大型有色冶金企業區域電網規劃的分析與探討

劉東斌，王淑慶

(金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌 737100)

大型有色冶金企業區域電網規劃的分析與探討

劉東斌，王淑慶

(金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌 737100)

通過對大型有色冶金企業區域電網特點的論述，闡述電網規劃的相關要素。以實際案例闡述區域電網規劃方案的設想，提出在電網建設和規劃論證過程中應該注意的要點和事項，為大型企業的區域電網規劃建設提供參考。

區域電網； 規劃； 分析； 探討

0 前言

大中型有色及冶金企業的電網系統都是在自有產業發展過程中，伴隨著生產產品的發展壯大、為工藝配套而發展起來的，具有負荷種類多、負荷量大的特性，同時配套有自備電廠，在一定范圍內都具備了發電、供電、配電、用電等一體化的獨立管理及生產系統。

隨著能源產品的日趨多樣化和能源供應形式的發展，大中型有色及冶金企業在考慮自備電廠的基礎上，通過自發自用和新能源的配套，探索如何利用自身的產能優勢，進行合理配置電網架構達到降低電價成本，從而降低生產成本、提升產業競爭力的目的。

根據2015年國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見，明確提出有序放開競爭性業務，實現能源供應多元化，促進公平競爭。同時，進一步深化對區域電網建設的研究，形成并引導市場開展電力產品交易體系的落實。作為國有大型有色冶金企業，如何充分利用自身的產業條件，結合國家政策，在區域電網建設方面探索出一條可行之路，是廣大的管理技術人員都應該迫切思考的問題。

1 大型有色冶金企業區域電網布局及供電特點

以兩家典型的有色冶金企業為例：冶金A集團公司和有色B集團公司為例。

(1)電網布局形式

冶金A集團公司電網布局：以330 kV變電站為樞紐變電站，通過若干110 kV變電站環網布局，自備電廠在不同的變電站接入，總體形成了自發自用的格局。和國網接入點，以330 kV雙回線聯絡。變電總容量約2 000 MVA。

有色B集團公司電網布局：以110 kV變電站為核心變電站，通過不同區域變電站完成了廠區電力負荷的供應，各110 kV變電站以點的形式分別接入國網330 kV變電站，由國網330 kV變電站形成地區環網供電。自備電廠在核心110 kV變電站計入，局部形成自發自用的格局。變電總容量約1 000 MVA。

(2)供電特點

冶金A集團公司企業電網供電負荷主要包括鋼鐵冶煉軋機、電動機等，供電特點以企業自備的多電源環網為主，供電獨立性好，電源之間互為補充，供電可靠性好。同時和電力系統區域主網通過兩回330 KV相聯，保證了在企業發電系統發生故障時的區域外電源補充。供電調度靈活，系統整體經濟性好。

有色B集團公司企業電網負荷主要是冶煉爐、電解、電動機等，供電特點分別以系統多電源放射式供電為主，以區外電網架構為依托，供電可靠性高。但自主發展環境較差，受限較多。

2 區域電網規劃過程中的要素分析

2.1 可靠性

企業區域電網規劃可靠性主要從電源系統的可靠性和區域電網系統可靠性兩方面考慮。

2.1.1 電源系統的可靠性主要考慮基本容量和備用容量

從企業自備電廠的角度根據供熱負荷需求平衡及供電負荷需求平衡，來確定基本的裝機容量，滿足用戶正常生產狀態下基本用電、用熱需求。

另一方面，還要考慮備用容量。備用容量主要包括負荷備用、事故備用和檢修備用，在裝機容量中進行充分的考慮可以保證機組在正常的頻率和電壓下運行。負荷備用一般按最大發電負荷的2%～5%，事故備用一般按最大發電負荷的10%，并且不小于系統內1臺最大單機容量考慮；檢修備用一般按最大發電負荷的8%～15%考慮。

2.1.2 區域電網的可靠性主要指對用戶能夠連續供電，并保證用電的各項可靠性指標

重點考慮在N- 1狀態下，系統中的變電所內任何一條進線、一臺變壓器或輸配電網絡的任一條回路出現故障，能夠保證不損失負荷或采取措施后允許部分停電。

同時，能夠保證：對兩回路供電的用戶，失去1回路后不應該停電；三回路供電的用戶，失去1回路后保證全部供電，失去2回路后可保證原負荷50%～70%的供電。同時負荷愈大或愈重要的負荷，恢復供電的目標時間愈短。

區域電網構架的可靠性指標主要根據系統的區域網架結構，結合區域系統內的發電機及電動機、負荷、變配電設備、線路等電器元件的故障率、修復時間、替換設備時間等因素考慮。

網架結構要考慮分層分區，適應性強，并能保證對在各類事故和自然災害下供電的能力。

內部供電網架是研究供電穩定性的基礎，主要考慮一次系統的配置、內部發電系統的接入、保護和自動裝置的配置、設備的選擇等因素。

2.2 穩定性

區域電網穩定性主要指由電源、電網、聯絡線組成的區域電網系統受到各種型式的干擾后能夠恢復到原來或預定的穩態運行方式的能力。具體包括運行穩定性、電壓穩定性 、頻率穩定性及網架結構的穩定配置。

同步運行穩定性主要指系統受到擾動后，同步電機過渡到新的或原系統穩定運行方式的能力；

頻率穩定性是指有功功率平衡的能力。頻率的穩定性通過考慮全廠有功在各種運行方式下是平衡的，在系統供電能力發生變化時如失去1臺發電機，通過低頻減載裝置調節有功，保證系統頻率穩定。

電壓穩定性是指系統無功供需的平衡。通過合理的無功功率分配，使系統各點電壓值滿足要求，大容量電動機的啟動、成批量電動機的啟動，都會使系統電壓產生起伏，起伏大小取決于啟動電壓水平和啟動轉矩。

同時，區域電網系統網架結構的穩定性取決于系統架構和運行方式以及配套的繼電保護和自動裝置。

2.3 區域網架結構的技術合理性

區域網架結構是規劃設計的主要內容，著重考慮如下幾個要素：電壓等級、供電可靠性、容載比、企業網架接線形式、系統中性點運行方式、短路水平、無功補償和電壓調整、電壓損失及其分配、節能環保以及通信干擾等。原則上，根據電源及負荷的不同發展水平分期考慮建設。

企業電網電壓等級和最高電壓等級的選擇根據用電現狀和遠景規劃選擇。要求簡化變壓層次、優化配置電壓等級序列，避免重復降壓。主要從負荷的最終發展容量和負荷密度方面綜合考慮。

容載比是指變電設備容量和負荷的比值，一般控制在1.5～2.2范圍之間。合理的容載比和具體的網架結構相配合，能夠保證故障狀態下負荷的有序轉移，確保供電可靠性。同時，能夠適應一定規劃期內的負荷增長。

企業網架線路由輸電線路、高低壓配電線路以及變電站和配電室組成。要求各級電壓配比及配電網盡量簡化。隨著有色冶金企業的產能擴大，110 kV及以上的輸電線路也逐漸成為企業主網架的組成部分，一般宜做成外圍架空環網形式。在環網的適當位置設置樞紐變電站。高中壓配電網是企業的主要網架形式，按架空線或電纜、變壓器容量和臺數選擇接線方式，在考慮變電站位置、負荷密度、運行管理的需要等幾個因素的基礎上，以獨立的分區配電網形式存在。用戶配電站以中壓10 kV為主，形成末端變電所，供廠區或生活區負荷。

企業供電網架中的中性點運行方式，分為直接接地及經低電阻接地的有效接地方式和不接地及經消弧線圈接地的非有效接地方式，具體為330 kV、110 kV為直接接地方式，35 kV、10 kV為不接地或經消弧線圈接地，380/220 V為直接接地方式。在35 kV和10 kV系統中，大量的使用了電纜，一般采用經消弧線圈接地的方式。

企業電網無功補償主要是通過配置無功電源來滿足區域網的無功負荷的需要，以達到額定電壓條件下的平衡。一般采用并聯電容器、電容器電抗器組作為補償裝置，通過分散和集中補償相結合的方式保證無功平衡。

提高電壓質量的綜合措施主要采用無功功率就地平衡和足夠的調壓手段。調壓手段主要包括發電廠和調相機調壓、變電站調壓及線路調壓。

短路容量方面主要考慮電網各級網絡設計、運行方式和電壓等級、變壓器容量和阻抗選擇等因素進行調整，保證各級電壓斷路器的開斷電流以及設備動熱穩定電流在合理范圍內。在變電所的母線短路水平一般控制在16 kA～40 kA范圍。

在供電電壓質量和最大電壓損失方面，相關國標規定：35 kV及以上系統供電電壓正負電壓的絕對值之和不超過額定電壓的10% ，10 kV系統要求7%，220 V單相及三相供電電壓要求+7.5%～-10%之間。

其他在節能環保及通信干擾方面既要考慮投資，又要考慮環境影響，相應做了規定。

2.4 區域電網與地區接入系統的配合要求

區域電網建設包含上網性和離網型。對于離網型，由于不考慮與公用電網連接，不存在接入要求。對于上網型，則需考慮配合要求。

大型有色冶金企業的區域電網系統建設根據不同的歷史發展呈現不同的模式，基本沿襲了從無到有、從小型化到規模化的發展路徑。目前最典型的形式是企業根據產業的發展需求自建自備熱電聯產項目，從供熱、供電兩個方面滿足企業自身的需求。

自備熱電聯產項目的核心是正常狀態下自發自用，故障狀態下從企業取得保安電源。公用電網接入的基本要求是自我平衡、自發自用、正常運行方式下嚴禁上網。同時，還要從公用系統網絡框架下做好潮流分布、短路電路的計算復核，以保證公用系統網絡的運行安全。

2.5 供電質量特性

供配電電能質量主要包括電壓質量、波形質量和頻率質量。具體包括：電壓偏差、電壓波動和閃變、電壓不平衡度、諧波、頻率偏差等。

區域電網在保證系統穩定性的前提下，使得供電頻率和供電電壓基本保證在合理波動范圍內。通過進一步對配電設備的合理配置和調整，可以更好的保證對負荷及用戶的用電參數要求。

2.6 經濟合理性

主要從規劃建設費用和自備運行費用兩個方面考慮。

在企業區域電網規劃建設中，電源、能源、交通運輸、電網是一個有機的整體，投資費用需要從電廠、電網及鐵路、公路運輸和配套水、灰場、煤場方面考慮，年運行費用從發電燃料費、運輸費、維護費、電能損失費等幾個方面綜合考慮。

在區域電網自備運行方面，企業自發自用的運行方式，直接以發電成本價供給負荷使用，減少了上下網之間的費用，大大降低了電價成本，綜合效益非常顯著。目前比較突出的區域電網模式就是煤電鋁聯營和煤電冶聯營。

2.7 區域電網配套的安全自動裝置、繼電保護、系統通信設置及獨立的區域網調度中心

區域電網能否保證安全、持續、穩定的運行，安全自動裝置的配置是否適當、齊全、完備是個關鍵要素。主要包括線路自動重合閘裝置、低周減負荷裝置、甩負荷切機裝置、備用電源自投裝置、發電機快速強勵裝置、輸電線路強行補償裝置、發電解列裝置、快速關氣門裝置等，以及發電價、主變、供電線路的繼電保護裝置等。此外，作為區域電網系統，還要配有獨立的區域電網調度自動化系統和完整的內部通信系統。

3 區域電網規劃建設方案的設想

以某大型有色冶金行業企業為例，在現有發供輸配系統基礎上，建立獨立完備的區域電網采取的主要方案。

3.1 電源實施的技術措施

(1)為滿足不同運行工況機組N- 1的要求，新建N臺350 MW熱電聯產機組。

(2)建設黑啟動電源。僅考慮區域內1臺150 MW機組的黑啟動負荷，經對區域系統內核算，需新建42 MW燃氣機組。

(3)對現有機組的旁路系統進行優化改造，滿足切負荷后不停機及沖擊負荷情況下，負荷快速調整的需要。

(4)對現有機組的控制系統進行完善優化，增強負荷變化時的快速自動調節功能。

(5)在電廠送出線路配置低周減載裝置。

3.2 供電網絡實施的技術措施

(1)針對不同區域供電網絡方案，在各種運行方式下進行潮流分布、短路和穩定計算，校核現有網絡中主要設備參數及主變電所的母線電壓，提出改造的技術要求，確保供電網絡分層、分區、分系統的可靠運行。

(2)為保證單臺大機組(或一大一小兩臺)故障狀態下的供電網絡安全穩定運行，在負荷分級和分區的基礎上，供電網絡中配置低周減載裝置，以保證分級分階段切機的平穩性。

(3)配置和優化現有區域電網電力調度自動化裝置和系統，建立完善的電力調度通信網，對35 kV及以上的變(配)電、整流所和大電機回路的運行狀態進行實時監控、調度和運行管理，同時與生產調度系統協調統一。

(4)對區域網絡內的沖擊負荷、諧波源和無功進行專項分析計算，增加動態或靜態的無功補償設備、諧波治理設備，采取有效措施控制對系統供電的影響。

(5)重新對區域電網內各種運行方式下各級保護定值進行計算和整定，保護裝置作適應性改造。

(6)提升整體控制水平，應用智能電網技術提高區域供電系統的管控水平。

3.3 供電負荷側實施的技術措施

(1)對生產和工藝過程的負荷進行分區整合優化，配置相應的低周減載裝置和自動分區運行裝置。

(2)對礦山、冶煉和化工等主要的生產設備和工藝，完善非電氣保安技術措施，避免停電時造成傷亡事故、重大設備及生產運行事故。

3.4 組織和管理措施

(1)建立由生產總調度室管轄的電力調度中心，配備專業電力調度人員，統一調度管理電廠和供電網絡，及時與生產協調，為生產提供可靠的電力供應。

(2)組建區域電網統一的運行管理單位或部門，培訓和配備專業的電力自動化和電力通信設備和系統的維護人員，為區域電網安全可靠運行提供保證。

(3)因冶金爐窯和礦山的負荷性質的特殊性，區域電網建設優先考慮安全性和現有生產系統的現狀穩定，盡量減少對生產的干擾。考慮建設以330 kV變電站為主要節點的供電網架，設置公用電網連接點，分階段建成區域電網。

(4)依據區域電網正常運行方式和故障運行方式，編制與此相適應的生產計劃和生產組織預案，以便及時調整生產組織，最大限度減少電網異常或故障對生產造成的損失。

(5)加強負荷側管理，通過合理組織生產系統，生產調度與電力調度聯動，按削峰填谷的原則保持用電負荷平穩。

(6)因網內機組備用容量較小，機組年度檢修充分考慮與生產系統的連片檢修同步進行。

4 區域電網規劃的注意事項和要點

區域電網規劃建設，要注意現有系統的技術配置，還要著眼于企業未來的發展戰略布局。主要從以下幾個方面考慮：

4.1 近遠期區域電網規劃的主要參數

遠期電網規劃主要根據遠期預測的負荷，充分考慮遠期供電可靠性的要求和電壓等級，以及接線方式等技術原則的前提下，來確定供電區域、規劃變電站的容量和位置、高壓線路的路徑和結構、所需的電源容量和布局。

近期電網規劃以現有電網著手，將現有負荷按現有或規劃的變電站和線路分解，進行電力潮流、短路容量、無功優化、故障分析、電網可靠性等各項計算，檢驗確定電網的適應性和可行性。

4.2 區域電網布局過程的的小網大機問題

電力系統規劃原則要求：電網規劃中，應優先采用大容量機組，但要確保控制最大機組的容量一般不超過系統總容量的8～10%。對形成中的電力系統，可根據負荷增長情況和系統中的地位進行技術經濟論證后，考慮較大容量機組。

大型有色冶金企業區域電網在產業產能發展過程中，分別經歷了50 MW、100 MW、150 MW、350 MW的不同階段的機型配置。在大型冶金企業中，存在著4種機型的組合，基本滿足了配置要求。但在有色企業的區域電網中，機型配置相對薄弱，需要通過另外配置燃氣輪機，同時配備快速切負荷裝置，才能保證對小網大機的運行穩定。

4.3 區域電網黑啟動的配置

區域電網必須考慮黑啟動措施。根據在建機組的組合配置情況，需要選擇能夠快速啟動、負荷恢復容易、對系統震蕩影響不大的局部電廠作為黑啟動主力電源。另外為保證電廠廠用電的可靠性，從保安角度，電網還必須有一定的保安電源。同時，還可以考慮在臨近獨立電網取得黑啟動電源。

4.4 區域電網供電質量的保障

大型有色冶煉存在大量整流和電爐負荷，目前在與主網聯結的情況下，其網內諧波都較為嚴重，如分出組成孤網運行，則諧波問題將會更為嚴重；另外生產設備中大電動機較多，其容量達上萬kW，這些電機啟動時所產生的3～4倍的額定啟動電流對孤網將造成較大的沖擊，將使孤網頻率和電壓造成較大波動。定性分析上，分出組建區域電網后，其供電質量將會受到影響。需要加大電網容量以減小其對區域電網的影響。對于有色冶煉有大量的整流和電爐負荷，其網內諧波和負荷的突變大大機啟動時電流的沖擊，需要采取專項措施治理。

4.5 負荷進行整合是個重點因素

大型有色冶金集團公司絕大部分均為一類負荷，停電后將可能導致人身傷亡和設備的損壞，內部負荷如何整合，難度較大；電網110 kV為主網調度，改造整合需一個較長過程，實施中須有公用電網配合、甚至涉及主網運行方式的調整。從技術角度來說，采用分級、分區、分階段的平滑負荷切除裝置，可以更好地保證區域電網的系統穩定性。

[1] 電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2] 李愛民，注冊電氣工程師執業資格考試復習教材編委會.注冊電氣工程師執業資格考試復習指導書(發輸電專業).北京：中國電力出版社，2007：715-743.

Analysis and Discussion of the Regional Power Grid Planning in Large Non-ferrous and Metallurgical Enterprises

LIU Dong-bin， WANG Shu-qing

Through the characteristics of the local power grid to the nonferrous and metallurgy enterprise, this paper expounds related factors of power grid planning. With practical cases in this paper, the idea of planning is explained. And in the process of power grid construction and planning argumentation something should pay attention to for the main points of the matters. This paper provides the reference for regional power grid construction of large enterprises.

power grid； construction and planning； analysis; discussion

2015-05-19

劉東斌(1969-)男，貴州鳳崗人，教授級高級工程師，大學本科，國家注冊電氣工程師及注冊監理工程師，主要從事集團公司電氣項目監理及重點電氣項目規劃設計管理工作。

TM73

B

1003-8884(2015)05-0001-05