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)展與進步，變電站智能化的發(fā)展正隨著時代的變化而不斷提升。采用先進技術(shù)使電網(wǎng)免于斷電，是孤島電力系統(tǒng)保護和控制之創(chuàng)舉。本文主要講述了通過SEL硬件平臺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)達到了新的高度。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)控；POWERMAX；孤島；負荷；投切

近年來，中國大型工況企業(yè)飛速成長，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，同時中國電網(wǎng)大互聯(lián)的趨勢，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：臺風、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；

（3）外部電網(wǎng)操作時，人為過失所造成的電網(wǎng)擾動；

（4）企業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境的特點，對電力系統(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)特點的影響，存在較大的沖擊負荷。如：鋼鐵企業(yè)的電爐負荷、熱軋負荷等。工況企業(yè)的灰塵、熱沖擊、腐蝕性的環(huán)境，對設(shè)備的工況影響更突出，設(shè)備故障對電力系統(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，電解槽和鋁水將會完全報廢。電力系統(tǒng)的擾動造成企業(yè)生產(chǎn)問題，如：石化企業(yè)90%用電負荷為電動機負荷，而電動機對電力系統(tǒng)的擾動尤為敏感；一旦失電，設(shè)備停車發(fā)生后，恢復(fù)生產(chǎn)過程長。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，和靈活的模塊化編程技術(shù)，可以監(jiān)測電力系統(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)測到的實際發(fā)電量和負荷量，按照用戶設(shè)定的優(yōu)先級原則，動態(tài)調(diào)整發(fā)電量和負荷量，使電力系統(tǒng)快速回到平衡運行狀態(tài)。

3.1系統(tǒng)孤島自動偵查

持續(xù)監(jiān)測電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)接點，判斷電力系統(tǒng)是否從一個或更多個電網(wǎng)斷開成孤島系統(tǒng)。在孤島發(fā)生期間，SEL孤島控制一臺選定的發(fā)電機在“恒速”模式下運行，保持頻率控制。

3.2自動解裂系統(tǒng)

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

3.3同步向量測量

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

3.4POWERMAX通訊

使用IEC61850 GOOSE報文和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)測到并作出反應(yīng)。動作時間長，不區(qū)分站內(nèi)關(guān)鍵與非關(guān)鍵負荷，經(jīng)常會造成重要設(shè)備損壞，離線的預(yù)置動作策略，與實際負載偏差很大，并且過切和欠切嚴重，同時可能會使孤島系統(tǒng)崩潰瓦解。

而POWERMAX實時監(jiān)測發(fā)電和用電是否平衡，在第一時間發(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，同時將傳統(tǒng)的低頻減載作為后備方案，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了更為快捷、可靠的保護。

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)離線計算的策略表，切除負荷。而離線計算的策略表與實際運行情況并非匹配，那么根據(jù)策略表切負荷的方案，會造成實際欠切/過切負荷，不能達到電力系統(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，簡化現(xiàn)場操作人員的工作量，從而使得系統(tǒng)在實際應(yīng)用中更為安全。

3.8技術(shù)參數(shù)

在計算機平臺CPU負荷不超過45%，和服務(wù)器CPU負荷不超過25%的時候，可以監(jiān)控不少于60000個信息Tag；

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

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

每個系統(tǒng)操作站的測量量更新的平均時間少于5秒；

保持所有IED時間同步，精度達到5ms；

帶時標的順序時間記錄SER具有1ms分辨率。

4 典型案例

4.1 概述

兩條66kV電源進線錦油1#和錦油2#，每條進線容量約50MVA。正常情況下并列運行。兩臺主變2#和3#主變?nèi)萘烤鶠?1.5MVA，正常情況下并列運行。6.3kV共計三段母線。一、二段之間或二、三段之間均通過1母聯(lián)斷路器和1母分斷路器相連。正常情況下，全合閘處并列運行。6.3kV I母下1#降變連接1#發(fā)電機母線，6.3kV III母下2#降變連接2#發(fā)電機母線，兩段母線并列運行。3#發(fā)電機連接6.3kV II母，4#發(fā)電機連接6.3kV III母。

4.2 確定負荷特性

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

4.3穩(wěn)控策略設(shè)計

4.3.1系統(tǒng)警戒和跳閘

正常運行時，進線和主變高低壓側(cè)的斷路器的6臺斷路器均處于合閘狀態(tài)，兩路66KV進線可以給所有的6.3KV的負荷供電。任意一臺斷開，系統(tǒng)將處于N-1的風險中，即只有一路電源在給6.3KV母線供電，認定為N-1警戒。當兩路66KV電源全部消失（即進線斷路器均斷開或兩臺主變的高低壓側(cè)均有斷路器斷開），即出現(xiàn)N-2的情形，系統(tǒng)進入孤島運行狀態(tài)。N-2發(fā)生瞬間，穩(wěn)控系統(tǒng)會根據(jù)決策表的要求，切除必要的負荷以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

4.3.2切除負荷量計算

N-2情形下，需要切除的負荷量為兩條6.3KV進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，需要切除的負荷量為退出運行的發(fā)電機的功率，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“選擇切除的負荷量”大于“需要切除的負荷量”時，穩(wěn)控系統(tǒng)將停止選擇切除更多的負荷。負荷優(yōu)先級針對負荷，根據(jù)其重要性的不同進行排序，優(yōu)先級高的負荷先選擇切除。

4.3.3負荷減載決策表

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

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)在非運行位置；

任意一臺同步向量測控裝置出現(xiàn)故障；

前置機檢測到有裝置GOOSE離線；

6.3KV母線完全分段運行，即三條6.3KV母線均分段運行；

前置機斷電；

前置機處于演示模式；

兩臺前置機都處于運行模式下，出現(xiàn)決策表或者負荷優(yōu)先級不同步。

4.3.5、穩(wěn)控的時序和時間特性

當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。前置機發(fā)出負荷減載命令給相關(guān)的同步向量測控裝置。同步向量測控裝置接收到兩臺前置機命令后，進行或運算，發(fā)出切除負荷跳閘命令，脈寬為220ms。從前置機判斷切除命令到同步向量測控裝置檢測到與N-2相關(guān)的斷路器斷開，其時間間隔在30ms左右（含前置機判斷事件延時的20ms）。

5.總結(jié)

隨著變電站智能化的水平日益提升，采用先進控制技術(shù)，在發(fā)生電網(wǎng)擾動和孤網(wǎng)時確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，確保企業(yè)電網(wǎng)的安全化、信息化，是一個大的趨勢。POWERMAX穩(wěn)定控制方案目前已在多個大型工況系統(tǒng)項目中投入使用，效果顯著。在電力異常或故障情況下確保了整個供電系統(tǒng)及設(shè)備的穩(wěn)定運行，減少了企業(yè)的損失，帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[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行閉鎖策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，42（17）：184-191.

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

[3]傅寧濤，葉國華，張茂強.大型發(fā)電廠啟備變帶公用負荷結(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)中心建筑用電負荷密度研究[J].中國標準化，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.