鋼鐵企業(yè)自備電廠孤網(wǎng)運行控制策略

黃　忻，胡　翃，葛蘆生（.安徽工業(yè)大學電氣與信息工程學院，安徽馬鞍山4303；.國網(wǎng)安徽省電力公司和縣供電公司，安徽馬鞍山3800）

鋼鐵企業(yè)自備電廠孤網(wǎng)運行控制策略

黃忻1，胡翃2，葛蘆生1
（1.安徽工業(yè)大學電氣與信息工程學院，安徽馬鞍山243032；2.國網(wǎng)安徽省電力公司和縣供電公司，安徽馬鞍山238200）

為解決鋼鐵企業(yè)自備電廠在孤網(wǎng)狀態(tài)下不能穩(wěn)定運行的問題，在對某鋼鐵企業(yè)自備電廠電氣運行規(guī)則和實時電氣數(shù)據(jù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合其電氣一次系統(tǒng)圖，利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSASP，構(gòu)建自備電廠供電網(wǎng)絡(luò)的仿真模型。按照企業(yè)的實際布局，將獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)按區(qū)域輸入到PSASP構(gòu)建的模型，采用潮流計算法分析該自備電廠并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行時的工況，提出市網(wǎng)失點時自備電廠孤網(wǎng)運行的控制策略。仿真結(jié)果驗證了所提策略的可行性。

自備電廠；孤網(wǎng)；PSASP；潮流計算；控制策略

如何在停電事故發(fā)生之后以最快的速度恢復電力供應是鋼鐵企業(yè)面臨的一大課題。由于企業(yè)電網(wǎng)不屬于大電網(wǎng)的管轄范圍，電力部門對大電網(wǎng)進行穩(wěn)定性分析時往往不考慮企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而針對企業(yè)需求及其特點開展相關(guān)研究以加強其自身電網(wǎng)建設(shè)具有重要意義。目前，學者們對此也進行了相關(guān)研究，如王春江［1］針對南鋼用電負荷性質(zhì)及其電廠設(shè)備情況，依據(jù)孤網(wǎng)運行的原理，提出了一套南鋼自發(fā)電由并網(wǎng)切換成孤網(wǎng)的可行性方案；吳作君等［2］從孤網(wǎng)檢測、孤網(wǎng)運行中高頻切機與低頻減載方面分析了孤網(wǎng)行中應注意的問題；包自力等［3］給出了一種基于系統(tǒng)頻率信息和負荷重要性程度的企業(yè)自備電廠甩負荷策略。

基于協(xié)調(diào)方程的經(jīng)典經(jīng)濟調(diào)度方法具有算法簡單、可實時計算等優(yōu)點，但協(xié)調(diào)方程式不能計及安全性約束。隨著配電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，以數(shù)學規(guī)劃為模型的潮流計算由于其可將系統(tǒng)經(jīng)濟性、安全性及電能質(zhì)量這3個指標統(tǒng)一起來，成為研究電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃方案的重要手段［4-5］。如周波等［6］針對某大型企業(yè)集團孤網(wǎng)運行的可行性，采用潮流計算等方法論證了該集團電網(wǎng)主接線方式的合理性與安全性；劉楊華等［7］針對傳統(tǒng)潮流計算一般需先設(shè)定系統(tǒng)的平衡節(jié)點（往往由具有調(diào)節(jié)能力大、反應速度較快的大型水電廠承擔）問題，提出了一種將各分布式電源視為松弛節(jié)點的、改進的潮流計算方法；劉明波等［8］針對微電網(wǎng)中電源與負載的隨機性，采用基于半不變量和Gram-Charlier級數(shù)展開的隨機潮流計算方法對實際孤島微電網(wǎng)的潮流進行分析。本文針對某鋼鐵企業(yè)自備電廠的供電網(wǎng)絡(luò)布局，運用電力系統(tǒng)分析綜合程序（PSASP，7.0版）構(gòu)建其自備電廠供電網(wǎng)絡(luò)的仿真模型，采用潮流計算等方法分析該自備電廠并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行時的工況，并給出孤網(wǎng)運行策略，以期解決自備電廠在孤網(wǎng)情況下難以穩(wěn)定運行的問題。

1　自備電廠供電網(wǎng)絡(luò)的布局

某鋼鐵企業(yè)自備電廠有2個分廠，即一分廠和二分廠。其中：一分廠有3臺高溫高壓煤粉摻燒高爐煤氣鍋爐、3臺全燒高爐煤氣鍋爐和4臺60 MW發(fā)電機組，主要向鋼鐵企業(yè)老區(qū)（老廠區(qū)）送電；二分廠有1臺153 MW燃氣多電機組（蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組），1臺與摻燒高爐煤氣鍋爐配套的135 MW抽凝式發(fā)電機組，主要向企業(yè)新區(qū)（新廠區(qū)）供電。所有機組均通過升壓變壓器接于110 kV供電母線，整個企業(yè)電網(wǎng)屬于有功輸入型，由自備電廠和市電網(wǎng)共同供電，其中自備電廠供電量占70%以上。目前企業(yè)發(fā)電機組不具備孤網(wǎng)運行條件，一旦主網(wǎng)失電，發(fā)電機組將自動脫離電網(wǎng)并停機，造成巨大的經(jīng)濟損失。

該企業(yè)電網(wǎng)110 kV系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲分為兩部分，一部分由市電220 kV經(jīng)劉村變電站接入71#變電站向企業(yè)老區(qū)供電，如圖1所示。老區(qū)110 kV主網(wǎng)網(wǎng)架以一分廠和71#變電站為中心，分別連接11#變、76#變、61#變、63#變、72#變和62#變。71#變電站的2臺249 MVA主變壓器只投入1臺運行，當該線路跳閘時，一分廠將帶老廠區(qū)主要負荷孤網(wǎng)運行。另一部分由市電220 kV經(jīng)由恒興變電站接入鋼軋變電站向企業(yè)新區(qū)供電，如圖2所示。新廠區(qū)110 kV主網(wǎng)網(wǎng)架將二分廠和鋼軋變電站作為中心，分別連接21#變、73#變、29#變負荷及92#煉鋼變、93#新軋變、94#冷軋變、93#風機變、LF爐負荷。96#新高變的主要負荷是高爐，由恒興變電所直接供電。鋼軋變電站有2臺240 MVA主變壓器，為保證經(jīng)濟運行，正常情況下只投入1臺運行，當這條線路跳閘時，二分廠將帶動企業(yè)新區(qū)主要負荷孤網(wǎng)運行。

圖1　企業(yè)老區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)拓撲簡圖Fig.1 Electronic network topology diagram of the old area in the enterprise

圖2　企業(yè)新區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)拓撲簡圖Fig.2　Electronic network topology diagram of the new area in the enterprise

2　仿真模型的建立及自備電廠并網(wǎng)運行的潮流計算與結(jié)果分析

該企業(yè)自備電廠平均發(fā)電量約為額定容量的86%，廠用電約5%，上網(wǎng)約5%。

2.1供電網(wǎng)絡(luò)仿真模型的建立

根據(jù)企業(yè)自備電廠電氣一次系統(tǒng)圖在PSASP中搭建單線仿真模型，如圖3。圖中：黑色小長方形代表斷路器，與斷路器緊連的開關(guān)為隔離開關(guān)；11#、12#、13#3臺發(fā)電機組成二分廠供電網(wǎng)絡(luò)，為雙母線接線方式，標注為鋼塘線（731）、鋼岔線（732）的2條線路用于模擬二分廠與市電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線；由1#、2#、3#和4#發(fā)電機供電部分代表一分廠供電網(wǎng)絡(luò)，為雙母線分段帶旁母接線方式，標注為熱電Ⅰ回線（869）和熱電Ⅱ回線（868）的2條線路用于模擬一分廠與市電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線。正常運行時，除熱電Ⅰ回線（869）、熱電Ⅱ回線（868）為聯(lián)絡(luò)線，其余熱氧線（873）、熱燒線（817）、熱棒Ⅰ回線（875）、熱棒Ⅱ回線（876）、熱軋線（814）、熱焦線（874）、熱特線（872）、硅鋼線（877）、預留線路（8ZZ）為負荷線。71#變電站2臺249 MVA的主變壓器只投入1臺運行，當該線路跳閘，自備電廠將帶企業(yè)主要負荷孤網(wǎng)運行。

圖3　自備電廠電氣一次系統(tǒng)仿真圖Fig.3 Simulation diagram of the electrical system of the self-provided power plant

2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包括基本元件數(shù)據(jù)庫和元件公用參數(shù)數(shù)據(jù)庫。其中：基本元件數(shù)據(jù)庫中主要存放發(fā)電機、變壓器、輸電線、負荷、直流線等系統(tǒng)元件的數(shù)據(jù)；元件公用參數(shù)數(shù)據(jù)庫存放基本元件數(shù)據(jù)庫中具有相同參數(shù)的元器件數(shù)據(jù)，如同步機、調(diào)壓器、調(diào)速器等。本文根據(jù)自備電廠一分廠、二分廠電氣運行規(guī)程、遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)廠家提供的發(fā)電機使用手冊，按照基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立順序完成母線、變壓器、發(fā)電機等數(shù)據(jù)的填寫。

2.3潮流計算

潮流計算是電力系統(tǒng)中最重要的計算，即根據(jù)已知電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和發(fā)電機、負荷等元件的運行條件，計算電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行各母線電壓、各支路電流與功率和網(wǎng)損等。系統(tǒng)中與市電網(wǎng)母線連接的發(fā)電機代表市電網(wǎng)發(fā)電機，選擇其為slack（平衡）節(jié)點。在潮流分布算出之前，網(wǎng)絡(luò)中的功率損失是未知的，且至少有1個有功功率不能給定，平衡節(jié)點承擔系統(tǒng)有功功率平衡，市電網(wǎng)用無窮大母線代替。一分廠的1#、2#、3#和4#共4臺發(fā)電機，屬于PQ節(jié)點，其有功功率和無功功率是給定的，待求量為電壓。電壓上、下限分別為+5%和-5%偏差，潮流計算的方法選擇牛頓法［9］，迭代次數(shù)的上限為50次。

潮流計算所得結(jié)果見表1～4，分別包括2個分廠各臺發(fā)電機、各條負荷線路的有功功率、無功功率、功率因數(shù)及各條物理母線的電壓幅值、相角等。由表1可以看出，自備電廠總有功負荷大于其發(fā)電總有功功率，驗證了該企業(yè)電網(wǎng)需由自備電廠和市電網(wǎng)共同供電的假設(shè)。表2中發(fā)電機有功功率、功率因數(shù)、無功功率數(shù)據(jù)與生產(chǎn)廠家提供的發(fā)電機使用手冊完全一致。表3中各條母線電壓幅值在110 kV附近，均在設(shè)定的電壓上下限范圍內(nèi)，說明計算結(jié)果是有效的。表4中各負荷功率因數(shù)均接近于1，表明設(shè)備利用率較高，線路損耗小。

表1　功率計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of power

表2　發(fā)電機計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of generators

表3　物理母線計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of physical bus

表4　負荷計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of load

2.4暫態(tài)計算

暫態(tài)計算在潮流計算的基礎(chǔ)上進行。計算前定義：系統(tǒng)頻率為50 Hz，計算總時間為5 s，自備電廠正常并網(wǎng)。計算結(jié)果如圖4，其中橫坐標表示時間，縱坐標以標幺值（相對值）形式表示。由表4可看出，自備電廠正常并網(wǎng)運行時，發(fā)電機之間功角隨時間變化一直保持穩(wěn)定，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖4　正常情況下暫態(tài)計算結(jié)果Fig.4 Calculation result of Transient under normal condition

3　自備電廠孤網(wǎng)運行控制策略及仿真結(jié)果分析

劉村變電站是一分廠與市電網(wǎng)的連接點，劉村變電站全停時，整個一分廠將孤網(wǎng)運行，此時，一分廠的4臺發(fā)電機均為含一次調(diào)頻的功頻運行方式；恒興變電站是企業(yè)自備電廠二分廠與市電網(wǎng)的連接點，當恒興變電站全停時，相當于整個二分廠孤網(wǎng)運行。由PSASP軟件模擬此時2個分廠孤網(wǎng)運行，結(jié)果如表5。由表5可見，孤網(wǎng)運行時一分廠、二分廠功角失穩(wěn)，系統(tǒng)不能保持穩(wěn)定。

表5　孤網(wǎng)運行全網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性判別結(jié)果Tab.5 Results of transient stability of whole grid under isolated operation

若劉村變電站全停，則一分廠處于有功功率缺額的狀態(tài)，此時須令自動低頻減負荷裝置動作，使保留下來繼續(xù)運行的負荷容量與運行中的發(fā)電容量基本一致，保證向重要負荷不間斷供電。自動低頻減負荷裝置需滿足如下基本要求：

1）當電力系統(tǒng)正常運行時，因突發(fā)故障導致有功功率不足，必須及時切除相應容量的負荷，使保留下來繼續(xù)運行的系統(tǒng)能夠快速恢復到額定頻率附近，沒有頻率崩潰，且不會使故障后的系統(tǒng)頻率長時間處于某一較高或偏低的數(shù)值；

2）按負荷的重要性設(shè)定自動低頻減負荷裝置動作的先后順序；

3）充分利用系統(tǒng)的備用容量，當出現(xiàn)有功功率不足導致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率下降但不少于49.5 Hz時，自動減負荷裝置不動作［10］。

根據(jù)低頻減負荷的要求以及自備電廠負荷的重要程度，將負荷分為三級，當發(fā)電機輸出的有功功率小于負荷有功功率時，從三級負荷開始切除，直至發(fā)電機有功功率與負荷有功功率基本平衡。一分廠的5條線路分別為熱軋814線路、熱特872線路、熱燒817線路、硅鋼877線路和熱棒Ⅰ回875線路，二分廠三級負荷為冷軋735線路和熱軋736線路。對于一分廠來說，若切除三級負荷后仍不能穩(wěn)定運行，則需進一步切除二級負荷，但二級負荷的切除會使整個鋼鐵廠無法正常運行。因此，當處于孤網(wǎng)運行狀態(tài)時，對2個分廠采用不同的切負荷策略：二分廠逐級切除；一分廠切除每級負荷中可切除的部分，占總負荷的8%左右［11-12］。采用PSASP分別對二分廠切三級負荷、一分廠切8%負荷及一分廠切8%負荷后再切三級負荷3種切負荷方式進行仿真，判別其系統(tǒng)運行狀態(tài)，結(jié)果見表6。

表6　不同切負荷策略下孤網(wǎng)運行結(jié)果Tab.6 Operation results of the isolated power grid with different cutting load strategy

表6表明：孤網(wǎng)運行狀態(tài)時，二分廠切斷三級負荷后，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行；一分廠孤網(wǎng)運行狀態(tài)時，切除每級8%負荷時，發(fā)電機組間功角仍不能穩(wěn)定，為此，再切除三級負荷熱軋814線路、硅鋼877線路和熱燒817線路，此時發(fā)電機間的功角穩(wěn)定，發(fā)電機的頻率穩(wěn)定在50 Hz，發(fā)電機的端電壓穩(wěn)定在106.8 kV，系統(tǒng)電壓和頻率在允許變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，進一步表明本文采取的控制策略是可行的。

4　結(jié)　論

利用PSASP軟件對某鋼鐵企業(yè)自備電廠供電網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行時的工況進行潮流計算和暫態(tài)穩(wěn)定計算，結(jié)果表明，該自備電廠孤網(wǎng)運行時發(fā)電機之間的功角差過大，功角失穩(wěn)，導致發(fā)電機不能維持同步運行。為此，提出一種企業(yè)自備電廠孤網(wǎng)運行時可行的控制策略，即投入低頻減負荷裝置。當自備電廠孤網(wǎng)運行電網(wǎng)不能保持穩(wěn)定時，根據(jù)負荷的重要性對自動低頻減負荷裝置動作的先后順序進行安排，從三級負荷開始切負荷，或者根據(jù)實際情況切除每級負荷中可切除的部分，再按照負荷等級從低到高切除負荷，從而保證電網(wǎng)頻率和發(fā)電機端電壓及功角的穩(wěn)定。本文的研究結(jié)果可為鋼鐵企業(yè)自備電廠的安全供電提供參考，同時對其他大型企業(yè)的自備電廠也有一定的參考價值。

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責任編輯：何莉

Control Strategy for Isolated Power Grid of Self-provided Power Plant of Iron and Steel Enterprise

HUAMG Xing1，HU Hong2，GE Lusheng1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243032，China；2.Hexian Electric Company，State GridAnhui Electric Power Company，Ma'anshan 238200，China）

In order to solve the stable running problem for self-provided power plant of iron and steel enterprise under the isolated situation，after analyzing the electronic operation rules and real-time electronic data of the power plant，and combining with its electrical diagrams，a simulation model of power supply network of self-provided power plant was constructed by using power system simulation software PSASP.According to the layout，basic data acquired from the power plant were put into the model with respect to different areas，then operating conditions of the self-provided power plant connecting and isolated with grid were analyzed with the method of flow calculation，and an isolated operation control strategy was proposed.Simulation results verified the feasibility of the proposed strategy.

self-provided power plant；isolated power grid；PSASP；flow computation；control strategy

TM744

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.011

1671-7872（2016）02-0148-06

2016-03-31

國家自然科學基金項目（E070602）

黃忻（1963-），女，安徽蕪湖人，實驗師，主要研究方向為工廠供電。