文／張愷 劉玉林 張志強 杜磊

油田企業(yè)電網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時，電網(wǎng)內(nèi)部呈現(xiàn)復雜動態(tài)特性，有必要開展電網(wǎng)安全穩(wěn)定仿真評估。

目前，中國石化勝利油田開展了以《油田電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行保障技術研究》為題的系列科研項目，并委托中國電力科學研究院進行全面電網(wǎng)建模和仿真分析工作，以評估油田電網(wǎng)的正常運行表現(xiàn)和對故障擾動的承受能力。

電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析至關重要

任何現(xiàn)實工程中的電網(wǎng)都無法杜絕故障發(fā)生。石油石化企業(yè)的生產(chǎn)是連續(xù)性的，一旦供電中斷，將帶來巨大經(jīng)濟損失和安全隱患。提前開展電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析可有效減少電網(wǎng)故障導致的供電中斷。

●油田企業(yè)十分關心穩(wěn)定供電問題。 攝影/朱克民

但是，電網(wǎng)是規(guī)模巨大且構(gòu)成復雜的機器系統(tǒng)。需要分析評估電網(wǎng)特性時，既難以通過物理實驗進行模擬，也無法僅憑徒手計算或主觀經(jīng)驗得出準確結(jié)論。工程師只有借助仿真手段并建立詳細模型，才能評估電網(wǎng)承受故障擾動的能力，進而評價電網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理性，提供整改建議或評估增加設備投資的必要性。

當工業(yè)企業(yè)自有電網(wǎng)發(fā)展到一定規(guī)模時，有必要開展完整的電力系統(tǒng)仿真分析，以保證當前或規(guī)劃電網(wǎng)正常運行表現(xiàn)良好，并能在一般故障情況下維持穩(wěn)定。以油田為例，電網(wǎng)發(fā)展伴隨油氣勘探開發(fā)而不斷擴建。但擴建工程設計階段，一般僅圍繞工程本身計算，而缺少從整體電網(wǎng)角度的安全穩(wěn)定考量。

電網(wǎng)的規(guī)劃、設計、運行、接入新設備等階段，都需要開展持續(xù)全面的安全穩(wěn)定仿真評估。這對公用電網(wǎng)公司來說是周期進行且必不可少的常規(guī)工作，而工業(yè)企業(yè)一般對電網(wǎng)仿真重要性認識不足，缺少系統(tǒng)性的相關研究，或僅開展了較為基礎的類似工作。以油田為代表的工業(yè)企業(yè)，確有必要進行電網(wǎng)安全穩(wěn)定仿真分析，規(guī)避潛在的用電風險。

電網(wǎng)安全穩(wěn)定評估手段

電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析包括靜態(tài)安全分析和暫態(tài)安全分析。石油石化企業(yè)電氣工程師一般熟悉前者，而對后者較為陌生。

靜態(tài)安全分析是在某些電網(wǎng)元件開斷情況下進行潮流計算，以評估電網(wǎng)平穩(wěn)運行狀態(tài)的表現(xiàn)。所謂潮流計算，就是已知電網(wǎng)各點負荷發(fā)電、求解支路功率和母線電壓。靜態(tài)安全分析不考慮故障動態(tài)。

暫態(tài)安全分析主要關注電網(wǎng)受故障擾動時，從一個平穩(wěn)運行狀態(tài)向另一個平穩(wěn)狀態(tài)過渡的動態(tài)過程。我們常說的“穩(wěn)定性”主要就是關于過渡過程中系統(tǒng)呈現(xiàn)的動態(tài)響應特性。

常見的穩(wěn)定性問題包括：功角穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定。功角穩(wěn)定主要關心多臺聯(lián)網(wǎng)發(fā)電機之間維持同步運行的能力。頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定主要關心系統(tǒng)頻率和電壓能否在較短時間內(nèi)恢復到額定值附近的允許范圍內(nèi)。

穩(wěn)定性評估方法可表述為：在各種可能的初始運行狀態(tài)下，分別逐一模擬各種可能發(fā)生的一般電網(wǎng)故障，并根據(jù)仿真結(jié)果評估系統(tǒng)特性。模擬的初始狀態(tài)一般至少包括幾種典型的運行方式，例如發(fā)電和負荷為最大或最小的極端情況。模擬的故障類型一般包括線路故障、主變壓器故障、發(fā)電機故障等。

正常運行時，短時間內(nèi)電網(wǎng)各處電壓、頻率、電流均保持基本不變。如果一個系統(tǒng)是穩(wěn)定的，當發(fā)生一般故障，保護正常動作后，擾動帶來的波動應迅速衰減并在幾秒內(nèi)基本平息。

要通過仿真準確再現(xiàn)這幾秒內(nèi)的動態(tài)過程，必須建立詳細的動態(tài)仿真電網(wǎng)模型。動態(tài)模型有別于潮流計算采用的靜態(tài)模型。靜態(tài)模型僅包含網(wǎng)架支路參數(shù)、穩(wěn)態(tài)功率等信息。而動態(tài)電網(wǎng)模型又包含了電網(wǎng)中某些旋轉(zhuǎn)元件和控制系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，例如發(fā)電機、馬達、調(diào)速器、勵磁、繼電保護、安自裝置等。

解決油田重點關心的問題

由于油田發(fā)電廠已通過實測建模取得了較為準確的參數(shù)，因此動態(tài)建模重點是負荷模型。負荷模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)對仿真結(jié)果有較大影響。

勝利油田發(fā)電機均集中接入一處，并且該電廠與外電網(wǎng)聯(lián)系緊密，一般故障不易導致油田機組相對其他機組振蕩。同時，油田主網(wǎng)架采用220kV 環(huán)網(wǎng)、110kV 輻射結(jié)構(gòu)，并有多回聯(lián)絡線，一般故障不易導致油田形成孤島。因此，油田電網(wǎng)不容易發(fā)生功角穩(wěn)定或頻率穩(wěn)定問題。

油田電網(wǎng)工業(yè)負荷主要為采油廠。除采油廠外，其他負荷主要為民用或商用。采油廠負荷以抽油機和注水電機為主。因此，油田負荷中工業(yè)馬達比例較高。

當發(fā)生短路故障時，電阻類負荷可在短路消失后立刻恢復電壓，而感應馬達電壓則不能。短路存續(xù)過程中，馬達無法產(chǎn)生驅(qū)動電磁力矩，導致轉(zhuǎn)速下降。馬達特性決定了低轉(zhuǎn)速時吸收電流較大，從而造成低電壓。馬達電壓恢復過程也是馬達轉(zhuǎn)速恢復過程。如果大量馬達轉(zhuǎn)速難以恢復并保持聯(lián)網(wǎng)，嚴重情況甚至可導致系統(tǒng)電壓崩潰。所以，電壓穩(wěn)定是油田重點關心的穩(wěn)定性問題。

●中國電力科學研究院為油田電網(wǎng)提供了安全穩(wěn)定的負荷模型。

高比例馬達負荷造成的低電壓問題，本質(zhì)上是馬達轉(zhuǎn)速降低后難以重新加速的問題。抽油機是油田電網(wǎng)的典型負荷，屬于正排量式泵，轉(zhuǎn)速降低時所需驅(qū)動力矩維持不變。而一般常見馬達負荷屬于類似于離心式水泵的機械負載，其原理為利用動能驅(qū)動流體，轉(zhuǎn)速降低時所需驅(qū)動力也大幅減少。因此，從拖動轉(zhuǎn)矩特性看，抽油機比一般馬達負荷更難以重新加速，更不利于電壓穩(wěn)定。

感應馬達固有特性決定了轉(zhuǎn)速降低時電流將大幅增加。而馬達轉(zhuǎn)速變化取決于電磁驅(qū)動力矩和拖動負載力矩的疊加作用。當二者相等時，轉(zhuǎn)速不變；當電磁轉(zhuǎn)矩低于拖動轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)速降低；反之，就升高。

因此，油田電網(wǎng)穩(wěn)定性計算負荷模型基本結(jié)構(gòu)選用感應馬達加恒阻抗模型。馬達模型對應實際電網(wǎng)中的抽油機和注水電機負荷，阻抗對應電網(wǎng)中的其他負荷。

負荷模型基本結(jié)構(gòu)確定后，需要確定馬達具體參數(shù)。通過馬達特性仿真分析，可將抽象的馬達等值電路參數(shù)轉(zhuǎn)化為直觀的馬達特性曲線，或者反過來將典型特性曲線轉(zhuǎn)化為供模型使用的阻抗參數(shù)，由此達到準確評估電壓穩(wěn)定性的目的。