李 鋒，趙慧勉

（1.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121）

0 引言

某煤化工企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)由兩條煤制氣生產(chǎn)線系統(tǒng)組成，其供電電源由3臺自備發(fā)電機(jī)組為主，電網(wǎng)系統(tǒng)為輔（通過兩條同桿平行架設(shè)的110 kV線路到對側(cè)變電所與電網(wǎng)相連接），在各種不同運(yùn)行工況下，電網(wǎng)供電范圍約在20 MW～100 MW之間。當(dāng)運(yùn)行中電網(wǎng)供電一旦失去（自備電廠與電網(wǎng)解列）時，將造成化工系統(tǒng)不同程度的供電缺額現(xiàn)象，如果不采取有效措施，則會引起頻率和電壓迅速下降，嚴(yán)重時導(dǎo)致機(jī)組跳閘，使生產(chǎn)線不受控制地因停電而停車等聯(lián)鎖反應(yīng)。另一方面，當(dāng)電廠與電網(wǎng)解列運(yùn)行時，一旦機(jī)組或負(fù)荷跳閘，也將危及孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對于合理解決突發(fā)脫網(wǎng)、孤網(wǎng)下的機(jī)組，及化工生產(chǎn)系統(tǒng)的安全問題的研究，具有深遠(yuǎn)意義。

本文基于現(xiàn)有的電力系統(tǒng)穩(wěn)控裝置，分析了某煤化工系統(tǒng)電網(wǎng)的多種運(yùn)行方式下的風(fēng)險和需求，并對電網(wǎng)穩(wěn)定特性進(jìn)行研究，為供電電源突發(fā)脫網(wǎng)下的安全運(yùn)行技術(shù)提供了有力支持。

1 電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險及需求分析

基于該煤化工弱聯(lián)網(wǎng)、“大機(jī)小網(wǎng)”問題，并結(jié)合發(fā)電機(jī)組及負(fù)荷特性，需構(gòu)建相比常規(guī)電網(wǎng)要求更高更完善的控制系統(tǒng)，通過合理的控制來保證企業(yè)電網(wǎng)的頻率、電壓、功角等穩(wěn)定。安全運(yùn)行控制系統(tǒng)包含如下幾個部分：

1）安全運(yùn)行信息管理系統(tǒng)。

2）能實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速調(diào)節(jié)控制的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)功能，包括實(shí)時二次調(diào)頻、實(shí)時二次調(diào)壓、自動潮流控制、帶負(fù)荷同期。

3）穩(wěn)控功能包括切機(jī)控制、切負(fù)荷控制、高頻切機(jī)、低頻減載、全廠快切控制、主動解列控制。

安全運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)包含3個系統(tǒng)主站，即穩(wěn)控裝置主站、實(shí)時二次調(diào)頻調(diào)壓主站和供熱母管管理主站。穩(wěn)控裝置主站監(jiān)控并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線/發(fā)電機(jī)組的各電氣量信息和下游電負(fù)荷的用電量，在線路故障、機(jī)組故障等情況下，聯(lián)切下游電負(fù)荷或發(fā)電機(jī)組出力指令。實(shí)時二次調(diào)頻調(diào)壓主站通過調(diào)整發(fā)電機(jī)組的有功和無功出力，聯(lián)網(wǎng)時自動維持并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線潮流在合理范圍、孤網(wǎng)時，自動維持站內(nèi)電網(wǎng)的頻率、電壓和功角穩(wěn)定。

1.1 聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制

1）實(shí)時監(jiān)測發(fā)電機(jī)組出力、并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線潮流，以及負(fù)荷側(cè)用電變化，自動識別機(jī)組和電網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行方式。

2）需根據(jù)聯(lián)絡(luò)斷面潮流實(shí)時調(diào)整發(fā)電機(jī)組出力，控制聯(lián)絡(luò)斷面潮流在安全范圍內(nèi)；出現(xiàn)機(jī)組出力損失、負(fù)荷跳閘（包括低壓脫扣損失的負(fù)荷）等緊急情況下，系統(tǒng)采取調(diào)機(jī)組出力、切機(jī)或切負(fù)荷措施，確保聯(lián)絡(luò)斷面上下網(wǎng)不越限、聯(lián)絡(luò)斷面不過載。

3）通過對機(jī)組勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制，保證聯(lián)絡(luò)線在正常運(yùn)行下的功率因數(shù)在允許范圍內(nèi)波動。

1.2 聯(lián)網(wǎng)切孤網(wǎng)控制

1）由聯(lián)網(wǎng)主動解列為孤網(wǎng)或由被動跳閘突變?yōu)楣戮W(wǎng)后，系統(tǒng)控制方式需由聯(lián)網(wǎng)模式迅速切換為孤網(wǎng)模式，系統(tǒng)采取調(diào)機(jī)組出力，切機(jī)或切負(fù)荷措施，維持企業(yè)電網(wǎng)孤網(wǎng)頻率電壓穩(wěn)定，不應(yīng)造成機(jī)組保護(hù)動作，不觸發(fā)高頻、低頻動作。

2）企業(yè)電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)突變?yōu)楣戮W(wǎng)，若事故前企業(yè)電網(wǎng)從大電網(wǎng)受電，需采用聯(lián)切負(fù)荷措施，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；若事故前企業(yè)電網(wǎng)給大電網(wǎng)送電，需穩(wěn)控系統(tǒng)和機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)，采用下調(diào)機(jī)組出力或聯(lián)切機(jī)組相結(jié)合措施，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3）聯(lián)網(wǎng)切孤網(wǎng)后，由于涉網(wǎng)保護(hù)等定值均采用大電網(wǎng)給定定值，不能滿足孤網(wǎng)長期運(yùn)行需求，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行切孤網(wǎng)后不建議長時間運(yùn)行[1]。

1.3 孤網(wǎng)運(yùn)行控制

1）孤網(wǎng)方式下，出現(xiàn)機(jī)組出力損失（包括機(jī)組故障跳閘、非計劃停機(jī)、鍋爐跳閘），應(yīng)協(xié)調(diào)企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)多臺發(fā)電機(jī)組的快速變負(fù)荷能力，有必要時需快速切除負(fù)荷。低頻減載作為第三道防線，控制電網(wǎng)電壓及機(jī)組出力滿足下游負(fù)荷生產(chǎn)的需求，保證孤網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定[2]。

2）孤網(wǎng)方式下，出現(xiàn)甩負(fù)荷，穩(wěn)控系統(tǒng)和機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)需結(jié)合電網(wǎng)高頻輔助判據(jù)，根據(jù)情況采取快速下壓機(jī)組出力，切除部分機(jī)組來維持孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3）在出現(xiàn)嚴(yán)重或多重故障的情況下，孤網(wǎng)頻率偏差不應(yīng)導(dǎo)致企業(yè)電網(wǎng)崩潰，盡可能保證其中一臺機(jī)組帶部分重要負(fù)荷可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

4）企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部部分?jǐn)嗝妫ň€路、主變）斷開，會導(dǎo)致企業(yè)電網(wǎng)由整體孤網(wǎng)變?yōu)閹讉€局部孤網(wǎng)，需依靠穩(wěn)定系統(tǒng)和機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)采取必要的措施，使局部孤網(wǎng)功率達(dá)到新的平衡，維持穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

5）具備高頻切機(jī)、低頻減載功能。

6）穩(wěn)定系統(tǒng)應(yīng)具備對低壓脫扣損失的負(fù)荷進(jìn)行有效判定，主動采取措施維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

1.4 主動解列控制

聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時，根據(jù)頻率、電壓和功率信息，結(jié)合相關(guān)輔助判據(jù)，由穩(wěn)控系統(tǒng)準(zhǔn)確判定大電網(wǎng)嚴(yán)重故障或地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)，并具備主動解列功能，主動解列聯(lián)絡(luò)斷面內(nèi)側(cè)開關(guān)；再由協(xié)調(diào)系統(tǒng)按照聯(lián)網(wǎng)突變?yōu)楣戮W(wǎng)控制，由機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制，保證解列后孤網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電網(wǎng)穩(wěn)定特性研究

根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)網(wǎng)架、規(guī)劃網(wǎng)架，以及考慮負(fù)荷特性、機(jī)組運(yùn)行方式等情況，來詳細(xì)分析電網(wǎng)穩(wěn)定特性[4,5]。

2.1 潮流分析

2.1.1 四爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)方式

110 kV煤化工電網(wǎng)對外與220 kV巴彥岱變雙線連接，煤化工近區(qū)電網(wǎng)潮流與大電網(wǎng)相連接，雙回110 kV架空線情況下，不考慮斷面潮流，屬正常供電，本文不做過多研究。

2.1.2 三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)方式

新天變對外聯(lián)絡(luò)斷面功率接近于0，潮流圖如圖1所示。

2.1.3 三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線孤網(wǎng)方式

自備電廠開兩機(jī)，電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行。潮流圖如圖2所示。

圖1 三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)方式潮流Fig.1 Trend of networking mode of three furnaces, two machines and two sets of production lines

圖2 三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線孤網(wǎng)方式潮流Fig.2 Trend of isolated network mode of three furnaces, two machines and two sets of production line

圖3 110kV彥新線有功功率Fig.3 Active power of 110kV Yanxin line

圖4 新天110kV母線電壓Fig.4 Voltage of 110kV bus in Xintian

圖5 自備電廠機(jī)組功角曲線Fig.5 Power angle curve of self provided power plant unit

圖6 自備電廠機(jī)組頻率曲線Fig.6 Unit frequency curve of self provided power plant

表1 不同開機(jī)方式下某煤化工三相短路電流水平（kA）Table 1 Three phase short circuit current level (kA) of a coal chemical plant under different startup modes

2.2 三相短路電流分析

煤化工電網(wǎng)在不同方式下的母線三相短路電流水平見表1。

2.3 暫態(tài)穩(wěn)定研究

對于該煤化工電網(wǎng)，基于實(shí)際運(yùn)行情況選擇聯(lián)網(wǎng)方式、孤網(wǎng)方式下的穩(wěn)定特性分析?？紤]企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組跳閘、負(fù)荷跳閘、對外聯(lián)絡(luò)斷面N-1跳閘、對外聯(lián)絡(luò)斷面斷開等各類故障形式，進(jìn)行仿真模擬[6]。

2.3.1 機(jī)組跳閘

1）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線方式下，自備電廠#1機(jī)組N-1跳閘后，系統(tǒng)損失機(jī)組出力45.6 MW，不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額。由于功率重新分配后，新疆電網(wǎng)對本企業(yè)電網(wǎng)來說等同于無窮大容量機(jī)組，最終穩(wěn)態(tài)下功率缺額絕大部分分配到大電網(wǎng)，即聯(lián)絡(luò)線分擔(dān)功率缺額的絕大部分功率。110 kV彥新線有功功率由之前的下網(wǎng)12.7 MW變?yōu)橄戮W(wǎng)57.51 MW，自備電廠無電壓問題，#2機(jī)組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，煤化工電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運(yùn)行，各曲線如圖3～圖6所示。

若需維持系統(tǒng)對外潮流斷面零功率，需采取以下措施：梳理出可切負(fù)荷進(jìn)行切除，進(jìn)行減負(fù)荷操作或進(jìn)行機(jī)組增出力操作。

圖7 自備電廠母線電壓曲線Fig.7 Bus voltage curve of self provided power plant

圖8 自備電廠機(jī)組功角曲線Fig.8 Power angle curve of self provided power plant unit

圖9 彥新線功率曲線Fig.9 Power curve of Yanxin line

圖10 自備機(jī)組頻率曲線Fig.10 Frequency curve of self-contained unit

圖11 自備電廠母線電壓曲線Fig.11 Bus voltage curve of self-contained power plant

圖12 自備電廠機(jī)組頻率曲線Fig.12 Unit frequency curve of self provided power plant

圖13 自備電廠機(jī)組功率曲線Fig.13 Unit power curve of self provided power plant

圖14 自備電廠機(jī)組轉(zhuǎn)速曲線Fig.14 Speed curve of self-contained power plant

圖15 110kV母線電壓曲線Fig.15 Voltage curve of 110kV bus

圖16 系統(tǒng)頻率曲線Fig.16 System frequency curve

2）在聯(lián)網(wǎng)方式、三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線方式下，自備電廠#2機(jī)組N-1跳閘后，系統(tǒng)損失機(jī)組出力44.3 MW，不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額。由于功率重新分配后，新疆電網(wǎng)對本企業(yè)電網(wǎng)來說，等同于無窮大容量機(jī)組，最終穩(wěn)態(tài)下功率缺額絕大部分分配到大電網(wǎng)，即聯(lián)絡(luò)線分擔(dān)功率缺額的絕大部分功率。110 kV彥新線有功功率由之前的0MW變?yōu)橄戮W(wǎng)43.7 MW，自備電廠無電壓問題，自備電廠#1機(jī)組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，煤化工電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運(yùn)行，各曲線如圖7～圖10所示。

3）在孤網(wǎng)方式下，自備電廠開兩臺機(jī)組（#1、#2機(jī)），#1機(jī)組N-1跳閘后，系統(tǒng)損失電源出力32.4 MW，由穩(wěn)控切除負(fù)荷32.7 MW，自備電廠無電壓問題，#1機(jī)組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，頻率最終穩(wěn)定在50.04 Hz。自備電廠電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運(yùn)行，各曲線如圖11～圖13所示。

2.3.2 化工負(fù)荷跳閘

1）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線下，負(fù)荷損失20 MW，不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)出現(xiàn)的負(fù)荷功率缺額同樣基本都由大電網(wǎng)承擔(dān)。110 kV匯新線有功功率由之前的下網(wǎng)12.8 MW變?yōu)樯暇W(wǎng)5.8 MW，無電壓問題，機(jī)組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運(yùn)行。

若對外聯(lián)絡(luò)斷面需保持零功率，可考慮由調(diào)度下發(fā)機(jī)組出力命令，使對外斷面潮流維持零功率即可。

2）在聯(lián)網(wǎng)方式、三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線下，負(fù)荷損失20 MW，不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)出現(xiàn)的功率缺額同樣基本都由大電網(wǎng)承擔(dān)。110 kV匯新線有功功率由之前的0 MW變?yōu)樯暇W(wǎng)19.8 MW，新自備電廠機(jī)組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，煤化工電網(wǎng)無電壓問題，能維持穩(wěn)定運(yùn)行。

3）在孤網(wǎng)方式下，自備電廠開兩臺機(jī)組，煤化工損失20 MW負(fù)荷。

①切除#1機(jī)組（故障前出力32.4 MW），存在功率不平衡12.4 MW，系統(tǒng)出現(xiàn)低頻問題。

②切除#1發(fā)電機(jī)組，同時切除負(fù)荷12.43 MW，站內(nèi)孤網(wǎng)無電壓問題，#2機(jī)組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運(yùn)行，頻率最終穩(wěn)定在49.97 Hz。

2.3.3 110kV 彥新雙線N-1跳閘

1）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新一線三相永久性故障N-1跳閘后，110 kV彥新二線功率由事故前的下網(wǎng)6.33 MW變?yōu)橄戮W(wǎng)12.8 MW；自備電廠機(jī)組未出現(xiàn)明顯的振蕩，最終穩(wěn)定運(yùn)行。

2）在聯(lián)網(wǎng)方式、三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新一線三相永久性故障N-1跳閘后，110 kV彥新二線功率由事故前的 0MW變?yōu)橄戮W(wǎng)0.1 MW，斷面維持零功率不變；自備電廠機(jī)組未出現(xiàn)明顯的振蕩，最終穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.4 110 kV彥新雙線N-2跳閘

1）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新斷面下網(wǎng)12.8 MW，發(fā)生110 kV彥新雙線N-2跳閘。若不采取措施，企業(yè)電網(wǎng)將低頻。企業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)頻率曲線如圖16所示。

2 s彥新I線三相永跳，2.12 s彥新二線N-2跳閘。在2.42 s采取切除負(fù)荷11 MW，電網(wǎng)在事故前下網(wǎng)12.8 MW，事故后系統(tǒng)頻率最終為49.94 Hz，能維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2）在聯(lián)網(wǎng)方式、三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新斷面0 MW，發(fā)生110 kV彥新斷面斷開故障，不采取措施，該煤化工電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語

本文介紹了安全運(yùn)行控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)功能需求進(jìn)行分析，繪制了四爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)、三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)和三爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線孤網(wǎng)3種運(yùn)行方式下的潮流圖，并基于實(shí)際運(yùn)行情況，在企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部機(jī)組跳閘、負(fù)荷跳閘、對外聯(lián)絡(luò)斷面斷開等多種故障狀況下，對該煤化工電網(wǎng)進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定分析。

研究表明，該煤化工電網(wǎng)存在較大概率的孤網(wǎng)風(fēng)險。電網(wǎng)在針對下列不同運(yùn)行方式下企業(yè)電網(wǎng)或外部發(fā)生的不同故障，還需穩(wěn)控，及時采取措施，才能維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1）在孤網(wǎng)方式下，自備電廠開兩臺機(jī)組，其中一臺機(jī)組跳閘后，通過穩(wěn)控系統(tǒng)切除相應(yīng)負(fù)荷，使企業(yè)電網(wǎng)無電壓問題，運(yùn)行機(jī)組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)。

2）在孤網(wǎng)方式下，自備電廠開兩臺機(jī)組，系統(tǒng)負(fù)荷損失20 MW：通過切除一臺機(jī)組，同時切除部分負(fù)荷，使企業(yè)電網(wǎng)無電壓問題，運(yùn)行機(jī)組未出現(xiàn)功角失穩(wěn)，電網(wǎng)能維持穩(wěn)定運(yùn)行。

3）在聯(lián)網(wǎng)方式、四爐兩機(jī)兩套生產(chǎn)線下，110 kV彥新斷面下網(wǎng)12.8MW：發(fā)生110 kV彥新雙線N-2跳閘，若不采取措施，該煤化工企業(yè)電網(wǎng)將低頻。

4）在聯(lián)網(wǎng)方式，N-1機(jī)組跳閘或負(fù)荷跳閘，該煤化工電網(wǎng)無穩(wěn)定問題。

該煤化工電網(wǎng)正常時的運(yùn)行方式，應(yīng)盡量保證對外斷面零功率或者不超過機(jī)組向上一次調(diào)頻能量的下網(wǎng)潮流；應(yīng)盡量避免長期孤網(wǎng)方式運(yùn)行，以提高供電安全穩(wěn)定可靠性。