首鋼京唐供電系統孤網運行的可行性研究

沈軍，李賀昌

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山063210）

供用電

首鋼京唐供電系統孤網運行的可行性研究

沈軍，李賀昌

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山063210）

首鋼京唐電力系統的特點是雖為用電負荷中心但與主電網聯系薄弱，一旦形成孤網后，自備發電機組成為唯一電源。在失去外部電源的情況下，維持發電機組孤網運行對鋼鐵廠的安全至關重要。由于鋼鐵廠沖擊性用電負荷比重較大，機組孤網運行有一定困難，從發電機一次調頻、負荷平衡、低周減載方面探討維持機組孤網運行的可能并給出相關建議。

孤網運行；頻率控制；低周減載

1 引言

局部電網故障、極端天氣或地質災害的發生以及人為操作失誤均可能導致與主網聯系薄弱的地區電網與主網解列，形成孤網運行的情況。孤網運行時系統頻率變化劇烈，如果控制措施不當，極可能出現大面積停電事故。

2 發電機孤網運行的特點

孤網運行最為突出的特點，是由負荷控制轉變為頻率控制，這就要求調速系統具有負荷要求的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性，以保護在用戶負荷變化的情況下自動保持電網頻率的穩定即一次調頻功能。如圖1所示。

圖1 發電機有功—負荷一次調頻示意圖

其中發電機組原動機的頻率特性與負荷頻率特性分別為圖1中為PG與PL直線，最初的原始運行點為圖中O點，如果在O點運行時負荷突然增加ΔPLO，即負荷的頻率特性突然向上移動ΔPLO，則由于負荷突增時發電機組功率不能及時隨之變動，機組將減速，系統頻率將下降。而在系統頻率下降的同時，發電機組的功率將因它的調速器的一次調整作用而增大，負荷的功率將因它本身的調節效應而減少。前者沿原動機的頻率特性向上增加，后者沿負荷的頻率特性向下減少，經過一個衰減的震蕩過程，抵達一個新的平衡點即圖1中的O'點，而與此同時系統的頻率也由原來的f0減少到f'0，隨負荷的下降，頻率將繼續下降，如果負荷的變化超過一定值或者變化速度超出發電機組調節速度，則會引起頻率過低，導致低頻甩負荷甚至發生發電機低頻跳機，進而造成整個孤網系統瓦解。

從以上分析可以看出，為了維持孤網運行的穩定性，就要做到出現孤網運行時的發供電負荷平衡，同時要避免出現較大的沖擊性負荷，否則會引起頻率崩潰。

3 京唐公司形成孤網的可能性

3.1 公司電網配置及負荷情況簡介

首鋼京唐公司共有兩座220 kV變電站，電源均取自同一220 kV變電站。京唐公司2×300 MW煤氣混燒發電機組均為110 kV系統并網，具體接線如圖2所示，同時公司還配置6臺小發電機組，均并網于110 kV區域變電站10 kV母線，裝機容量及并網方式見表1。

圖2 電力系統運行方式簡圖

表1 發電機組裝機容量及并網方式

根據2011年度公司發供電系統實際運行情況，總發電能力為773 MW，公司總用電負荷平均為670 MW，波動范圍為610～780 MW。

3.2 京唐公司電網孤網運行可行性分析

京唐公司外接4路220 kV電源均來自同一220 kV變電站，一旦上級變電站失電則會導致京唐公司電力系統陷入孤網運行狀態，而能否維持300 MW發電機組穩定運行則成為我們必須要面對的問題。因此，研究孤網運行及其安全穩定控制方案，具有顯著的現實意義。

首先從發供電系統負荷平衡來說，京唐公司發電能力（773 MW）足以滿足電網內部用電需要（670 MW），而由于存在較大的沖擊性負荷(明細見表2)，有功最大沖擊負荷可達780 MW，變化速率可達42.5 MW/min，一旦機組的即時調節能力不能滿足沖擊性負荷及變化速率的需求，可能會造成機組解列停機，以下具體從發電機組調節及負荷性質方面進行說明。

表2 主要沖擊負荷明細表

3.2.1發電機組的調節能力及負荷性質分析

單臺300 MW發電機組其調差系數為σ%=5，所以其單位調節功率：

急劇的負荷變化會使火電廠的鍋爐、汽輪機受損傷或因燃燒不穩定而引起熄火，一般來說，每分鐘調節范圍為2%～5%，對于2臺300 MW發電機組調節范圍最大為30 MW/min，同時根據《華北電網發電機組一次調頻管理規定》：當電網頻率變化達到一次調頻動作值到機組負荷開始變化所需的時間為一次調頻負荷響應滯后時間，應小于3 s。由于京唐公司大部分負荷具有波動性，而非平穩的用電負荷，尤其是當LF爐、冷軋、熱軋等工藝系統在軋鋼時的沖擊負荷可以達到很高，主要表現為公司平均小時用電負荷670 MW，而沖擊負荷可達到780 MW（實時用電負荷情況見圖3所示），那么根據公式（1），則瞬間孤網運行后的電網頻率改變1 Hz，即頻率瞬時下降到49 Hz，同時根據表3所示，此時會有部分負荷由于頻率降至低周減載定值以下自動切除。由于沖擊負荷的瞬時性，當軋制過程結束時，負荷降低180 MW，負荷瞬時降低頻率則會瞬時升高1.5 Hz，如此大范圍的頻率變化，會對發電機組的一次調頻帶來嚴峻的考驗，一旦出現發電機組的發電負荷調節量無法響應負荷要求值，則可能瞬時導致頻率崩潰而造成公司電網癱瘓，勢必對公司運行造成巨大影響，因此一旦出現孤網運行時，瞬間切除沖擊負載成為電網能否持續運行的的關鍵性問題。

圖3 有功負荷分時曲線

由于電網正常運行時公司電網外購電負荷較小（平均為40 MW），當電網轉為孤網運行時，瞬間切除沖擊性負荷約167 MW，機組的瞬時功率就會與孤網的負荷偏差較大，使機組轉速迅速上升，根據公式（1），則系統頻率將會升高，一旦超過規定值，則超速保護控制OPC（Over speed Protection Control）觸發機組跳閘。因此，當機組處于孤網運行時，為了機組與孤網的穩定運行，應該適當調高OPC動作值，具體動作值應根據試驗數據而定，防止因超速導致發電機損壞甚至出現飛車現象的發生。

3.2.2公司低周減載分布情況

當一臺300 MW發電機組檢修期間，公司電力系統出現孤網運行的情況下，由于發電能力降為473 MW，除了瞬間切除沖擊性負荷167 MW后，負荷仍高達493 MW，在這種情況下，頻率必然會有所下降，同時在下降過程中，為了保證電網頻率保持在50±0.2 Hz的范圍內，必然還需切除部分負荷，使發供電負荷達到平衡，具體低周減載負荷情況如表3所示，總負荷為233.6 MW，頻率分為6個等級，按照負荷性質等級不同，逐步實施甩負荷，從而實現電網頻率在要求范圍內，同時各發電機組也配置低頻解列保護，保證發電設備不受損害。

表3 京唐公司低周減載具體明細表

3.3 京唐公司區域電網孤網運行可行性分析

京唐公司電力系統形成孤網后，一旦出現電網電壓或頻率震蕩下行較大時，則極可能會發生300 MW機組解列停機。而TRT發電機組（煤氣壓差發電）及25 MW發電機組（煤氣鍋爐發電）受高爐多方面因素的制約難以保持正常生產，從而也就無法保證所在區域的孤網運行。而對焦化工序來說，從理論上講由于其受制約因素少，只要保證對其正常供電，就可以保證CDQ發電機組正常發電，由于其所在區域電網1#110 kV變電站不含沖擊性負荷，也就形成了孤網運行的有利條件。否則300 MW機組停機最終必定會導致各小發電機組全部停機，因此當4條220 kV進線開關變位或頻率下降到一定值時1#110 kV變電站的110 kV進線開關應自動與電網解列，從而可以保持此區域電網的繼續運行，避免公司電網系統全部崩潰。要實現CDQ孤網穩定運行需要在1#110 kV變電站與系統解列后，根據負荷平衡情況，及時切除部分用電線路，實現發供電負荷平衡，并在運行中避免大功率設備的起停，維持其穩定用電負荷，以確保發電機組穩定運行。

而對于孤網運行成功后的再并網問題可以在110 kV進線加裝同期裝置，在系統恢復供電后與系統并網，這就避免了必須停電的可能。

3.4 京唐公司電網孤網運行情況總結

由于孤網出現后，發電機組成為唯一供電來源，保證機組穩定運行成為關鍵。而確保機組穩定運行必須使發供電系統負荷達到平衡，才能保證頻率和電壓的質量。根據以上分析公司目前只實現了部分低周甩負荷功能，然而對于如何檢測孤島情況的產生及在發生孤網情況下如何瞬時切除沖擊性負荷，這也是實現公司孤網運行穩定的關鍵，根據實際情況應以4條220 kV進線斷路器狀態作為參考依據。

4 結論

孤網運行發生后發電機組成為唯一供電來源，保證機組穩定運行成為關鍵。根據本文分析，原則上必須保證部分區域電網孤網穩定運行，其次是實現京唐公司大電網孤網穩定運行。要維持機組穩定運行，除了具備必要的低周減載手段，還需進行以下三個方面的工作：

（1）發生孤網時需要瞬時切除沖擊性負荷，因此如何檢測出孤島情況的產生是實現公司孤網運行穩定的關鍵，根據公司情況應該以4條220 kV進線斷路器狀態作為依據。

（2）在檢測出發生孤網情況下，如何瞬時動作切除沖擊負荷是防止孤網頻率崩潰，維持孤網穩定運行的另一關鍵因素，應在沖擊負荷處加裝孤網運行模式下的瞬時切除裝置，并應考慮在沖擊性負荷停電后如何迅速開啟如柴油發電機、柴油泵、事故水塔等應急設備，保證重要設備的安全。

（3）在進入孤網運行模式時，適當調高汽機超速保護的動作值，防止超速保護動作使發電機滅磁解列。

[1]陳珩.電力系統穩態分析[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]周志平，孫新良，付晨鵬等.電力系統孤網運行動態特性試驗[J].電網技術，2008，47(2)：78-79.

[3]曾文清.馬鋼新區鋼軋系統電網孤網運行探討[C].全國冶金熱電專業年會論文集，2010：118-119.

Feasibility Study of Isolated Power Grid Operation of Power Supply System of Shougang Jingtang Co.

SHEN Jun，LI Hechang

(Shougang Jingtang Iron&Steel United Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063210,China)

The character of the power grid in Jingtang Co.is that although it is the power load center yet it has weak linkage with the main power grid.Once it becomes an isolated power grid,it’s generator set becomes the only power supply.Maintaining isolated grid operation of the generator set is very important for safety of iron and steel plants in the case of a loss of external power supply.The isolated grid operation of the generator set has certain difficulty due to large impact load proportion of the iron and steel plants.The feasibility to maintain the isolated grid operation of the generator set is discussed from generator’s primary frequency,load balancing and under frequency load shedding,and some suggestions are offered.

isolated grid operation;frequency control;under frequency load shedding

TM7

B

1006-6764(2013)07-0001-03

2013-02-18

沈軍（1972-），男，2010年年畢業于東北大學控制工程專業，高級工程師，現從事電力系統運行管理工作。