大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行特性對(duì)油田區(qū)域配電網(wǎng)電壓暫降影響仿真分析

劉玉林

（勝利石油管理局有限公司電力分公司，山東 東營(yíng)257000）

0 引言

隨著油田敏感性用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用以及并網(wǎng)型分布式電源、智能化設(shè)備等大量接入電網(wǎng)，電壓暫降影響越來(lái)越大［1-6］。多年以來(lái)，油田生產(chǎn)頻繁受到電壓暫降的影響，帶來(lái)了生產(chǎn)設(shè)備停機(jī)、線路停電等大量的生產(chǎn)問(wèn)題，嚴(yán)重影響油田產(chǎn)量。油田配電網(wǎng)處于供電系統(tǒng)的末端，直接面向用電設(shè)備，是保障供電可靠性與提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［7-11］。因此，有必要針對(duì)油田配電網(wǎng)進(jìn)行電壓暫降治理，這對(duì)降低經(jīng)濟(jì)損失及提高供電可靠性意義重大［12-15］。

現(xiàn)階段，電壓暫降治理通常從供電側(cè)電壓暫降水平和用電側(cè)設(shè)備耐受能力兩個(gè)角度保證電壓暫降的兼容性［16-18］。具體技術(shù)手段上，供電方可以通過(guò)增加避雷器、定期維護(hù)絕緣子等方式減少短路故障的發(fā)生次數(shù)，降低電壓暫降的危害程度，但無(wú)法避免嚴(yán)重電壓暫降事件的發(fā)生，敏感設(shè)備仍有發(fā)生中斷的可能性。用戶側(cè)可以通過(guò)安裝包括動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器［19-23］、靜止無(wú)功補(bǔ)償器［24-27］、限流電抗器［28-32］等裝置，能夠在一定程度上提高電能質(zhì)量，但是敏感設(shè)備耐受能力提升的手段和應(yīng)用范圍有限，此類治理技術(shù)僅對(duì)部分敏感設(shè)備有效。油田配電網(wǎng)的典型用電負(fù)荷是抽油機(jī)［33-35］，具有慣性大、周期運(yùn)行的特點(diǎn)，停止后有很大的慣性，會(huì)產(chǎn)生比較大的反電勢(shì)，而且與系統(tǒng)電壓存在相位差，在合閘時(shí)有可能會(huì)引起沖擊，對(duì)抽油機(jī)控制設(shè)備造成損壞。且油田是滾動(dòng)開發(fā)模式，油井?dāng)?shù)量多、位置分散，當(dāng)供電線路發(fā)生電壓暫降時(shí)，每個(gè)位置的暫降程度是不一樣的，給電壓暫降治理帶來(lái)了一定的難度。

研究大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)油田配電網(wǎng)電壓暫降的影響特征，可以更好地對(duì)電壓暫降進(jìn)行治理，提高區(qū)域配電網(wǎng)供電可靠性。因此，本文將理論分析與電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證相結(jié)合，建立油田區(qū)域配電網(wǎng)簡(jiǎn)化拓?fù)鋱D，對(duì)大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷在電壓暫降傳播過(guò)程中的影響進(jìn)行機(jī)理分析，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行特性對(duì)電壓暫降的影響特征，為后續(xù)電壓暫降治理提供思路。

1 大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行特性對(duì)油田電壓暫降影響機(jī)理分析

本文針對(duì)油田輻射型配電網(wǎng)絡(luò)［7］，采用RTU數(shù)據(jù)信息，建立干線式等效模型如圖1所示。由于油田配電線路供電半徑較短，電壓等級(jí)較低，輸送容量較小，在分析計(jì)算線路電壓損失時(shí)，可忽略其電壓降落的橫向分量，僅計(jì)及其縱向分量［36］；并利用額定電壓代替各點(diǎn)的實(shí)際電壓計(jì)算線路電壓損失，其簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 干線式配電線路簡(jiǎn)化模型圖Fig.1 Simplified Model of Trunk Distribution Line

其中，pi、qi表示各支線的負(fù)荷功率，Pi、Qi表示各段干線的功率，li、ri、xi表示各段線路的長(zhǎng)度、電阻和電抗，Li、Ri、Xi表示各個(gè)負(fù)荷到電源之間的干線長(zhǎng)度、電阻和電抗，i= 1，2，3。

為了便于計(jì)算，可忽略各段線路的功率損耗且認(rèn)為各段線路的導(dǎo)線類型相同，各段干線的電壓損失為：

式（1）中，r1表示單位長(zhǎng)度的電阻，x1表示單位長(zhǎng)度的電抗。由式（1）可知，電壓降落的大小主要和線路長(zhǎng)度l，干線有功功率P、無(wú)功功率Q有關(guān)。

又因?yàn)椋?/p>

當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，故障點(diǎn)處負(fù)荷電壓最低，無(wú)功功率Q從電壓高的節(jié)點(diǎn)流向電壓低的節(jié)點(diǎn)。因此，非故障線路上無(wú)功功率Q＜0。

同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電路表達(dá)都為電磁轉(zhuǎn)矩Te與機(jī)械阻轉(zhuǎn)矩TL之間的關(guān)系，由電力拖動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程式可知：

式（3）中，Ω表示轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

正常工況下，Te與TL相等；當(dāng)暫降發(fā)生時(shí)，電壓的突變會(huì)改變電磁轉(zhuǎn)矩Te，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL是油田典型大慣性負(fù)荷抽油機(jī)，因?yàn)楣收铣掷m(xù)時(shí)間很短，在暫降期間近似認(rèn)為TL不變，導(dǎo)致Te＜TL；且TL很大，在大慣性的作用下沿著原來(lái)的方向繼續(xù)移動(dòng)。

式（3）等號(hào)兩邊都乘以同步機(jī)械角速度Ω1。

根據(jù)功率守恒定律，當(dāng)Pe＜PL時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷向電網(wǎng)側(cè)倒送功率，此時(shí)負(fù)荷功率為：p＜0，q＜0，根據(jù)公式（1）得到ΔU＜0。由式（2）可得，配電網(wǎng)非故障線路會(huì)出現(xiàn)線路末端負(fù)荷電壓高于線路首端電壓的現(xiàn)象；且倒送功率越大，電壓抬升現(xiàn)象越明顯。

2 大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行特性對(duì)油田電壓暫降影響仿真分析

本文以勝利油田某區(qū)域配電網(wǎng)及其所帶負(fù)荷為分析對(duì)象，基于PSCAD軟件建立仿真模型，系統(tǒng)簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，各條出線數(shù)據(jù)信息如表1，以線路1、2作為試驗(yàn)對(duì)象，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-4所示，仿真分析大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行特性對(duì)油田電壓暫降影響作用。

為簡(jiǎn)化分析，仿真模型中所有出線的線路類型均相同，其線路型號(hào)、阻抗值如表2所示。

圖2 油田某區(qū)域配電網(wǎng)簡(jiǎn)化分析模型Fig.2 Simplified analysis model of distribution network in a certain area of oil field

圖4中，每個(gè)黑色圖案都代表一臺(tái)380 V的低壓電動(dòng)機(jī)，其中圓圈代表永磁同步電動(dòng)機(jī)，正方塊代表鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)；線路電壓等級(jí)為10 kV，通過(guò)變壓器給電動(dòng)機(jī)供電，紅色虛線框內(nèi)的電動(dòng)機(jī)作為測(cè)量對(duì)象。參考油田某區(qū)域配電網(wǎng)線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、線路參數(shù)和負(fù)荷分布，建立仿真模型進(jìn)行仿真分析。

2.1 不同類型大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)電壓暫降的影響

如圖2 所示，線路3 發(fā)生三相短路，過(guò)渡電阻為0.1 Ω，故障持續(xù)時(shí)間0.1 s，測(cè)量非故障線路1不同位置和不同類型電動(dòng)機(jī)的機(jī)端電壓。

表1 仿真模型線路數(shù)據(jù)信息表Table 1 Simulation model line data information table

表2 仿真模型線路型號(hào)參數(shù)表Table 2 Simulation model line model parameter table

1）首端同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓；

2）中間同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓；

圖3 線路1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Line 1 topology diagram

圖4 線路2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.4 Line 2 topology diagram

3）末端同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電壓。

圖5 線路1首端位置電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.5 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the head end of line 1

圖6 線路1中間位置電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.6 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the middle position of line 1

圖7 線路1末端位置電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.7 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the end of line 1

表3 大慣性電動(dòng)機(jī)對(duì)非故障線路電壓暫降影響統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of influence of large inertia motor on voltage sag of non-faulty line

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，形成暫降深度-位置曲線如圖8所示。

由圖8可得，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降，非故障線路末端電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓高于首端；受電動(dòng)機(jī)類型的影響，永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不需要吸收無(wú)功功率，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行需要吸收無(wú)功功率進(jìn)行勵(lì)磁，所以相同位置的同步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓高于異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓，同步電動(dòng)機(jī)暫降時(shí)倒送功率比異步電動(dòng)機(jī)多。

2.2 不同暫降深度下大慣性電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓暫降的影響

如圖2 所示，線路3 發(fā)生三相短路，過(guò)渡電阻改為0.5 Ω，故障持續(xù)時(shí)間0.1 s，測(cè)量非故障線路1不同位置和不同類型電動(dòng)機(jī)的機(jī)端電壓：

1）首端同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓；

2）中間同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓；

3）末端同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓。

將仿真得到的非故障線路1 參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算不同位置及不同類型電動(dòng)機(jī)在電壓暫降時(shí)的機(jī)端電壓暫降深度如表4所示。

（1）知識(shí)產(chǎn)權(quán)法在西藏地區(qū)有待進(jìn)一步普及，尤其是網(wǎng)絡(luò)版權(quán)保護(hù)意識(shí)在廣大網(wǎng)民心中仍然淡薄。部分小規(guī)模微商或淘寶店主文化程度較低，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)法一無(wú)所知或知之甚少，網(wǎng)絡(luò)版權(quán)保護(hù)意識(shí)淡漠，對(duì)自己的侵權(quán)行為不以為然，對(duì)被侵權(quán)現(xiàn)象也沒(méi)有察覺(jué)。

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果，形成暫降深度-位置曲線如圖12所示。

圖12表示的暫降深度-位置曲線與圖8曲線對(duì)比可以看出，電壓暫降越嚴(yán)重，暫降深度-位置曲線斜率越大，電動(dòng)機(jī)倒送功率越多，抬升電壓現(xiàn)象越明顯。

圖8 大慣性電動(dòng)機(jī)對(duì)非故障線路電壓暫降影響波形圖Fig.8 Waveform diagram of influence of large inertia motor on non-fault line voltage sag

圖9 線路1首端位置電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.9 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the head end of line 1

圖10 線路1中間電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.10 The voltage waveform diagram of the middle motor terminal of line 1

圖11 線路1末端位置電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.11 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the end of line 1

2.3 大慣性電動(dòng)機(jī)數(shù)量不同的線路受電壓暫降的影響

如圖2 所示，線路3 發(fā)生三相短路，過(guò)渡電阻為0.1 Ω，故障持續(xù)時(shí)間0.1 s，測(cè)量線路2不同位置和不同類型電動(dòng)機(jī)受故障影響程度：

1）首端同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓；

2）中間同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓；

3）末端同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電壓。

將仿真得到的非故障線路2 參數(shù)進(jìn)行處理，得到電壓暫降時(shí)的電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓暫降深度如表5所示。

表4 大慣性電動(dòng)機(jī)對(duì)非故障線路電壓暫降影響統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of influence of large inertia motor on voltage sag of non-faulty line

表5 大慣性電動(dòng)機(jī)對(duì)非故障線路電壓暫降影響統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical table of influence of large inertia motor on voltage sag of non-faulty line

圖12 大慣性電動(dòng)機(jī)對(duì)非故障線路電壓暫降影響波形圖Fig.12 Waveform diagram of influence of large inertia motor on non-fault line voltage sag

圖13 線路2首端位置電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.13 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the head end of line 2

圖14 線路2中間位置電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.14 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the middle position of line 2

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果，形成暫降深度-位置曲線如圖16所示。

圖16 表示的是線路2 的暫降深度-位置曲線，線路上有37臺(tái)電動(dòng)機(jī)；圖8表示的是線路1的暫降深度-位置曲線，線路上有58臺(tái)電動(dòng)機(jī)，兩圖對(duì)比可以看出，相同故障類型下，線路上電動(dòng)機(jī)數(shù)量越多，電壓暫降時(shí)電動(dòng)機(jī)總的倒送功率越多，非故障線路末端電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓高于首段現(xiàn)象越明顯。

圖15 線路2末端位置電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓波形圖Fig.15 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the end of line 2

圖16 大慣性電動(dòng)機(jī)對(duì)非故障線路電壓暫降影響波形圖Fig.16 Waveform diagram of influence of large inertia motor on non-fault line voltage sag

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)油田區(qū)域配電網(wǎng)中的電壓暫降問(wèn)題，本文將理論分析與仿真驗(yàn)證相結(jié)合，建立PSCAD 仿真模型，通過(guò)仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降，大慣性電動(dòng)機(jī)負(fù)荷存在一定的倒發(fā)電現(xiàn)象，非故障線路末端電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓高于首端；受電動(dòng)機(jī)類型的影響，非故障線路相同位置的同步電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓高于異步電動(dòng)機(jī)，且電壓暫降越嚴(yán)重，上述現(xiàn)象越明顯。

2）相同類型故障和暫降深度下，線路電動(dòng)機(jī)數(shù)量越多，總的倒送功率越多，倒發(fā)電導(dǎo)致的非故障線路末端電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓抬升現(xiàn)象越明顯。

綜上，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，油區(qū)場(chǎng)井的位置、所在區(qū)域的電動(dòng)機(jī)數(shù)量以及電動(dòng)機(jī)容量都會(huì)對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷電壓產(chǎn)生影響。通過(guò)上述仿真分析，可以為油田區(qū)域配電網(wǎng)電壓暫降治理提供以下的思路：

1）對(duì)油區(qū)進(jìn)行合理規(guī)劃，定期檢查和維護(hù)容易遭受電壓暫降影響的油井線段。

2）通過(guò)采取一定的電壓暫降治理措施提高線路首端附近的油井電壓暫降耐受能力。

電機(jī)作為工業(yè)領(lǐng)域的主要負(fù)荷形式，電壓暫降后電機(jī)不脫網(wǎng)已成為工業(yè)界應(yīng)對(duì)電壓暫降的主要措施之一。本文得到的結(jié)論可為其他工業(yè)領(lǐng)域電壓暫降影響分析、擾動(dòng)源分界以及治理措施提供支撐，進(jìn)而減小電壓擾動(dòng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的影響。