大容量发电机组同期装置设计及配置冗余度浅议

叶念国

[摘要]：电力系统基于节能、环保、高效的考虑，发电机组的单机容量在向大的方向发展，当今单机500MW~1000MW的机组也日益增多，面临单机容量所占系统容量的比重加大，其运行的可靠性就突显出来。同期装置的可靠性及同期装置的配置是诸多影响机组安全运行的重要因素之一，因此，研究同期装置设计的冗余性，及配置的冗余度就显得非常必要。

关键词：同期装置、设计冗余、配置冗余 

1 概述

  基于电力系统运行方式的改变，发电机组和输电线路经常要进行同期操作，同期装置的可靠性直接关系到同期操作的安全性，或者说关系到电力系统运行的安全性。过去电力系统中的火电机组大多为亚临界机组，而当今超临界和超超临界机组的比例在快速上升，因锅炉蒸汽温度每提高10℃，热效率提高约0.28%，工质压力每提高1Mpa，热效率提高约0.2%，我国发电的主要能源为煤，因此，使用超超临界发电参数的机组对节能有重要意义。

历史经验告诉人们，不良同期装置是发电机的隐性杀手，因此必须正视大容量机组同期装置的可靠性设计，同时在机组同期装置的配置设计上要注意留有一定的冗余度，以避免因同期装置故障而中断同期操作，甚至导致损坏机组的事故。

2 同期装置设计冗余

电力系统为提高运行的可靠性，最常使用的措施就是提高冗余度，例如一次回路采用双回路输电线，双电源，双变压器等，在二次回路上使用备用电源自动投入装置实现双电源的互换等。此外，很多保护装置和自动装置在设计上也采用重要硬件冗余和控制软件冗余的措施。同期装置是一个重要的自动装置，其工作的精确性和快速性直接涉及电力系统的安全和节能效率，其工作的可靠性则关系到发电机组的安全。

同期装置设计冗余主要表现在以下几个方面。

2-1  硬件设计冗余

（A）       CPU及I/O冗余

微机同期装置是用求解如下微分方程来快速捕捉同期时机的，

式中 j_k——同期装置发出并网控制命令相对零相位差的提前角

    ω_s——两待并电压的角频率差

ω_s =2p(f_x-f_a), f_x及f_a分别为系统侧和待并侧的频率

tk——同期点断路回的合闸时间

该微分方程的求解程序由微处理器CPU执行，系统侧和待并侧的电压通过接口电路（I/O）取得，为保证j_k的计算结果精确可靠、快速，在硬件电路上作一定的冗余设计是必要的。

（B）       控制回路冗余

同期装置对外的主要控制信号是调频、调压和合闸信号， 其中合闸回路的冗余尤为必要，要确保合闸命令必须在硬件上受制于多个条件的表决才能发出。

（C）       电源冗余

电源是同期装置的中枢，如果装置在工作中失电，前述冗余都无济于事，电源冗余的条件保证电源供给点不止一个，以及硬件有两个都处在运行状态。

 

2-2 软件设计冗余

同期装置的软件有如下几部分：装置自检、频率及压差的测量与控制、理想合闸角j_k的快速计算、报警与录波。软件中需要用冗余保证的是合闸角j_k的计算及控制。实现冗余要保证原始数据（系统侧及待并侧电压）来自不同的电路和使用不同的程序，当两个结果不吻合时要闭锁控制回路及报警。

 

3 同期装置配置冗余

同期装置的配置可能使用如下方案：①多个同期点共用一台同期装置，②一个同期点专用一台同期装置，③一个同期点配置两台同期装置，现分别阐述它们的特点。

3-1  多个同期点共用一台同期装置

这种配置方式需要配备切换电路，以便对不同的同期点输入不同的同期电压和控制不同的开关，此外，由于同期点的工况和开关参数不同，在同期装置中要预先设置各同期点的相关参数，以保证同期操作正确无误的进行。

显然，这种一对多的同期接线比较凌乱和复杂，不便于实现同期操作的全部自动化，且在处理紧急事故的情况下会带来困难。这种同期装置的配置方案常用于多出线的变电站或开关站。

3-2  一个同期点专用一台同期装置

这种配置方式接线清晰、简单，便于实现同期操作的完全自动化，适用于发电厂发电机或发电机—变压器组使用。系统联络线因需要在系统解列时快速恢复联网也需要用此种同期接线。

3-3  一个同期点配置两台同期装置

这种配置方式常用于可靠性要求较高的场合、即要求同期操作一次成功，例如大容量发电机组并网，不容许因任何原因使并网失败或损害发电机。特别是当系统事故时要求尽快投入备用机组，制止因功率缺额过大导致系统崩溃。

配置两台同期装置的方式有两种，一种是一热一冷，即一台在工作状态，一台在冷备用状态。第二种是一台在工作状态，另一台在热备用状态。第三种是两台都处在工作状态，进行同期操作时两台同期装置的出口串联，即按逻辑“与“的方式操作。显然，第三种方式的可靠性最高，彻底消除因同期装置故障引起误操作的因素。此种方式的逻辑框图如右。NO.1及NO.2两台同期装置由不同的电压互感器TV输入系统侧电压Ux和待并侧电压U_d，装置输出串联驱动断路器CB实施发电机并网。

我国电力系统大容量发电机组数量日益增多，采用这种同期接线方式无疑将大大提高运行的可靠。

参考文献

[1] 卓乐友，叶念国，翁乐阳，何曙亮，叶波  微机型自动准同步装置的设计和应用，中国电力出版社。2002年5月

[2] ABB NO.3BHB 901 067E. SYNCHROTACT5 同期并网装置及系统

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作者简介：

叶念国  男 （1935—） 教授  长期从事电力系统自动化技术领域的科研与教学工作；深圳市科技顾问； 武汉大学电气工程学院兼职教授；深圳市智能设备开发有限公司董事长；深圳市国立智能电力科技有限公司董事长。