下的严重后果,尽管这些后果频频地出现在人们眼前,但遗憾的是至今并不是所有人都意识到这是不良同期操作酿成的。

　（1） 对频率及电压的精心调节，浪费了大量时间，不仅不能及时的开出发电机去顶出力，而且带来了极大的空转能耗的浪费。

　（2） 屡屡发生的大相角差并网使发电机组的绕组、轴瓦、联轴器等受到严重的累积损伤。

　（3）在线路面临两端未解列的同频并网时，由于功角的存在，手动合闸所引起的潮流突发性再分配导致继电保护误动，甚至两端失步而跳闸。

 

三、发电机及线路并网过程中几个应予重视的问题：

1、同期方式的选择：

　　可以实现发电机并网的方式有两种，一是自同期方式，一是准同期方式。随着机组单机容量的不断增大，自同期方式因对系统冲击很大已很少采用，因此当今主要的并网方式为准同期方式。

2、对准同期方式三个条件的理解：

　　发电机并网的准同期方式对并列点断路器两侧的压差、频差及相角差有一定的要求。提出这些要求的目的是希望在不大的冲击下将发电机平稳地并入电网。但是一些电厂由于同期装置不可靠或是要手动并网，把这三项指标严格控制到不恰当的程度，甚至导致产生不良后果，例如延缓并网时间及引起大的冲击。

在并网过程中出现的压差将导致无功性质的冲击，频差将导致有功性质的冲击，而相角差则同时包含着两类分量的冲击。这里所指的“冲击”实质上是并网瞬间发电机与系统间的功率交换。一台可满负荷持续运行的发电机组，具有足够承受空载情况下功率交换的能力。因此，完全没有必要把压差、频差控制在一个极小的数值上。因为这样做将会大大延缓发电机的并网时间，特别是在机组的调速器和励磁调节器不太稳定时，更是人为带来了并网困难。要知道，拖长并网时间在系统稳定储备不够时将带来严重后果，而且空转损耗引起的能源浪费也不是一个小数。

对于“相角差”这一指标却应严加控制，并网瞬间大的相角差将引起机组很大的振动，因在这瞬间发电机转子被定子的电磁力矩强行地迫使与系统同步。也就是强行要一个转惯动量极大的发电机转子和原动机转子在一瞬间完成相当于“相角差”这样一个角度的旋转。这种冲击性扭矩会导致线棒、联轴器与轴瓦的损坏。从大量发电厂的发电机检修记录中都可以看到线棒、轴瓦、联轴器受损的记录。发电厂常常把这一后果归咎于电机制造厂的质量，而从来都不去想这是由于在有相角差时并网造成的恶果。控制相角差主要应使用通过实测的精确断路器（确切讲是指合闸回路）合闸时间去整定准同期装置的导前时间，而且要计及并网过程中频差其及变化率的影响。

一直沿袭至今的同期二次线设计中，都在同期合闸控制回路中串入同期检查继电器接点，以限制合闸命令只能在整定的角度范围内才能发出。无疑，这是避免非同期合闸的一个有效方法。但人们常误认为这个角度整定值越小越安全，而忽视了与之相关的其它因素，从而导致“好心办坏事”的后果。图1是同期检查回路示意图。

 

 

	THM+
			HJ

 

 

 

 

 

 

 

由同期装置控制的 合闸继电器接点

TJJ

DL

同期检查 继电器接点

                  

 

　　　 　　                                                                                                                                                     

 

 

	图1 带同期检查继电器的同期合闸回路示意图

 

 

 

 

如果同期检查继电器TJJ的整定闭锁角为d_T，并列点断路器合闸时间为t_k(秒)，同期装置的允许频差整定值为Df(赫)，这样同期装置将在同相点（d＝0°）到来前的d_k角度时发出合闸脉冲。

        d_K＝2pDf·t_k   （弧度）

当d_k<d_T时可以顺利并网。而当d_k>d_T时将产生人为制造的相角差Dd所引起的冲击，并网瞬间的相角差Dd＝d_k－d_T（未计及频差变化率）。

图2描述了同期检查继电器闭锁角整定值不同时对同期效果的影响。可以看出当闭锁角整定为d_T1时，同期装置在a点发出并网合闸脉冲，因合闸回路已接通，断路器主触头将在c点接通，发电机在d＝0°时并入电网。而当闭锁角整定为d_T2时。同期装置在a点发出并网合闸脉冲，但此时TJJ并未提供回路，直到b点才接通合闸回路，经历时间t_k 后断路器主触头在d点才接通。不难看出 ，并网瞬间将出现相角差为：

             Dd= d_k－d_T2

因而必然会引起冲击。所以闭锁角d_T的整定值必须和断路器合闸时间t_k及允许频差Df综合考虑。在t_k  较长时只有减小允许频差Df的整定值。这又将导致并网过程的拖延。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2 闭锁角整定值不同时对同期效果的影响图

　　

表1 给出了断路器合闸时间t_k（含合闸回路中间各环节），合闸时的频差Df与发出合闸命令时合闸角d_k三者的关系，这里未计及频差Df的一阶及二阶导数及 。

      其中t_k是不可改变的，因此在整定同期检查继电器的闭锁角d_T时，务必使d_T >d_k。如不符合这一条件，只有减少容许频差Df。当然，这将带来延缓并网过程的后果。

表1 断路器合闸时间t_k，容许频差Df与提前合闸角d_k相互关系

 

tk dk    Df	0.10HZ	0.15HZ	0.20HZ	0.25HZ	0.30HZ	0.35HZ	0.40HZ	0.45HZ	0.50HZ
30ms	1.1°	1.6°	2.2°	2.7°	3.2°	3.8°	4.3°	4.9°	5.4°
50ms	1.8°	2.7°	3.6°	4.5°	5.4°	6.3°	7.2°	8.1°	9°
100ms	3.6°	5.4°	7.2°	9°	10.8°	12.6°	14.4°	16.2°	18°
200ms	7.2°	10.8°	14.4°	18°	21.6°	25.2°	28.8°	32.4°	36°
300ms	10.8°	16.2°	21.6°	27°	32.4°	37.8°	43.2°	48.6°	54°
400ms	14.4°	21.6°	28.8°	36°	43.2°	50.4°	57.6°	64.8°	72°
500ms	18°	27°	36°	45°	54°	63°	72°	81°	90°
600ms	21.6°	32.4°	43.2°	54°	64.8°	75.6°	86.4°	97.2°	108°
700ms	25.2°	37.8°	50.4°	63°	75.6°	88.2°	100.8°	113.4°	126°
800ms	28.8°	43.2°	57.6°	72°	86.4°	100.8°	115.2°	129.6°	144°

 

在使用设计严密的微机准同期装置时可以考虑取消同期检查继电器的闭锁，这有利于使发电机的并网过程不致因允许频差整定值过小产生频差符号交替变换而延缓并网过程。事实上很多调速器都是临近同步速时产生不稳定的振荡，甚至造成并网难以进行。理应以较大的允许频差整定值躲开这种工况的出现，当然在进行手动准同期时，同期检查继电器的闭锁是必要的。

 

　　3、对频差变化率的考虑：

发电机一般都不是在恒速情况下进行并网的，尤其是水轮发电机的并网都是由零转速开始升速到并网的。也就是说在并网过程中不仅发电机对系统存在着频率差，而且还存在着频差的变化。这就需要同期装置具备计算频差及其一阶乃至二阶导数的能力，以保证发电机在相角差为零的瞬间并入电网。

 

　　4、应该知道断路器合闸回路的确切合闸时间：

发电机并网瞬间是否正好落在d＝0°的点上，极大程度取决于准同期装置的导前时间整定值是否与实际相符。然而遗憾的是迄今还没有人去做取得整个合闸回路（包括中间环节）精确时间的工作。这样即使准同期装置设计得再严密，没有精确原始数据的支持，并网也不可能不发生出人意料的冲击。

 

　　5、应考虑并网时系统电压过低或过高的闭锁以及TV断线的闭锁：

一般自动准同期装置是检查发电机与系统电压的压差，如实际压差满足给定值即认为电压条件符合要求。但事实上并网操作常常发生在系统不正常运行的时候，（这时系统电压水平可能大大偏离额定值，不适于进行发电机并网操作。因此，同期装置应具有对系统电压过高或过低的闭锁功能）。TV断线会引起同期装置对发电机电压进行错误调节导致在大电压差下并网，故此时应闭锁装置进行同期操作。

 

　　6、应计及并列点TV变比的偏差因素：

习惯上人们都把TV次级电压为100V时认定为额定电压，事实上由于TV变比的选择常常出现当TV初级电压为额定值时，而次级电压却不是100V，因此在整定同期装置的允许电压差时要以TV次级的真实额定电压值为依据。

 

　　7、应及时消除并网过程中出现的同频不同相状态：

当发电机的频率接近系统频率时，很易出现相角差停止变化的现象，发电机与系统电压间出现一个固定的相角差这种状态是不允许并网的，因此应予以尽快消除。一般可采取同期装置对机组发出一串控制量合适的加速脉冲，破坏同频状态。

事实上要避免同频不同相现象的出现，最有效的办法就是不将同期装置的允许频差整定过小，以期在进入同频不同相状态前发电机已并入电网。

 

　　8、应考虑实现单侧或双侧无压合闸：

在发电机启机前的厂用电常需由起动备用变压器提供，或线路检修结束后的充电都涉及到无压合闸的需求，同期装置应能在确认无压合闸条件具备的条件下，执行无压合闸。

 

9、同期装置的快速性及精确性是其最本质的技术指标：

发电机的并网是基于系统的需要，常常这种需要是紧迫的。有时系统的状况很脆弱，急需增加发电容量，因此要求发电机以“最快”的速度“平稳”地并入电网。衡量并网快速及精确性的一个具体指标就是尽速将发电机与系统的压差与频差控制在允许值内，并且不失时机的捕获“第一次”出现d＝0°的时机，将发电机在无相角差情况下并入电网。快速并网不仅赢得了时间，还节约了大量的能源。

 

10、应关注发电厂及变电站的同频并网问题：

    “并网”或称“同期”是指将两个交流电源联接起来的操作，其分为两类，一类是：“差频并网”，一类是“同频并网”。一台发电机与另一台发电机并列；一台发电机与另一个电力系统并列；两个在电气上没有联系的电力系统并列都属差频并网。其主要特征是在并网实现前并列点两侧电源的电压、频率都不相同，且由于频率不相同，使得两电源之间的相角差也在不断的变化。进行差频并网是要在并列点两侧电压和频率相近时捕获相角差为零的时机完成并列。

在电气上原已存在联系的两个电源的并列则属同频并网，其主要特征是在并网实现前并列点两侧电源的电压可能不相同，但频率相同，且存在一个固定的相角差，这个相角差即功角，其数值取决于并网前两电源间联系电路的电抗值和传输的有功功率值。从本质上讲，同频并网只不过是在已有电气联系的两电源间再增加一条联线。

  　同频并网无法按准同期的三个条件进行，因为三个条件中除了存在电压差需要检测外，频率差不存在，相角差（功角）已客观存在，也就是说这种并网注定要在一定电压差和相角差下进行。问题是多大的电压差和多大的相角差可以并网，超过多大的值就不能并网。因为电压差的数值决定了并网时两电源间的无功功率冲击值，功角的数值决定了并网时两电源间的有功功率冲击值，这种冲击实质上是并网瞬间系统潮流进行了一次突发性的再分配。不难想到，这种突发性的潮流再分配将会对继电保护和系统稳定产生影响。绝不像一些人想的那么简单，他们认为两个系统原本就联在一起，并不是真正意义的并网，只要合上断路器就行。正是这种认识使得我国的发电厂和变电站无一例外的在可能发生同频并网的断路器上采用手动并网方式，配备一个组合同期表外带一个同期检查继电器（TJJ）就算万事大吉。事实上，要么功角大于TJJ角度定值时线路合不上，要么由于这种不加功角校核的手动同频并网诱发继电保护误动及系统振荡。一些发电厂和变电站领教了这一惊吓后，不得不采取先把发电机停了，然后在无压情况下手动合上线路，再在发电机的断路器上进行自动同期。如此繁杂的线路并网过程难道不是个笑话吗？

    实行同频并网时主要检测的参数是电压差和功角，允许并网的功角整定值显然应由调度局的运行方式科通过潮流及稳定计算获得，而绝不是仅用一个固定定值的同期检查继电器就可以了。作者基于设计部门及调度部门忽视同频并网问题的情况于1997年推出了SID-2T型微机线路同期控制器，1999年推出了SID-2CM型及SID-2CT型带通讯接口的微机发电机及线路同期控制器，目的就是解决在发电厂和变电站必定会面临的同频并网问题。控制器能自动识别当时该并列点是差频并网，还是同频并网，并根据判断结果实施不同的并网操作。随后推出的SID-2H及SID-2HT型发电机及线路同期装置及SID-2D单对象发电机、线路通用同期装置则是为中、小电站设计的。

 

 

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同频并网的情况随着网络结构的日趋紧凑将越来越多，而不加计算盲目合闸的后果也更为严重。引入供线路用的自动同期装置是解决这一问题的上策，而且也促进了变电站实行真正的无人值班。当然设计部门和调度部门的认真介入也是不可或缺的条件。

 

 

　　11、同期装置应具备对上位控制机的通讯接口：

分布式控制已成为发电厂实现自动化的重要方式。所有被控设备都配备有与之相应的控制器，这些控制器常常安装在被控设备旁。分布式控制系统最大特点是每一个控制器都是独立的作战单元，它不仅就地采集数据，而且就地判断，就地控制。这样就大大淡化了上位控制机的主宰作用，从而极大地提高了系统的可靠性。这一系统要求每一个控制器都有对上位控制机的通讯接口（例如RS－422、RS－485以太网等），以实现统一的管理。

三、该是淘汰模拟式自动准同期装置的时候了：

    技术发展的道路是不断淘汰不适应生产需要的产品，代之以原理电路更先进的新产品。我国的发电厂几十年来一直沿用50多年前由原苏联发明的ACY－11型自动准同期装置所派生出的ZZQ系列的产品。这些产品不论在原理上还是在电路上都是极为落后的。而且还存在着原则性的设计错误。因此，几乎没有一台这类同期装置能满足前述的那些要求。在大量的发电厂里这些装置都停用了，而以手动同期取代。但由于信息不灵和对同期操作重视不够，我国的好些设计部门还在新设计的发电厂中选用这种设备。

    自动准同期装置的一个核心功能是在d＝0°到来前相当于断路器合闸时间t_k 时发出并网合闸命令，以实现无冲击并网。所以获得这个恒定导前时间是装置的关键技术。

    ZZQ系列同期装置利用所谓“比例－－微分”电路，对由发电机及系统电压产生的脉振电压进行变换，从而获得一个只与电路元件（电阻、电容）参数有关的恒定时间提前量，以此作为导前时间的整定值。在证明导前时间恒定性的数学推导中不仅忽略了若干不应忽略的因素，而且错误的把只适用于线性网络（只含有线性电阻、线性受控源和独立源的网络）的叠加定理用到了非线性网络，以此来实现比例电流和微分电流的叠加。加之以整形后的发电机电压及系统电压矩形波通过异或电路、滤波器后形成的三角波电压并不是真正的三角波电压。滤波器不仅把三角波的三个角削园了，而且把过零点拖后了，形成了一个连续函数（近似正弦波）。这个波形经微分后不再是矩形波。

    此外，电容器在作为微分电路使用时应满足其时间常数 t＝RC大大小于信号周期的条件。因此在同期装置工作在较大频差时，电容C将不是微分电容。而是耦合电容。

    可以想到，一切证明导前时间恒定的条件都不成立，当然就得不到所期望的恒定导前时间。事实也是如此，这些同期装置在并网时是靠“运气”，所以常常发生冲击很大的并网后果。

    ZZQ系列同期装置由于是纯硬件的设备，不可能具备更多的功能，也不可能有严密的数学模型，更谈不上与上位机进行通讯，因此，随着发电厂自动化水平的不断提高，特别是不少水电厂要实行“无人值班”，因此，淘汰这类同期装置已是迫在眉睫的工作了。

 

四、启用新的智能型准同期装置已是当务之急：

    随着计算机硬件及软件技术的飞速发展，大量适合于发电厂分布式控制的智能控制器不断涌现出来。我国最早的SID型微机准同期控制器是笔者于1983年研制完成的，84年通过鉴定。此后相继推出SID－2V型发电机准同期控制器、SID-2T型线路准同期控制器、SID-2VT型发电机线路共用准同期控制器、SID-2CM、SID-2CT型带通讯接口、全中文介面的发电机及线路准同期控制器、SID-2H型、SID-2HT型分体式发电机及线路同期装置、SID-2D型单对象发电机线路复用同期控制器等。

    SID-2系列多功能准同期控制器是按计及频差，频差一阶及二阶导数的数学模型高速计算出导前时间，并采用合闸角的预测算法，确保不漏掉第一次出现的并网机会（d＝0°）。

控制器最大提前合闸角d_k可以做到180°，因此其非常适合大频差及长合闸时间断路器的条件下进行快速并网。加之用模糊控制算法对待并列发电机进行均频及均压控制，以最快的速度促成同期条件的出现。大大缩短了并网时间，从而获得显著的节能及增加发电量的经济效益。

为了获得精确的导前时间整定值，SID-2系列微机准同期控制器在每次并网后自动测量断路器的合闸时间（含全部中间环节的时间），分辨率为1毫秒。

    在软件及硬件设计上留有极大的冗馀度，因此，装置在数百个大中型水火电厂十余年的运行中，正确动作率为100％。在火电厂的并网时间最快的只需几秒钟。对水电机组的并网时间主要取决于升速速度，一般为40秒左右。

 

五、结束语：

同期装置是发电厂的重要自动装置，其直接影响着发电机的安全与寿命，对节约能源也是不可忽视的，不要小看每次并网的冲击，这种冲击的累积将会给发电机造成致命的伤害。因此明令废止手动同期及淘汰不良同期装置这些发电机的隐形杀手已事不宜迟了。

作者简介：

叶念国  男  教授  长期从事电力系统自动化的教学研究工作  深圳市政府科技顾问，武汉大学电气工程学院兼职教授，深圳市国立智能电力科技有限公司董事长。