大型用電企業(yè)穩(wěn)控方案研究

張正偉

摘要：隨著我國科技的發(fā)展與進(jìn)步，變電站智能化的發(fā)展正隨著時(shí)代的變化而不斷提升。采用先進(jìn)技術(shù)使電網(wǎng)免于斷電，是孤島電力系統(tǒng)保護(hù)和控制之創(chuàng)舉。本文主要講述了通過SEL硬件平臺(tái)和靈活的軟件編程技術(shù)的應(yīng)用，加上IEC61850和SEL Mirroerred Bits的通訊技術(shù)的應(yīng)用，讓穩(wěn)定控制技術(shù)達(dá)到了新的高度。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)控；POWERMAX；孤島；負(fù)荷；投切

近年來，中國大型工況企業(yè)飛速成長(zhǎng)，生產(chǎn)流程日益龐大，設(shè)備品類繁多，企業(yè)內(nèi)部影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素成倍增長(zhǎng)，同時(shí)中國電網(wǎng)大互聯(lián)的趨勢(shì)，電網(wǎng)穩(wěn)定的局面也較以前更為復(fù)雜，使得企業(yè)外部電網(wǎng)輸入的電力也面臨更多不確定性。隨著目前變電站智能化水平的提高，穩(wěn)控系統(tǒng)的方案也在逐步優(yōu)化。

1 大型工況企業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)

（1）近年來頻現(xiàn)的不可控自然災(zāi)害，如：臺(tái)風(fēng)、雷擊、冰災(zāi)等惡劣天氣，造成電網(wǎng)設(shè)施短路或跳閘事故；

（2）外部電網(wǎng)設(shè)備自身故障或缺陷引起的電網(wǎng)擾動(dòng)；

（3）外部電網(wǎng)操作時(shí)，人為過失所造成的電網(wǎng)擾動(dòng)；

（4）企業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成沖擊。

企業(yè)的一些生產(chǎn)過程中，受其生產(chǎn)特點(diǎn)的影響，存在較大的沖擊負(fù)荷。如：鋼鐵企業(yè)的電爐負(fù)荷、熱軋負(fù)荷等。工況企業(yè)的灰塵、熱沖擊、腐蝕性的環(huán)境，對(duì)設(shè)備的工況影響更突出，設(shè)備故障對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響更為明顯。

2電力系統(tǒng)失穩(wěn)的影響

電力系統(tǒng)失穩(wěn)對(duì)企業(yè)造成的損失，無法估量。例如電解鋁廠，一旦全部失電，電解槽和鋁水將會(huì)完全報(bào)廢。電力系統(tǒng)的擾動(dòng)造成企業(yè)生產(chǎn)問題，如：石化企業(yè)90%用電負(fù)荷為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，而電動(dòng)機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)尤為敏感；一旦失電，設(shè)備停車發(fā)生后，恢復(fù)生產(chǎn)過程長(zhǎng)。如：石化企業(yè)PP＼PE裝置環(huán)管泵失電后需要很多天恢復(fù)；聚酯裝置一旦物料聚合在反應(yīng)釜中，則需要幾個(gè)月恢復(fù)；危害到設(shè)備、人員安全，如：石化企業(yè)的氧化裝置在失電情況下停車，可能發(fā)生安全事故。

3 POWERMAX 穩(wěn)控技術(shù)

POWERMAX系統(tǒng)采用美國SEL硬件平臺(tái)，和靈活的模塊化編程技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的發(fā)電量和用電量，一旦發(fā)生電力系統(tǒng)失穩(wěn)情況[1]，則根據(jù)監(jiān)測(cè)到的實(shí)際發(fā)電量和負(fù)荷量，按照用戶設(shè)定的優(yōu)先級(jí)原則，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電量和負(fù)荷量，使電力系統(tǒng)快速回到平衡運(yùn)行狀態(tài)。

3.1系統(tǒng)孤島自動(dòng)偵查

持續(xù)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)接點(diǎn)，判斷電力系統(tǒng)是否從一個(gè)或更多個(gè)電網(wǎng)斷開成孤島系統(tǒng)。在孤島發(fā)生期間，SEL孤島控制一臺(tái)選定的發(fā)電機(jī)在“恒速”模式下運(yùn)行，保持頻率控制。

3.2自動(dòng)解裂系統(tǒng)

迅速將電力系統(tǒng)從一個(gè)不穩(wěn)定的電力網(wǎng)切斷出來，并建立一個(gè)獨(dú)立孤島系統(tǒng)。

3.3同步向量測(cè)量

使POWERMAX以史無前例的高精度和高速度進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制。SEL低頻振蕩分析工具持續(xù)計(jì)算諧振和振蕩頻率，優(yōu)化發(fā)電機(jī)保護(hù)方案[2]。

3.4POWERMAX通訊

使用IEC61850 GOOSE報(bào)文和SEL Mirroerred Bits傳送重要控制命令。

3.5POWERMAX更快速、更可靠

傳統(tǒng)低周減載的穩(wěn)控方案是等到電力系統(tǒng)的頻率發(fā)生變化后，才能監(jiān)測(cè)到并作出反應(yīng)。動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，不區(qū)分站內(nèi)關(guān)鍵與非關(guān)鍵負(fù)荷，經(jīng)常會(huì)造成重要設(shè)備損壞，離線的預(yù)置動(dòng)作策略，與實(shí)際負(fù)載偏差很大，并且過切和欠切嚴(yán)重，同時(shí)可能會(huì)使孤島系統(tǒng)崩潰瓦解。

而POWERMAX實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電和用電是否平衡，在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)失去穩(wěn)定的可能性，為電力系統(tǒng)提供了第一層保護(hù)，同時(shí)將傳統(tǒng)的低頻減載作為后備方案，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了更為快捷、可靠的保護(hù)。

3.6POWERMAX更精確

電力系統(tǒng)一旦出現(xiàn)失穩(wěn)情況，傳統(tǒng)失穩(wěn)控制方案的核心，是根據(jù)離線計(jì)算的策略表，切除負(fù)荷。而離線計(jì)算的策略表與實(shí)際運(yùn)行情況并非匹配，那么根據(jù)策略表切負(fù)荷的方案，會(huì)造成實(shí)際欠切/過切負(fù)荷，不能達(dá)到電力系統(tǒng)重新平衡的目的，很可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的進(jìn)一步瓦解。

3.7POWERMAX更智能

POWERMAX是綜合SCADA系統(tǒng)和安穩(wěn)控制于一體的智能系統(tǒng)，大大節(jié)約了用戶在設(shè)備、人力資源的投資，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作量，從而使得系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更為安全。

3.8技術(shù)參數(shù)

在計(jì)算機(jī)平臺(tái)CPU負(fù)荷不超過45%，和服務(wù)器CPU負(fù)荷不超過25%的時(shí)候，可以監(jiān)控不少于60000個(gè)信息Tag；

執(zhí)行操作員的控制命令，改變變電站保護(hù)的輸出接點(diǎn)狀態(tài)的平均時(shí)間少于200ms；

傳輸變電站保護(hù)狀態(tài)變化信息，更新每個(gè)系統(tǒng)操作站的平均時(shí)間少于2.5秒；

每個(gè)系統(tǒng)操作站的測(cè)量量更新的平均時(shí)間少于5秒；

保持所有IED時(shí)間同步，精度達(dá)到5ms；

帶時(shí)標(biāo)的順序時(shí)間記錄SER具有1ms分辨率。

4 典型案例

4.1 概述

兩條66kV電源進(jìn)線錦油1#和錦油2#，每條進(jìn)線容量約50MVA。正常情況下并列運(yùn)行。兩臺(tái)主變2#和3#主變?nèi)萘烤鶠?1.5MVA，正常情況下并列運(yùn)行。6.3kV共計(jì)三段母線。一、二段之間或二、三段之間均通過1母聯(lián)斷路器和1母分?jǐn)嗦菲飨噙B。正常情況下，全合閘處并列運(yùn)行。6.3kV I母下1#降變連接1#發(fā)電機(jī)母線，6.3kV III母下2#降變連接2#發(fā)電機(jī)母線，兩段母線并列運(yùn)行。3#發(fā)電機(jī)連接6.3kV II母，4#發(fā)電機(jī)連接6.3kV III母。

4.2 確定負(fù)荷特性

動(dòng)力所的總負(fù)荷約為63MW；穩(wěn)控系統(tǒng)只針對(duì)由動(dòng)力所供電的部分負(fù)荷進(jìn)行減載操作。穩(wěn)控系統(tǒng)同時(shí)切除具有2條饋線的同一負(fù)荷，避免下級(jí)變電站快切/備投裝置動(dòng)作引起的負(fù)荷變化[3]。

4.3穩(wěn)控策略設(shè)計(jì)

4.3.1系統(tǒng)警戒和跳閘

正常運(yùn)行時(shí)，進(jìn)線和主變高低壓側(cè)的斷路器的6臺(tái)斷路器均處于合閘狀態(tài)，兩路66KV進(jìn)線可以給所有的6.3KV的負(fù)荷供電。任意一臺(tái)斷開，系統(tǒng)將處于N-1的風(fēng)險(xiǎn)中，即只有一路電源在給6.3KV母線供電，認(rèn)定為N-1警戒。當(dāng)兩路66KV電源全部消失（即進(jìn)線斷路器均斷開或兩臺(tái)主變的高低壓側(cè)均有斷路器斷開），即出現(xiàn)N-2的情形，系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)。N-2發(fā)生瞬間，穩(wěn)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)決策表的要求，切除必要的負(fù)荷以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

4.3.2切除負(fù)荷量計(jì)算

N-2情形下，需要切除的負(fù)荷量為兩條6.3KV進(jìn)線的功率之和與系統(tǒng)中備用發(fā)電容量的差值。孤島條件下事故時(shí)，需要切除的負(fù)荷量為退出運(yùn)行的發(fā)電機(jī)的功率，而不再考慮系統(tǒng)的備用發(fā)電容量。穩(wěn)控系統(tǒng)設(shè)置了過切，即當(dāng)“選擇切除的負(fù)荷量”大于“需要切除的負(fù)荷量”時(shí)，穩(wěn)控系統(tǒng)將停止選擇切除更多的負(fù)荷。負(fù)荷優(yōu)先級(jí)針對(duì)負(fù)荷，根據(jù)其重要性的不同進(jìn)行排序，優(yōu)先級(jí)高的負(fù)荷先選擇切除。

4.3.3負(fù)荷減載決策表

根據(jù)負(fù)荷的狀況和“需要切除的負(fù)荷量”判定切除多少負(fù)荷，以及切除哪些負(fù)荷。負(fù)荷的狀況包括：負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)、負(fù)荷的功率值、負(fù)荷的斷路器狀態(tài)。采用交叉點(diǎn)開關(guān)計(jì)算。

4.3.4穩(wěn)控閉鎖條件

穩(wěn)控功能啟用/禁止的轉(zhuǎn)換開關(guān)在非運(yùn)行位置；

任意一臺(tái)同步向量測(cè)控裝置出現(xiàn)故障；

前置機(jī)檢測(cè)到有裝置GOOSE離線；

6.3KV母線完全分段運(yùn)行，即三條6.3KV母線均分段運(yùn)行；

前置機(jī)斷電；

前置機(jī)處于演示模式；

兩臺(tái)前置機(jī)都處于運(yùn)行模式下，出現(xiàn)決策表或者負(fù)荷優(yōu)先級(jí)不同步。

4.3.5、穩(wěn)控的時(shí)序和時(shí)間特性

當(dāng)N-2事件發(fā)生并持續(xù)20ms，穩(wěn)控系統(tǒng)將判定N-2發(fā)生。前置機(jī)發(fā)出負(fù)荷減載命令給相關(guān)的同步向量測(cè)控裝置。同步向量測(cè)控裝置接收到兩臺(tái)前置機(jī)命令后，進(jìn)行或運(yùn)算，發(fā)出切除負(fù)荷跳閘命令，脈寬為220ms。從前置機(jī)判斷切除命令到同步向量測(cè)控裝置檢測(cè)到與N-2相關(guān)的斷路器斷開，其時(shí)間間隔在30ms左右（含前置機(jī)判斷事件延時(shí)的20ms）。

5.總結(jié)

隨著變電站智能化的水平日益提升，采用先進(jìn)控制技術(shù)，在發(fā)生電網(wǎng)擾動(dòng)和孤網(wǎng)時(shí)確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，確保企業(yè)電網(wǎng)的安全化、信息化，是一個(gè)大的趨勢(shì)。POWERMAX穩(wěn)定控制方案目前已在多個(gè)大型工況系統(tǒng)項(xiàng)目中投入使用，效果顯著。在電力異?；蚬收锨闆r下確保了整個(gè)供電系統(tǒng)及設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，減少了企業(yè)的損失，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝惠藩，梅勇，周劍，徐光虎，趙曉斌，施健.新東特高壓直流孤島運(yùn)行閉鎖策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2018，42（17）：184-191.

[2]熊雪君.含大規(guī)模風(fēng)電的大型新能源基地集中防孤島保護(hù)研究[D].華中科技大學(xué)，2016.02（5）：35-37

[3]傅寧濤，葉國華，張茂強(qiáng).大型發(fā)電廠啟備變帶公用負(fù)荷結(jié)線方式廠用電安全性論證[J].電工技術(shù)，2018（18）：36-38+56.

[4]羅云.大型商業(yè)中心建筑用電負(fù)荷密度研究[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2018（12）：230-231.

[5]Zhongqing.Design of power supply for large hydroelectric power station[J].Yunnan electric power technology，2018，46（04）：76-78.