大型石化企業(yè)智能甩負(fù)荷方案設(shè)計(jì)

／中石化股份天津分公司設(shè)備管理部 郭慶奎／

大型石化企業(yè)智能甩負(fù)荷方案設(shè)計(jì)

／中石化股份天津分公司設(shè)備管理部 郭慶奎／

本文提出一種全新的智能甩負(fù)荷方案。該方案以石化企業(yè)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行潮流和運(yùn)行拓?fù)錇榛A(chǔ)，通過對預(yù)定義的關(guān)鍵擾動(dòng)事件進(jìn)行在線“預(yù)演”，動(dòng)態(tài)刷新各種關(guān)鍵事件下對應(yīng)的實(shí)時(shí)減載負(fù)荷列表。該實(shí)時(shí)減載負(fù)荷列表駐留在負(fù)荷終端設(shè)備中，當(dāng)系統(tǒng)檢測到擾動(dòng)發(fā)生后，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)即時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷終端實(shí)現(xiàn)智能減載。

頻率穩(wěn)定；智能甩負(fù)荷；GOOSE

0 引言

大型石化企業(yè)的負(fù)荷規(guī)模一般都在100MW及以上，企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)電壓等級(jí)為220kV/110kV/35kV/6（10）kV/0.4kV，同時(shí)企業(yè)具有自備熱電廠，為生產(chǎn)提供可靠的蒸汽和電能。企業(yè)經(jīng)由220kV關(guān)口變電站與國網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)。由于石化企業(yè)最大的用電負(fù)荷為電動(dòng)機(jī)，所以在正常的并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，企業(yè)電網(wǎng)穩(wěn)定性集中在電壓穩(wěn)定性上，通過SVC、電源快切、電動(dòng)機(jī)再起動(dòng)控制等成熟的措施，可以在電網(wǎng)電壓晃動(dòng)時(shí)取得良好的控制效果，保證生產(chǎn)的連續(xù)。然而，一旦企業(yè)電網(wǎng)與地方電網(wǎng)發(fā)生解列，企業(yè)孤網(wǎng)運(yùn)行，視解列前關(guān)口交換有功功率的情況，可能會(huì)給企業(yè)孤網(wǎng)帶來嚴(yán)重的頻率穩(wěn)定性問題，最終造成企業(yè)孤網(wǎng)的頻率穩(wěn)定崩潰。利用ETAP搭建一集約化的石化電網(wǎng)模型作以仿真，正常運(yùn)行時(shí)企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)從地方電網(wǎng)受入64110kW有功（約占企業(yè)總負(fù)荷的56.3%），0.1s時(shí)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障，一個(gè)周波后跳開，企業(yè)變孤網(wǎng)運(yùn)行，頻率持續(xù)下降，不采取穩(wěn)控措施會(huì)快速導(dǎo)致企業(yè)孤網(wǎng)頻率失穩(wěn)，如圖1a所示。如果在0.4s時(shí)引入穩(wěn)控措施，甩掉25000kW的負(fù)荷，其仿真結(jié)果如圖1b所示，能明顯地控制孤網(wǎng)頻率的下降，維持系統(tǒng)穩(wěn)定?？梢?，對于大型石化企業(yè)，當(dāng)其孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，準(zhǔn)確及時(shí)地甩負(fù)荷控制，是有效的穩(wěn)控方案。

1 傳統(tǒng)低頻減載的缺陷

為保證頻率穩(wěn)定性的傳統(tǒng)的甩負(fù)荷方案為低頻減載，然而該方案存在著以下本質(zhì)缺陷：

1）被動(dòng)啟動(dòng)。必須待到系統(tǒng)頻率降低到低頻定值以下時(shí)才能啟動(dòng)，失去了主動(dòng)防御的意義。

2）無法明確實(shí)際減載的負(fù)荷容量。低頻減載按系統(tǒng)最為嚴(yán)重的擾動(dòng)下的功率缺額來決定接入減載裝置的功率總量，對系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的適應(yīng)能力差。

3）分級(jí)、分輪次控制，各輪次的整定復(fù)雜，且容易出現(xiàn)輪次重疊現(xiàn)象。

圖1 企業(yè)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)頻率特性仿真

4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)過慢。由于負(fù)荷的頻率特性以及為了實(shí)現(xiàn)與繼電保護(hù)的配合，低頻減載的動(dòng)作時(shí)間往往較長。

5）判據(jù)的依賴信息太少，無法全面獲取系統(tǒng)知識(shí)。對于故障類型、故障點(diǎn)距離、系統(tǒng)運(yùn)行方式等無法確定，整定時(shí)選取的運(yùn)行方式與故障方式作為一種固定模式應(yīng)用于所有的方式，其不合理性是顯而易見的。

造成傳統(tǒng)低頻減載缺陷的原因主要是：

1）該方案不是建立在系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行方式與運(yùn)行潮流的基礎(chǔ)上。

2）該方案的設(shè)計(jì)不是以實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的擾動(dòng)為基礎(chǔ)的，而是以在系統(tǒng)擾動(dòng)發(fā)生后，被動(dòng)的反應(yīng)擾動(dòng)后果為基礎(chǔ)。這就決定了其應(yīng)用的正確定位應(yīng)該是穩(wěn)定控制的后備手段，而不是作為主措施來實(shí)施。

根據(jù)以上分析，對于石化企業(yè)，應(yīng)該設(shè)計(jì)一種全新的、基于電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與擾動(dòng)主動(dòng)識(shí)別的智能甩負(fù)荷方案。

2 智能甩負(fù)荷方案設(shè)計(jì)

2.1 智能甩負(fù)荷方案的系統(tǒng)要求

有別于傳統(tǒng)低頻減載，智能甩負(fù)荷方案（ILS）應(yīng)具有以下系統(tǒng)要素：

1）能夠進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)涞臉?gòu)建，自動(dòng)對系統(tǒng)的變化進(jìn)行跟蹤和分析。

2）主動(dòng)識(shí)別，并確認(rèn)擾動(dòng)范圍，實(shí)時(shí)啟動(dòng)減載方案。

3）能自動(dòng)記憶當(dāng)負(fù)荷增減時(shí)系統(tǒng)的配置（運(yùn)行方式）、運(yùn)行條件，以及所有運(yùn)行方式下，系統(tǒng)對擾動(dòng)的反應(yīng)。

4）識(shí)別不同的系統(tǒng)模式，以預(yù)期系統(tǒng)對不同擾動(dòng)的反應(yīng)。

5）根據(jù)每個(gè)負(fù)荷的實(shí)際狀態(tài)（斷路器狀態(tài)），快速準(zhǔn)確可靠地來確定甩負(fù)荷優(yōu)先級(jí)。

6）能夠在維持系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，最小化負(fù)荷切除容量。

7）能夠優(yōu)化組合候選的被甩負(fù)荷。

8）具有一定的后備措施。

9）仿真功能。在進(jìn)行在線實(shí)時(shí)運(yùn)行前，可以校驗(yàn)和確定甩負(fù)荷方案的邏輯和操作。

2.2 智能甩負(fù)荷系統(tǒng)的構(gòu)建

基于2.1節(jié)的系統(tǒng)要求，ILS采用圖2所示的系統(tǒng)架構(gòu)。智能減載系統(tǒng)由站控層和間隔層構(gòu)成：站控層的核心設(shè)備為ILS中控單元和工程師站；間隔層由ILS核心終端和ILS負(fù)荷終端組成。

（1） ILS 中控單元

這是ILS系統(tǒng)的核心，提供友好的監(jiān)控界面和強(qiáng)大的計(jì)算引擎和完備的數(shù)據(jù)庫功能。實(shí)際實(shí)施時(shí)，部署在企業(yè)穩(wěn)控系統(tǒng)主站內(nèi)（一般即在企業(yè)的關(guān)口變電站內(nèi)）。

圖2 ILS系統(tǒng)架構(gòu)

1）甩負(fù)荷相關(guān)信息配置：負(fù)荷優(yōu)先級(jí)配置、甩負(fù)荷觸發(fā)條件配置、甩負(fù)荷觸發(fā)邏輯編輯編譯等。

2）構(gòu)建系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并實(shí)時(shí)分析識(shí)別系統(tǒng)的運(yùn)行拓?fù)洹?/p>

3）接收系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息：潮流、回路狀態(tài)等，進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新。

4）根據(jù)預(yù)定義的系統(tǒng)擾動(dòng)關(guān)鍵事件，并根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行潮流與運(yùn)行方式，模擬對應(yīng)擾動(dòng)事件發(fā)生時(shí)，根據(jù)1）中的配置信息，確定應(yīng)該切除的負(fù)荷。

5）根據(jù)4）的結(jié)果，動(dòng)態(tài)優(yōu)化甩負(fù)荷列表，并實(shí)時(shí)下載到ILS負(fù)荷終端。

（2）ILS核心終端

ILS 核心終端的任務(wù)是實(shí)時(shí)識(shí)別與系統(tǒng)穩(wěn)控相關(guān)的關(guān)鍵擾動(dòng)事件，一旦事件發(fā)生，通過IEC 61850的GOOSE協(xié)議，將具體的關(guān)鍵擾動(dòng)事件信息廣播至所有的ILS負(fù)荷終端。

核心終端一般部署在企業(yè)的關(guān)口變電站和自備電廠。

（3） ILS負(fù)荷終端

ILS負(fù)荷終端負(fù)責(zé)采集對應(yīng)負(fù)荷間隔的實(shí)時(shí)運(yùn)行潮流與負(fù)荷狀態(tài)，并通過IEC 61850或調(diào)度網(wǎng)絡(luò)104規(guī)約將實(shí)時(shí)遙測、遙信數(shù)據(jù)上傳給ILS 中控單元。同時(shí)，ILS負(fù)荷終端接收ILS 中控單元下載的實(shí)時(shí)甩負(fù)荷列表。一旦ILS負(fù)荷終端接收到ILS核心終端的GOOSE廣播信號(hào)，就會(huì)對發(fā)生的擾動(dòng)事件與當(dāng)前的甩負(fù)荷列表做對比，需要跳閘時(shí)，則該負(fù)荷終端即刻執(zhí)行跳閘命令，完成減載。

負(fù)荷終端按受控的減載間隔，逐一部署。

2.3 受控負(fù)荷的定義

石油化工企業(yè)的負(fù)荷不同于電網(wǎng)負(fù)荷，其與生產(chǎn)工藝的關(guān)聯(lián)性非常緊密。在設(shè)計(jì)石化企業(yè)智能甩負(fù)荷方案時(shí)，怎樣確定可控的減載負(fù)荷是關(guān)鍵。下表總結(jié)了相關(guān)的設(shè)計(jì)要素點(diǎn)。

表 石化企業(yè)負(fù)荷特點(diǎn)及穩(wěn)控措施

3 結(jié)束語

本文在分析了傳統(tǒng)低頻減載本質(zhì)缺陷的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的適用于大型石化企業(yè)的智能甩負(fù)荷方案。石化企業(yè)的負(fù)荷特點(diǎn)決定了其電網(wǎng)的穩(wěn)控措施與地方電網(wǎng)有很大的不同。另外，電氣負(fù)荷與熱力負(fù)荷的穩(wěn)控配合是要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。最后，大型石化企業(yè)電網(wǎng)穩(wěn)定性的根本在于主網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性，這是進(jìn)行企業(yè)電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)的根本。