青海油田電能質(zhì)量管理與電網(wǎng)科學(xué)調(diào)度研究

李亞寧

摘要：針對青海油田電力系統(tǒng)在逐步與國家電網(wǎng)并網(wǎng)運行期間，油田電力供應(yīng)出現(xiàn)的一些突出問題及矛盾，從調(diào)整機組運行方式、修訂繼電保護定值等舉措入手，對油田電網(wǎng)電能質(zhì)量管理與電網(wǎng)科學(xué)調(diào)度展開研究。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量;電網(wǎng)科學(xué)調(diào)度;運行方式 ;控制模式

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）16-0255-02

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1電能質(zhì)量與電網(wǎng)科學(xué)調(diào)度的定義

電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的質(zhì)量。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、標(biāo)準(zhǔn)正弦波和額定電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統(tǒng)中，各相電壓和電流的幅值大小應(yīng)相等、相位對稱且相差120度。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對稱，負荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想的狀態(tài)并不存在，因此產(chǎn)生了電網(wǎng)運行、電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量管理的概念。

電網(wǎng)科學(xué)調(diào)度又稱電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度，它是在保證安全、可靠運行和滿足電能質(zhì)量、用電需要的前提下，根據(jù)經(jīng)濟調(diào)度的基本原理，制定各廠（站）之間或機組之間的最優(yōu)負荷分配方案，使整個電網(wǎng)的能耗或運行費用最少，從而獲得最大的經(jīng)濟效益。

電能質(zhì)量管理及電網(wǎng)科學(xué)調(diào)度是電力行業(yè)中極其重要的兩個單元，完善兩個單元的工作龐大而又艱巨。

2 青海油田電能質(zhì)量管理與電網(wǎng)科學(xué)調(diào)度現(xiàn)狀及存在問題

青海油田電力系統(tǒng)經(jīng)過近60年發(fā)展，目前地區(qū)電網(wǎng)已形成一定規(guī)模的110kV—35kV—10kV網(wǎng)架，以330kV花土溝變?yōu)殡娫袋c，形成輻射式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。雖然油田的電力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日趨合理，供電能力有所提高，但是隨著油田電力系統(tǒng)與青海電網(wǎng)并網(wǎng)運行，長久以來孤網(wǎng)運行模式下的油田電力供應(yīng)出現(xiàn)了以下突出問題及矛盾：

1）發(fā)供電能力制約供電可靠性。雖然油田電網(wǎng)已并入國家電網(wǎng)系統(tǒng)，但是在330kV電網(wǎng)接入的過渡時期，一旦國家電網(wǎng)失電，油田自備發(fā)電機組（燃氣輪機發(fā)電機組，燃料為天然氣）由于天然氣供氣量調(diào)整需要時間、啟動備用機組需要時間，人員、設(shè)備調(diào)整等客觀因素，會造成短時間內(nèi)無法保障油田供電。

2）由于系統(tǒng)負荷預(yù)測功能欠缺，系統(tǒng)科學(xué)調(diào)度能力薄弱，電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)整基本處于半自動化，多數(shù)情況需要人為調(diào)整階段，沒有健全自動化的分析體系。

3 解決方案

3.1發(fā)電機組運行模式調(diào)整

1）結(jié)合國家電網(wǎng)海西供電公司分時電價特點，調(diào)整生產(chǎn)運行方式，通過合理分配峰谷負荷，在“峰、平”時段應(yīng)盡量多發(fā)少購，“谷”時段應(yīng)盡量少發(fā)多購，做到隨負荷、季節(jié)變化及時調(diào)整，保證油田電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行。

2）調(diào)整燃機機組控制程序，完成油區(qū)故障下機組控制模式的自動切換，確保機組與大網(wǎng)并網(wǎng)中電壓波動及故障時的安穩(wěn)運行。

青海油田電網(wǎng)與海西電網(wǎng)間的電力分配系統(tǒng)包括各級變電站和負載，中間由一個聯(lián)絡(luò)開關(guān)互聯(lián)。燃機機組上網(wǎng)運行采用有功有差控制和無功功率因數(shù)自動控制模式，在電力分配系統(tǒng)下遠端故障時，會有大量的無功產(chǎn)生，此無功量超出發(fā)電機的承載能力，導(dǎo)致發(fā)電機電壓下降，進而會導(dǎo)致發(fā)電機延時10 秒跳機。故障情況下如果發(fā)電機組與大網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，負載需要及時切斷、調(diào)配，以減少對發(fā)電機組的沖擊。與大網(wǎng)脫離時如果機組不能及時響應(yīng)，沖擊會馬上造成機組被動調(diào)整，根據(jù)目前的有差控制模式發(fā)電機很快降低頻率，電力系統(tǒng)低頻率將激發(fā)各級保護跳閘以及系統(tǒng)低頻優(yōu)先脫扣動作，結(jié)果是大網(wǎng)故障的同時，油田發(fā)電機組也由于本身問題同時解列。

所有機組都在早期設(shè)計時考慮到了與大網(wǎng)并列的需要，每臺機組都預(yù)留了大網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的狀態(tài)反饋以便于自動在孤島和并網(wǎng)運行間切換運行模式。以 1#機與 2#機上網(wǎng)的情況為例（如圖 1），在機組啟動后正常上網(wǎng)后，將控制模式全部轉(zhuǎn)換為自動上網(wǎng)控制，即為功率自動控制和功率因數(shù)控制。機組的功率在 0-7MW的范圍內(nèi)有輕微波動，但基本穩(wěn)定。在隨后的 7.2MW 以上帶載運行時，自動發(fā)生劇烈抖動，功率波動發(fā)散，嚴(yán)重時需要手動干預(yù)。考慮負載就近原則，極有可能發(fā)生與其他機組不同步的情況，通常情況下這類不同步會引起機組間負載波動。上網(wǎng)后在有差狀態(tài)時，負載自動分配和橫流補償無法投入，在同一段母線下的機組差異太大時會造成機組間不同步。

目前，主要問題集中在機組轉(zhuǎn)速控制和負載控制響應(yīng)方面：首先，經(jīng)過多年使用，部分燃料控制閥運行時在相對固定的 75%開度左右磨損及滯后，線性變差，控制精度下降，與大網(wǎng)并列后有關(guān)燃料控制閥的增益應(yīng)該需要調(diào)整;其次，機組從孤網(wǎng)運行轉(zhuǎn)到并列運行后，負載控制增益和功率控制增益需要重新調(diào)試。

以1#機為例，在燃料控制系統(tǒng)中與實際負載相關(guān)的兩個增益，空載增益F13：76和滿載增益 F13：77在控制程序中仍然保持為上網(wǎng)前控制狀態(tài)的常數(shù)值0.24 和 0.24。此兩個增益與實際負載和負載轉(zhuǎn)速控制的線性函數(shù)關(guān)系如下：

（滿載增益-空載增益）×有功載荷% + 空載增益 = 負載轉(zhuǎn)速增益

通常來說合適的負載轉(zhuǎn)速增益要兼顧負載控制漂移（小波動）和負載沖擊時的階躍響應(yīng)，并與其他在網(wǎng)機組負載特性盡量保持一致，以減少負載擾動時不同步超出正?？刂频目赡苄浴＝?jīng)確認(rèn)其他機組的增益也保持為上網(wǎng)前的有關(guān)值。由于每臺發(fā)動機的機械性能都會有一定差別，現(xiàn)場負荷特性不一致，所以這兩個增益需要經(jīng)過現(xiàn)場測試后稍做調(diào)整。而關(guān)于電網(wǎng)并列機組的穩(wěn)定性涉及復(fù)雜的動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。由于生產(chǎn)過程對電力系統(tǒng)的各類干擾一直會存在，所以隱患會一直存在。

在一個典型互相連接的發(fā)電動力系統(tǒng)內(nèi)，所有同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子都旋轉(zhuǎn)于相同的平均轉(zhuǎn)速（不考慮極性、變頻、減速齒輪等因素）。發(fā)電機輸出上網(wǎng)的電能與原動機提供的機械能對等。在理想穩(wěn)定工況下輸出的電能與輸入的機械能保持平衡。原動機輸入到發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械能等于力矩和轉(zhuǎn)速的乘積 Pm=Tm*ω，而且力矩的方向為轉(zhuǎn)子的旋向。而施加在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的電力矩 Te 是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的反向（圖 2）。

當(dāng)電力系統(tǒng)由于故障或負載沖擊會造成發(fā)電機輸出的電能發(fā)生變化。發(fā)電機側(cè)電能變化相對原動機側(cè)機械能的改變通常要快速的多。由于這個差異造成對頻率/轉(zhuǎn)速的不同響應(yīng)，會瞬時打破上述的電能和機械能的平衡。力矩的不平衡將造成轉(zhuǎn)子根據(jù)向不平衡方向加速或減速。

數(shù)個發(fā)電機并列的動力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性可以用以下橡皮筋吊掛解釋。每一個重量都是一個發(fā)電機和原動機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。任何一個節(jié)點的有效擾動都會造成整個系統(tǒng)的振蕩。由于系統(tǒng)的阻尼作用，在下一次干擾前振蕩會最終平衡。振蕩的頻率與系統(tǒng)中的重量和橡皮筋的張力相關(guān)，所以不同系統(tǒng)的固有振蕩頻率是不一樣的。如果干擾持續(xù)不斷的存在于某個節(jié)點，并且每次干擾發(fā)生于系統(tǒng)振蕩從上一次干擾完全恢復(fù)之前，則系統(tǒng)會在一定的阻尼因素下持續(xù)振蕩，并且隨干擾的強度和頻率保持變化。如果干擾的頻率與系統(tǒng)固有頻率恰好一致，會造成振幅疊加，嚴(yán)重的情況會造成系統(tǒng)走向臨界狀態(tài)。

同理，故障或負載沖擊可以看作是一個對局域的電力系統(tǒng)的瞬態(tài)干擾，會打破發(fā)電機的輸出電能和輸入機械能的平衡，造成系統(tǒng)振蕩。另外與如上所說橡皮筋吊掛不同，每個發(fā)電機本身的慣量是動態(tài)的自身控制平衡，即是潛在的對系統(tǒng)的干擾來源之一。由此可知每個發(fā)電機的狀態(tài)都對系統(tǒng)的影響是很大的。

綜上所述，電站機組間在運行時偶發(fā)振蕩是由于有干擾破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在網(wǎng)的一臺機組由于控制失衡隨即自身控制產(chǎn)生波動變成干擾來源，對系統(tǒng)進一步干擾。此干擾與當(dāng)時就近其他機組及電網(wǎng)的振蕩和阻尼作用恰好同頻并互相激勵，所以持續(xù)不斷。好在電網(wǎng)的阻尼作用相對單臺機組來說較大，單機的波動強度有限所以一般不會造成事故。

根據(jù)以上初步分析結(jié)果，機組應(yīng)該運行在上網(wǎng)自動控制模式，即有功和無功負載根據(jù)設(shè)定點自動控制。當(dāng)大網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開時，機組應(yīng)該自動轉(zhuǎn)為頻率和電壓有差控制以應(yīng)對孤網(wǎng)模式。為了解決機組上網(wǎng)穩(wěn)定性問題，制定了以下調(diào)整方案：

1） 將大網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線斷路器開關(guān)狀態(tài)信號引入索拉機組控制系統(tǒng)，以便燃機機組在孤網(wǎng)或并網(wǎng)運行時自動切換運行模式。

2） 將機組電壓調(diào)節(jié)量由5%改為7%，減少系統(tǒng)發(fā)生事故時電壓波動對機組影響。

3）加裝10MVAR “SVG”自動無功補償裝置，對系統(tǒng)無功變化量進行自動全補償，解決無功波動引起的電壓波動，減少系統(tǒng)故障時對機組的沖擊，保證機組可靠運行。

3.2修訂繼電保護定值

3.2.1校核繼電保護定值

對油田所有35kV、10（6）kV線路的繼電保護定值進行了逐一校核，及時調(diào)整不符合目前運行負荷要求的線路保護定值，保證繼電保護裝置的快速、可靠、有選擇的動作。

3.2.2調(diào)整線路時限，防止越級跳閘

鑒于青海油田所屬油砂山變電站35 kV出線投入了線路距離保護功能（為保護線路全長，該保護范圍已延升至下屬的降壓變電站的10 kV部分線路），導(dǎo)致10 kV線路故障時，會引起35 kV線路越級跳閘，可以對油砂山35 kV饋出線下屬的其他變電所的所有10（6）kV線路的II段延時定值進行調(diào)整，以杜絕越級跳閘事故的發(fā)生。

3.2.3完善低壓低頻減載裝置保護功能

為了保障發(fā)電機組故障甩負荷后油田電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，在重要樞紐變電站安裝低壓低頻減載系統(tǒng)，并投入低壓低頻減載功能，對裝置的參數(shù)及時進行修正和完善。

4 結(jié)語

電能質(zhì)量問題的重要性日益突出，引起了廣大電力工作者的高度重視。本文針對青海油田電網(wǎng)電能質(zhì)量管理與電網(wǎng)科學(xué)調(diào)度中存在問題提出的解決方案，不論是運行方式的優(yōu)化調(diào)整還是繼電保護定值的核對修訂，都確保了油田供電的安全平穩(wěn)可靠;同時為油田大電網(wǎng)引入后，如何經(jīng)濟、安全購、發(fā)、供電，探索新型運行模式提供了寶貴經(jīng)驗，有力提高油田電網(wǎng)管理水平。

參考文獻：

[1] 程浩忠.電能質(zhì)量[M].清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 石俊杰，孟碧波，顧錦文.電網(wǎng)調(diào)度自動化專業(yè)綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（8）：1-5.

【通聯(lián)編輯：光文玲】