一種安全穩(wěn)定控制策略在電解鋁電網(wǎng)中的應(yīng)用

趙洪山

（酒鋼（集團）公司能源中心，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

引言

某電解鋁企業(yè)電網(wǎng)由2臺300 MW機組、6臺350 MW機組和3條生產(chǎn)線的電解鋁負(fù)荷組成，其中網(wǎng)內(nèi)3條生產(chǎn)線的電解鋁負(fù)荷均為700 MW，網(wǎng)內(nèi)供電線路電壓等級為330 kV和110 kV，110 kV線路作為與外網(wǎng)連接的聯(lián)絡(luò)線。由于網(wǎng)內(nèi)只有電解鋁負(fù)荷，而單條電解鋁生產(chǎn)線的系列停運，將帶來網(wǎng)內(nèi)700 MW左右負(fù)荷的損失，在此情況下必須快速切除網(wǎng)內(nèi)機組，才能保證電網(wǎng)的穩(wěn)定。否則將會引起聯(lián)絡(luò)線功率的大幅波動。

該電解鋁企業(yè)前期項目實施過程中已經(jīng)考慮到單系列電解鋁全停瞬間切除網(wǎng)內(nèi)機組的安穩(wěn)控制策略，但是，由于前期引起單系列電解鋁全停的因素考慮不全，發(fā)生了“12.20”單系列電解鋁全停后由于沒有觸發(fā)網(wǎng)內(nèi)“負(fù)荷損失聯(lián)切機組”的穩(wěn)控策略，而僅依靠網(wǎng)內(nèi)的“聯(lián)絡(luò)線功率越線”動作，切除了網(wǎng)內(nèi)的機組，從而引起了網(wǎng)內(nèi)機組出力的波動，并給外網(wǎng)帶來了一定的沖擊。因此尋找電解鋁單系列全停的因素，對引起電解鋁生產(chǎn)線全停的保護進行分析和整合，制定可靠的控制措施，保證在發(fā)生單系列電解鋁生產(chǎn)線全停時，配置的“負(fù)荷損失聯(lián)切機組”的控制策略能可靠動作，從而保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，減少對網(wǎng)內(nèi)機組和電網(wǎng)的沖擊。

1 “12.20”單系列電解鋁生產(chǎn)線全停事故經(jīng)過

2016年12月20日15時54分36秒檢修人員在進行330 kV第1條電解鋁生產(chǎn)線的2#整流機組保護對點試驗時，機組總調(diào)PLC A柜“逆流保護”動作，為該生產(chǎn)線直流母線供電的 1#、3#、4#、5#、6#、7#整流機組瞬時跳閘，導(dǎo)致該生產(chǎn)線負(fù)荷全失。15時54分37秒網(wǎng)內(nèi)配置的110 kV聯(lián)絡(luò)變電站安全穩(wěn)定控制裝置聯(lián)絡(luò)線上網(wǎng)越限動作，聯(lián)切網(wǎng)內(nèi)3臺350 MW機組。

事故發(fā)生后，系統(tǒng)頻率最高升到50.289 Hz，350 MW機組出現(xiàn)集體降負(fù)荷、降幅達(dá)443.59 MW，持續(xù)時間為40 ms；隨后350 MW機組集體出現(xiàn)增負(fù)荷過程，截至110 kV聯(lián)絡(luò)變電站安全穩(wěn)定控制裝置采集數(shù)據(jù)時間點，共增加負(fù)荷223.37 MW。

2 “12.20”單系列電解鋁全停事故原因分析

2.1 事故前系統(tǒng)運行工況

事故前電解鋁企業(yè)電網(wǎng)按照2臺300 MW機組、6臺350 MW機組和3條電解鋁生產(chǎn)線運行，其中網(wǎng)內(nèi)3條生產(chǎn)線的電解鋁負(fù)荷均為700 MW，網(wǎng)內(nèi)發(fā)用電負(fù)荷情況如表1。

表1 事故前網(wǎng)內(nèi)發(fā)供電負(fù)荷情況

2.2 事故發(fā)生前后發(fā)電機各參數(shù)的變化

2.2.1 第1階段：系統(tǒng)頻率升高

事故發(fā)生時所有整流機組跳閘導(dǎo)致電解鋁第1條生產(chǎn)線負(fù)荷全失。第1條生產(chǎn)線供電電源線路電流變化曲線如圖1。

圖1 電解鋁第1條生產(chǎn)線負(fù)荷全停時供電電源線路電流變化曲線

由于網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)700 MW負(fù)荷損失，引起電網(wǎng)的頻率瞬時升高，并且電網(wǎng)頻率由49.963 Hz上升至50.289 Hz，持續(xù)時間為40 ms，曲線如圖2。

圖2 電網(wǎng)頻率變化曲線一（左右游標(biāo)時間差：40 ms）

電網(wǎng)頻率的變化引起了網(wǎng)內(nèi)各機組出力的減少，以3#、4#機組送出線路有功變化為例，5#機組送出線路有功由258.49 MW下降至180.84 MW，下降時間為40 ms左右，有功減少量為77.65 MW；6#機組送出線路有功由190.07 MW下降至112.99 MW，下降時間為40 ms左右，有功減少量為77.08 MW；查看其他機組送出線路有功變化曲線，類同于5#、6#機組。各機組送出線路有功變化和5#、6#機組送出線路有功變化曲線如圖3、圖4，變化數(shù)值見表2。

（1）機組送出線路有功變化數(shù)值

表2 部分機組送出線路有功變化

（2）機組送出線路有功變化曲線

圖3 5#、6#機組有功變化曲線（左右游標(biāo)時間差：44 ms）

圖4 第1條生產(chǎn)線供電電源線路有功變化曲線（游標(biāo)時間差：41 ms）

2.2.2 事故第2階段：系統(tǒng)頻率下降

在發(fā)生電解鋁第1條生產(chǎn)線負(fù)荷全失40 ms左右后電網(wǎng)頻率出現(xiàn)了由50.289 Hz下降至50.029 Hz、再由 50.029 Hz上升至 50.240 Hz，后由 50.240 Hz下降至49.934 Hz的變化過程，而網(wǎng)內(nèi)各機組出現(xiàn)了增加出力的現(xiàn)象，電網(wǎng)頻率變化曲線和網(wǎng)內(nèi)機組出力（送出線路）變化如圖5、圖6、圖7。

（1）電網(wǎng)頻率變化趨勢

圖5 電網(wǎng)頻率變化曲線二（左右游標(biāo)時間差：59.904 ms）

圖6 電網(wǎng)頻率變化曲線三（左右游標(biāo)時間差：338.651 ms）

圖7 電網(wǎng)頻率變化曲線四（左右游標(biāo)時間差：665.203 ms）

（2）機組送出線路變化趨勢

以5#、6#機組送出線路為例，有功變化曲線如圖8、圖 9。

圖8 系統(tǒng)頻率變化過程中機組出線有功變化曲線（左右游標(biāo)時間差：1061.272 ms）

圖9 聯(lián)絡(luò)站安穩(wěn)裝置動作時刻5#、6#機組出線有功變化曲線（游標(biāo)時間差：1104 ms）

（3）各機組送出線路有功變化數(shù)值見表3。

表3 各機組有功變化數(shù)值表

2.3 原因分析

2.3.1 結(jié)合本次事故安控動作報文及錄波信息，事故過程中電網(wǎng)損失約700 MW負(fù)荷切除網(wǎng)內(nèi)820 MW發(fā)電；事故前110 kV聯(lián)絡(luò)變電站聯(lián)絡(luò)線受入電力約16 MW，事故后聯(lián)絡(luò)線受入電力約140 MW（穩(wěn)態(tài)條件下）。見圖10。

圖10 故障后聯(lián)絡(luò)線有功功率錄波曲線

根據(jù)上述功率變化量可以得到故障前后剩余5臺機組機械功率變化總量，（820-700+16-140）=-4，即剩余5臺機組事故后機械功率合計降低約4 MW。

2.3.2 針對本次事件，采用仿真方式對事故過程進行了重演，所得結(jié)論與通過事故錄波分析的結(jié)論類似。

（1）事故后聯(lián)絡(luò)線有功變化仿真曲線見圖11，故障錄波見圖12。

圖11 電解鋁第1條生產(chǎn)線負(fù)荷脫網(wǎng)，1.3 s聯(lián)切6#、9#、10#機組，聯(lián)絡(luò)線有功功率仿真曲線

圖12 實際事故下聯(lián)絡(luò)線有功功率錄波曲線

（2）事故后發(fā)電機電磁功率仿真變化曲線見圖13、故障錄波見圖14。

圖13 電解鋁第1條生產(chǎn)線負(fù)荷脫網(wǎng)，1.3 s 聯(lián)切6#、9#、10#機組，5#機電磁功率仿真曲線

圖14 實際事故下5#機電磁功率錄波曲線

3 “12.20”單系列電解鋁全停事故存在的問題

3.1 網(wǎng)內(nèi)配置的安穩(wěn)系統(tǒng)第一道防線沒有發(fā)揮作用，即“負(fù)荷損失聯(lián)切機組”功能，目前配置的安穩(wěn)“負(fù)荷損失聯(lián)切機組”邏輯如下：

（a）啟動判斷

滿足如下條件①③④或②③④，判斷負(fù)荷損失啟動：

①收電解鋁控制系統(tǒng)壓負(fù)荷命令（無源空接點信號）；

②斷面功率T ms內(nèi)突減量超過ΔPlost（電解鋁負(fù)荷損失變化量啟動定值）；

③負(fù)荷損失功能壓板投入；

④沒有如下異常：SWJ與1#I0機箱通信異常；壓負(fù)荷命令信號時間過長；斷面元件出現(xiàn)電氣量異常。

（b）動作判斷

收電解鋁控制系統(tǒng)壓負(fù)荷命令后Tw時間（電解鋁負(fù)荷損失判斷時間定值），斷面功率與負(fù)荷損失啟動前T ms功率相比，減少比例達(dá)到Pset%（電解鋁負(fù)荷損失百分比門檻定值），計算負(fù)荷損失功率=斷面功率減少量。

（c）存在問題：雖然本次安穩(wěn)系統(tǒng)依據(jù)已有的“負(fù)荷損失聯(lián)切機組”控制策略不應(yīng)動作，但考慮到電解鋁1條生產(chǎn)線負(fù)荷全失帶來的嚴(yán)重后果，有必要優(yōu)化和尋找電解鋁單條生產(chǎn)線符合全失的類型。3.2 網(wǎng)內(nèi)安穩(wěn)系統(tǒng)“聯(lián)絡(luò)線斷面上網(wǎng)越限動作”

網(wǎng)內(nèi)配置的“聯(lián)絡(luò)線斷面上網(wǎng)越限切除機組”功能，具體功能如下：

（a）上網(wǎng)越限啟動（啟動定值與越限動作相同；啟動延時=動作延時-100 ms）

①│P│≥Pthjupset；

②P＞0。

條件①②全滿足且持續(xù)啟動延時，上網(wǎng)越限啟動。

（b）上網(wǎng)越限動作

①│P│≥Pthjupset；

②P＞0；

③斷面上網(wǎng)越限啟動。

條件①②滿足且持續(xù)時間T（第一次越限動作T=Tthjupyx，循環(huán)越限動作T=Tthjup_cyc）后又滿足條件③，則元件越限動作n輪。

依據(jù)上述安穩(wěn)邏輯，電解鋁第1條生產(chǎn)線甩負(fù)荷后，網(wǎng)內(nèi)安穩(wěn)系統(tǒng)檢測到聯(lián)絡(luò)線上網(wǎng)1018.1 MW,而安穩(wěn)裝置上網(wǎng)越限動作定值360 MW，需切機組功率1018.1-360=658.1 MW，按過切原則執(zhí)行切機

（考慮切機系數(shù)Pset%），計算需切機負(fù)荷723.9 MW。網(wǎng)內(nèi)配置的安穩(wěn)系統(tǒng)按照最小過切原則切除6#、9#、10#機組，共計 823.5 MW 負(fù)荷。動作期間網(wǎng)內(nèi)錄波曲線如圖15、圖16。

圖15 6#機組送出線路有功變化曲線

圖16 9#、10#機組主變高壓側(cè)有功變化曲線

4 “12.20”單系列電解鋁全停事故改進措施

4.1 系統(tǒng)存在的問題及改進意見

對于引起單系列電解鋁全停的故障類型進行了分析和總結(jié)，得出如下結(jié)論：

（1）通過總控PLC執(zhí)行或告警的系列全停故障：單系列急停、逆流保護動作、離極保護動作；

（2）輔助系統(tǒng)導(dǎo)致系列全停的故障：動力負(fù)荷全停、供水系統(tǒng)全停。

4.2 改進方案和具體措施

通過總控PLC執(zhí)行或告警的系列全停故障為瞬時故障，網(wǎng)內(nèi)必須采取措施；而輔助系統(tǒng)導(dǎo)致系列全停的故障通過人為的干預(yù)可以提前得到控制，不再發(fā)生“12.20”事件，所以最終確定如下改進措施：

電解鋁3條生產(chǎn)線的總控PLC接收到急停信號、逆流保護信號、離極保護信號以及檢測到整流機組合位信號≤5后同步輸出無源節(jié)點信號到安穩(wěn)裝置，并跳開整流機組高壓側(cè)開關(guān)。

安穩(wěn)裝置接收到上述信號后，按照前文所述的“負(fù)荷損失聯(lián)切機組”功能可靠動作，從而保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

通過此次事故的分析、研判、總結(jié)，提出了整改方案和措施，并組織了實施，保證了電解鋁生產(chǎn)線的穩(wěn)定、正常的生產(chǎn)和運行，并保證了電解鋁生產(chǎn)線的局域網(wǎng)和外部電網(wǎng)，即整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，為企業(yè)的生產(chǎn)作出了貢獻，為企業(yè)經(jīng)濟效益最大化提供了切實可行的保障措施。