云南受端電網(wǎng)工業(yè)負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)安全防線設(shè)置的適應(yīng)性研究

何燁，楊揚(yáng)，陳義宣，支剛

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，昆明 650011；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650051）

0 前言

安全穩(wěn)定控制是電網(wǎng)第二道安全防線的重要手段，結(jié)合不同的系統(tǒng)位置可分為穩(wěn)控切機(jī)和穩(wěn)控切負(fù)荷兩種主要措施。云南電網(wǎng)定位南方電網(wǎng)電源送端，省內(nèi)穩(wěn)控系統(tǒng)一直以來以穩(wěn)控切機(jī)措施為主，尚無穩(wěn)控切負(fù)荷措施及相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[1]。

隨著云南電網(wǎng)負(fù)荷的不斷增長(zhǎng)，在負(fù)荷相對(duì)集中的電網(wǎng)中部、東部及南部地區(qū)的受端電網(wǎng)，主變或線路發(fā)生N-2 故障后的熱穩(wěn)定問題越來越突出；同時(shí)，云南電源及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛，為防止短路電流超標(biāo)、500 kV/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)故障下的功率轉(zhuǎn)移，需對(duì)局部500 kV/220 kV電磁環(huán)網(wǎng)斷環(huán)運(yùn)行，斷環(huán)后降低了事故情況下區(qū)域間的負(fù)荷支援能力，進(jìn)一步加重了局部受端N-2 后的熱穩(wěn)定問題。因此，為滿足穩(wěn)控切負(fù)荷對(duì)象的組織，有必要對(duì)云南受端電網(wǎng)工業(yè)負(fù)荷進(jìn)行深入研究。

1 受端主要工業(yè)類型

根據(jù)最新完成的安全穩(wěn)定計(jì)算表明[2-4]，“十三五”期間云南受端電網(wǎng)主要位于昆明七甸片區(qū)、昭通永豐片區(qū)、保山永昌片區(qū)和文山片區(qū)。結(jié)合穩(wěn)控系統(tǒng)切負(fù)荷需要和各電壓等級(jí)負(fù)荷占比，選取上述片區(qū)內(nèi)以110 kV 及以上電壓等級(jí)接入系統(tǒng)的工業(yè)負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.1 電解鋁

現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法。電解鋁生產(chǎn)供電要求較高，停電時(shí)間不能超過30 min；停電時(shí)間過長(zhǎng)，槽溫降低甚至電解質(zhì)凝固，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重（單臺(tái)槽數(shù)十萬元）。電解一級(jí)負(fù)荷約占全廠總負(fù)荷的95%，其他二、三級(jí)負(fù)荷約占全廠總負(fù)荷的5%。每個(gè)電解鋁電氣系統(tǒng)外部供電一般由兩回220 kV 線路單獨(dú)供電，兩回線路實(shí)際運(yùn)行一回備用一回，無備自投裝置，投退采用人工操作。電解鋁建設(shè)工藝簡(jiǎn)單技術(shù)含量低建設(shè)周期短，有充足資金投入，從開工到建成投產(chǎn)一般僅需要9 個(gè)月的時(shí)間。

電解鋁生產(chǎn)停電時(shí)間不能超過30 min。停電時(shí)間過長(zhǎng)，槽溫降低，不能進(jìn)行正常生產(chǎn)，甚至電解槽凝固，除縮短電解槽使用壽命外，嚴(yán)重時(shí)，槽內(nèi)襯破損，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重（單臺(tái)槽數(shù)十萬元）；每個(gè)電解系列均有對(duì)應(yīng)的最低保溫電流。

一級(jí)負(fù)荷：電解直流用電、整流所用電、電解多功能天車、槽控箱電源、空壓機(jī)等，一級(jí)負(fù)荷約占全廠總負(fù)荷的95%。

二級(jí)負(fù)荷：除一級(jí)負(fù)荷及輔修、生活辦公用電之外的其它負(fù)荷

三級(jí)負(fù)荷：輔修、生活辦公設(shè)備用電。二、三級(jí)負(fù)荷約占全廠總負(fù)荷的5%。

此外，每個(gè)電解鋁電氣系統(tǒng)外部供電一般由兩回220 kV 線路單獨(dú)供電，兩回線路實(shí)際運(yùn)行一回備用一回，無備自投裝置，投退采用人工操作。云南受端電解鋁項(xiàng)目主要分布在昆明、昭通、文山，全年用電量共233 億kW.h，最大負(fù)荷共2879 MW。

1.2 工業(yè)硅

工業(yè)硅又稱結(jié)晶硅或金屬硅，生產(chǎn)使用硅石、碳質(zhì)還原劑（木炭、木塊、油焦、煙煤）進(jìn)行電爐冶煉。工業(yè)硅對(duì)供電可靠性要求一般，如果遇到停電，需對(duì)電爐進(jìn)行保溫，防止硅水冷卻，但保溫時(shí)間不能超過24 小時(shí)；如果停電時(shí)間較長(zhǎng)或因設(shè)備故障，則需要對(duì)電爐進(jìn)行清理，清理時(shí)間需要一個(gè)月左右。云南受端工業(yè)硅項(xiàng)目主要分布在保山、怒江，全年用電量共22.69 億kW.h，最大負(fù)荷共403 MW。

1.3 水泥

根據(jù)用電設(shè)備對(duì)供電可靠性的要求，回轉(zhuǎn)窯廠的電力負(fù)荷大部分屬二級(jí)負(fù)荷，少部分屬三級(jí)負(fù)荷和一級(jí)負(fù)荷；濕法回轉(zhuǎn)窯廠一級(jí)負(fù)荷一般占全廠負(fù)荷的2.5%左右，干法回轉(zhuǎn)窯廠一級(jí)負(fù)荷一般占全廠負(fù)荷的1.5%左右；立窯廠的電力負(fù)荷屬二級(jí)負(fù)荷。水泥廠總體供電要求一般。

云南受端水泥項(xiàng)目主要分布在昆明、昭通、保山、大理、怒江、文山，全年用電量共14.66億kW.h，最大負(fù)荷共310 MW。

1.4 鈦合金

鐵合金一般指由一種或一種以上的金屬和非金屬元素與鐵組成的合金，還包括有其它非鐵質(zhì)元素組成的合金。鐵合金主要用電爐進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)方法有高爐法、電爐法、爐外法、真空電阻爐法、氧氣轉(zhuǎn)爐法等。在正常情況下，礦熱爐冶煉硅鐵是連續(xù)不斷地進(jìn)行，焦炭、硅石、鋼屑的混合料不斷地從爐口加入爐內(nèi)，供電要求一般。云南受端鐵合金項(xiàng)目主要分布在保山、文山，全年用電量共4.4 億kW.h，最大負(fù)荷125 MW。

因?yàn)槿硕?，卷子發(fā)了二十多分鐘還沒發(fā)完，老師說：“看完卷子，覺得分?jǐn)?shù)沒有問題的同學(xué)可以走了，臨走前，把卷子交回來，倒扣著放到講臺(tái)上。對(duì)分?jǐn)?shù)有疑問的同學(xué)可以私下里來找我?！?/p>

1.5 黃磷

黃磷生產(chǎn)使用磷礦石、焦炭（白煤）、硅石在電爐法內(nèi)燒制。黃磷生產(chǎn)為三級(jí)負(fù)荷，對(duì)電力供電可靠性要求一般，可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整生產(chǎn)規(guī)模，設(shè)備每年檢修安排在枯期進(jìn)行。云南受端黃磷項(xiàng)目主要分布在文山，全年用電量0.9 億kW.h，最大負(fù)荷30 MW。

1.6 電石

電石主要用于電石法PVC 生產(chǎn)，由電石制取的乙炔廣泛應(yīng)用于金屬焊接和切割，電石行業(yè)是一個(gè)高耗能、高污染的行業(yè)。電石生產(chǎn)采用電熱法工藝，利用生石灰和焦炭在埋弧式電爐（電石爐）內(nèi)，通過電阻電弧產(chǎn)生的高溫反應(yīng)制得，同時(shí)生成副產(chǎn)品一氧化碳。電石對(duì)供電可靠性要求較高，一旦電爐開始生產(chǎn)就不能長(zhǎng)時(shí)間中斷供電；如果生產(chǎn)中遇到停電，電爐溫度逐漸減低，當(dāng)停電時(shí)間超過20 分鐘后不僅原料損失，還存在爆炸危險(xiǎn)。云南受端電石項(xiàng)目主要分布在昭通、保山、文山，全年用電量共6.51 億kW.h，最大負(fù)荷共159 MW。

1.7 氧化鋁

氧化鋁也就是三氧化二鋁，拜耳法一直是生產(chǎn)氧化鋁的主要方法。氧化鋁生產(chǎn)供電要求較高，停電不能超過20 分鐘，若停電時(shí)間過長(zhǎng)需將槽、罐內(nèi)的漿料排放掉，會(huì)對(duì)廠區(qū)外圍造成污染和經(jīng)濟(jì)損失。大型氧化鋁廠的分解槽、空壓站、生產(chǎn)用水系統(tǒng)及赤泥泵房等一般為一級(jí)負(fù)荷，生活設(shè)施，輔修及倉(cāng)庫(kù)等為三級(jí)負(fù)荷，其余皆為二級(jí)重要負(fù)荷。云南受端氧化鋁及配套項(xiàng)目主要分布在文山，全年用電量共5.54 億kW.h，最大負(fù)荷共93 MW。

1.8 鋼鐵

鋼鐵冶煉是鋼、鐵冶金工藝過程的總稱。煉鐵是利用一氧化碳將鐵礦石中的鐵還原出來；煉鋼是降低生鐵里的含碳量，并除去大部分硫、磷等有害雜質(zhì)，調(diào)整鋼里合金元素的含量到規(guī)定范圍之內(nèi)。鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備基本為一級(jí)或二級(jí)負(fù)荷，供電要求較高，對(duì)一級(jí)負(fù)荷突然停電，會(huì)造成人身傷亡的危險(xiǎn)，或重大設(shè)備損壞且難以修復(fù)；對(duì)二級(jí)負(fù)荷突然停電，將產(chǎn)生大量廢品和減產(chǎn)，損壞生產(chǎn)設(shè)備，在經(jīng)濟(jì)上造成較大損失。煉鋼、軋鋼廠如果必須停電需至少提前1小時(shí)通知。

云南受端鋼鐵項(xiàng)目主要分布在保山，全年用電量1.78 億kW.h，最大負(fù)荷45 MW。

1.9 輸油泵站

輸油泵站為管道提供輸油壓力，主要用電設(shè)備為6 kV 輸油泵電機(jī)和6 kV 電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。輸油泵站的供電連續(xù)性較高，全年利用小時(shí)在8 000 h 以上，用電負(fù)荷等級(jí)一般為二級(jí)，供電可靠性要求非常高。如果中斷供電將引起管道壓力降低，造成重大經(jīng)濟(jì)損失；為保證正常生產(chǎn)，工作電源要求由兩個(gè)獨(dú)立電源供電或同一電源的不同母線供電，當(dāng)一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。

云南受端輸油泵站項(xiàng)目主要分布在保山、文山，全年用電量共3.08 億kW.h，最大負(fù)荷共39 MW。

圖1 云南受端電網(wǎng)主要工業(yè)類型負(fù)荷占比

圖2 云南受端電網(wǎng)主要工業(yè)類型電量占比

1.10 電鐵牽引變

云南受端電鐵牽引變項(xiàng)目主要分布在昆明、昭通、文山，全年用電量共15.37 億kW.h，最大負(fù)荷共377 MW。

2 可切工業(yè)負(fù)荷分析

云南受端電網(wǎng)主要工業(yè)以電解鋁、氧化鋁、黃磷、鋼鐵、水泥、工業(yè)硅、鐵合金、電石、輸油泵站、電鐵牽引變?yōu)橹鳌?/p>

從負(fù)荷量占比來看，電解鋁負(fù)荷占比最高，約占全部用電類型總負(fù)荷的65%；其次為工業(yè)硅、電氣化鐵路、水泥，分別約占全部用電類型總負(fù)荷的9%、8%、7%；其余工業(yè)用電類型占比較小。

表1 云南受端電網(wǎng)主要工業(yè)負(fù)荷可切除建議

從供電可靠性要求來看，輸油泵站、電鐵牽引變?nèi)魏螘r(shí)刻不允許停電，供電要求最高；其次為電解鋁、氧化鋁、鋼鐵、電石；工業(yè)硅、水泥、鐵合金、黃磷相較其他工業(yè)用電類型供電可靠性要求稍低。

穩(wěn)控系統(tǒng)可切負(fù)荷的組織一方面需要考慮工業(yè)用戶的負(fù)荷大小，負(fù)荷量越大越容易達(dá)到穩(wěn)控需切負(fù)荷總量的控制目標(biāo)；另一方面需考慮負(fù)荷的供電可靠性要求，部分負(fù)荷供電要求非常高且任何時(shí)刻都不允許被切除。綜合云南受端電網(wǎng)實(shí)際情況，電解鋁負(fù)荷由于負(fù)荷占比較大，較易達(dá)到穩(wěn)控切負(fù)荷控制目標(biāo)，建議作為優(yōu)先切除對(duì)象；工業(yè)硅、水泥負(fù)荷有一定占比，供電可靠性一般，建議局部地區(qū)根據(jù)需要可考慮作為切負(fù)荷對(duì)象；其余工業(yè)負(fù)荷占比較小且部分負(fù)荷不允許停電，建議不作為切負(fù)荷對(duì)象。

3 結(jié)束語

云南受端電網(wǎng)電解鋁工業(yè)負(fù)荷占比最大，為滿足穩(wěn)控系統(tǒng)切負(fù)荷控制目標(biāo)，可考慮優(yōu)先切除電解鋁負(fù)荷，局部地區(qū)可根據(jù)需要切除工業(yè)硅和水泥負(fù)荷，其余工業(yè)負(fù)荷不作為切負(fù)荷對(duì)象。

為防止負(fù)荷大量過切及電力安全事故風(fēng)險(xiǎn)[5-6]，建議進(jìn)一步加強(qiáng)切除電解鋁部分負(fù)荷方面的研究。